生物化学 第四章 酶
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（1）D-，L-立体异构专一性
乳酸脱氢酶催化L－乳酸脱氢转变为丙酮，而对D-乳酸无作用
（2）酶能区分从有机化学观点来看是属于对称分子中两个等 同的基团，只催化其中的一个基团，而不催化另一个。 例1：
CH2OH HO CH
14
CH2 + ATP
甘油激酶
O
P + ADP
HO CH
14
CH2OH
CH2OH
蛋白酶，淀粉酶，脂肪酶，蔗糖酶
4．裂合酶类（lyases）
从底物移去一个基团而形成双键或逆反应
AB
A+B
例 1：
草酰乙酸脱羧酶 碳酸酐酶
例2：
5．异构酶类（isomerase）
催化异构化反应
A
B
例：
6．连接酶类（ligases, 也称synthetases合成酶类）
将两个小分子合成一个大分子，通常需要ATP供能。
Supplement I, 1974年。
（三）六大类酶催化反应的性质
p329 1．氧化还原酶类（oxido-reductases）
催化氧化还原反应的酶，包括氧化酶类、 脱氢酶类、过氧化氢酶、过氧化物酶等。
（1）氧化酶类：催化底物脱氢，并氧化生成H2O或H2O2 。
2A· 2H+O2 A· 2H+O2
二、酶的命名和分类
1961年国际酶学委员会（enzyme commission）提 出的酶的命名和分类方法。
（一）命名
1．系统名称（systematic name） （1）标明底物，催化反应的性质
例: G-6-P→F-6-P G-6-P异构酶
（2）两个底物参加反应时应同时列出，中间用冒号（:） 分开。如其中一个底物为水时，水可略去。
J.H.Northrop
20世纪80年代发现某些RNA有催化
活性，还有一些抗体也有催化活性，
甚至有些DNA也有催化活性，使酶是 蛋白质的传统概念受到很大冲击。
2．某些RNA有催化活性
1982年美国T. Cech等人发现四膜虫的rRNA前 体能在完全没有蛋白质的情况下进行自我加工，发
现RNA有催化活性
（二）酶原的激活
1、胃蛋白酶原（pepsinogen）的激活
胃蛋白酶原
HCl pH1.5～2
（从N端失去44个氨基酸残基） 胃蛋白酶
自身激活
2、胰蛋白酶原（trypsinogen）的激活
3、胰凝乳蛋白酶原（chymotrypsinogen）的激活
（三） 同工酶（isoenzyme or isozyme） 1 同工酶的概念
4．有些DNA也有催化活性
1995年Cuenoud等发现有些DNA分子亦
具有催化活性。
（四）酶的组成
1．单纯蛋白质酶类
2．缀合蛋白质酶类
全酶=酶蛋白+辅助因子（辅酶、辅基或金属离子）
金属离子或小分子有机化合物
辅酶（coenzyme）和酶蛋白结合较松，用透析的方法可以除
去的小分子有机物
辅基（prosthetic group）结合比较紧，用透析的方法不易除去
Cech和Altman各自独立地发现了RNA的催 化活性，并命名这一类酶为ribozyme（核酶）， 2人共同获1989年诺贝尔化学奖。 1．Cell vol 31, 147～157，1982年。
2．Sci. Amer. Vol 255, 64～75，1986。
3．抗体酶（abzyme）
抗体：与抗原特异结合的免疫球蛋白。 抗体酶：指具有催化功能的抗体分子，在抗体分子的可变区 （即肽链的N端）是识别抗原的活性区域，这部分区 域被赋予了酶的属性。
（5）酶的催化活力与辅酶、辅基和金属离子有关
（三）酶的化学本质
1．大多数酶是蛋白质（Most enzymes are proteins）
1926年美国Sumner 脲酶的结晶，并指出酶是蛋白质 1930年Northrop等得到了胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰凝乳蛋 白酶的结晶，并进一步证明了酶是蛋白质。
J.B.Sumner
的小分子物质
辅酶不具备专一型，酶的催化专一性由酶的蛋白质部分决定
（五）根据酶蛋白分子的特点将酶分成三类
1．单体酶（monomeric enzyme） 一条肽链，水解酶
