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1、第二章： 酶和其他生物催化剂 ENZYMES AND OTHER BIOCATALYSTS,什么是酶？,酶( Enzyme)是活细胞产生的一类具有催化活性的生物分子，所以又称生物催化剂 （biocatalysts)。 目前将生物催化剂分为两类：酶、核酶（脱氧核酶） 绝大多数的酶都是蛋白质,CO2+ H2O,斯帕兰扎尼,酶的研究简史,公元前两千多年，我国已有酿酒记载。 1833年， Anselme Payen提纯了麦芽淀粉糖化酶（淀粉酶）。 1878年，Wilhelm Khne首次提出Enzyme一词。 1894年， Emil Fischer证明了酶的专一性，酶与底物之间作用的锁钥关系。 189
2、7年，Buchner兄弟用不含细胞的酵母提取液，实现了发酵。 1913年，Leonor Michaelis和Maud Menten推导出酶反应的动力学方程式。 19261930年，James Sumner和John H. Northrop分别将脲酶和胃蛋白酶、胰蛋白酶制成结晶，确定了酶的蛋白质本质。 1941年，George Beadle和Edward Tatum的“一个基因一个酶”假说首次将蛋白质与基因联系在一起，推动了生物化学与遗传学的结合。 1982年，Cech首次发现RNA也具有酶的催化活性，提出核酶(ribozyme)的概念。 1995年，Jack W. Szostak研究室首先报道
3、了具有DNA连接酶活性DNA片段，称为脱氧核酶(deoxyribozyme)。,路易斯巴斯德（Louis Pasteur）首先证明，只有活的酵母细胞才能进行发酵，即蔗糖发酵生成乙醇和二氧化碳。,爱德华.布希纳(Eduard Buchner)无意之间发现了酵母提取液的发酵现象,生机论,1899,古代自生论,1860s,詹姆斯萨姆奈(James B. Sumner)第一个成功地制备了尿素酶（urease）结晶。,1926,酶,酶的化学本质是蛋白质,酶学研究简史,Enzymes,J.B.S Haldane 第一个提出酶与底物非共价结合催化化学反应的概念,酶与疾病的发生、临床诊断 与治疗密切相关,（一
4、）许多疾病与酶的质和量的异常相关,（二）体液中酶的活性可作为某些疾病的诊断指标,2. 恶性肿瘤可因肿瘤组织的增殖加快，其标志酶释放入血增多，有助于对该组织肿瘤的诊断。,前列腺癌病人血清酸性磷酸酶含量增高。,组织器官损伤可使其组织特异性的酶释放入血，有助于对此组织器官疾病的诊断。,急性肝炎时，血清中丙氨酸转氨酶活性升高。,3. 有些酶的清除和排泄障碍也可造成血清含量升高。,肝硬化时血清碱性磷酸酶活性升高。,4. 酶的诱导合成增多也可以从血清中检测出来，用于协助诊断和预后判断。,胆管阻塞时胆汁返流可刺激肝合成碱性磷酸酶增多。,（三）酶与临床治疗有着密切关系,3许多化学药物通过抑制或激活体内某种酶的
5、活性对疾病进行治疗,许多抗代谢药是按照对酶的竞争性抑制原理设计的。,第一节：酶的简介 introduction to enzymes,一、酶的化学本质是蛋白质,有些酶其分子结构仅由氨基酸组成，没有辅助因子。这类酶称为单纯酶（simple enzyme）。 如一些蛋白酶、淀粉酶、酯酶和核糖核酸酶等。,（一）结构组成仅含氨基酸组分的酶称为单纯酶,Xylanase 11A 木聚糖酶,（二）结构组成中既含氨基酸组分又含非氨基酸组分的酶称为结合酶,辅助因子分类 （按其与酶蛋白结合的紧密程度）,GAPDH,肌红蛋白,小分子有机化合物辅酶（辅基）的种类与作用,1929 年，由于艾克曼最先发现了维生素，荣获了
