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1、第八章 酶1.酶学研究简史2.酶的基本概念3.酶的基本性质4.酶的分类5.酶与底物的结合6.酶的催化机理7.抗体酶8.温度和pH对酶活力的影响9.酶反应动力学10.酶的抑制11.RNA酶1. 酶学研究简史1850s, Louis Pasteur糖类转化成酒是由酵母菌中的糖类转化成酒是由酵母菌中的酵素酵素(ferments)催化的。催化的。酵素只存在于活的酵母菌中。活力论（酵素只存在于活的酵母菌中。活力论（vitalism):认为生命活动是由生物体中的特殊因子的作用结果。这些特殊因子可以调控生物体内的物理和化学反应，它只存在于活的生物体中。认为生命活动是由生物体中的特殊因子的作用结果。这些特殊因
2、子可以调控生物体内的物理和化学反应，它只存在于活的生物体中。(1822 -1895)Louis Pasteur1. 酶学研究简史1897, Eduard Buchner(1860-1917, 德国化学家）发现酵母提取液同样可以将糖类转变成酒。第一次将酒精发酵的物质与活的生物体分离开，他称这种物质为1897, Eduard Buchner(1860-1917, 德国化学家）发现酵母提取液同样可以将糖类转变成酒。第一次将酒精发酵的物质与活的生物体分离开，他称这种物质为ZymaseZymase，并因此获得了1911年的诺贝尔化学奖。，并因此获得了1911年的诺贝尔化学奖。Frederick W. K
3、hne 后来把这种催化物质称为后来把这种催化物质称为 enzymes (酶酶)（在酵母中）（在酵母中）.1. 酶学研究简史1926年，年， James Sumner 提取了提取了脲酶脲酶(urease)并获得了结晶。并证明并获得了结晶。并证明脲酶是一种蛋白质。并推断所有酶都是蛋白质。脲酶是一种蛋白质。并推断所有酶都是蛋白质。1930s，John Northrop 和和Moses Kunitz获得了获得了胃蛋白酶胃蛋白酶(pepsin)晶体和晶体和胰蛋白酶胰蛋白酶(trypsin)晶体晶体。“酶的本质是蛋白质酶的本质是蛋白质”这一观点被广泛接受。这一观点被广泛接受。James Sumner &
4、John Northrop 获得了获得了1949年的年的Nobel Prize。酶学研究极大地促进了生物化学的发展。酶学研究极大地促进了生物化学的发展。1. 酶学研究简史1980s, Cech & Altman各自独立地发现具有催化能力的各自独立地发现具有催化能力的RNA， 称之为， 称之为Ribozyme (RNA 酶）。酶）。他们获得了他们获得了1989 年的年的Nobel Prize。Altman(左左)Cech1. 酶学研究简史1986年，年，Schultz & Lerner等研制成功等研制成功抗体酶（抗体酶（ abzyme），），对酶学研究具有重要的理论意义和应用前景。对酶学研究具有
5、重要的理论意义和应用前景。Lerner2. 酶的一些基本概念酶的一些基本概念 Cofactor(辅因子辅因子):包括包括金属离子、辅基金属离子、辅基和和辅酶辅酶 辅酶辅酶(coenzyme): 结合结合酶所包含的有机小分子酶所包含的有机小分子 辅基辅基(prosthetic group): 与酶蛋白紧密结合的辅因子与酶蛋白紧密结合的辅因子 全酶全酶(holoenzyme):酶蛋白辅因子，酶蛋白辅因子，具完全催化能力具完全催化能力 脱辅基酶蛋白脱辅基酶蛋白 (apoenzyme, apoprotein): 除去辅基的酶蛋白除去辅基的酶蛋白2.1. 简单酶和结合酶简单酶和结合酶(缀合酶缀合酶)简单
6、酶简单酶是单纯的蛋白质；是单纯的蛋白质；结合酶结合酶(复合酶复合酶)需要小分子物质（辅助因子）帮助才能发挥催化作用需要小分子物质（辅助因子）帮助才能发挥催化作用2.1.1 许多酶需要金属离子做为辅因子许多酶需要金属离子做为辅因子2.1.2. 维生素维生素转化为转化为辅酶辅酶发挥其生物学作用发挥其生物学作用 生物素生物素(Biotin) ? 生物胞素? 生物胞素(Biocytin) :转移转移CO2； 泛酸 ? 辅酶泛酸 ? 辅酶A(CoA):转乙酰基；转乙酰基； Vitamin B12(钴胺素钴胺素) ? 辅酶? 辅酶B12：转：转H或烷基；或烷基； Vitamin B2(核黄素核黄素) ?
