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1、酶 化 学,（一）酶的生物学意义,一、酶的概念,一、酶的概念,酶是生物细胞产生的、具有催化能力的生物催化剂,定义：酶是生物体内进行新陈代谢不可缺少的受多种因素调节控制的具有催化能力的生物催化剂,酶具有一般催化剂的特征： 1.只能进行热力学上允许进行的反应 2.可以缩短化学反应到达平衡的时间，而不改变反应 的平衡点 3.通过降低活化能加快化学反应速度,催化反应的活化能,例： 2H2O22H2O+O2,2.反应条件温和：常温常压下即可进行，生理pH及温度,酶的催化特点：,1.催化效率高：酶的催化效率比化学催化剂高1071013倍， 比非催化反应高1081020倍,1mol 过氧化氢酶 5106 m
2、ol H2O2 1mol 离子铁 610-4 mol H2O2,例：消化一餐简单的午餐，大约需要50年，而在消化道中只需要几小时,反应专一性：选择性地催化一种或一类相同类型的化学 反应，几乎不产生副反应 底物专一性：只能作用于某一类或某一类结构、性质相 似的底物,结构专一性： 绝对专一性：只作用于一个特定的底物， 如 麦芽糖酶只作用于麦芽糖，而不作用于其他双糖 脲酶催化尿素水解，而对尿素的衍生物不起作用,3.专一性强：酶对反应及底物具有严格的选择性,酶的催化特点：,相对专一性：作用于一类结构相似的底物 族(基团)专一性： 对链两端的基团要求不同，对其中一个基团 要求严格，对另一个则要求不严格
3、例如：-D-葡萄糖苷酶不但要求-糖苷键，而且要求-糖苷键的一端必须 有葡萄糖残基，即-葡糖苷，但是对键另一端R基团要求不严，因 此它可以催化各种-D-葡萄糖苷衍生物中-糖苷键的水解 键专一性： 对键两端的基团没有严格要求 例如：酯酶催化酯键的水解，对底物R-CO-OR中R及R没有严格要求， 只是对于不同的酯类，水解速率有所不同,立体异构专一性：当底物具有立体异构体时，酶只能作用 于其中的一种,旋光异构专一性：选择性地识别旋光异构底物并催化这类底物的反应,几何异构专一性：选择性地催化某种几何异构体底物的反应,例：,胰蛋白酶只作用于L-氨基酸残基形成的肽键,-葡糖氧化酶仅能将-D-葡萄糖转变成葡糖
4、酸,琥珀酸脱氢酶只能催化琥珀酸脱氢生成延胡索酸，而不能生成顺丁烯二酸,例：,酶能区分从有机化学观点来看是属于对称分子中两个等 同的基团，只催化其中的一个基团，而不催化另一个,例：,若甘油激酶不能区分两个CH2OH基团，则会生成 :,和,例如： 在脱氢酶催化下，底物与NAD+之间发生氢的转移也有严 格的立体异构专一性，对尼克酰胺环中的C4上的氢具有 选择性，如酵母醇脱氢酶在催化时，辅酶的尼克酰胺环 C4上只有一侧可以加氢或脱氢，另一侧则不被作用,4.可调性：如酶浓度的调节、激素调节、反馈调节、抑制 剂和激活剂的调节、别构调节、酶的共价修饰 调节、酶原活化等 5. 酶易失活：强酸、强碱、高温、多种
5、抑制剂,酶的催化特点：,关于酶作用专一性的几种假说,1、锁钥学说（Lock and Key theory）, 1894年由 Fischer 提出，将酶与底物的关系比喻为锁和钥匙的 关系，以此说明酶与底物在结构上的互补性 其局限性是不能解释酶的逆反应，如果酶的活性中心是“锁”， 那么这种结构不可能既适合可逆反应的底物，又适合可逆反应 的产物,2、诱导契合学说（induced-fit theory）, 1958年由 Koshland提出，认为酶分子与底物分子接近时，酶 蛋白受底物分子诱导，其构象发生有利于底物结合的变化， 酶与底物在此基础上互补契合进行反应 近年来X射线晶体结构分析的实验结果支持这
