【5A文】酶学基础知识

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1、第二章 酶学基础知识,第二章 酶学基础知识,第一节 酶的分类与命名 第二节 酶（蛋白类酶）的结构与功能,第一节 酶的分类与命名,大肠杆菌细胞中，3000种酶 高等真核生物细胞中，5000种酶 国际酶学委员会已知的酶见表1：,表1 已知酶历年增长统计,资料来源与年份已知酶数量 Report of the Enzyme Commission (1961) 712 Enzyme Nomenclature (1964) 874 Enzyme Nomenclature (1972) 1770 Enzyme Nomenclature (1978) 2122 Supplements 1-4 2252 Enz

2、yme Nomenclature (1984) 2477 Supplements 1-3 (Eur.J.Biochem.) (1990) 2966 Enzyme Nomenclature(1992) 3169 Supplements 1-4 (Eur.J.Biochem.) (1997) 3702,酶的分类命名原则,分类命名方法： 对于蛋白类酶现在普遍接受的是国际酶学委员会1961年制定的酶分类与命名法。 对于核酸类酶由于其研究历史不长，对于分类和命名还没有统一的原则和规定。,蛋白类酶与核酸类酶,按照分子中起催化作用的主要组分不同，酶可以分为蛋白类酶（proteozyme，P酶）和核酸类酶（r

3、ibozyme，R酶，核酶）两大类。 两者的显著区别之一是蛋白类酶只能催化其他分子进行反应，而核酸类酶却可以催化酶分子本身也可以催化其他分子进行反应。,一、蛋白类酶（P酶）的分类,（1） 氧化还原酶类 （2） 转移酶类 （3） 水解酶类 （4） 裂合酶类 （5） 异构酶类 （6） 连接或合成酶类,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：,（1） 氧化还原酶类,催化氧化-还原反应。 供体：受体 氧化还原酶 主要包括脱氢酶(dehydrogenase)和还原（氧化）酶(Oxidase)。 例如，乳酸：NAD+氧化还原酶(乳酸

4、脱氢酶)催化乳酸的脱氢反应。,（2） 转移酶类,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。 供体：受体 某基团转移酶 分为8个亚类，对应转移的基团。 例如，丙氨酸：a-酮戊二酸氨基转移酶（谷丙转氨酶）催化的氨基转移反应。,（3） 水解酶类,水解酶催化底物的加水分解反应或其逆反应。 底物名称 反应集团位置 水解酶 分为9个亚类，表示水解的键，主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。 例如，脂肪酶催化的脂的水解反应。,（4） 裂合酶类,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。 底物 裂解基团 裂合酶 分为5个亚类，对应裂解的键的性质主要

5、包括醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。 例如， D-果糖-1，6-二磷酸：D-甘油醛-3-磷酸裂合酶（果糖二磷酸醛缩酶、醛缩酶A）,（5） 异构酶类,催化各种同分异构体的相互转变。即底物分子内基团或原子的重排过程。 底物名称 亚类 酶 按异构化类型分为6个亚类，异构、消旋、变位、表异构、顺反异构 例如， D-葡萄糖-6-磷酸酮醇异构酶（6-磷酸葡萄糖异构酶）催化的反应。,（6） 合成酶类,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 =AB + ADP +Pi 底物：底物 连接酶 按合成的键分为5个亚类。

6、 例如，谷氨酰胺合成酶催化的反应。 L谷氨酸+氨+ ATP = L谷氨酰胺+ ADP +Pi,蛋白类酶的系统名、惯用名,EC. X.X.X.X,蛋白酶的系统编号,-CHOH-羟基亚甲基,三、其他习惯归类命名法,单体酶和寡聚酶 单纯酶和结合酶 恒态酶和调节酶 胞内酶、胞外酶,1. 单体酶和寡聚酶,根据酶蛋白质组成特点可将已知酶分为单体酶和寡聚酶。 （1） 单体酶 单体酶仅由单条肽链组成，相对分子质量1300035000，不能再解离成更小的组成单位。其中许多是催化水解反应的酶，一般不需辅助因子。 在单体酶中有一些是蛋白水解酶，它们多以无活性的酶原形式合成，在需要时再水解除去部分肽链转变为有活性的酶

