生物化学第五章--酶--刘博整理

第五章酶第一节导言一、酶的概念（一）酶是生物催化剂酶是活细胞产生的，具有催化生物反应功能的蛋白质大分子及核酸。

酶生物催化剂：蛋白质类：Enzyme (天然酶、生物工程酶)克隆酶、遗传修饰酶蛋白质工程新核酸类：Ribozyme ; Deoxyribozyme模拟生物催化剂酶催化的生物化学反应，称为酶促反应(Enzymatic reaction)。

在酶的催化下发生化学变化的物质，称为底物(substrate)。

胞外酶与胞内酶酶虽是由细胞产生的,但并非必须在细胞内才能起作用,有些酶被分泌到细胞外才发生作用。

这类酶称“胞外酶”。

大部分酶在细胞内起催化作用称为“胞内酶”。

（二）酶的化学本质1酶是蛋白质1926年Sumner第一次从刀豆种子中提取了脲酶结晶，证明其具有蛋白质性质。

30年代，Northrop 又分离出结晶的胃蛋白酶、胰蛋白酶及胰凝乳蛋白酶，证明酶的化学本质是蛋白质。

酶的相对分子质量大；酶具有蛋白质的特性如：两性解离、胶体性质、加热使酶变性、颜色反应等；酶可以被蛋白酶水解而丧失活性；许多酶的氨基酸顺序已被测定；969年人工合成了牛胰核糖核酸酶。

2. Ribozyme的化学本质是RNA在已鉴定过的数千种酶中，绝大多数酶的化学本质是蛋白质。

但在1982年，美国科学家T.Cech 发现原生动物四膜虫的26SrRNA前体具有自我拼接的催化活性。

T.Cech将这种RNA命名为“Ribozyme”。

核酶（Ribozyme ）：指对RNA具有催化活性的RNA 。

二、酶的催化特性（一）与无机催化剂相比，有如下共同点：反应前后都不发生数量和质量变化；能加快反应速度,但不改变反应的平衡点；都能降低反应所需的活化能；需要量小。

（二）酶的作用特点极高的催化效率，高度的专一性，易失活（蛋白质变性），活性可调控（激活、抑制），常需辅助因子（辅酶、辅基等）1.极高的催化效率反应速度与不加催化剂相比可提高108～1020，与加普通催化剂相比可提高107～1013。

脲酶的催化效率比Fe粉高1015倍。

反应式如2H2O2 -----2H2O + O2 以转换数作为标准，来比较其效率用铁离子，～6 x 10 -4 mol/mol.s 转换数（turnover number）：每个酶分子每分钟催血红素， 6 x 10 -1 mol/mol.s 化底物的分子数。

H2O2 酶， 3 ～6 x 10 6 mol/mol.s 碳酸酐酶96000万2.高度的专一性一种酶只能作用于某一类或某种特定的物质，这种性质称为酶的专一性。

（1）结构专一性概念：酶对所催化的分子化学结构的特殊要求和选择。

类别：绝对专一性和相对专一性（2）立体异构专一性概念：酶除了对底物分子的化学结构有要求外，对其立体异构也有一定的要求类别：旋光异构专一性和几何异构专一性绝对专一性：有些酶只作用于一种底物，催化一个反应，而不作用于任何其它物质。

如：过氧化氢酶底物：过氧化氢。

琥珀酸脱氢酶底物：琥珀相对专一性：这类酶对结构相近的一类底物都有作用。

包括键专一性和基团专一性。

键专一性：只要求作用于一定的化学键，而对键两端的基团无严格的要求。

酯酶（酯键）二肽酶（肽键）13消化道内几种蛋白酶的专一性14旋光异构专一性：当底物具有旋光异构体时一种酶只能作用于其中的一种。

如：L-AA氧化酶只能催化L-AA氧化，而对D-AA无作用。

顺反异构专一性：对具有顺式和反式异构的底物具严格的选择性。

；例15三、酶的组成（一）酶的组成单纯酶(simple enzyme)结合酶(conjugated enzyme)：全酶holoenzyme ：蛋白质部分（酶蛋白apozyme）全酶=酶蛋白+辅助因子非蛋白部分：小分子有机化合物(辅助因子cofactor) 金属离子辅因子：辅酶、辅基、金属离子辅酶：与酶蛋白结合疏松，可以用透析法除去。