7、FAD: 转移电子；转移电子； 尼克酸 ?尼克酸 ? NAD+: 转移转移H-； Vitamin B6(吡哆醇吡哆醇) ? 磷酸吡哆醛：转移氨基；? 磷酸吡哆醛：转移氨基； Vitamin B1(硫胺素硫胺素) ? 磷酸硫胺素：转移醛基；? 磷酸硫胺素：转移醛基； 叶酸 ? 四氢叶酸：转移一碳单位。叶酸 ? 四氢叶酸：转移一碳单位。2.1.2. 维生素维生素转化为转化为辅酶辅酶发挥其生物学作用发挥其生物学作用2.1.3. 辅助因子的作用辅助因子的作用1.增加了增加了20种氨基酸所不具备的种氨基酸所不具备的化学反应性化学反应性；如：血红蛋白的；如：血红蛋白的Fe2；2.可以重复发生可以重复发生氧
8、化还原反应氧化还原反应的循环；以小分子作用电子的供体和受体，而蛋白质的电荷保持不变。如的循环；以小分子作用电子的供体和受体，而蛋白质的电荷保持不变。如NAD，FAD等。等。2. 酶的一些基本概念酶的一些基本概念1.必需基团必需基团：与酶的催化活性直接相关的基团；包括：与酶的催化活性直接相关的基团；包括结合基团结合基团(与底物结合的基团与底物结合的基团)和和催化基团催化基团(催化底物转化的基团催化底物转化的基团);2.活性中心活性中心：必需基团在空间上彼此靠近形成具有一定结构的空间区域，：必需基团在空间上彼此靠近形成具有一定结构的空间区域，该区域与底物结合并将底物转化为产物该区域与底物结合并将底
9、物转化为产物。这一区域称为酶的活性中心。结合酶的辅助因子往往位于活性中心；。这一区域称为酶的活性中心。结合酶的辅助因子往往位于活性中心；3.活性中心外的必需基团：不参与活性中心，但对维持活性中心的构象起重要作用的基团。活性中心外的必需基团：不参与活性中心，但对维持活性中心的构象起重要作用的基团。2.2. 酶的活性中心酶的活性中心 酶的活性中心含有酶的活性中心含有催化残基催化残基和和结合残基结合残基 活性中心是活性中心是三维三维的并且有裂隙的并且有裂隙 由由多种弱相互作用多种弱相互作用来实现与底物的结合来实现与底物的结合 特异性结合依赖活性中心的结构特异性结合依赖活性中心的结构 参与结合底物或催
10、化反应的基团有时被称为酶的活性位点；活性位点只占酶的参与结合底物或催化反应的基团有时被称为酶的活性位点；活性位点只占酶的极少的部位极少的部位2.2. 酶的活性中心酶的活性中心(活性位点活性位点)序列上较远的残基在空间上可以邻近组成活性中心溶菌酶的结构溶菌酶的结构3. 酶的基本性质酶的基本性质2.1. 酶具有酶具有极高的催化效率极高的催化效率(1061012)酶的高催化效率使生命活动成为可能OMP UMP例1：半衰期：非酶催化半衰期：非酶催化7.8亿7.8亿年, 酶催化0.2秒（提高年, 酶催化0.2秒（提高1.4x101.4x101717倍）D倍）D2 2O有毒就是因为它轻微地降低了某些催化反
11、应的速度O有毒就是因为它轻微地降低了某些催化反应的速度例2：例2：3.1. 酶具有酶具有极高的催化效率极高的催化效率(1061012)3. 酶的基本性质酶的基本性质3.2. 酶催化反应具有极高的专一性（对酶催化反应具有极高的专一性（对底物底物和和产物产物都具有高专一性）都具有高专一性）a) 一个特定的酶通常催化一个单一的反应或者一组相关的反应。一个特定的酶通常催化一个单一的反应或者一组相关的反应。b) 浪费的副反应非常少。浪费的副反应非常少。c) 不同的酶具有不同的专一性不同的酶具有不同的专一性(specificity)。蛋白水解的特异性蛋白水解的特异性-专一性专一性蛋白水解的特异性蛋白水解的
12、特异性-专一性专一性酶与底物的酶与底物的多种弱相互作多种弱相互作用也决定了酶的底物专一性用也决定了酶的底物专一性Specificity of some Proteases特异性由底物结合口袋决定特异性由底物结合口袋决定Trp, Tyr,PheLys, ArgGly, Ala, Ser 3. 酶的基本性质酶的基本性质3.3 酶催化反应条件很温和酶催化反应条件很温和温度温度: 100；压力：；压力：1个大气压；个大气压；pH：中性；：中性；Hot spring at Yellow Stone3. 酶的基本性质酶的基本性质3.4. 酶的催化反应在体内酶的催化反应在体内受到严格调控受到严格调控 控制酶