7、。,（2） 寡聚酶,已知的酶绝大多数是寡聚酶，由相同或者不同的亚基组成，它们包含两条或多条肽链，相对分子质量通常超过35000。例如，糖酵解有关的酶都是包含24个亚基的寡聚酶。在寡聚酶中有许多是代谢途径中的关键酶，它们的活性可通过多种方式，特别是通过别构机制进行调节。,2.单纯酶和结合酶,从酶的成分组成上看，可将酶分为单成分酶和双成分酶两种。或称为单纯酶和结合酶。 单成分酶（单纯酶）在催化过程中不需要辅酶，除了蛋白质外不含其他成分。如：水解酶类的胃蛋白酶、胰蛋白酶、脲酶、核酸酶等。 双成分酶（结合酶）：在催化反应中需要有辅助因子，由蛋白和非蛋白两部分组成。其中非蛋白部分称为辅助因子，单纯的辅助

8、因子不呈现酶活力，只有两者结合在一起形成全酶才显示活力。如氧化还原酶类、转移酶类中的许多酶。 全酶酶蛋白辅助因子,3. 恒态酶和调节酶,根据酶在代谢中所处的地位、含量与活性情况，也可以分成恒态酶与调节酶。 恒态酶是构成代谢途径和物质转化体系的基本组成成分，在细胞中恒态酶的含量相对恒定，其活性仅受反应动力学系统本身的组成因素调节。 调节酶是指在代谢途径和物质转化体系中起调节作用的关键酶，它们的含量与活性常因机体的机能状况而不同。按照其活性调节方式又可分为三种类型:潜态酶，别构酶和多功能酶。,（1） 潜态酶,潜态酶是指那些通常以无活性的酶原状态存在，而在机能需要时再转变为活性状态的酶。这种激活调节

9、一般以级联催化方式进行。包括两种类型：一是不可逆的共价调节，即所谓的酶原激活。除了前述的消化性蛋白水解酶外，也包括那些具有生理功能的蛋白酶，例如凝血酶、溶血纤蛋白酶等都是通过这种方式调节的；二是可逆共价调节。,（2） 别构酶,别构酶，这些酶在结构上除了具有能和底物相结合、并催化底物进行反应的活性中心外，还具有能和效应物相结合的调节中心。,（3）多功能酶,多功能酶指具有一种以上催化活性的酶，他们有的是由不同亚基组成，还有一些别构酶也是多功能酶。,4. 胞内酶、胞外酶,生物合成的酶有两种类型:存在于胞内或转位通过细胞质膜到胞外。,（1） 胞内酶,胞内酶是指在合成后仍留在细胞内发挥作用的酶。 酶在细

10、胞内存在部位是不同的，有些酶是“可溶的”，并不直接与细胞中任何特定结构组分相连接；另一些酶则是“不溶的”,他们与细胞膜或细胞器结合，较难与细胞的组分分开，如线粒体上的酶。为从胞内提取某种酶，一般要通过破壁、抽提、离心等步骤。,（2） 胞外酶,胞外酶(又可称为分泌型酶)是指可以穿过质膜的任何酶，大多数是水解酶，多数工业用酶都是胞外酶。如淀粉酶、蛋白酶、纤维素酶、果胶酶等。胞外酶优点明显，它比胞内酶容易回收、纯化，不必将细胞破碎，也不用去核酸，容易获得高产(因为胞外酶生产不受可获得的生物量的限制)。 胞外酶的分泌位置由细胞质膜的结构所决定。,革兰氏阳性菌的外壳由细胞质膜和包围在膜外面的壁组成。对革

11、兰氏阳性菌来说有两类胞外酶：一类是合成后分泌到培养基中的胞外酶，如芽胞杆菌产生的淀粉酶、蛋白酶；另一类是分泌蛋白穿过膜后，结合于膜外表面的胞外酶。,革兰氏阴性菌的细胞壁是由附着在细胞质膜外的一层薄的粘肽组成，壁外面还有一层膜外膜。两层疏水膜之间是亲水空间周质。阴性菌中有四种不同位置的分泌型酶，即分泌酶结合在内膜外表面、分布在周质中、结合在外膜上和分泌到培养基中，前三类均可用渗透压冲击法或用溶菌酶把细胞处理成球状体释放酶。,四、核酸类酶（催化核酸）,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和一些其它反应。,核酸类酶的分类,（1）根据酶作用的底物