6、一假说，证明了 酶与底物结合时，确有显著的构象变化,二、酶的化学本质,大多数酶是蛋白质 1926年美国Sumner得到脲酶的结晶，并指出酶是蛋白质 1930年Northrop等得到了胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰凝乳 蛋白酶的结晶，并进一步证明了酶是蛋白质,J.B.Sumner,J.H.Northrop,20世纪80年代发现某些RNA有催化活性，还有一些抗体也有催化活性，甚至有些DNA也有催化活性，使酶是蛋白质的传统概念受到很大冲击,某些RNA有催化活性 1982年美国T. Cech等人发现四膜虫的rRNA前体能在完全 没有蛋白质的情况下进行自我加工，发现RNA有催化活性,Thomas Cech Un
7、iversity of Colorado at Boulder, USA,1983年美国S.Altman等研究RNaseP（由20%蛋白质和80%的RNA组成），发现RNaseP中的RNA可催化E. coli tRNA的前体加工。,Sidney Altman Yale University New Haven, CT, USA,Cech和Altman各自独立地发现了RNA的催化活性，并命名这一类酶为ribozyme(核酶)，2人共同获1989年诺贝尔化学奖,1Cell, 1982, 31, 147157,2Sci. Amer. 1986, 255, 6475,酶的化学组成,酶,单纯酶,结合酶:
8、 (全酶) = 酶蛋白 + 辅助因子,辅助因子,辅酶：与酶蛋白结合得比较松的小分子有机物,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酶蛋白部分，辅因子通常是作为电子、原子或某些化学基团的载体,（Holoenzyme）(Apoenzyme),根据酶分子组成分类：, 单体酶（monomeric enzyme) 仅有一条具有活性部位的多肽链，全部参与水解反应 寡聚酶 (oligomeric enzyme) 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 多酶复合物 (multienzyme system
9、) 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,酶的化学组成,根据酶蛋白性质分类：,三、酶的分类与命名,习惯命名法 以酶的底物和反应类型命名，有时还加上酶的来源。习惯命名简单、常用，但缺乏系统性，不准确(一酶多名、多酶一名、写出反应难等),底物+酶：淀粉酶、 脂肪酶、 蛋白酶 来源+底物+酶：胃蛋白酶、 唾液淀粉酶、胰脂肪酶 反应性质+酶：水解酶、转移酶、氧化酶 底物+反应性质+酶：琥珀酸脱氢酶、谷丙转氨酶,习惯命名,系统命名法 1961年国际酶学会议提出了酶的系统命名法。规定应标明酶的底物及反应类型，两个底物间用冒号隔开，如果一个底物是水时，水可省略,例：丙氨酸+-酮
10、戊二酸 谷氨酸+丙酮酸 丙氨酸:-酮戊二酸氨基转移酶,脂肪+H2O 脂酸+甘油 脂肪水解酶,三、酶的分类与命名,1961年国际酶学委员会（Enzyme Committee, EC）根据酶所催化的反应类型和机理，把酶分成6大类,在这六大类里，又各自分为若干亚类，亚类下又分小组 亚类的划分标准： 氧化还原酶 是电子供体类型 转移酶 是被转移基团的形状 水解酶 是被水解的键的类型 裂合酶 是被裂解的键的类型 异构酶 是异构作用的类型 合成酶 是生成的键的类型,三、酶的分类与命名,酶的系统分类法及编号,用4个阿拉伯数字的编号表示，数字中用“”隔开，前面冠以EC（为Enzyme Commission）
11、EC 类. 亚类. 亚亚类. 排号 例如：EC l.1.1.1(乙醇脱氢酶) 表示这个酶是氧化还原酶，电子供体是醇，电子受体是NAD+, 序列号是1 EC3.4.4.4(胰蛋白酶)，表示它的类型是水解酶, 水解的键是肽键, 是内切酶而不是外切酶, 序列号是4,酶的分类,1.氧化还原酶类：主要是催化氢的转移或电子传递的氧化 (Oxidoreductase) 还原反应，包括脱氢酶类、氧化酶类、 过氧化氢酶、过氧化物酶等,AH2 + B（O2）,A + BH2（H2O2，H2O）,（1）脱氢酶类：催化直接从底物上脱氢的反应,AH2 +B,A +BH2（需辅酶或辅酶）,例：乳酸脱氢酶（EC 1.1.1
