第二章 酶学基础

乳酸：NAD+氧化还原酶
惯用名：只取一个较重要的底物名称和反应类型。
乳酸：NAD+氧化还原酶 乳酸脱氢酶
对于催化水解反应的酶一般在酶的名称上省去反 应类型。
乳酸脱氢酶 EC 1.
1.
1.
27
第1大类，氧化还原酶
第1亚类，氧化基团CHOH 第1亚亚类，H受体为NAD+
该酶在亚亚类中的流水编号
（2）六大酶类
③同工酶的调节
同工酶：催化相同的化学反应，但在蛋白 质分子结构、理化性质及生物学特性等方 面存在明显差异的一组酶。
天冬氨酸 AKⅢ AKⅡ AKⅠ 天冬氨酸-β -磷酸
天冬氨酸半醛
同型丝氨酸
赖氨酸
甲硫氨酸 苏氨酸
图2-2 E.coli中Thr、Met、Lys的合成 AK：天冬氨酸激酶
（二） 酶作用机理
结合基团 活性部位 必需基团 专一性
催化基团
维持酶的空间结构
催化性质
二、 酶催化作用机理
（一） 酶催化作用的特点
1.高效率：比非催化高108－1020倍；比非酶催化高 107－1013倍
酶催化反应的效率之所以高，是由于酶催化反应 可以使反应所需要的活化能显著降低。
2. 酶的专一性
酶的专一性：酶对催化的反应和反应物有严格的 选择。 （1）绝对专一性：一种酶只能催化一种底物进行一 种反应。 （2）相对专一性 键专一性：作用于具有相同化学键的一类底物 基团专一性：酶的作用底物含有某一相同的基团 （3）立体异构专一性
第二章 酶学基础
1.酶的分类、组成和结构特点 2.酶催化作用机理 3.酶促反应动力学 4.酶活力及其测定
酶的基础知识
酶是具有生物催化功能的生物大分子，按照其化 学组成，可以分为蛋白类酶（P酶）和核酸类酶 （R酶）。蛋白类酶主要是由蛋白质组成，核酸 类酶主要是由核糖核酸（RNA)组成。 1. Enzyme proteins 酶是由生物体产生的具有催化剂活性的蛋白质。 2. Ribozyme RNAs 本身就是一段RNA，不需要额外的蛋白酶就可以对 自身进行剪切，剪接和催化分子间反应等多种功 能。 脱氧核酶、抗体酶
X射线衍射仪
3 、酶作用专一性的机理
锁和钥匙模型
诱导锲合模型
锁钥匙模型 酶作为生物催化剂的一个重要特点即实现 酶催化功能的必要条件之一是酶必须和底 物结合。 锁钥匙模型提出了结合部位的概念，结合 部位和底物之间存在互补的关系，就像钥 匙和锁一样，因此造成酶的催化部位具有 很强的专一性，结合部位是酶活性中心的 组成部位。
4 、酶作用高效率的机理
（1）底物和酶的“靠近”及“定向” “靠近”：酶与专一性底物结合时，酶的 结合基团与底物分子之间结合于同一分子， 使酶活性部位的底物浓度远远大于溶液中 的浓度，从而使反应速率大大增加。 “定向”：底物分子的反应基团和酶分子 的催化基团严格排列与“定向”。
（2）底物变形和诱导契合
（3）酸碱催化
酸碱催化是通过瞬时的向反应物提供质子 或从反应物接受质子以稳定过渡态，加速 反应的一类催化机制。在水溶液中通过高 反应性的质子和氢氧离子进行的催化称为 专一的酸碱性催化或狭义的酸碱催化；而 通过H+和OH-以及能提供H+和OH-供体进行的 催化称为总酸碱催化或广义的酸碱催化。
酶分子中可以作为广义酸、碱的基团
两步反应所需的活化能总和比无催化剂存在时发 生的一步反应所需的活化能要低得多。
蛋白质晶体结构的分析
晶体结构分析法：X光晶体衍射法、测定结 晶的生物大分子空间结构，需要获得单晶。 溶液构象测定： 多维核磁共振：测定溶液中大分子空间结构， 目前上限为35KD分子量。 紫外、荧光、圆二色谱、红外等光谱，巯 基暴露等测定：测定溶液中蛋白质构象的 部分信息。
H+
②转移酶
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。 其反应通式为： AB ＋ C ＝ A ＋ BC 例如：谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。
③ 水解酶
水解酶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。
其反应通式为： AB ＋ H2O ＝ AOH ＋ BH 例如：磷酸二酯酶（EC3.1.4.1）催化磷酸酯键水 解。反应如下：
2、酶的组成和结构特点
单纯酶 酶 结合酶 （全酶）= 酶蛋白 + 辅因子
辅酶 与酶蛋白结合得比较松的小分子有机物。 辅因子 辅基 与酶蛋白结合得紧密的小分子有机物。
金属激活剂 金属离子作为辅助因子。
酶的催化专一性主要决定于膜蛋白部分。 辅因子通常是作为电子、原子或某些化学基团的载体。
活性中心以外 的必需基团
Ser195