6、当年度的诺贝尔生理学或医学奖,Thiamine (Vitamin B1),金属酶(metalloenzyme) 金属离子与酶结合紧密，提取过程中不易丢失。金属离子通常是活性中心，如Ca 2+, Fe 2+ 金属激活酶(metal-activated enzyme) 金属离子为酶的活性所必需，是酶活性的激活剂，但与酶的结合不甚紧密。,金属离子的作用 稳定酶的构象； 参与催化反应，传递电子； 在酶与底物间起桥梁作用； 中和阴离子，降低反应中的静电斥力等。,金属酶和金属激活酶,（三）有些酶仅含一条多肽链，而另一些酶由多个亚基组成,LDH,多酶复合物（multienzyme complex), 或称多
7、酶体系（multienzyme system）由催化不同化学反应的多种酶组成的寡聚酶。如：丙酮酸脱氢酶复合物,多功能酶（multifunctional enzyme)或称串联酶（tandem enzyme）,多种催化功能融合于一条多肽链的酶 ,如：哺乳动物脂肪酸合成酶,大肠杆菌： 7种酶蛋白聚合在一起构成多酶体系 高等动物：7种酶活性都在同一条约250KD的多肽链上，由一个基因编码,同工酶 (isoenzyme)是指催化相同的化学反应，而酶蛋白的分子结构理化性质乃至免疫学性质不同的一组酶。,同工酶主要由于基因倍增（duplication）和趋异进化（divergence）所致。,举例1：乳酸脱
8、氢酶(LDH1 LDH5),同工酶在生物体中的分布与表达具有时空特异性,同工酶存在于同一种属的不同个体，同一个体的不同组织、同一细胞的不同亚细胞结构，以及同一组织、细胞的不同发育阶段,检测组织器官同工酶的变化有重要的临床意义,在代谢调节上起着重要的作用； 用于解释发育过程中阶段特有的代谢特征； 同工酶谱的改变有助于对疾病的诊断； 同工酶可以作为遗传标志，用于遗传分析研究,二、酶的活性中心是酶分子中执行其催化功能的部位,酶的活性中心 (active center),或称活性部位(active site)，指必需基团在空间结构上彼此靠近，组成具有特定空间结构、能与底物特异结合并将底物转化为产物的区
9、域。,必需基团(essential group),酶分子中氨基酸残基侧链的化学基团中，一些与酶活性密切相关的化学基团。,（一）酶的活性中心由许多必需基团组成,活性中心内的必需基团,位于活性中心以外，维持酶活性中心应有的空间构象所必需。,活性中心外的必需基团,底 物,活性中心以外的必需基团,结合基团,催化基团,活性中心,目 录,（二）酶的活性中心是酶分子中具有三维结构的很小区域,溶菌酶的活性中心是一裂隙，可以容纳肽多糖的6个单糖基（A，B，C，D，E，F），并与之形成氢键和van derwaals力。 催化基团是35位Glu，52位Asp；101位Asp和108位Trp是结合基团。,溶菌酶的活性
10、中心,组成酶活性中心的必需基团在一级结构上可能相距很远，但在形成三级结构时相互接近，形成具有三维结构的区域，且多是酶分子中的裂隙或凹陷所形成的疏水口袋。,（三）酶的活性中心对底物具有高度的特异性,酶活性中心与底物结合时，发生构象改变， 相互诱导契合，增加与底物的互补性,（四）大多数情况下底物与酶活性中心最初的结合是非共价性的,酶与底物结合的力,氢键 离子键 疏水键 van der Waals力,三、酶可按其所催化的反应类型进行分类,（一）催化氧化还原反应的酶属于氧化还原酶类,氧化还原酶类（oxidoreductases）包括催化传递电子和氢、以及需氧参加反应的酶。例如，脱氢酶类、加氧酶类、过氧
11、化物酶和过氧化氢酶等。,（二）催化分子间基团转移的酶属于转移酶类,转移酶类（transferases）包括将磷酸基从ATP转到另外底物的激酶、加无机磷酸使化学键断裂的磷酸化酶，以及糖基转移酶、转氨酶等。,（三）水解酶类催化加水分解化学键,水解酶类（hydrolases）,按其所水解的底物不同,根据它们的作用部位,蛋白酶、酯酶、 磷酸酶、糖苷酶、 核酸酶,外切酶、内切酶,（四）裂合酶催化移出化学基团并形成双键或相反的过程,（五）催化分子异构体互变的酶类属于异构酶类,异构酶类（isomerases）：催化分子内部基团的位置互变、几何或光学异构体互变、以及醛酮互变的酶类。,如：变位酶、表构酶、异构酶
