生物化学 酶与生物催化剂

全酶 (holoenzyme)
蛋白质部分：
酶蛋白 (apoenzyme / apoprotein)
其他成分
金属离子 （cofactor）
小分子有机化合物 （coenzyme）
酶蛋白单独存在不具有酶活性
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辅因子（cofactor）： 与酶蛋白结合紧密，透析或超滤无法去除
催化特定化学反应的蛋白质、RNA或其复合物，是 生物催化剂，具有催化效率高、专一性强、作用条 件温和等特点。
——《生物化学与分子生物学名词（2008）》
酶的化学本质 ：
蛋白质或核酸
(With the exception of a small group of catalytic RNA
molecules, all enzymes are proteins)
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酶的重要性
体内化学反应必不可少
• Metabolism
很多疾病与酶的缺陷有关
• Inheritable genetic disorders
临床应用广泛
• Diagnosis • Therapy
科学研究的重要工具
• Restriction endonuclease
• DNA polymerase
• Ligase
哈佛医学院院长Dr. Charles Sidney Burwell曾对学 生说过这样一段话：“在未来十年内，你们现在学习 的知识有一半会被证明是错误的，更糟糕的是我们不 知道哪一半是错的。”
At an HMS graduation in the late 1940s, he said “…Half of what we have taught you is wrong. Unfortunately, we don’t know which half.”
高效性 特异性（专一性） 高度不稳定性 酶活性的可调性
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一、高效性
酶催化反应的能力比一般催化剂高107 ~ 1013 机理：大大降低反应所需的活化能
(activation energy)
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二、高度专一性（specificity）
一种酶只能催化一类化合物或一定的化学键，促进 一定的化学反应，生成一定的产物。
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酶的研究简史
19世纪中叶，法国科学家 巴斯德（Louis Pasteur） 研究蔗糖转化为酒精的 发酵（fermantation）过程， 提出发酵是由酵素（ferment） 催化的结果， 并认为酵素只存在于酵母 活细胞中，如果酵母细胞 破裂就会失去发酵作用。
Louis Pasteur
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无细胞发酵的发现
第四章
本章主要内容
1. 酶的概述 General of Enzymes
2. 酶的分子结构（） Molecular Structure of Enzymes
3. 酶促反应动力学（） Enzyme Kinetics
4. 酶与医学的关系 Enzymes and Medicine
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第一节 酶的概述Hale Waihona Puke Baidu
酶的概念 （enzyme）
"for his biochemical researches and his discovery of cell-free fermentation".
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酶是蛋白质的证明
➢ 萨姆纳（J. Sumner），美国生物化学家，第一个证 明酶的本质是蛋白质的人。1926年首次从刀豆中得到尿 素酶结晶，并证明尿素酶的化学本质是蛋白质。 ➢ 诺思罗普（J. H. Northrop），美国生物化学家，在 1930~1938年间先后将胃蛋白酶、胰蛋白酶、糜蛋白酶 等结晶出来，并发现它们是蛋白质，从而结束了有关酶 的化学本质的争论。 ➢ 斯坦利（ W. M. Stanley），美国生物化学家，从烟草 花叶病毒中纯化核蛋白（nucleoprotein）。
绝对专一性、相对专一性、立体异构专一性
NH2 CO
NH2
尿素酶 H2O
CO2 + 2NH3
RO
O
磷酸酶
P O-
HO
O
HOH
ROH
O P OO-
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三、高度不稳定性
大多数酶的化学本质是蛋白质，易变性，使酶活性丧失。
四、酶活性可调性
➢ 酶的合成与降解 ➢ 受底物浓度和产物浓度变化的影响 ➢ 受激素、神经系统信息分子的调节
第二节 酶的分子结构
一、酶的分子组成
（一）单纯酶 simple enzyme 仅含氨基酸组分 蛋白酶、核糖核酸酶、脂肪酶、淀粉酶
（二）结合酶（conjugated enzyme） 全酶 （holoenzyme） 酶蛋白 （apoenzyme, apoprotein） 其他成分（辅因子或辅酶）
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全酶的组成
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例： 糖原合成过程 (Glycogenesis)
己糖激酶
葡萄糖 + ATP 葡萄糖激酶（肝）6-磷酸G + ADP 6-磷酸G 变位酶 1-磷酸G 1-磷酸G + UTP UDPG焦磷酸化酶 UDPG + PPi（焦磷酸） UDPG + 糖原（Gn）糖原合酶 UDP + 糖原（Gn+1）
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酶的作用特点
布赫纳（Edward Büchner），德国 生 物 学 家 ， 1897 年 发 表 《 无 细 胞 的 发 酵》论文，发现用不含酵母细胞的提取 液亦可催化糖发酵产生酒精和CO2，证 明发酵作用与细胞的完整性及生命力无 关，结束了长达半个世纪的有关发酵本 质的生命力论和机械论的争论。由于其 在微生物学和现代酶化学方面做出的重 大 贡 献 ， 他 被 授 予 1907 年 诺 贝 尔 化 学 奖。
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酶的作用机理
一、诱导契合作用使酶和底物密切结合； 二、邻近效应与定向排列使底物正确定位于
酶的活性中心 ； 三、表面效应使底物分子去溶剂化； 四、酶的多元催化
酸-碱催化；共价催化；亲核催化
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诱导-契合学说
Induced fit hypothesis
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己糖激酶
己糖激酶与底物 的诱导契合
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由于他们对酶学研究的突出贡献而共同 获得1946年的诺贝尔化学奖。
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核酶（Ribozyme）的发现
T.Cech等首先发现四膜 虫rRNA前体具有自我剪 接作用 (1982)
S. Altman发现RNase P 中的RNA可催化tRNA的 加工 (1983)
1989年诺贝尔化学奖
"for their discovery of catalytic properties of RNA" 8