12、.27，L-乳酸：NAD+氧化还原酶）,（2）氧化酶类,催化底物脱氢，氧化生成H2O2：,AH2 + O2,A + H2O2（需FAD或FMN）,催化底物脱氢，氧化生成H2O：,2AH2 + O2,2A + 2H2O,例：邻苯二酚氧化酶（EC 1.10.3.1，邻苯二酚：氧氧化酶）,邻苯二酚,邻苯醌,（3）过氧化物酶,ROO + H2O2,RO + H2O + O2,（4）加氧酶（双加氧酶和单加氧酶）,（顺，顺-已二烯二酸）,转移酶类(Transferase)： 催化化合物中某些基团的转移，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,AX + B,A +BX,根据X分成8个亚类：转移
13、碳基、酮基或醛基、酰基、糖基、烃基、含氮基、含磷基和含硫基的酶,例：谷丙转氨酶（GPT）（EC 2.6.1.2，L-丙氨酸：-酮戊二酸氨基转移酶）,水解酶类(Hydrolase)： 催化加水分解作用，主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等,AB + H2O,AOH + BH,裂合酶类(Lyase)： 催化非水解性地除去基团而形成双键的反应或逆反应,CC键,+ CO2,+ H2O,CO键,CN键,+ NH3,例1：,例2：L-组氨酸裂合酶催化非氧化性、非水解性的脱氨反应,异构酶(Isomerase)： 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,常见的有消旋和变旋、醛酮异构、
14、顺反异构和变位酶类,例：,合成酶类(Synthetase) or 连接酶(Ligase)： 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,例：,丙酮酸羧化酶：丙酮酸 + CO2 草酰乙酸,(7) 核酸酶（催化核酸） Ribozyme 核酸酶是唯一的非蛋白酶,它是一类特殊的RNA，能够催化RNA分子中的磷酸酯键的水解及其逆反应,四、酶的分离和纯化,酶的分离纯化 由于酶是蛋白质，因此有关蛋白质分离、纯化和鉴定的方法基本适用于酶，区别之处在于： 1. 酶分离纯化的最终的目的： 提高酶的比活力， 得到更多的酶活力（总活力） 2. 酶的鉴定主要采用特定的
15、酶所催化的化学反应来鉴定,酶的分离纯化 酶的分离、纯化需要注意的几点是： 尽可能在低温操作(04) 在分离提纯过程中，不能剧烈搅拌 提纯溶剂中加一些保护剂，如少量EDTA、-巯基乙醇 在分离提纯过程中要不断测定酶活力和蛋白质浓度， 从而求得比活力，还要计算总活力,四、酶的分离和纯化,酶的分离和纯化,酶分离纯化中的几个概念 酶活力： 指酶催化一定化学反应的能力，用酶促反应速 度来表示 酶促反应速度：以单位时间底物浓度的减少或产物浓度 的增加来表示 酶活性单位：在特定条件下，1分钟内转化1微摩尔底物 所需的酶量为一个活力单位(Unit)，温度 规定为25，其他条件取反应的最适条件,比活力： 每毫克
16、蛋白所具有的活力数，酶的比活越高， 酶的纯度越好 比活力(U/mg) = 总活力/酶总量 回收率：每一纯化步骤后所得到的酶总活力与第一步总 活力之比 总活力单位体积的酶活力(U/mL)总体积(mL) 纯化倍数：每一纯化步骤后的比活力与第一步比活力的 比值,酶的分离和纯化,酶活性测定方法 终点法(End-point method) 又称化学反应法，是使酶促反应进行到一定时间后，终止反应，再用化学或物理方法测定产物或底物浓度变化的量。优点是不受酶的限制、通用性好。缺点是费时长、工作量大、不能观察反应全过程 动力学法(Kinetic method) 是连续测定酶反应过程中底物产物或辅酶的变化量，可以直