12、。,（六）催化两分子结合成一分子并偶联有高能键的水解供能的酶类属于连接酶或合成酶类,DNA连接酶、氨基酰-rRNA合成酶、谷氨酰胺合成酶属于连接酶或合成酶类（liases或synthetases）。,四、酶可按其所催化的反应类型予以命名,（一）系统名称给出酶促反应的各种信息，但较繁琐,系统命名法根据酶所催化的整体反应，按酶的分类对酶命名，每个酶都有一个名称和一个编号 。,编号中4个数字中第1个数字是酶的分类号，第2个数字代表在此类中的亚类，第3个数字表示亚-亚类，第4个数字表示该酶在亚-亚类中的序号。,酶的分类与命名举例,（二）推荐名称简便而常用,由于系统名称较烦琐，国际酶学委员会还同时为每一
13、个酶从常用的习惯名称中挑选出一个推荐名称（recommended name）,系统名称：L-乳酸：NAD+氧化还原酶 推荐名称：乳酸脱氢酶,第二节：酶的工作原理 Mechanism of Enzymatic Reactions,一、化学反应具有热力学和动力学特性,（一）热力学性质涉及能量平衡和反应平衡,1反应平衡可用平衡常数来描述,一定的温度下，Keq与反应的初始浓度无关，它反映化学反应的本性。 Keq越大则反应越倾向于产物的生成，即正向反应进行得越完全；Keq越小则逆反应的程度越大 Keq是化学反应可能进行的最大限度的量度。,2自由能的变化是化学反应的动力,反应物的自由能（G）与其焓、温度（
14、T）和熵（S）相关，等于其焓减去绝对温度和熵的乘积，即G = H TS 。,在生物系统中，生物分子在等温、等压条件下，在化学反应中能量的变化可以用自由能变（ G）来量度。, G = H TS,自由能的变化是化学反应的动力，影响化学反应的方向。,反应方向与H、S和T的关系,3标准自由能变与平衡常数有关,标准自由能变（G0）是指在标准状态下的自由能变,二、酶具有与一般催化剂相似的工作原理,（一）酶与一般催化剂均降低反应的活化能,1活化能是化学反应的能障,活化能：底物分子从初态转变到活化态所需的能量。,酶和一般催化剂加速反应的机理都是降低反应的活化能(activation energy)。酶比一般催
15、化剂更有效地降低反应的活化能。,2活化能的降低可使反应速率呈指数上升,（二）酶与一般催化剂均可加速反应到达反应平衡点,酶与一般催化剂一样，只能加快反应速率，使其缩短到达反应平衡的时间，而不能改变反应的平衡点。,反应达到平衡时自由能的变化仅取决于底物与产物的自由能之差。,任何催化剂都不能改变底物和产物自身的自由能。,三、酶促反应的特点,（一）酶促反应具有极高的效率,酶的催化效率通常比非催化反应高1081020倍，比一般催化剂高1071013倍。 酶的催化不需要较高的反应温度。 酶和一般催化剂加速反应的机理都是降低反应的活化能(activation energy)。酶比一般催化剂更有效地降低反应的
16、活化能。,酶的催化效率可用酶的转换数 (turnover number) 来表示。酶的转换数是指在酶被底物饱和的条件下，每个酶分子每秒钟将底物转化为产物的分子数。,（二）酶促反应具有高度的特异性,酶的特异性 (specificity),一种酶仅作用于一种或一类化合物，或一定的化学键，催化一定的化学反应并生成一定的产物。酶的这种特性称为酶的特异性或专一性。,根据酶对其底物结构选择的严格程度不同，酶的特异性可大致分为以下3种类型：,绝对专一性(absolute specificity)：只能作用于特定结构的底物，进行一种专一的反应，生成一种特定结构的产物 。,脲酶仅水解尿素，对甲基尿素则无反应。,相对专一性(relative specificity)：作用于一类化合物或一种化学键，这种对底物分子不太严格的选择性称为相对专一性。,例如：脂肪酶不仅水解脂肪，也可水解简单的酯。,胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶和弹性蛋白酶 活性中心“口袋” 胰蛋白酶水解由碱性氨基酸（精氨酸和赖氨酸）的羧基所形成的肽键,丝氨酸