辅基：与酶蛋白结合紧密，不能用透析法除去。

辅基和辅酶多为维生素参与形成的小分子有机物。

金属离子：与酶蛋白结合。

结合酶(全酶)的特点: 只有全酶才有催化活性。

一种酶蛋白只结合一种辅助因子，而一种辅助因子可结合多种酶蛋白。

酶蛋白决定反应专一性，高效催化作用；辅助因子决定反应的种类和性质。

（二）酶的结构1.酶的结构与蛋白质的结构相同，是具有一定空间结构的蛋白质。

2.根据酶蛋白的结构特点，酶可分为：1)单体酶: 只有一条多肽链,分子量在13,000-35,000之间，一般是水解酶, 如蛋白酶、羧肽酶。

2)寡聚酶：由两个或两个以上的亚基组成,亚基之间由非共价键相连，亚基可以是相同的,也可以不同，分子量在35,000-几百万，如丙酮酸激酶、乳酸脱氢酶。

3)多酶体系：由几个酶有组织的聚集在一起,功能上相互配合，第一个酶的产物是第二个酶的底物，如丙酮酸脱氢酶、脂肪酸合成酶。

（三）酶的命名习惯命名：来源+ 底物+ 酶(字) 例胃蛋白酶底物+ 反应性质+ 酶(字) 例乳酸脱氢酶系统命名：所有底物＋反应性质如：琥珀酸：FAD氧化还原酶例21第二节酶的分类酶的分类国际E学委员会制定的“国际系统分类法”将酶促反应分为六大类:1.氧化还原酶：催化氧化还原反应的酶。

例乳酸脱氢酶催化乳酸的脱氢反应232.转移酶：催化基团转移反应，即将一个底物分子的基团或原子转移到另一个底物的分子上。

例如，谷丙转氨酶催化的氨基转移反应：243.水解酶：:催化催化底物的加水分解反应。

主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。

例如，脂肪酶催化的脂的水解反应：254.裂合酶：催化从底物上移去某些基团而形成双键的非水解性反应及其逆反应的酶。

主要包括醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。

例如，延胡索酸水合酶催化的反应。

265.异构酶：催化同分异构体的相互转变，即底物分子内基团或原子的重排过程的酶。

例如，6-磷酸葡萄糖异构酶催化的反应。

276.合成酶：又称为连接酶，能够催化C-C、C-O、C-N 以及C-S 键的形成反应。

这类反应必须与ATP分解反应相互偶联。

如：Gln合成酶, 丙酮酸羧化酶。

A + B + ATP ——AB + ADP + Pi第三节酶的结构与功能的关系一、酶的一级结构与功能的关系（一）必需基团（essential group）概念: 酶蛋白中一些与酶的活性密切相关的基团，称酶的必需基团。

常见的必需基团：His 的咪唑基、Ser/Thr 的羟基、Cys 的巯基、Glu 的γ羧基等。

(二) 酶原与酶原的激活1.概念：（1）酶原（zymogen）：有些酶在细胞内合成或初分泌时，或在其发挥催化功能前只是酶的无活性前体，称为酶原。

（2）酶原的激活：在一定条件下，酶原结构发生改变，转化为有活性的酶的过程。

实质：酶原被修饰后，形成了正确的分子构象和活性中心，由此可见酶分子的特定结构和酶的活性中心的形成是酶分子具有催化活性的基本保证。

2.酶原激活的机理酶原在特定条件下一个或几个特定的肽键断裂，水解掉一个或几个短肽，分子构象发生改变形成或暴露出酶的活性中心34 35酶原激活的生理意义避免细胞产生的酶对细胞进行自身消化，并使酶在特定的部位和环境中发挥作用，保证体内代谢正常进行。

