酶(Enzyme)

转换率 (kcat)/s-1：表示酶的催化效率，是指在一定条件下每秒钟每个酶分 子转换底物的分子数， 或每秒钟每微摩尔酶分子转换底物的微摩尔数。
酶的催化特性----高效性
2
在酶的作用下，反应速率能提高106—1012 倍 如果没有酶催化的话，一餐饭需要50年才能消耗
Pt
H2 + O2
H2O
催化剂
The Nobel Prize in Chemistry 1946
Cornell University Ithaca, NY, USA b. 1887 d. 1955
O=C 尿素
NH2 NH2
+ H2O
脲酶
2 NH3↑ + CO2↑
The Nobel Prize in Chemistry 1989
路易斯·巴斯德（Louis Pasteur)
微生物学家、化学家，微生物学的奠基人之一。
★ 1848年研究酒石酸的旋光性，发现酒石酸有右旋和左旋现象及内消旋体和 外消旋体，这一发现对结构化学的发展具有重要影响。后提出分子不对称性理 论，开创了立体化学研究的途径。发现生物体对这两种不对称性的晶体具有明 显的选择性。 ★ 证实发酵作用都是由于微生物引起，加热可以杀灭微生物，并应用“巴氏消 毒法”在各种食物和饮料上。 ★ 证实传染病都是微生物在生物体内的发展引起。 ★ 提出了预防接种措施，认为传染病的微生物在特殊的培养之下可以减 轻毒力，变成防病的疫苗。
酶的催化反应
酶分子提供一个空间 此空间可稳定过渡状态的生成 过渡状态可很快转变成生成物
酶的活性空间
Without enzyme
With enzyme
酶的活性区
酶的活性区为何可降低活化能？ 是一个魔术口袋 （1）可稳定过渡状态
辅
（2）防止水分子干扰 （3）具高反应性基团 （4）有辅酶帮助反应
酶 催 化 的 定 向 效 应
举例一：溶菌酶 Lysozyme
弗莱明（Fleming）鼻粘液中发现 129 AA，4 对二硫键 MW=13930 pI=11.0 Km=0.006mM (6-N-乙酰-葡萄糖胺) 存在于鸡蛋清及动物眼泪中。催化某些细菌细 胞壁多糖的水解，从而溶解细菌的细胞壁。 活性中心Glu35的-COOH提供质子；Asp52稳定 正碳离子。
rRNA
酶的催化
反应速率
双氧水裂解
Naming enzyme
1. 习惯命名法：
● 催化反应的底物 (Substrate)： 淀粉酶 (Amylase)、蛋白酶 (Proteinase/Protease) ● 催化反应的性质和类型 (Reaction type)： 水解酶 (Hydrolase) ● 以上两种结合 ： 琥珀酸脱氢酶、乙醇脱氢酶
酶的催化特性----高效性
Rates of enzyme catalysis for some enzymes
Enzyme Carbonic anhydrase 碳酸酐酶 Acetyl cholinesterase 乙酰胆碱脂酶 Penicillinase 青霉素酶 Chymotrypsin 胰凝乳蛋白酶 Substrate CO2, HCO3Acetylcholin e Penicillin Protein Rate in molecules/sec 600,000 25,000 2,000 100
腺嘌呤
NAD+ / NADH 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸
烟酰胺
功能部分
腺嘌呤 +
NAD+
脱氢酶的辅酶 质子和电子的传递体
NADP+ 辅酶
辅酶
NAD+
NADH
氧化型
还原型
NAD＋
吸收光谱
辅酶NADH
NAD＋ NADH NAD+/NADH 的转换可以 耦合 340nm 吸光度变化： NADH
Dehydrogenase（脱氢酶） Glyceraldehyde-3-P deHase 所有的脱氢酶都以 NADH 或 NADPH 为辅酶 都有相似的NAD+ 结合domain（同源化）
系统命名 编号
氧化还原酶： 1 转移酶： 2 水解酶： 3 裂合酶： 4 异构酶： 5 合成酶（连接酶）： 6 如： EC 1.1.1 （Enzyme Commision） 氧化还原酶，作用于CHOH基团，受体是NAD＋或NADP＋