13、的数量 控制酶的数量酶的合成速度酶的合成速度酶的降解速度酶的降解速度 改变酶的催化活力 改变酶的催化活力小分子的别构效应或直接抑制小分子的别构效应或直接抑制共价修饰改变酶活力共价修饰改变酶活力(如磷酸化如磷酸化) 酶与底物的不同定位（真核生物） 酶与底物的不同定位（真核生物）3.4. 酶的催化反应在体内酶的催化反应在体内受到严格调控受到严格调控合成代谢途径的合成代谢途径的反馈抑制反馈抑制：合成代谢途径的：合成代谢途径的终产物终产物抑制催化途径抑制催化途径早期步骤早期步骤的酶的活力，的酶的活力，是代谢调控的常见机制。是代谢调控的常见机制。天冬氨酸转氨甲酰酶氨甲酰磷酸天冬氨酸转氨甲酰酶氨甲酰磷酸C
14、TP的合成途径的合成途径 过多的终产物导致代谢途径的关闭；过多的终产物导致代谢途径的关闭； 阻断早期步骤避免了代谢中间物的积累。好处：阻断早期步骤避免了代谢中间物的积累。好处：?节省能量；节省能量；?防止代谢中间物可能的毒性。防止代谢中间物可能的毒性。4. 依据其催化的反应，酶可分为六大类依据其催化的反应，酶可分为六大类 氧化-还原酶催化氧化-还原反应。主要包括氧化-还原酶催化氧化-还原反应。主要包括脱氢酶(dehydrogenase)和氧化酶(Oxidase)。脱氢酶(dehydrogenase)和氧化酶(Oxidase)。 如，乳酸(Lactate)脱氢酶催化乳酸的脱氢反应。如，乳酸(La
15、ctate)脱氢酶催化乳酸的脱氢反应。(1) 氧化-还原酶 Oxidoreductase(1) 氧化-还原酶 OxidoreductaseCH3CHCOOHOHNAD+H+CH3CCOOHONADH4. 依据其催化的反应，酶可分为六大类依据其催化的反应，酶可分为六大类 转移酶转移酶催化基团转移反应催化基团转移反应，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。例如， 谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。，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。例如， 谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。(2) 转移酶 Transferase(2) 转移酶 TransferaseCH3CHCOOHNH
16、2HOOCCH2CH2CCOOHOHOOCCH2CH2CHCOOHNH2CH3CCOOHO4. 依据其催化的反应，酶可分为六大类依据其催化的反应，酶可分为六大类 水解酶催化底物的加水分解反应。水解酶催化底物的加水分解反应。 主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。 例如，脂肪酶(Lipase)催化的脂的水解反应：例如，脂肪酶(Lipase)催化的脂的水解反应：(3) 水解酶 hydrolase(3) 水解酶 hydrolaseH2OCOOCH2CH3RRCOOHCH3CH2OH4. 依据其催化的反应，酶可分为六大类依据其催化的反应，酶可分为六大类 裂合酶催化从底物分子中移去一个基团或原子形成裂合酶催化从底物分子中移去一个基团或原子形成双键双键的反应及其逆反应。的反应及其逆反应。 主要包括醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。主要包括醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。 例如， 延胡索酸水合酶催化的反应。例如， 延胡索酸水合酶催化的反应。(4) 裂合酶 Lyase(4) 裂合酶 LyaseHOOCCH=CHCOOHH2OHOOCCH2CHCOOHOH4. 依据其催化的反