有的酶原可以视为酶的储存形式。

在需要时，酶原适时地转变成有活性的酶，发挥其催化作用。

二、酶的活性与其高级结构的关系（一）酶的活性中心(active center )概念：在酶分子中由必需基团在空间结构上相互靠近，形成具有特定空间结构的区域，该区域能与底物特异性结合并将底物转化为产物，称为活性中心或活性部位。

活性中心：结合部位（与底物结合，决定酶的专一性）催化部位（底物的敏感键在此处断裂而形成新键，决定酶的高效性及反应性质）溶菌酶的活性中心：谷氨酸35和天冬氨酸52是催化基团；色氨酸62和63、天冬氨酸101和色氨酸108是结合基团；色氨酸62和63、天冬氨酸101和色氨酸108是结合基团；（二）核糖核酸酶1.变性：构象被破坏，活性中心被破坏，失去生物学活性。

2.催化：具有天然构象的核糖核酸酶在底物的诱导下，构象发生一定改变，形成了正确的活性中心，使酶发挥了催化作用。

（三）聚合与解聚（四）同工酶(isoenzyme)能催化相同的化学反应，但在蛋白质分子的结构、理化性质和免疫性能等方面都存在明显差异的一组酶。

例乳酸脱氢酶（LDH）43研究意义：作为遗传的标志；作为临床诊断指标；研究某些代谢调节机制。

应用于农业育种等。

，不同组织中LDH同工酶的电泳图谱44第四节酶的作用机理一、酶促反应的本质（一）酶的催化作用与分子活化能化学反应自由能方程式ΔG =ΔH -TΔS（ΔG是总自由能的变化，ΔH是总热能的变化，ΔS是熵的变化）当ΔG＞0，反应不能自发进行。

当ΔG＜0，反应能自发进行。

活化能：分子由常态转变为活化状态所需的能量。

是指在一定温度下，1mol 反应物全部进入活化状态所需的自由能。

加快反应速度的方法：供给能量，如加温、光照等降低活化能酶和一般催化剂的作用就是降低化学反应所需的活化能，从而使活化分子数增多，反应速度加快。

（二）酶与反应的过渡态互补酶（E）与底物（S）结合生成不稳定的中间物（ES），再分解成产物（P）并释放出酶，使反应沿一个低活化能的途径进行，降低反应所需活化能，所以能加快反应速度。

Pauling提出过渡态理论认为：E与S的过渡态互补，亲和力最强，释放的结合能使反应活化能降低，有利于S 跨越能垒，使反应加速。

证明：①人工合成了过渡态类似物；②用过渡态类似物制备出抗体酶。

50中间产物学说E+S可逆ES——EP中间产物存在的证据：1同位素32P标记底物法（磷酸化酶与葡萄糖结合）；2吸收光谱法（过氧化物酶与过氧化氢结合）；3电镜直接观察。

吸收光谱的变化可证明：H2O2酶（含铁卟啉）：红褐色，在645、583、498nm处有光吸收；H2O2 -E加H2O2后：酶液由褐转红，增加了561、530nm光吸收带，说明有新物质；H2O2 + E若加入氢供体（焦性没食子酸）后：二条新带消失。

H2O2 -E + AH2 A +E+ 2H2O二、酶反应机制（一）诱导契合学说（Koshland，1958）：酶活性中心的结构有一定的灵活性，当底物与酶分子结合时，受底物分子的诱导, 酶蛋白的构象发生了有利于与底物结合的变化，使反应所需的催化基团和结合基团正确地排列和定向，转入有效的作用位置，这样才能使酶与底物完全吻合，结合成中间产物。

（酶专一性的“诱导契合学说”）“锁钥学说”（Fischer，1890）：酶的活性中心结构与底物的结构互相吻合，紧密结合成中间络合物。

（二）使酶具有高催化效率的因素酶分子为酶的催化提供各种功能基团和形成特定的活性中心，酶与底物结合成中间产物，使分子间的催化反应转变为分子内的催化反应。

1. 邻近定向效应酶与底物结合成中间产物过程中，底物分子从稀溶液中密集到活性中心区，并使活性中心的催化基团与底物的反应基团之间正确定向排列所产生的效应。