2．寡聚酶（oligomeric enzyme） 几个或多个亚基组成，亚基之间以非共价键集合， 大多为糖代谢酶 3．多酶复合物（multienzyme complex） 几个酶嵌合而成的复合物 2-6个功能相关的酶组成 丙酮酸脱氢酶复合物和脂肪酸合成酶复合物
Thomas Cech University of Colorado at Boulder, USA
1983年美国S.Altman等研究RNaseP（由20% 蛋白质和80%的RNA组成），发现RNaseP中的 RNA可催化E. coli tRNA的前体加工。
Sidney Altman Yale University New Haven, CT, USA
A + B + ATP A + B + ATP AB + ADP + Pi AB + AMP + PPi
例：
乙酸+CoA－SH+ATP 乙酰－S－CoA+AMP+PPi
（水解） （裂合） （异构） （连接酶）
三、酶的结构与功能的关系
（一）酶的活性中心（active center）和必需基团
活性中心的概念
活化能 75.24kJ/mol 48.9kJ/mol 8.36kJ/mol
2．酶作为生物催化剂的特殊点 （1）高的催化效率
以摩尔为单位进行比较，酶的催化效率比化学催 化剂高107～1013倍，比非催化反应高108～1020倍。
例 2H2O2→2H2O+O2
1mole H2O2酶 能催化 5×106mole H2O2的分解 1mole Fe3+ 只能催化6×10-4mole H2O2的分解
2、三点附着学说
立体对映的一对底物基团相同但是空间排列不同，基团与 酶分子活性中心的结合基团不能匹配，只有三点都匹配时， 酶才能作用于这个底物。
3、诱导契合学说（induced-fit theory）
1958年 Koshland提出 “刚性模板学说”不能解释 可逆反应
AB为催化基团 C为结合基团
第四章 酶
本章主要介绍酶的化学本质、结构和特性； 酶的作用动力学；酶的作用机理；酶的应用； 还介绍了别构酶、共价调节酶、同工酶等的概 念、性质、生物学意义。
一、酶的概念
（一）酶的生物学意义
6CO2+6H2O+能量
N2 + 3H2 2NH3 N2+3H2
某些微生物
植物
动物
C6H12O6+6O2↑
500℃ ,300大气压 Fe
2NH3
（二）酶是生物催化剂
1．酶与一般催化剂的共同点
(1) 只催化热力学上允许进行的反应
（2）用量少而催化效率高
（3）能加快化学反应的速度，但不改变平衡点，反 应前后本身不发生变化 如 CO2+H2O H2CO3
（3）降低反应所需的活化能
例 2H2O2→2H2O+O2
反 应 非催化反应 钯催化反应 H2O2酶催化
例 1： 丙氨酸+α-酮戊二酸 → 谷氨酸+丙酮酸 丙氨酸:α-酮戊二酸氨基转移酶 例 2：
脂肪+H2O → 脂酸+甘油
脂肪水解酶
2．习惯名称（recommended name）
（1）底物 （2）反应性质 （3）底物，反应性质 （4）来源或其它特点
（二）系统分类法及编号
1．分类:
6大类酶，氧转水 裂异连
活性中心的两个功能部位：结合部位和催化部位
组成酶活性中心的氨基酸侧链基 团主要有Glu和ASP的-COOH，Lys的
ε-NH2，His的咪唑基，Ser的-OH，
Cys的-SH，Tyr的侧链基团。
结合部位（结合位）
底物靠此部位和酶分子结合
酶活性中心
催化部位（催化位）
底物的键在此处被打断或形成新的 键，从而发生一定的化学变化
2A+2H2O A+H2O2
例：
邻苯二酚氧化酶（EC 1.10.3.1，邻苯二酚：氧氧化酶）
OH OH 2 邻苯二酚氧化酶 2
O O + 2H2O
+ O2
邻苯二酚
邻苯醌
（2）脱氢酶类：直接催化底物脱氢
A· 2H + B A + B· 2H
例：乳酸脱氢酶（EC 1.1.1.27，L-乳酸：NAD+氧化还原酶）
同工酶的概念
同工酶的性质
2 乳酸脱氢酶（lactate dehydrogenase, LDH）
组成和电泳行为