酶活性的表征
Activity unit（活力单位）
在规定条件下，每分钟催化一微摩尔 （μmol）底物转化为产物的酶量为一个 酶活力单位(IU or U)。
能够降低反应的
活化能
（ Active Energy） ∆ G = ∆ H - T∆S
酶作用在于降低反应活化能
酶能显著地降低活化能，故能表现为高度的催化效率
酶的催化特性----专一性
酶与化学催化剂的比较
酶的结构特点
活性部位： 结合部位：与底物形成复合物 催化部位：激活底物，降低过渡态活化能 调控部位：调节酶促反应的速率或方向
酶的概念、命名和分类 Concept about enzyme
1850s 巴斯德（Pasteur） 研究酿酒酵母 1878年 Kühne给出统一名词“Enzyme” 1897年Büchner阐明发酵是酶作用的化学本质。1911年诺贝尔化学奖。 1913 年 Michaelis & Menten, 提出酶动力学（Enzymatic kinetics） 1926 年Sumner第一次从刀豆中提出了脲酶结晶，证明其具有 蛋白质的一切性质。 (1946 Nobel prize in chemistry) 1979 年多元淀粉酶的空间结构，460 AA. 1982 年 核酶（Ribozyme） (1989 Nobel prize in chemistry) Boyer和Walker阐明了三磷酸腺苷合成酶的机理（1997年Nobel prize in chemistry） 4000多种酶已被鉴定 抗体酶、寡聚酶、同工酶、诱导酶、金属酶
酶的组成
辅酶
多 元 体
辅
金属离子 维生素
金属离子可维持构形
哪些氨基酸具有 可与金属离子结 合的官能基？
金属离子
锌铜铁 锰钴镍
部分蛋白质构造要再加上某金属离子
为什么要用辅酶 ? 辅酶
20种氨基酸的官能基强度不足供酶反应使用 ! 找帮手
1. 改变蛋白质构形： Coenzyme Carboxypeptidase Hexokinase ATP 2. 基团转移暂存区： Dehydrogenase NADH 3. 提供强力反应基团 ： Pyruvate Vit.B1 Decarboxylase (thiamine)
自由基半醌（QH）
辅酶Q（泛醌） 简写: CoQ10
线粒体呼吸链氧化还原酶的辅酶 电子传递体
有3种氧化还原形式 还原型氢醌（QH2）
5
四氢叶酸（FH4或THFA）
合成酶的辅酶，前体是叶酸，B11
叶酸在体内必须转变成四氢叶酸(FH4或THFA)才有生理活性。
6 焦磷酸硫胺素（TPP）
脱羧酶的辅酶，前体是硫胺素，B1
路易斯·巴斯德（Louis Pasteur)
1822年12月27日－1895年9月28日
法国微生物学家、化学家、 微生物学的奠基人之一。 “进入科学王国的最完美无缺的人”
詹姆士·萨姆纳 James Batcheller Sumner
"for his discovery that enzymes can be crystallized"
The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1945
Sir Alexander Fleming
Penicillin
溶菌酶的作用机制
溶菌酶的作用机制
丝氨酸蛋白酶
胰蛋白酶 （trypsin） 消化酶 胰凝乳蛋白酶 （chymotrypsin） 弹性蛋白酶 （elastase） 血凝级联 凝血酶 （thrombin） 细菌蛋白酶 枯草杆菌蛋白酶 （subtilisin） 纤溶酶 （plasmin） 组织溶酶原激活剂 （tissue plasminogen activator tPA） 其它有关酶类
焦磷酸硫胺素 主要功能是催化酮酸的脱羧反应
7 磷酸吡哆素
转氨酶的辅酶 前体是吡哆素，吡哆素有三种存在形式：
在机体组织内维生素B6多以其磷酸酯的形式存在， 参与氨基酸的转氨、某些氨基酸的脱羧以及半胱氨酸的脱巯基作用。
7
生物素
羧化酶的辅酶
功能是CO2的传递体
酶的催化特性
高效性 选择性：反应专一性 底物专一性：结构专一性 手性专一性 几何专一性 反应条件温和