12、是其本身RNA分子还是其他分子，将核酸类酶分为分子内催化R酶和分子间催化R酶两大类。 （2）在每个大类中根据酶的催化类型不同，将 R酶分为若干亚类。,1、分子内催化R酶,分子内催化酶是催化本身RNA分子进行反应的一类核酸类酶。 （1）自我剪切酶：在一定条件下催化本身RNA分子进行剪切反应的R酶。它们都是RNA前体，可以在一定条件下进行自我催化，使RNA前体生成成熟的RNA分子和另一个RNA片断。 （2）自我剪接酶：在一定条件下催化本身RNA同时进行剪切反应和连接反应的R酶。它们也都是RNA前体。,2、分子间催化R酶,分子间催化酶是催化其它分子进行反应的核酸类酶。 （1）RNA剪切酶：催化其他R

13、NA分子进行剪切反应的核酸类酶。 （2）DNA剪切酶：催化DNA分子进行剪切反应的核酸类酶。 （3）多肽剪切酶：催化多肽剪切作用的核酸类酶。 （4）多糖剪接酶：催化多糖剪切和连接反应的核酸类酶。 （5）多功能R酶：催化其他分子进行多种反应的核酸类酶。,第二节 酶（蛋白类酶） 的结构与功能,一.蛋白类酶的基本组成单位氨基酸,蛋白类酶（P-酶）主要由蛋白质组成。蛋白质是由各种氨基酸通过肽键连接而成的高分子化合物。 氨基酸：分子中含有氨基（-NH2）和羧基（-COOH）的有机化合物。组成蛋白质的氨基酸主要有20种。,2.辅助因子,酶反应的专一性取决于酶蛋白本身，而辅助因子则直接对电子、原子或某些化学

14、基团起传递作用，决定反应的性质。酶的辅助因子可以是无机辅助因子金属离子（激活剂），也可以是小分子有机化合物（辅酶）。,（1）无机辅助因子,无机辅助因子主要是指各种金属离子，尤其是各种二价金属离子。 1.镁离子（Mg2+） 2.锌离子（Zn2+） 3.铁离子（Fe2+） 4.铜离子（Cu2+） 5.锰离子（Mn2+） 6.钙离子（Ca2+）,（2）有机辅助因子,有机辅助因子是指双成分酶中相对分子质量较小的有机化合物。它们在酶催化过程中起着传递电子、原子或基团的作用。包括： 烟酰胺核苷酸、黄素核苷酸、铁卟啉、硫辛酸、核苷三磷酸、鸟苷、辅酶Q、谷光甘肽、辅酶A、生物素、硫胺素焦磷酸、磷酸吡哆醛和磷酸

15、吡哆胺。 生物体内B族维生素几乎都是作为酶的辅助因子，参与细胞的代谢过程,二、酶的空间结构,蛋白质功能决定于其结构，不仅与其氨基酸组成（一级结构）有关，而且还与其空间结构有关（二级结构、三级结构、四级结构）。 酶蛋白空间结构的基本结构单位：螺旋结构、折叠结构、转角结构和卷曲结构等。 具有酶活性的蛋白质都是球蛋白，球蛋白分子结构有以下特征：,1、空间结构特征：,(1) 在球蛋白分子中一条肽链往往是通过一部分-螺旋、一部分-折叠、一部分-转角和一部分无规卷曲形成紧密的球状构象。 (2)在球蛋白分子中，大多数非极性侧链总是埋藏在分子内部形成疏水内核，而大多数极性侧链总是暴露在小分子的表面上，形成一些

16、亲水区。,(3)球蛋白的分子表面，往往有一个内陷的空穴，往往是疏水区，对酶分子而言，此空穴正好容纳一个或两个小分子底物或大分子底物的一部分，即酶活性部位。 (4)有些球蛋白具有四级结构，这类球蛋白的分子中含两条或多条多肽链，这些多肽链彼此以非共价键相连，每一条肽链都有自己的二、三级结构。,2.维持酶蛋白分子构象的力,蛋白质的空间结构是通过各种副价键联结而成 主要有：氢键、盐键、二硫键、疏水作用、金属键和范德华力等。,3.酶的活性中心,在酶分子上，并不是所有氨基酸残基，而只是少数氨基酸残基与酶的催化活性有关。这些氨基酸残基虽然在一级结构上可能相距很远，但在空间结构上彼此靠近，集中在一起形成具有一定空间结构的区域，该区域与底物相结合并催化底物转化为产物，这一区域称为酶的活性中心(active center)或活性部位(active site)。 酶的活性中心一旦被破坏，酶将失去其催