HHHH (LDH1) HHHM HHMM HMMM MMMM (LDH2) (LDH3) (LDH4) (LDH5)
功能
催化的反应
心Biblioteka Baidu:
骨骼肌:
乳酸
乳酸
LDH1
LDH5
丙酮酸
丙酮酸
同工酶研究的意义
转换数（turnover number, TN or kcat）:
每秒钟或每分钟，每个酶分子转换底物的分子数，或每 秒钟或每分钟每摩尔酶转换底物的摩尔数。
（2）高的专一性 （3）温和的反应条件 （4）酶在体内受到严格调控
如酶浓度的调节、激素调节、反馈调节、抑制 剂和激活剂的调节、别构调节、酶的共价修饰调节、 酶原活化等。
若甘油激酶不能区分两个—CH2OH基团，则会生成 :
CH2 HO CH
14
O
P
CH2OH
和
HO CH
14
CH2OH
CH2
O
P
（二）关于酶作用专一性的几种假说
1、锁钥学说（lock and Key theory）
1894年 Fischer 提出
底物分子或底物分子的一部分 象钥匙那样，专一地锲入到酶 的活性中心部位。 底物分子进行化学反应的部位 与酶分子上有催化效能的必需 基团间有紧密的互补关系
酶是蛋白质，是大分子化合物，在这样一个大分子中只有 一小部分是与底物结合，并与催化作用直接有关，这个部位称 酶的活性中心。 不需要辅酶的酶：活性中心就是酶分子在三维结构上比较靠近的 少数几个AA残基或是这些残基上的某些基团 需要辅酶的酶：辅酶分子或辅酶分子上的某一部分结构往往就是 活性中心的组成部分
代谢调节、个体发育、细胞分化、分子 遗传等方面 蛋白质的结构和功能 临床和农业
四、酶的专一性
（一）酶的专一性（特异性，specificity）
1、绝对专一性（absolute specificity）
例:
NH2 C O NH2
NH2 C O NHCH 3
H2 O 脲酶
CO2 + 2NH3
H2 O 脲酶
1986年美国Schultz和Lerner两个实验室同时在Science上 发表论文，报道他们成功地得到了具有催化活性的抗体。 抗体酶的性质 抗体酶的用途
抗体酶可催化多种化学反应，包括酯水解、酰胺水解、酰基转移、 光诱导反应、氧化还原分应、金属螯合反应等。其中有的反应过 去根本不存在一种生物催化剂能催化它们进行，甚至可以使热力 学上无法进行的反应得以进行。 抗体酶的研究，为人们提供了一条合理途径去设计适合于市场需 要的蛋白质，即人为地设计制作酶。它是酶工程的一个全新领域。 利用动物免疫系统产生抗体的高度专一性，可以得到一系列高度 专一性的抗体酶，使抗体酶不断丰富。随之出现大量针对性强、 药效高的药物。立本专一性抗体酶的研究，使生产高纯度立体专 一性的药物成为现实。以某个生化反应的过渡态类似物来诱导免 疫反应，产生特定抗体酶，以治疗某种酶先天性缺陷的遗传病。 抗体酶可有选择地使病毒外壳蛋白的肽键裂解，从而防止病毒与 靶细胞结合。抗体酶的固定化已获得成功，将大大地推进工业化 进程。
X
2、相对专一性（relative specificity）
（1）族专一性（基团专一性，group specificity）
A—B 或 A— B
如α-D-葡萄糖苷酶
CH2OH O OH OH OH O R
（2）键专一性 A—B
O R1C OR2 + H2O
酯酶
R1COOH + R2OH
3、立体专一性（stereospecificity）
2．编号:
用4个阿拉伯数字的编号表示，数字中用“·”隔 开，前面冠以EC（为Enzyme Commission）。 EC 类.亚类.亚亚类.排号，如EC l.1.1.1 Enzyme Handbook， Thomas E Barman编，Vol
I, Vol II 1969年。
Enzyme Handbook，Thomas E. Barman编
底物上加了个庞大的基团
COOH HO C CH3
乳酸
COOH + NAD
+
乳酸脱氢酶
H
C
O
+ NADH + H+
CH3
丙酮酸
2．转移酶类（transferases） 催化基团的转移
A R +B A+ B R
例：谷丙转氨酶（GPT）（EC 2.6.1.2，L-丙氨酸： α—酮戊二酸氨基转移酶）
