生物化学-第四章　酶（上）

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1、2019/1/18,1,第四章 酶,2019/1/18,2,第一节 概述 第二节 酶的分类及命名 第三节 酶的结构与作用机制 第四节 酶代谢动力学 第五节 酶的调节 第六节 酶活力及酶工程,2019/1/18,3,大 纲,了解：酶分子结构与功能的关系；双底物酶促反应动力学特点；理解酶的作用机制；酶的制备、应用、活力测定和酶工程。酶高效催化策略机制 掌握：酶的概念、作用特点、分类与命名掌握酶促反应动力学的基本内容，米氏常数的意义；可逆性抑制的类型及酶促反应动力学参数(主要是Vmax 及Km)的变化情况。 重点、难点：酶促反应动力学的基本内容 、米氏常数的意义及有关计算、可逆性抑制的类型及酶促反应

2、动力学参数的变化,2019/1/18,4,第一节 概述 酶的本质 研究历史 酶的特性,2019/1/18,5,一、酶的概念及本质 (一) 酶的概念：酶是生物体活细胞产生的，在细胞内外均具有特殊催化活性和特定空间构象的生物大分子，包括蛋白质及核酸，又称为生物催化剂。 酶催化的生物化学反应，称为酶促反应（Enzymatic reaction）。 在酶的催化下发生化学变化的物质，称为底物（substrate）。 (二) 酶的化学本质：绝大多数酶是蛋白质,少数是核酸RNA，（后者称为核酶）,2019/1/18,6,酶的化学本质为蛋白质的依据 经酸水解的最终产物为氨基酸； 凡能使蛋白质变性的因素也可以使

3、酶变性； 两性电解质； 胶体性质，不能通过半透膜； 具有蛋白质所具有的颜色反应。,2019/1/18,7,二、研究历史 1.1833年佩延（Payen）和Persoz从麦芽中抽提出一种对热敏感的物质，这种物质能将淀粉水解成可溶性糖，被称为淀粉糖化酶（diastase） 2.巴斯德提出“酵素”一词，认为只有活的酵母细胞才能进行发酵。现在日本还经常使用“酵素”一词（ferment）。 3.1878年德国人库恩（Kuhne）提出“Enzyme”一词，意为“在酵母中”。,2019/1/18,8,4.1896年德国人巴克纳（Buchner）兄弟用石英砂磨碎酵母细胞，得到了能催化发酵的无细胞滤液，证明发酵

4、是一种化学反应，与细胞的活力无关。 5.1913年米凯利斯（Michaelis）和门顿（Menten）利用物理化学方法提出了酶促反应的动力学原理米氏学说，使酶学可以定量研究。,2019/1/18,9,6.1926年美国人J. B. Sumner从刀豆中结晶出脲酶（第一个酶结晶），并提出酶是蛋白质的观点。后来陆续得到多种酶的结晶，证明了这种观点，萨姆纳因而获得1947年诺贝尔奖。 7. 进入80年代后，核酶（ribozyme）、抗体酶、模拟酶等相继出现，酶的传统概念受到挑战。 1982年Cech等发现四膜虫26S rRNA前体具有自我剪接功能，并于1986年证明其内含子L-19 IVS具有多种催

5、化功能。 此后陆续发现多种具有催化功能的RNA，底物也扩大到DNA、糖类、氨基酸酯。,2019/1/18,10,三、酶的催化特点 （一）与普通催化剂的共同点： 1.只能催化热力学上允许进行的反应，对于可逆反 应，酶只能缩短反应达到平衡的时间，但不改变平衡常数； 2.酶也是通过降低化学反应的活化能来加快反应速度； 3.酶在反应中用量很少，反应前后数量、性质不变。,2019/1/18,11,2019/1/18,12,（二）酶的特性（与普通催化剂相比） 1.催化效率高 2.专一性强 3.反应条件温和 4.稳定性差，易失活 5.受多种因素调节 6. 酶的催化活性与辅因子有关,2019/1/18,13,

6、1.催化效率高 常用转换数（TN）或Kcat来表示催化效率：指在一定条件下每秒钟每个酶分子转换底物的数量，或每秒钟每微摩尔酶分子转换底物的微摩尔数 2.专一性强： (1)结构 专一 (2)立体异构专一 ：包含旋光异构和几何异构专一性,键专一性：指酶对所作用键的 选择性，如脂肪酶、二肽酶。 基团专一性（族专一性）：指酶对所作用的键及键一侧的基团的选择性， 胰蛋白酶,2019/1/18,14,3.反应条件温和 常温、常压，酸碱适中条件下进行 4.稳定性差，易失活 5.可调节性 通过酶的浓度 激素调节 反馈调节 抑制剂与激活剂 其他,2019/1/18,15,第二节 酶的命名与分类,2019/1/1