Chapter 3 酶 ( Enzyme )
么酶具有催化功能？ 酶有哪些种类？ 如何表征酶的活性？ 哪些因素影响酶的活性？ 生物酶与化学催化剂有何异同？
酶 （Enzyme） ---- 生物催化剂（Biocatalyst）
4.1 酶的概念、命名和分类 4.2 酶活性的表征 4.3 酶的化学本质和结构 4.4 酶的特性和催化功能 4.5 影响酶促反应速度的因素 4.6 酶与化学催化剂的比较
黄素腺嘌呤二核苷酸( FAD )和黄素单核苷酸（FMN)
2
核黄素
异吡咯嗪环 核黄素 B2
黄素单核苷酸（FMN)
脱氢酶的辅酶
质子和电子的传递体
黄素腺嘌呤二核苷酸( FAD )
3 辅酶A ( Coenzyme A、 CoA )
B3
乙酰化酶的辅酶 传递酰基
4
CH3
醌环
氧化型醌Q
(CH2–CH=C–CH2)n n=10 异戊烯结构
"for their discovery of catalytic properties of RNA"
Sidney Altman
Yale University New Haven, CT, USA b. 1939
Thomas R. Cech
University of Colorado Boulder, CO, USA b. 1947
FAD和FMN（黄素辅酶） TPP（硫胺素焦磷酸酯） 四氢叶酸（THFA） 辅酶A 生物素 磷酸吡哆素 辅酶B12 硫辛酸 泛醌（辅酶Q）
传递氢和 转移乙酰基 传递质子和电子
B5
+
维生素PP： 烟酸和烟酰胺 又称抗癞皮维生素
+
烟酸
烟酰胺
1
NAD+ / NADH 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 辅酶
烟酰胺
功能部分
酶的化学组成
单纯蛋白酶 结合蛋白酶 酶蛋白(apoenzyme) 决定了底物的类型 全酶
（底物专一性）
辅助成分： 辅酶（辅基）决定了酶促反应的类型 （反应专一性） 金属离子
辅酶的前体 ：多数是水溶性B族维生素 金属酶中的金属离子：Fe2+/Fe3+, Cu+/Cu2+, Zn2+, Mn2+, Co2+ 金属激酶中的金属离子： Ca2+, Mg2+, K+, Na+ For instance: Mg2+ activates DNA polymerase
2. 系统命名法：Standard naming
Two Substrates ( : ) and Reaction type 例如： 习惯命名： 乙醇脱氢酶 系统命名：乙醇 ：NAD+ 氧化还原酶 催化反应：乙醇 + NAD+ 乙醛 + NADH
Enzyme classification
根据酶催化反应类型 分为6大类
诱导—镶嵌模型
底物接近酶时 酶的活性中心 底物进入酶时
葡萄糖底物
己糖激酶
关闭活性部位 活性部位
测定酶的活性中心
（1）蛋白酶水解法 （2）化学修饰法 （3）X - 射线晶体衍射法 （4）基因定点突变技术
酶活性中心的必需基团: Ser（羟基）、Cys（巯基）、His（咪唑基）、 Asp（羧基）、Glu（羧基）、Lys（氨基）、 Tyr（酚羟基）
Specific activity (比活力 )
指每毫克蛋白质所具有的酶活力单位 (U/mg protein )
核酶的比活性如何表达？
酶的化学本质
蛋白酶 核酶
除了有催化活性的RNA之外几乎都是蛋白质 经酸碱水解的最终产物是氨基酸 能被蛋白酶水解而失活 是具有空间结构的生物大分子 能使蛋白质变性的因素都可使酶变性失活 是两性电解质，有等电点 具有胶体性质，不能通过半透膜 具有蛋白质的化学呈色反应
[ Cofactor ] Zn
Zn
辅
辅酶
NAD+（辅酶 ）
酶
功能
传递质子和电子 传递质子和电子 基团转移 一碳基团转移 酰基转移 CO2转移 转氨基 异构化
前体维生素
B5（烟酰胺） B2（核黄素） B1（硫胺素） B11（叶酸） B3（泛酸） B7（生物素） B6（吡哆素） B12（钴维素）
全酶
脱氢酶 脱氢酶 脱羧酶 合成酶 合成酶 羧化酶 转氨酶 变位酶 丙酮酸脱氢酶系 氧化还原酶及脱氢酶