3．水解酶类（hydrolases） AB + H2O A· OH + BH
乳酸脱氢酶催化L－乳酸脱氢转变为丙酮，而对D-乳酸无作用
（2）酶能区分从有机化学观点来看是属于对称分子中两个等 同的基团，只催化其中的一个基团，而不催化另一个。 例1：
CH2OH HO CH
14
CH2 + ATP
甘油激酶
O
P + ADP
HO CH
14
CH2OH
CH2OH
蛋白酶，淀粉酶，脂肪酶，蔗糖酶
4．裂合酶类（lyases）
从底物移去一个基团而形成双键或逆反应
AB
A+B
例 1：
草酰乙酸脱羧酶 碳酸酐酶
例2：
5．异构酶类（isomerase）
催化异构化反应
A
B
例：
6．连接酶类（ligases, 也称synthetases合成酶类）
将两个小分子合成一个大分子，通常需要ATP供能。
Supplement I, 1974年。
（三）六大类酶催化反应的性质
p329 1．氧化还原酶类（oxido-reductases）
催化氧化还原反应的酶，包括氧化酶类、 脱氢酶类、过氧化氢酶、过氧化物酶等。
（1）氧化酶类：催化底物脱氢，并氧化生成H2O或H2O2 。
2A· 2H+O2 A· 2H+O2
二、酶的命名和分类
1961年国际酶学委员会（enzyme commission）提 出的酶的命名和分类方法。
（一）命名
1．系统名称（systematic name） （1）标明底物，催化反应的性质
例: G-6-P→F-6-P G-6-P异构酶
（2）两个底物参加反应时应同时列出，中间用冒号（:） 分开。如其中一个底物为水时，水可略去。
J.H.Northrop
20世纪80年代发现某些RNA有催化
活性，还有一些抗体也有催化活性，
甚至有些DNA也有催化活性，使酶是 蛋白质的传统概念受到很大冲击。
2．某些RNA有催化活性
1982年美国T. Cech等人发现四膜虫的rRNA前 体能在完全没有蛋白质的情况下进行自我加工，发
现RNA有催化活性
（二）酶原的激活
1、胃蛋白酶原（pepsinogen）的激活
胃蛋白酶原
HCl pH1.5～2
（从N端失去44个氨基酸残基） 胃蛋白酶
自身激活
2、胰蛋白酶原（trypsinogen）的激活
3、胰凝乳蛋白酶原（chymotrypsinogen）的激活
（三） 同工酶（isoenzyme or isozyme） 1 同工酶的概念
4．有些DNA也有催化活性
1995年Cuenoud等发现有些DNA分子亦
具有催化活性。
（四）酶的组成
1．单纯蛋白质酶类
2．缀合蛋白质酶类
全酶=酶蛋白+辅助因子（辅酶、辅基或金属离子）
金属离子或小分子有机化合物
辅酶（coenzyme）和酶蛋白结合较松，用透析的方法可以除
去的小分子有机物
辅基（prosthetic group）结合比较紧，用透析的方法不易除去
Cech和Altman各自独立地发现了RNA的催 化活性，并命名这一类酶为ribozyme（核酶）， 2人共同获1989年诺贝尔化学奖。 1．Cell vol 31, 147～157，1982年。
2．Sci. Amer. Vol 255, 64～75，1986。
3．抗体酶（abzyme）
抗体：与抗原特异结合的免疫球蛋白。 抗体酶：指具有催化功能的抗体分子，在抗体分子的可变区 （即肽链的N端）是识别抗原的活性区域，这部分区 域被赋予了酶的属性。
（5）酶的催化活力与辅酶、辅基和金属离子有关
（三）酶的化学本质
1．大多数酶是蛋白质（Most enzymes are proteins）
1926年美国Sumner 脲酶的结晶，并指出酶是蛋白质 1930年Northrop等得到了胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰凝乳蛋 白酶的结晶，并进一步证明了酶是蛋白质。
J.B.Sumner
的小分子物质
辅酶不具备专一型，酶的催化专一性由酶的蛋白质部分决定
（五）根据酶蛋白分子的特点将酶分成三类
1．单体酶（monomeric enzyme） 一条肽链，水解酶