图2-6 胰凝乳蛋白酶的三维 结构
His57
Asp102 图2-7 胰凝乳蛋白酶活性部位中的催化三联体
Asp 102
（a）
Ser195
His57
Asp 102
（b）
Ser195
底物
His57 图2-8 胰凝乳蛋白酶的催化机制
（a）酶本身；（b）加上底物后，从Ser195转移一个质子给 His57，带正电荷的咪唑环通过带负电荷的Asp102静电相互 作用被稳定
底物
催化基团
结合基团
活性中心
单体酶、寡聚酶和多酶复合物
1.单体酶：仅有一条具有活性部位的多肽链，全部 参与水解反应。 2.寡聚酶 ：由几个或多个亚基组成，亚基牢固地 联在一起，单个亚基没有催化活性。亚基之间以非 共价键结合。 3.多酶复合物 ：几个酶镶嵌而成的复合物。这些酶 催化将底物转化为产物的一系列顺序反应。
（三）国际系统分类法及酶的编号 国际酶学委员会，根据各种酶所催化反应的类 型，把酶分为6大类，即氧化还原酶类、转移酶类、 水解酶类、裂合酶类、异构酶类和连接酶类。分 别用1、2、3、4、5、6来表示。再根据底物中被 作用的基团或键的特点将每一大类分为若干个亚 类，每一个亚类又按顺序编成1、2、3、4……等 数字。每一个亚类可再分为亚亚类，仍用1、2、3、 4……编号。每一个酶的分类编号由4个数字组成， 数字间由“·”隔开，编号之前冠以EC。
⑥ 合成酶 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。
A + B + ATP + H-O-H ==AB + ADP +Pi
例如:丙酮酸羧化酶催化的反应。
丙酮酸
+ CO2+ATP 草酰乙酸+ADP+H3PO4
1、 酶催化机理：可降低反应的活化能。 在一个反应体系里，任何反应物分子都有 进行化学反应的可能，但并非全部反应物 分子都进行化学反应。只有那些具有较高 能量，处于活化态的分子（活化分子）才 能在分子碰撞中发生化学反应。 活化能：在一定温度下，1摩尔底物全部进 入活化态所需要的自由能（kJ/mol)
（4）共价催化
共价催化又称亲核催化或亲电子催化， 在催化时，亲核催化剂或亲电子催化剂能 分别放出电子或吸取电子并作用于底物的 缺电子中心或负电中心，迅速形成不稳定 的共价中间复合物，降低反应活化能，使 反应加速。
3.酶活性的可调控性
（1）酶含量的调节 诱导或抑制酶的合成：乳糖操纵子 调节酶的降解 （2）酶活性的调节 ①共价调节： 磷酸/脱磷酸化的修饰 限制性蛋白酶水解
②别构调节
别构调节：某些小分子物质与酶的非催化 部位或别构部位特异性地结合，引起酶蛋 白构象的变化，从而改变酶活性的方式。
别构酶：能发生别构效应的酶。
① 氧化还原酶
主要包括脱氢酶、氧化酶、过氧化物酶、氧合酶、 细胞色素氧化酶等。 其催化反应通式为： AH2 ＋ B ＝ A ＋ BH2 被氧化的底物（AH2）为氢或电子供体，被还原的 底物（B）为氢或电子受体。 如乳酸脱氢酶催化乳酸的脱氢反应。
CH3CHCOOH NAD OH
+
CH3CCOOH NADH O
一、酶的分类、组成和结构特点
1、酶的命名与分类 原则： 1)根据酶所用的底物来命名 Ribonuclease；Protease 2)根据所催化的反应来命名 Dehydrogenase；Phosphotransferase 3)上述两个原则结合 4)上述原则再加上酶的来源 牛胰核糖核酸酶
（一）习惯命名法 1961年以前使用的酶的名称都是习惯沿用 的，称为习惯名。主要依据两个原则： 1. 根据酶作用的底物命名；
④ 裂合酶
裂合酶催化从底物分子中移去一个基团或原子形 成双键的反应及其逆反应。 主要包括醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。 其反应通式为： AB ＝A ＋ B
例如醛缩酶（EC4.1.2.7）催化1、6-二磷酸果糖 分子断裂生成磷酸二羟丙酮和3-磷酸甘油醛的反 应。
⑤ 异构酶 异构酶催化各种同分异构体的相互转化， 即底物分子内基团或原子的重排过程。 例如:6-磷酸葡萄糖异构酶催化的反应。
当酶遇到其专一性底物时，酶中某些基 团或离子可以使底物分子内敏感键中的某 些基团的电子云密度增高或降低，产生“电 子张力”，使敏感键的一端更加敏感，底物 分子发生形变，底物比较接近它的过渡 态，降低了反应活化能，使反应易于发生。
该学说认为酶表面并没有一种与底物互补的固定 形状，而只是由于底物的诱导才形成了互补形状。
广义酸基团 （质子供体）
-COOH,
+ -NH3,
广义碱基团 （质子受体）
-COO , -NH2, O-
-SH,
..
