生物化学重点串讲2013/10/3酶目标：1掌握酶的概念和作用特点，了解酶的分类与命名。2熟悉酶的分子组成、结构与功能（单纯酶和结合酶，酶的辅因子、维生素的类别与功能，酶的活性部位，酶原激活，同工酶、变构酶和抗体酶） 。3熟悉酶的作用机制。4熟悉影响酶促反应的因素（酶浓度、底物浓度、温度、pH 、激活剂与抑制剂；掌握酶促反应速度的表示、米氏方程和米氏常数的意义） 。5了解酶的制备与应用。第一节 概 论导入：酶学知识来源于生产与生活实践。我们祖先很早就会制酱和酿酒。西方国家于 1810 年发现酵母可将糖转化为酒精；1833 年，Payen 及 Persoz 从麦芽的水抽提物中用酒精沉淀得到一种热不稳定物，可使淀粉水解成可溶性糖；1878 年德国科学家屈内（Kuhne）首先把这类物质称为酶（enzyme，其意“在酵母中” ） 。1860 年法国科学家巴斯德（Pasteur）认为发酵是酵母细胞生命活动的结果，细胞破裂则失去发酵作用。1897 年，Buchner 兄弟首次用不含细胞的酵母提取液实现了发酵，证明发酵是酶作用的化学本质，获得 1911 年诺贝尔化学奖。1926 年，美国生化学家 Sumner 第一次从刀豆得到脲酶结晶，并证明是蛋白质。1930 年，Northrop 得到胃蛋白酶的结晶（1946 年二人共获诺贝尔化学奖） 。1963 年测定第一个牛胰 RNaseA 序列（124aa） ；1965 年揭示卵清溶菌酶的三维结构（ 129aa） 。一、酶的概念酶是由活细胞合成的，对其特异底物起高效催化作用的生物催化剂（biocatalyst） 。已发现的有两类：主要的一类是蛋白质酶（enzyme） ，生物体内已发现 4000 多种，数百种酶得到结晶。美国科学家 Cech于 1981 年在研究原生动物四膜虫的 RNA 前体加工成熟时发现核酶“ribozyme” ，为数不多，主要做用于核酸（1989 年的诺贝尔化学奖） 。二、酶的作用特点酶所催化的反应称为酶促反应。在酶促反应中被催化的物质称为底物，反应的生成物称为产物。酶所具有的催化能力称为酶活性。酶作为生物催化剂，具有一般催化剂的共性，如在反应前后酶的质和量不变；只催化热力学允许的化学反应，即自由能由高向低转变的化学反应；不改变反应的平衡点。但是，酶是生物大分子，又具有与一般催化剂不同的特点。1极高的催化效率 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。例如，脲酶催化尿素的水解速度是 H+催化作用的 71012 倍；碳酸酐酶每一酶分子每秒催化 6105 CO2 与水结合成H2CO3，比非酶促反应快 107 倍。 2高度的特异性酶对催化的底物有高度的选择性，即一种酶只作用一种或一类化合物，催化一定的化学反应，并生成一定的产物，这种特性称为酶的特异性或专一性。有结构专一性和立体异构专一性两种类型。结构专一性又分绝对专一性和相对专一性。前者只催化一种底物，进行一种化学反应。如脲酶仅催化尿素水解。后者可作用一类化合物或一种化学键。如酯酶可水解各种有机酸和醇形成的酯。在动物消化道中几种蛋白酶专一性不同，胰蛋白酶只水解 Arg 或 Lys 羧基形成的肽键；胰凝乳蛋白酶水解芳香氨基酸及其它疏水氨基酸羧基形成的肽键。立体异构专一性指酶对底物立体构型的要求。例如乳酸脱氢酶催化 L-乳酸脱氢为丙酮酸，对 D-乳酸无作用；L- 氨基酸氧化酶只作用 L-氨基酸，对 D-氨基酸无作用。3酶活性的可调节性酶促反应受多种因素的调控，通过改变酶的合成和降解速度可调节酶的含量；酶在胞液和亚细胞的隔离分布构成酶的区域化调节；代谢物浓度或产物浓度的变化可以抑制或激活酶的活性；激素和神经系统的信息，可通过对关键酶的变构调节和共价修饰来影响整个酶促反应速度。所以酶是催化剂又是代谢调节元件，酶水平的调节是代谢调控的基本方式。4酶的不稳定性酶主要是蛋白质，凡能使蛋白质变性的理化因素均可影响酶活性，甚至使酶完全失活。酶催化作用一般需要比较温和的条件（37、1atm、pH7） 。三、酶的分类与命名（一）酶的分类根据国际酶学委员会（International Enzyme Commission，IEC ）的规定，按照酶促反应的性质，分为六大类：1氧化还原酶（oxidoreductases）催化底物进行氧化还原反应。如乳酸脱氢酶、琥珀酸脱氢酶、细胞色素氧化酶、过氧化氢酶、过氧化物酶等。2转移酶（transferases）催化底物之间某些基团的转移或交换。