2．寡聚酶（oligomeric enzyme） 几个或多个亚基组成，亚基之间以非共价键集合， 大多为糖代谢酶 3．多酶复合物（multienzyme complex） 几个酶嵌合而成的复合物 2-6个功能相关的酶组成 丙酮酸脱氢酶复合物和脂肪酸合成酶复合物
Thomas Cech University of Colorado at Boulder, USA
1983年美国S.Altman等研究RNaseP（由20% 蛋白质和80%的RNA组成），发现RNaseP中的 RNA可催化E. coli tRNA的前体加工。
Sidney Altman Yale University New Haven, CT, USA
A + B + ATP A + B + ATP AB + ADP + Pi AB + AMP + PPi
例：
乙酸+CoA－SH+ATP 乙酰－S－CoA+AMP+PPi
（水解） （裂合） （异构） （连接酶）
三、酶的结构与功能的关系
（一）酶的活性中心（active center）和必需基团
活性中心的概念
活化能 75.24kJ/mol 48.9kJ/mol 8.36kJ/mol
2．酶作为生物催化剂的特殊点 （1）高的催化效率
以摩尔为单位进行比较，酶的催化效率比化学催 化剂高107～1013倍，比非催化反应高108～1020倍。
例 2H2O2→2H2O+O2
1mole H2O2酶 能催化 5×106mole H2O2的分解 1mole Fe3+ 只能催化6×10-4mole H2O2的分解
2、三点附着学说
立体对映的一对底物基团相同但是空间排列不同，基团与 酶分子活性中心的结合基团不能匹配，只有三点都匹配时， 酶才能作用于这个底物。
3、诱导契合学说（induced-fit theory）
1958年 Koshland提出 “刚性模板学说”不能解释 可逆反应
AB为催化基团 C为结合基团
第四章 酶
本章主要介绍酶的化学本质、结构和特性； 酶的作用动力学；酶的作用机理；酶的应用； 还介绍了别构酶、共价调节酶、同工酶等的概 念、性质、生物学意义。
一、酶的概念
（一）酶的生物学意义
6CO2+6H2O+能量
N2 + 3H2 2NH3 N2+3H2
某些微生物
植物
动物
C6H12O6+6O2↑
500℃ ,300大气压 Fe
2NH3
（二）酶是生物催化剂
1．酶与一般催化剂的共同点
(1) 只催化热力学上允许进行的反应
（2）用量少而催化效率高
（3）能加快化学反应的速度，但不改变平衡点，反 应前后本身不发生变化 如 CO2+H2O H2CO3
（3）降低反应所需的活化能
例 2H2O2→2H2O+O2
反 应 非催化反应 钯催化反应 H2O2酶催化
例 1： 丙氨酸+α-酮戊二酸 → 谷氨酸+丙酮酸 丙氨酸:α-酮戊二酸氨基转移酶 例 2：
脂肪+H2O → 脂酸+甘油
脂肪水解酶
2．习惯名称（recommended name）
（1）底物 （2）反应性质 （3）底物，反应性质 （4）来源或其它特点
（二）系统分类法及编号
1．分类:
6大类酶，氧转水 裂异连
活性中心的两个功能部位：结合部位和催化部位
组成酶活性中心的氨基酸侧链基 团主要有Glu和ASP的-COOH，Lys的
ε-NH2，His的咪唑基，Ser的-OH，
Cys的-SH，Tyr的侧链基团。
结合部位（结合位）
底物靠此部位和酶分子结合
酶活性中心
催化部位（催化位）
底物的键在此处被打断或形成新的 键，从而发生一定的化学变化
2A+2H2O A+H2O2
例：
邻苯二酚氧化酶（EC 1.10.3.1，邻苯二酚：氧氧化酶）
OH OH 2 邻苯二酚氧化酶 2
O O + 2H2O
+ O2
邻苯二酚
邻苯醌
（2）脱氢酶类：直接催化底物脱氢
A· 2H + B A + B· 2H
例：乳酸脱氢酶（EC 1.1.1.27，L-乳酸：NAD+氧化还原酶）
同工酶的概念
同工酶的性质
2 乳酸脱氢酶（lactate dehydrogenase, LDH）
组成和电泳行为
HHHH (LDH1) HHHM HHMM HMMM MMMM (LDH2) (LDH3) (LDH4) (LDH5)
功能