-S ,
OH
HN
+
NH
:N
NH
His 是酶的酸碱催化作用中最活泼的一个催化功能团。
酶催化反应机制的实例 胰凝乳蛋白酶选择裂解芳香族氨基酸如 象Phe、Tyr羧基侧链。其活性中心由 Ser195、His57和Asp102组成。 在胰凝乳蛋白酶的催化反应中，组氨酸 的咪唑基起着广义酸碱催化剂的作用，先 促使Ser195的羟基亲核地附着到底物敏感 肽键中的羧基原子上，形成共价的酰化中 间物，在促进酰化的ES中间物上的酰基转 移到水或其他的酰基受体（如醇、氨基酸 等）上。
蛋白类酶（P酶）的分类与命名
蛋白类酶（P酶）的分类原则为：
1.按照酶催化作用的类型，将蛋白酶分为6大类 ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ 氧化还原酶类 转移酶类 水解酶类 裂合酶类 异构酶类 合成酶类
酶的命名有两种方法：系统名、惯用名。 系统名：包括所有底物的名称和反应类型。
乳酸 + NAD+ 丙酮酸 + NADH + H+
结合部位一般是由氨基酸侧链组成，有的 酶中还有辅基参与，与底物有形状的配合， 使底物的原子和侧链的原子有尽可能多的 接近到范德华半径源自文库内。
除范德华力，稳定底物结合的力还有离子 间吸引力，氢键和疏水作用，侧链、辅基 和底物之间存在相应的配合。
按锁钥模型假说，酶的活性中心空间结构 是刚性的。
后来研究发现自由酶的活性部位和底物之 间并不精确地像锁钥匙一样配合一样，从 而提出了诱导契合模型。 该假说认为底物和酶结合时，结合力促使 底物和酶分别发生一些构象变化，从而有 利于催化反应的进行，酶的构象改变可使 结合更紧密。并使催化基团处于更有利于 催化的位臵上。底物形变造成的应力状态 可使发生反应的键变弱，降低发生反应的 活化自由能，使反应速度增加。形变所需 要的能量由结合能提供。
2. 根据酶催化反应的性质及类型命名；有的酶
结合上述两个原则来命名。
习惯命名比较简单，应用历史较长，尽管
缺乏系统性，但现在还被人们使用。
（二）国际系统命名法 国际系统命名法原则是以酶的整体反应 为基础的，规定每种酶的名称应当明确标 明酶的底物及催化反应的性质。如果一种 酶催化两个底物起反应，应在它们系统名 称中包括两个底物的名称，并以“：”号 将它们隔开。若底物之一是水时，可将水 略去不写。
丙酮酸脱氢酶系（E.coli）：丙酮酸脱氢酶（EⅠ）、 硫辛酰转乙酰酶（EⅡ）和二氢硫辛酰脱氢酶（EⅢ）。 EⅠ EⅡ EⅢ
碱性
EⅠ + EⅡ EⅢ
脲
EⅡ + EⅢ
活性部位和必需基团
必需基团：这些基团若经化学修饰使其改变，则 酶的活性丧失。 活性部位：酶分子中直接与底物结合，并和酶 催化作用直接有关的部位。
分子由基态达到活化态的途径有二：
1、给反应体系加热或用光照射，从而使反应 分子获得所需的活化能量； 2、使用催化剂，使其瞬时地与反应物结合成 过渡态，降低反应活化能，使反应沿着一个 活化能垒较低的途径进行。
2、中间复合物学说
酶促反应分两步进行
酶和底物形成不稳定的过渡态中间复合物 ES，然后再分解产物并释放出酶。