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1、第八章 酶学通论,酶, enzyme 希腊语原意: in yeast 生命体内催化化学反应的物质 细胞中大部分球蛋白为酶,19世纪中叶对发酵本质的探讨： 1857年 Pasteur认为发酵分几个阶段进行, 每一 步都有特定的酶参与, 但酶只在活体细胞中才能起 作用。发酵是酵母细胞活动的结果。 1897年 Bchner兄弟用酵母提取液实现发酵，证 明了酶可以离开细胞起作用。 酶的名称 1878年 Khne提出enzyme一词：“在酵母中”。 1898年 Duclaux提出用后缀“ase”表示酶。,一、酶学研究史,酶促动力学 1894年 Fisher提出酶与底物作用的“锁钥”学说 1913年 Mi
2、chaelis 和 Menton米氏方程建立。 关于酶的化学本质的认识： 1833年 Payen 和 Persoz从麦芽的水抽提物中用 酒精沉淀得到一种热不稳定物质,可使淀粉水解成 可溶性糖。 1926年 Sumner首次从刀豆中得到脲酶结晶，并证 明其化学本质是蛋白质。 1982年 Thomas R Cech从四膜虫发现rRNA的自身 催化作用，并提出了核酶（ribozyme）的概念。 限制性内切酶的发现 1970年 Restriction enzyme的发现基因工程。,酶学研究史,二、酶是生物催化剂,酶是一种催化剂 1.进行热力学上允许进行的反应； 2.缩短化学反应平衡到达的时间，而不改变
3、反应的平衡点； 3.用量少而催化效率高；,4.通过降低活化能加快化学反应速度。,例 2H2O2 2H2O + O2,（1）高的催化效率,以摩尔为单位进行比较，酶的催化效率比化学催化剂高1071013倍，比非催化反应高1081020倍。,例 2H2O22H2O+O2,1mole H2O2酶 能催化 5106mole H2O2的分解,1mole Fe3+ 只能催化610-4mole H2O2的分解,酶是特殊的催化剂,酶与一般催化剂催化效率的比较,底物 催化剂 反应温度 反应速度常数 尿素 H + 62 7.4 10-7 脲酶 21 5.0 106 过氧化氢 Fe 2+ 22 56 过氧化氢酶 22
4、 3.5 107,通常要高出一般催化剂催化活性的107-1013倍。,转换数（turnover number,kcat）: 每秒钟或每分钟，每个酶分子转换底物的分子数，或每秒钟或每分钟每摩尔酶转换底物的摩尔数。,2.高度专一性 3.可调控性 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。 4.反应条件温和 生物固氮： 工业氨合成： 5.酶的催化活力与辅酶、辅基和金属离子有关,酶是生物催化剂 1.生物体产生的；化学本质是蛋白质（直接、间接 证据）； 2.与生命活动密切相关。,三、酶的化学本质,1大多数酶是蛋白质 1926年美国Sumner脲
5、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。 酶的定义：生命体内具有催化化学反应活性的蛋白质为酶。 酶为生命体内具有催化化学反应活性的生物大分子。,四、酶的组成,1单纯蛋白质酶类 仅由氨基酸组成。 如脲酶、 胃蛋白酶等一般水解酶。,2缀合蛋白质酶类 蛋白质 + 非蛋白质部分,全酶 = 脱辅酶（酶蛋白）+辅助因子 （辅酶、辅基或金属离
6、子）,辅酶（coenzyme）,辅基（prosthetic group）,全酶 (holoenzyme) | 酶蛋白（apoenzyme) + 辅助因子 （cofactor) cofactor,辅基， prosthetic group,辅酶，co-enzyme,金属离子,结合力强,酶的催化专一性主要决定于酶蛋白部分，辅助因子 通常是作为电子、原子或某些化学基团的传递体。,单体酶（monomeric enzyme)：由一条肽链组成，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。大多为代谢
7、调控酶。,根据酶蛋白分子的特点将酶分成三类,多酶复合体 (multienzyme complex)： 几个酶嵌合而成的复合物。这些酶催化将底物转化 为产物的一系列顺序反应。如丙酮酸脱氢酶复合体 由丙酮酸脱氢酶（E）、硫辛酰转乙酰酶（E） 和二氢硫辛酰脱氢酶（E）组成。,五、酶的命名和分类,1961年国际酶学委员会（enzyme commission）提出的酶的命名和分类方法。 每一个酶由下列三种表示： 1、系统名称：底物名+反应性质 2、分类编号：E.C.+四个数字 3、推荐名：选一个习惯名（实用、简单）,（一）命名,1系统名称（systematic name）,（1）标明底物和催化反应的性质
8、,G-6-PF-6-P G-6-P异构酶,例:,（2）两个底物参加反应时应同时列出，中间用冒号（:）分开。如其中一个底物为水时，水可略去。,例1： 丙氨酸+-酮戊二酸 谷氨酸+丙酮酸,丙氨酸:-酮戊二酸氨基转移酶,例2： 脂肪+H2O 脂酸+甘油,脂肪水解酶,2习惯名称（recommended name）,（1）底物,（2）反应性质,（3）底物+反应性质 乳酸脱氢酶,（4）底物+来源或其它特点,（二）系统分类法及编号,1分类: 根据催化反应的性质分6大类酶 1.氧化还原酶类 oxidoreductase 2.转移酶类 transferase 3.水解酶类 hydrolase 4.裂合酶类 ly