7、8,16,一、命名 主要有习惯命名法与系统命名法 (一)习惯命名法（1961以前) 主要依据以下原则： 1.根据酶作用的底物：淀粉酶、脂肪酶 2.根据酶催化的性质及反应类型：转氨酶、脱氢酶 3.根据底物及性质(以上两个原则)：LDH(乳酸脱氢酶) 4.根据来源：胃蛋白酶、胰蛋白酶等,2019/1/18,17,(二)国际系统命名法（ 1961以后） 以酶所催化的整体反应为基础，规定每种酶名称就明确标明酶的底物及催化反应的性质。如果是两种底物，都必须写，中间用“:”隔开，底物类型亦得写清 谷丙转氨酶：L-丙氨酸：-酮戊二酸氨基转移酶。,2019/1/18,18,（三）酶的系统编号（分类） 根据上述

8、酶的系统分类方法，国际酶学委员会还对每个酶做了统一编号，一个酶只有一个编号，因此不会混淆。 酶的系统编号由“EC”加四个阿拉伯数字组成，每个数字之间以“.”隔开。,2019/1/18,19,酶的表示方法,2019/1/18,20,酶的编码(国际系统分类),每个酶都有一个有四个数字组成的编码,2019/1/18,21,二、分类 （一）按反应的类型 1.氧化还原酶 2.转移酶 3.水解酶 4.裂合酶 5.异构酶 6.合成酶,2019/1/18,22,（一）按反应的类型 1.氧化还原酶 催化氧化还原反应，量最大的一类酶，具氧化、产能、解毒功能。 通式：AH2+BBH2+A,按系统命名可分为19亚类，

9、习惯上可分为4个亚类： (1)脱氢酶：受体为NAD或NADP，不需氧。 (2)氧化酶：以分子氧为受体，产物可为水或H2O2，常需黄素辅基。 (3)过氧化物酶：以H2O2为受体，常以黄素、血红素为辅基。 (4)氧合酶（加氧酶）：催化氧原子掺入有机分子，又称羟化酶。按掺入氧原子个数可分为单加氧酶和双加氧酶。,2019/1/18,23,2.移换酶(转移酶)类 催化功能基团的转移反应，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,也叫转移酶 通式：AR+BBR+A,按转移基团性质，可分为8个亚类，较重要的有： (1) 一碳基转移酶：转移一碳单位，与核酸、蛋白质甲基化有关 (2)磷酸基转移酶：常

10、称为激酶，多以ATP为供体。少数蛋白酶也称为激酶（如肠激酶） (3)糖苷转移酶：与多糖代谢密切相关，如糖原磷酸化酶。 (4)氨基转移酶：转移氨基，如AST ALT,2019/1/18,24,3、水解酶类 催化底物的水解反应，如蛋白酶、核酸酶及脂肪酶等。多是胞外酶. 通式：AB+H2OAH+BOH,起降解作用，多位于胞外或溶酶体中。有些蛋白酶也称为激酶。可分为水解酯键、糖苷键、肽键、碳氮键等11亚类。,2019/1/18,25,4、裂合酶类 催化从底物上非水解地移去一个小分子而留下双键的反应或其逆反应。 通式： ABA+B 包括醛缩酶、水化酶、脱羧酶等。共7个亚类。,2019/1/18,26,5

11、、异构酶类 催化同分异构体之间的相互转化。即底物分子内基团或原子的重排过程。 通式：AB 其中：A、B为同分异构体 包括消旋酶、异构酶、变位酶等。共6个亚类。,2019/1/18,27,6、合成酶类 催化由两种物质合成一种物质，必须与ATP分解相偶联。也叫连接酶，如DNA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。共5个亚类。 通式：A+B+ATPAB+ADP+Pi 或 A+BAB+AMP+PPi,2019/1/18,28,2019/1/18,29,2019/1/18,30,2019/1/18,31,2019/1/18,32,2019

