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1、第四单元第四单元 酶酶 一、酶的概念及其作用特点一、酶的概念及其作用特点 1.1.酶是一种生物催化剂酶是一种生物催化剂 酶是一类具有高效率、高度专一性、活性可调节的生物催化剂。包括酶(enzyme) ，核（糖）酶(ribozyme)，脱氧核（糖）酶(deoxyribozyme)。 2.2.酶催化反应的特点酶催化反应的特点 （1 1）催化效率高）催化效率高 酶催化可使反应速度提高1081020倍，至少提高几个数量级。 （2 2）专一性高）专一性高 酶对反应的底物和产物都有极高的专一性，几乎没有副反应发生。 （3 3）反应条件温和）反应条件温和 常温，常压，中性 pH 环境。（4 4）活性可调节）
2、活性可调节根据据生物体的需要，许多酶的活性可受多种调节机制的灵活调节，包括：别构调节、酶的共价修饰、酶的合成、活化与降解等。3.3.酶与非生物催化剂相比的几点共性：酶与非生物催化剂相比的几点共性：催化效率高，用量少（细胞中含量低） 。不改变化学反应平衡点。降低反应活化能。反应前后自身结构不变。催化剂改变了化学反应的途径，使反应通过一条活化能比原途径低的途径进行，催化剂的效应只反映在动力学上（反应速度） ，不影响反应的热力学（化学平衡） 。二、酶的化学本质二、酶的化学本质1.酶的蛋白质本质酶的蛋白质本质多数酶是蛋白质，具有蛋白质的一切共性。2.酶的组成酶的组成有些酶仅由蛋白质组成，例如，脲酶、溶
3、菌酶、淀粉酶、脂肪酶、核糖核酸酶等有些酶不仅含有蛋白质（酶蛋白） ，还含有非蛋白质成分（辅助因子） ，只有酶蛋白与辅助因子结合形成复合物（全酶）才表现出酶活性，如超氧化物歧化酶Cu2+、Zn2+） 、乳酸脱氢酶（NAD+） 酶的专一性由酶蛋白的结构决定，辅助因子传递电子或某些化学基团。酶的辅助因子主要有金属离子（Fe2+、Fe3+ 、Cu+、Cu2+、 Mn2+、Mn3+、Zn2+、Mg2+ 、K+、 Na+ 、Mo6+ 、Co2+等）和有机化合物。辅酶：与酶蛋白结合较松，可透析除去。辅基：与酶蛋白结合较紧。酶蛋白决定酶专一性，辅助因子决定酶促反应的类型和反应的性质。比如，NAD+可与多种酶蛋
4、白结合，构成专一性强的乳酸脱氢酶、醇脱氢酶、苹果酸脱氢酶、异柠檬酸脱氢酶。生物体内酶种类很多，而辅助因子种类却很少，原因是一种辅助因子可与多种酶蛋白结合。3.ribozyme3.ribozyme 核酶（具有催化功能的核酶（具有催化功能的 RNARNA）1980 以前，已知所有的生物催化剂，其化学本质都是蛋白质。80 年代初，美国科罗拉多大学博尔德分校的 Thomas Cech 和美国耶鲁大学 Sidney Altman 各自独立发现RNA 具有生物催化功能，此发现被认为是近十年生化领域最令人鼓舞的发现，此二人分亨 1989 诺贝尔化学奖。三、酶的亚基组成三、酶的亚基组成1.1.单体酶单体酶由一