9、ase 5.异构酶类 isomerase 6.连接酶类 ligase/synthetase,2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）。,EC 类.亚类.亚亚类.排号，如EC l.1.1.1,（三）六大类酶催化反应的性质,1氧化还原酶类（oxido-reductases）,主要是催化氢的转移或电子传递的氧化还原反应。催化氧化还原反应的酶，包括氧化酶类、脱氢酶类、过氧化氢酶、过氧化物酶等。,（1）氧化酶类： 催化底物脱氢，并氧化生成H2O或H2O2 。,2A2H+O2 2A+2H2O,A2H+O2 A+H2O2,例：邻苯二酚氧化酶
10、 （EC 1.10.3.1，邻苯二酚：氧氧化酶）,邻苯二酚,邻苯醌,（2）脱氢酶类：直接催化底物脱氢,A2H + B A + B2H,例：乳酸脱氢酶（EC 1.1.1.27） L-乳酸：NAD+氧化还原酶）,2转移酶类（transferases）,催化基团的转移,分成8个亚类：转移碳基、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）,3水解酶类（hydrolases）,AB + H2O AOH + BH,催化加水分解作用。,4裂合酶类（lyases）,从底物非氧化非水解性地移去一个基团并形成双 键
11、的反应或其逆反应。,AB A + B,例1：,例2：,5异构酶类（isomerase）,催化异构化反应 ,常见的有消旋和变旋、醛酮异构、顺反异构和变位酶类。,例：,6连接酶类（ligases, 也称synthetases合成酶类）,将两个小分子合成一个大分子，通常需要ATP供能。,例：,（连接酶）,（异构）,（裂合）,（水解）,氧化还原酶,转移酶,水解酶,裂合酶,异构酶,连接酶,酶作用的专一性,结构 专一性,立体异构 专一性,相对专一性,绝对专一性,六、酶专一性 specificity,键的专一性,基团专一性,1、绝对专一性（absolute specificity） 只能作用于某一底物。,例
12、:,（1）族专一性（基团专一性，group specificity）,2、相对专一性（relative specificity） 作用于一类化合物。,（2）键专一性 作用一种化学键,A B,2、立体专一性（stereospecificity） 只能催化一种立体异构体进行反应。,（1）D-，L-立体异构专一性 L-乳酸脱氢酶：作用于L-乳酸,（2）几何异构专一性 延胡索酸酶：作用于反式的丁烯二酸,（3）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1：,若甘油激酶不能区分两个CH2OH基团，则会生成 :,和,例2：,关于酶作用专一性的几种假说
13、,1、锁钥学说（lock and Key theory）,1894年 Fischer 提出:酶的活性中心结构与底物的结构互相吻合，紧密结合成中间络合物。,2、三点附着学说,3、诱导契合学说（induced-fit theory）,1958年 Koshland 提出:酶活性中心的结构有一定的柔性，当酶分子与底物酶分子接近时，酶蛋白受底物分子诱导，构象发生了有利于与底物结合的变化，使活性中心的有关基团正确地排列和定向，酶和底物契合结合成中间络合物，引起底物发生反应。,酶活力（enzyme activity）是指酶催化某一化学反应的能力。,七、酶的分离纯化和活力测定,测定酶活力时应注意几点,（1）应
14、测反应初速度（initial velocity） 底物浓度变化在起始浓度5%以内。,（2）酶的反应速度一般用单位时间内产物的增加量来表示。,（3）测酶活力时应使反应温度、pH、离子强度和底物浓度等因素保持恒定。,（4）测定酶反应速度时，应使SE。,酶活力单位（ U ） ：在一定条件下，一定时间内将一定量的底物转化为产物所需的酶量（U/g，U/ml） 。 在最适的反应条件（25）下，每分钟内催化一微摩尔底物转化为产物的酶量定为一个酶活力单位，即 1IU=1mol/min 在最适条件下，每秒钟内使一摩尔底物转化为产物所需的酶量定为1kat单位，即 1kat=1mol/s 酶的比活力 （代表酶的纯度
15、）：每mg蛋白质所含的酶活力单位数。,酶的比活力或比活性（specific activity）,比活力：指每mg蛋白质所具有的酶活力，一般用 U/mg蛋白质来表示，比活力说明酶的纯度。,比活力= 酶活力（U/ml）/蛋白质浓度（mg/ml）,比活力有时也可用每g或每ml酶含多少个活力单位来表示。,酶活力的测定方法,（1）分光光度法（spectrophotometry）,该法要求酶的底物和产物在紫外或可见光部分光吸收不同。,优点：简便、迅速、准确；一个样品可多次测定；可检测到10-9mol/L水平的变化。,例: 人血清乳酸脱氢酶活力的测定,（2）荧光法（fluorometry）,该法要求酶反应的底物或产物有荧光变化。,主要的优点：灵敏度很高，可测10-12mol/L的样品。,酶蛋白分子中的Tyr、Trp、Phe残基以及一些辅酶、辅基，如NADH NADPH、FMN、FAD等都能发出荧光。,（3）酶偶联分析法(enzyme coupling assay),第一个酶的产物为第二个酶的底物，这两个酶系统在一起反应。,P1无光吸收或荧光变化，偶联后, P2有光吸收或荧光变化。,例：测己糖激酶的活性,（4）电化学法（electrochemical method）,有离子选择性电极法、微电子电位法、电流法等。,离子选择性电极法要求在酶反应中必须伴