催化的反应
心Biblioteka Baidu:
骨骼肌:
乳酸
乳酸
LDH1
LDH5
丙酮酸
丙酮酸
同工酶研究的意义
转换数（turnover number, TN or kcat）:
每秒钟或每分钟，每个酶分子转换底物的分子数，或每 秒钟或每分钟每摩尔酶转换底物的摩尔数。
（2）高的专一性 （3）温和的反应条件 （4）酶在体内受到严格调控
如酶浓度的调节、激素调节、反馈调节、抑制 剂和激活剂的调节、别构调节、酶的共价修饰调节、 酶原活化等。
若甘油激酶不能区分两个—CH2OH基团，则会生成 :
CH2 HO CH
14
O
P
CH2OH
和
HO CH
14
CH2OH
CH2
O
P
（二）关于酶作用专一性的几种假说
1、锁钥学说（lock and Key theory）
1894年 Fischer 提出
底物分子或底物分子的一部分 象钥匙那样，专一地锲入到酶 的活性中心部位。 底物分子进行化学反应的部位 与酶分子上有催化效能的必需 基团间有紧密的互补关系
酶是蛋白质，是大分子化合物，在这样一个大分子中只有 一小部分是与底物结合，并与催化作用直接有关，这个部位称 酶的活性中心。 不需要辅酶的酶：活性中心就是酶分子在三维结构上比较靠近的 少数几个AA残基或是这些残基上的某些基团 需要辅酶的酶：辅酶分子或辅酶分子上的某一部分结构往往就是 活性中心的组成部分
代谢调节、个体发育、细胞分化、分子 遗传等方面 蛋白质的结构和功能 临床和农业
四、酶的专一性
（一）酶的专一性（特异性，specificity）
1、绝对专一性（absolute specificity）
例:
NH2 C O NH2
NH2 C O NHCH 3
H2 O 脲酶
CO2 + 2NH3
H2 O 脲酶
1986年美国Schultz和Lerner两个实验室同时在Science上 发表论文，报道他们成功地得到了具有催化活性的抗体。 抗体酶的性质 抗体酶的用途
抗体酶可催化多种化学反应，包括酯水解、酰胺水解、酰基转移、 光诱导反应、氧化还原分应、金属螯合反应等。其中有的反应过 去根本不存在一种生物催化剂能催化它们进行，甚至可以使热力 学上无法进行的反应得以进行。 抗体酶的研究，为人们提供了一条合理途径去设计适合于市场需 要的蛋白质，即人为地设计制作酶。它是酶工程的一个全新领域。 利用动物免疫系统产生抗体的高度专一性，可以得到一系列高度 专一性的抗体酶，使抗体酶不断丰富。随之出现大量针对性强、 药效高的药物。立本专一性抗体酶的研究，使生产高纯度立体专 一性的药物成为现实。以某个生化反应的过渡态类似物来诱导免 疫反应，产生特定抗体酶，以治疗某种酶先天性缺陷的遗传病。 抗体酶可有选择地使病毒外壳蛋白的肽键裂解，从而防止病毒与 靶细胞结合。抗体酶的固定化已获得成功，将大大地推进工业化 进程。
X
2、相对专一性（relative specificity）
（1）族专一性（基团专一性，group specificity）
A—B 或 A— B
如α-D-葡萄糖苷酶
CH2OH O OH OH OH O R
（2）键专一性 A—B
O R1C OR2 + H2O
酯酶
R1COOH + R2OH
3、立体专一性（stereospecificity）
2．编号:
用4个阿拉伯数字的编号表示，数字中用“·”隔 开，前面冠以EC（为Enzyme Commission）。 EC 类.亚类.亚亚类.排号，如EC l.1.1.1 Enzyme Handbook， Thomas E Barman编，Vol
I, Vol II 1969年。
Enzyme Handbook，Thomas E. Barman编
底物上加了个庞大的基团
COOH HO C CH3
乳酸
COOH + NAD
+
乳酸脱氢酶
H
C
O
+ NADH + H+
CH3
丙酮酸
2．转移酶类（transferases） 催化基团的转移
A R +B A+ B R
例：谷丙转氨酶（GPT）（EC 2.6.1.2，L-丙氨酸： α—酮戊二酸氨基转移酶）
3．水解酶类（hydrolases） AB + H2O A· OH + BH