5、条或多条共价相连的肽链组成的酶分子，如牛胰 RNase，124aa，单链；鸡卵清溶菌酶，129aa，单链；胰凝乳蛋白酶，三条肽链。单体酶种类较少，一般多催化水解反应。2.2.寡聚酶寡聚酶由两个或两个以上亚基组成的酶，亚基可以相同或不同，一般是偶数，亚基间以非共价键结合。含相同亚基的寡聚酶，如苹果脱胱氢酶（鼠肝） ，2 个相同的亚基；含不同亚基的寡聚酶，琥珀酸脱氢酶（牛心） ，2 个亚基。寡聚酶中亚基的聚合，有的与酶的专一性有关，有的与酶活性中心形成有关，有的与酶的调节性能有关。大多数寡聚酶是胞内酶，而胞外酶一般是单体酶。3.3.多酶复合体多酶复合体由两个或两个以上的酶，靠非共价键结合而成，其中
6、每一个酶催化一个反应，所有反应依次进行，构成一个代谢途径或代谢途径的一部分。如脂肪酸合成酶复合体。例如大肠杆菌丙酮酸脱氢酶复合体由三种酶组成，丙酮酸脱氢酶（E1） ，二氢硫辛酸转乙酰基酶（E2） ，二氢硫辛酸脱氢酶（E3）复合体：12 个 E1二聚体，24 个 E2单体，6 个 E3二聚体。4.4.多酶融合体多酶融合体一条多肽链上含有两种或两种以上催化活性的酶，这往往是基因融合的产物。例如天冬氨酸激酶 I-高丝氨酸脱氢酶 I 融合体（双头酶）每条肽链含两个活性区域：N-端区域是 Asp 激酶，C 端区域是高 Ser 脱氢酶。四、酶在细胞中的分布四、酶在细胞中的分布一个细胞内含有上千种酶，互相有
7、关的酶往往组成一个酶体系，分布于特定的细胞组分中，因此某些调节因子可以比较特异地影响某细胞组分中的酶活性，而不使其它组分中的酶受影响。1.1.分布于细胞核的酶分布于细胞核的酶核被膜：酸性磷酸酶；染色质：三磷酸核苷酶；核仁：核糖核酸酶；核内可溶性部分：酵解酶系、乳酸脱氢酶。2.分布于细胞质的酶分布于细胞质的酶参与糖代谢的酶：酵解酶系、磷酸戊糖途径酶系；参与脂代谢的酶：脂肪酸合成酶复合体；参与 a.a 蛋白质的酶：Asp 氨基转移酶；参与核酸合成的酶：核苷激酶、核苷酸激酶。3.分布于内质网的酶分布于内质网的酶光滑内质网：胆固醇合成酶系；粗糙内质网：蛋白质合成酶系（细胞质一侧） 。4.分布于线粒体的
8、酶分布于线粒体的酶外膜：酰基辅酶 A 合成酶；内膜：NADH 脱氢酶；基质：三羧酸循环酶系、脂肪酸 -氧化酶系。5.5.分布于溶酶体的酶分布于溶酶体的酶水解蛋白质的酶、水解糖苷类的酶、水解核酸的酶、水解脂类的酶。五、酶的分类及命名五、酶的分类及命名（一）习惯命名（一）习惯命名1961 年 6 以前使用的酶沿用习惯命名1.（绝大多数酶）依据底物来命名，如催化蛋白质水解的酶称蛋白酶。催化淀粉水解的酶称淀粉酶。2. 依据催化反应的性质命名，如水解酶、转氨酶。3 结合上述两个原则命名，如琥珀酸脱氢酶。4. 有时加上酶的来源，如胃蛋白酶、牛胰凝乳蛋白酶习惯命名较简单，但缺乏系统性。（二）国际系统命名（二
9、）国际系统命名系统名称应明确标明酶的底物及催化反应的性质。如草酸氧化酶（习惯名） ，系统名称为草酸：氧氧化酶，谷丙转氨酶（习惯名） ，系统名为丙氨酸：-酮戊二酸氨基转移酶。（三）国际系统分类法及编号（三）国际系统分类法及编号（EC 编号）编号）将所有酶促反应按性质分为六类，分别用 1、2、3、4、5、6 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，编号用 1、2、3，每个亚类又可分为若干个亚一亚类，用编号 1、2、3表示。每一个酶的编号由 4 个数字组成，中间以“”隔开。第一个数字表示大类，第二个数字表示亚类，第三个表示亚-亚类，第四个数字表示在亚-亚中的编号。1.1.
