酶学与酶工程重点总结

第二章酶学基础

一、酶的活性中心(active center，active site)

（一）活性中心和必需基团

1、与酶活性显示有关的，具有结合和催化底物形成产物的空间区域，叫酶的活性中心，又叫活性部位。

2、活性中心可分为结合部位和催化部位。

3、结合部位决定酶的专一性，催化部位决定酶所催化反应的性质。

4、酶结构概述

（1）活性中心是一个三维实体。

（2）是有一些一级结构上可能相距较远的氨基酸侧链基团组成，有的还包含辅酶或辅基的某一部分基团。

（3）在酶分子表面呈裂缝状。

（4）酶活性中心的催化位点和结合位点可以不止一个。

（5）酶活性中心的基团都是必需基团，但必需基团还包括活性中心以外的基团。

5、酶分子中的氨基酸残基或其侧链基团可以分为四类

1．接触残基2．辅助残基3．结构残基4．非贡献残基

（二）酶活性中心中的化学基团的鉴别

1．非特异性共价修饰：

某些化学试剂能使蛋白质中氨基酸残基的侧链基团反应引起共价结合、氧化或还原修饰反应，使基团结构和性质发生变化。

如果某基团修饰后不引起酶活力的变化，就可初步认为此基团可能是非必需基团；反之，如修饰后引起酶活力的降低或丧失，则此基团可能是酶的必需基团。

2．亲和标记

共价修饰剂是底物的类似物，可专一性地引入酶的活性中心，并具有活泼的化学基团(如卤素)，可与活性中心的基团形成稳定的共价键。因其作用机制是利用酶对底物类似物的亲和性而将酶共价标记的，故称为亲和标记。

3．差别标记

在过量底物或可逆抑制剂遮蔽活性中心的情况下，加入共价修饰剂，使后者只修饰活性中心以外的有关基团；然后去除底物或可逆抑制剂，暴露活性中心，再用同位素标记的向一修饰剂作用于活性中心的同类基团；将酶水解后分离带有同位素的氯基酸，即可确定该氨基酸参与活性中心。

4．蛋白质工程

这是研究酶必需基闭和活性中心的最先进方法，即将酶蛋白相应的互补DNA(cDNA)定点突变，此突变的cDNA表达出只有一个或几个氨基酸被置换的酶蛋白，再测定其活性，可以知道被置换的氨基酸是否为活力所必需。优点：

改变酶蛋白中任一氨基酸而不影响其他同类残基

改变疏水残基，使其转变成亲水或另一疏水残基

同时改变活性中心内外的几个氨基酸

个或多个氨基酸的缺乏或插入

改变酶蛋白的磷酸化位点或糖化位点

不致引起立体障碍

(三) 组成活性中心的重要化学基团

丝氨酸、组氨酸、半胱氨酸、酪氨酸、色氨酸、天冬氨酸、谷氨酸和

赖氨酸

二、酶的结构和功能的关系

（一）酶的一级结构与催化功能的关系

酶的一级结构是酶的基本化学结构，是催化功能的基础。

（二）酶的二级和三级结构与催化功能的关系

酶的二级、三级结构是所有酶都必须具备的空间构型。维持酶的活性

部位所必须的酶蛋白的二级和三级结构彻底改变，就会使酶遭受破坏

而丧失其催化功能，这是蛋白质变性的依据。

1．酶的变性和失活

2．活性中心的挠性

3．酶分子的结构域

（三）酶的四级结构与催化功能的关系

具有四级结构的酶，按其功能可分为两类，一类与催化作用有关，另

一类与代谢调节关系密切。

三、酶催化作用的基本理论

（一）酶—底物复合物

1．酶－底物复合物存在的证据

1903年，Henri用蔗糖水解酶水解蔗糖提出的。

E+S= ES= P+ E （S：substrate，P: product）

在反应过程中，酶首先与底物形成酶-底物中间复合物（ES,

enzyme-substrate intermediates）,再分解成酶（E）和产物（P），使反

应沿一个低活化能的途径进行，降低反应所需活化能。

2. 酶与底物形成复合物的作用力

1）离子键

2）氢键

3）范德华力

（二）酶作用的专一性机制

1.锁钥学说（lock and key theory）

2.诱导契合学说（induced-fit hypothesis）

（三）酶作用的高效性机制

1. S与E的靠近效应和定向效应proximity and orientation

靠近效应：指两个反应的分子，它们反应的基团需要互相靠近，

才能反应。

2. 酸碱催化(acid or base catalysis)

酸碱催化是通过瞬时地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。由于E活性中心含有酸碱基团,

它们可以与S中的酸碱基团进行质子交换，加强了E与S的相互作用，

减弱了S分子内部的化学键，使S由稳态→不稳态

狭义酸碱催化（specific acid-base catalysis）：H＋和OH－

广义酸碱催化（general acid-base catalysis)：质子供体和质子受体

3. 共价催化(covalent catalysis)

（1）共价催化又称亲核催化（nucleophilic catalysis）或亲电子

催化（electrophilic catalysis）

（2）亲核攻击集团：-OH，-SH，-N（咪唑基）

（3）底物亲电中心：

磷酰基（P=O）酰基（C=O）

糖基（Glu-C-OH）

4．金属离子催化5．多元催化6．微环境的影响

注：活性中心可以避免水分子的干扰（在避开水分子的干扰后，分子

间的离子键才容易产生）

7. 底物的变形（distortion）与张力作用（tensility)

四、影响酶促反应速度的因素

1.底物浓度对酶反应速度的影响

随着底物的增加，反应速率西先是符合一级反应，再到混合级反应，

最后当底物增加到一定浓度是达到最大反应速度，此时为零级反应。

2. 酶浓度的影响

（1）底物充足时，反应速度随酶浓度的增加而增加，反应速度与酶

浓度成正比

（2）底物浓度不足时，起初反应速度与酶浓度成正比。

（3）底物中有不可逆抑制物存在时，反应速率先成正比，当酶浓度

达到一定是反应速率不会成正比

（4）酶液中有可逆抑制剂存在时，反应速率最酶增加而增加，但是

不符合正比，并且最初的反应速率变化最小。

3.温度的影响：随温度增加反应速率先增加后减小