12、/1/18,33,（二）按酶的结构分类 1.单体酶 由一条肽链构成的酶称为单体酶 2.寡聚酶： 由多条肽链以非共价键结合而成的酶 3.多酶体系： 一些功能相关的酶组织在一起，形成一个酶系,也叫多酶复合体,2019/1/18,34,（三）按化学组成 单纯酶及结合酶 单纯酶：完全由蛋白质（氨基酸）组成，无辅助因子。属简单蛋白质，如水解酶。 结合酶：属结合蛋白，除蛋白质外，还有非蛋白部分,即辅助因子 辅助因子：金属离子或有机小分子。,2019/1/18,35,全酶 = 酶蛋白 + 辅助因子,酶蛋白和辅助因子单独存在均无催化活性，只有二者结合为全酶才有催化活性。,2019/1/18,36,某些小分子有

13、机化合物与酶蛋白结合在一起并协同实施催化作用，这类分子被称为辅酶（或辅基）。 辅酶（或辅基）是一类具有特殊化学结构和功能的化合物。参与的酶促反应主要为氧化-还原反应或基团转移反应。 大多数辅酶（或辅基）的前体主要是水溶性 B 族维生素。许多维生素的生理功能与辅酶的作用密切相关。,(四) 酶的辅因子,2019/1/18,37,辅助因子分类 （按其与酶蛋白结合的紧密程度）,辅酶 (coenzyme): 与酶蛋白结合疏松，可用透析或超滤的方法除去。,辅基 (prosthetic group): 与酶蛋白结合紧密，不能用透析或超滤的方法除去。,2019/1/18,38,辅酶（或辅基）在酶促反应中的作用

14、特点,辅酶（或辅基）在催化反应过程中，直接参加了反应。 每一种辅酶（或辅基）都具有特殊的功能，可以特定地催化某一类型的反应。 同一种辅酶（或辅基）可以和多种不同的酶蛋白结合形成不同的全酶。但每种酶只对应于一种辅酶. 一般来说，全酶中的辅酶（或辅基）决定了酶所催化的类型（反应专一性），而酶蛋白则决定了所催化的底物类型（底物专一性）。,2019/1/18,39,酶分子中的金属离子,根据金属离子与酶蛋白结合程度，可分为两类：金属酶和金属激酶。 在金属酶中,酶蛋白与金属离子结合紧密。如 Fe2+/ Fe3+ 、Cu+/Cu3、Zn2+ 、Mn2+、Co2 等。 金属酶中的金属离子作为酶的辅助因子，在酶

15、促反应中传递电子，原子或功能团。,2019/1/18,40,1 金属酶中的金属离子与配体,金属离子 配体 酶或蛋白 Mn2 咪唑 丙酮酸脱氢酶 Fe2+/Fe3+ 卟啉环，咪唑， 血红素， 含硫配体 氧化-还原酶， 过氧化氢酶 Cu+/Cu2+ 咪唑，酰胺 细胞色素氧化酶 Co2+ 卟啉环 变位酶 Zn2+ -NH3，咪唑，（-RS）2 碳酸酐酶，醇脱氢酶 Pb2 -SH d-氨基- g-酮戊二酸脱水酶 Ni2 -SH 尿酶,2019/1/18,41,2 金属激酶中的金属离子,激酶是一种磷酸化酶类，在ATP存在下催化葡萄糖，甘油等磷酸化。 其中的金属离子与酶的结合一般较松散。在溶液中，酶与这类

16、离子结合而被激活。 如Na+ 、K+、 Mg2+、 Ca2+ 等。金属离子对酶有一定的选择性,某种金属只对某一种或几种酶有激活作用。,2019/1/18,42,3、 金属离子催化作用,金属离子可以和水分子的OH-结合，使水显示出更大的亲核催化性能。, 提高水的亲核性能,2019/1/18,43, 电荷屏蔽作用,电荷屏蔽作用是酶中金属离子的一个重要功能。 多种激酶(如磷酸转移酶)的底物是Mg2+ATP复合物。,2019/1/18,44, 电子传递中间体,许多氧化-还原酶中都含有铜或铁离子，它们作为酶的辅助因子起着传递电子的功能。,返回,2019/1/18,45,第三节 酶的结构与作用机制,2019/1/18,46,酶的结构组成：酶的化学本质是蛋白质，同样具有一、二、三级结构，有些酶还具有四级结构。作为生物催化剂，酶的结构又有一些特点。,酶蛋白,非必需基团,必需 基团,活性 中心,活性