10、氧化还原酶类氧化还原酶类催化反应：A2H+B=A+B2H，如乳酸：NAD+氧化还原酶（EC1.1.1.27） ，习惯名：乳酸脱氢酶。2.2.转移酶类转移酶类催化反应：AB+C=A+BC，如 Ala：酮戊二酸氨基移换酶（EC2.6.1.2） ，习惯名：谷丙转氨酶。3.3.水解酶类水解酶类催化水解反应，包括淀粉酶、核酸酶、蛋白酶、脂酶。如亮氨酸氨基肽水解酶（EC3.4.1.1） ，习惯名：Ile 氨肽酶。4.4.裂合酶类（裂解酶）裂合酶类（裂解酶）催化从底物上移去一个基团而形成双键的反应或其逆反应，如二磷酸酮糖裂合酶（EC4.1.2.7） ，习惯名：醛缩酶。5.5.异构酶异构酶催化同分异构体相互转
11、化，如 6-磷酸 Glc 异构酶（EC5.3.1.9） 。6.6.合成酶（连接酶）合成酶（连接酶）催化一切必须与 ATP 分解相偶联、并由两种物质合成一种物质的反应。前面三个编号表明这个酶的特性：反应性质、底物性质（键的类型）及电子或基团的受体，第四个编号用于区分不同的底物。来自不同物种或同一物种不同组织或不同细胞器的同一种酶，虽然它们催化同一个生化反应，但它们的一级结构可能不相同，有时反应机制也可能不同，可是无论是酶的系统命名法还是习惯命名法，对这些均不加以区别，而定为相同的名称，这是因为命名酶的根据是酶所催化的反应。例如，SOD 不管来源如何，均催化如下反应：2O2-+2H+H2O2+O2
12、，H2O2再由过氧化氢酶催化、分解，它们有同一个名称和酶的编号 EC1.15.1.1，实际可分三类：CuZn-SOD 存在于真核生物细胞质中，Mn-SOD 存在于真核生物线粒体中，此外还有Fe-SOD，即使同是 CuZn-SOD，来自牛红细胞与猪红细胞的，其一级结构也有很大不同。因此，在讨论一个具体的酶时，应对它的来源与名称一并加以说明。六、酶促反应动力学六、酶促反应动力学酶促反应动力学是研究酶促反应的速度以及影响酶促反应速度的各种因素，包括底物浓度、酶浓度、pH、温度、激活剂与抑制剂等。（一）酶的量度（一）酶的量度酶的含量不能直接用重量和摩尔数表示（不纯、失活、分子量不知） ，而采用酶的活力
13、单位表示。1.1.酶活力与酶促反应速度酶活力与酶促反应速度酶活力：用在一定条件下，酶催化某一反应的速度表示。反应速度快，活力就越高。反应速度酶活力酶量。酶促反应速度的表示方法：单位时间、单位体积中底物的减少量或产物的增加量。单位：浓度/单位时间。研究酶促反应速度，以酶促反应的初速度为准。因为底物浓度降低、酶部分失活、产物抑制和逆反应等因素，会使反应速度随反应时间的延长而下降。2.酶的活力单位（U）国际酶学会标准单位：在特定条件下，1 分钟内能转化 1umol 底物的酶量，称一个国际单位（IU） 。特定条件：25 pH 及底物浓度采用最适条件（有时底物分子量不确定时，可用转化底物中 1umol
14、的有关基团的酶量表示） 。实际工作中，每一种酶的测活方法不同，对酶单位分别有一个明确的定义。如限制性核酸内切酶用粘度法测活性：定义为 30， 1 分钟，使底物 DNA 溶液的比粘度下降 25%的酶量为 1 个酶单位。转化率法：标准条件，5 分钟使 1ug 供体 DNA 残留 37%的转化活性所需的酶量为 1 个酶单位。凝胶电泳法：37，1 小时，使 1ugDNA 完全水解的酶量为 1 个酶单位。可见，同一种酶采用不同的测活方法，得到的酶活单位是不同的，即使是同一种测活法，实验条件稍有相同，测得的酶单位亦有差异。3.酶的比活力（酶的比活力（Specific activity）每毫克酶蛋白所具有的
15、酶活力。酶的比活力是分析酶的纯度是重要指标。单位：U/mg 蛋白质。有时用每克酶制剂或每毫升酶制剂含有多少个活力单位表示。4.4.酶的转换数和催化周期酶的转换数和催化周期分子活性定义：每 mol 的 enzyme 在 1 秒内转化 substrate 的 mol 数。亚基或催化中心活性定义：每 mol 的 active subunit 或 active center 在一秒内转化的 substrate 的 mol 数，称为转换数 Kcat，转换数的倒数即为催化周期：一个酶分子每催化一个底物分子所需的时间。如：乳糖脱氢酶转换数为 1000/秒，则它的催化周期为 10-3秒。（二）底物浓度对酶促反
16、应速度的影响（二）底物浓度对酶促反应速度的影响1.1.底物浓度对酶促反应速度的影响底物浓度对酶促反应速度的影响米式学说的提出米式学说的提出1903 年 Henri 研究蔗糖水解反应。发现当底物浓度不断增大时，反应速度趋向一个极限，酶被底物饱和（底物饱和现象） 。由此提出中间产物假说：酶与底物先络合成一个中间产物，然后中间产物进一步分解成产物和游离的酶。其证据有：（1）竞争性抑制实验（2）底物保护酶不变性（3）结晶 ES 复合物的获得。1913 年，Michaelis 和 Menten 继承和发展了中间产物学说，在前人工作基础上提出酶促动力学的基本原理，并以数学公式表明了底物浓度与酶促反应速度的定量关系2.2.基于快速平衡假说基于快速平衡假说早年的米氏方程早年的米氏方程最初，Michaelis和Menten是根据“快速平衡假说”推出米氏方程。在反应的初始阶段，底物浓度远远大于酶浓度，因此，底物浓度S可以认为不变。游离的酶与底物形成ES的速度极快，而ES形成产物的速度极慢，ES分解成