如甲基转移酶、氨基转移酶、磷酸化酶等。3水解酶（hydrolases）催化底物发生水解反应。如淀粉酶、蛋白酶、核酸酶、脂肪酶等。4裂解酶（lyases）催化底物裂解或移去基团（形成双键的反应或其逆反应） 。如碳酸酐酶、醛缩酶、柠檬酸合成酶等。5异构酶(isomerases) 催化各种同分异构体之间相互转化。如磷酸丙糖异构酶、消旋酶等。6合成酶(ligases) 催化两分子底物合成一分子化合物，同时偶联有 ATP 的分解释能。如谷氨酰胺合成酶、氨基酸-RNA 连接酶等。（二）酶的命名1961 年，国际酶学委员会(IEC)主要根据酶催化反应的类型,把酶分为 6 大类，制定了系统命名法。规定每一酶只有一个系统名称，它标明酶的所有底物与催化反应性质，底物名称之间以“：”分隔，同时还有一个由 4 个数字组成的系统编号。如谷丙转氨酶的系统名称是丙氨酸：- 酮戊二酸氨基转移酶（酶表中的统一编号是 EC2.6.1.2） 。乳酸脱氢酶的编号是 EC1.1.1.27。第二节 酶的分子组成、结构和功能一、酶的分子组成（一）单纯酶和结合酶单纯酶是仅由肽链构成的酶。如脲酶、一些消化蛋白酶、淀粉酶、脂酶、核糖核酸酶等。结合酶由蛋白质部分和非蛋白质部分组成，前者称为酶蛋白(apoenzyme)，决定酶的特异性和高效率；后者称为辅助因子(cofactor)，决定反应的种类和性质。两者结合形成的复合物称为全酶（holoenzyme） ，这两部分对于催化活性都是必需的。酶蛋白有单条肽链和多个亚基组成的。前者称为单体酶，为数不多，均为水解酶，如胰蛋白酶、核糖核酸酶、溶菌酶等；多个相同或不同亚基以非共价键连接的酶称为寡聚酶，如磷酸化酶 a，3-磷酸甘油醛脱氢酶等。细胞内存在着许多由几种不同功能的酶彼此嵌合形成的多酶复合体，即多酶体系，它利于一系列反应的连续进行，如丙酮酸脱氢酶体系、脂肪酸合成酶复合体。在多酶体系中，能影响整条代谢途径方向和速度的酶称为关键酶，关键酶通常催化单向不平衡反应，或者是该多酶体系中催化活性最低的限速酶。（二）酶的辅因子酶的辅助因子指金属离子或小分子有机化合物（又称辅酶与辅基） 。1.金属离子 约 2/3 的酶含有金属离子，常见的是 K+、Na+、Mg2+、Cu2+（Cu+） 、Zn2+ 、Fe2+ （Fe3+）等。金属离子的作用是多方面的：参与酶的活性中心；在酶蛋白与底物之间起桥梁作用；维持酶分子发挥催化作用所必需的构象；中和阴离子，降低反应中的静电斥力。2.辅酶与辅基辅酶与辅基是一些化学稳定的小分子有机物，是维生素样的物质，参与酶的催化过程，在反应中传递电子、质子或一些基团。辅酶与酶蛋白的结合疏松，可以用透析或超滤方法除去；辅基则与酶蛋白结合紧密，不能用上述方法除去。一种酶蛋白只能与一种辅助因子结合成一种特异的酶，但一种辅助因子可以与不同的酶蛋白结合构成多种特异性酶，以催化各种化学反应。维生素（Vitamin）是维持机体正常生命活动所必需的一类小分子有机物，基本不能在体内合成，即使有几种能自行合成，也因合成量不足而必须从食物中摄取。维生素的需要量及缺乏症是营养学的课题。维生素原意是“生命中必不可少的胺” ，波兰学者凡克把从米糠中提取出治疗脚气病有效的成分命名为维生素，现已发现 13 种，按溶解性分为水溶性和脂溶性两大类。脂溶性维生素以独立发挥作用为主，A、D、E、K 具有一些特殊的生理功能。以下 8 种水溶性的维生素都以辅酶的形式参与结合酶的组成。也有些本身就是辅酶，如硫辛酸、抗坏血酸。含维生素的辅酶及其主要功能维生素 辅酶形式 反应类型硫胺素（B1）焦磷酸硫胺素（TPP） -酮酸氧化脱羧反应核黄素（B2）黄素单核苷酸（FMN）黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）氧化还原反应烟酸或烟酰胺（PP）烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP+）氧化还原反应泛酸 辅酶 A（CoA-SH） 酰基转移反应吡哆醇、吡哆醛、吡哆胺（B6） 磷酸吡哆醛、磷酸吡哆胺 转氨基作用、脱羧作用生物素 生物胞素 CO2 的固定 叶酸 四氢叶酸 一碳单位转移钴胺素（B12） 5- 脱氧腺苷钴胺素 甲钴胺素 1，2 -氢原子转移 甲基转移二、酶的活性部位酶的活性部位（active site）是它结合底物和将底物转化为产物的区域，又称活性中心。它是由在线性多肽链中可能相隔很远的氨基酸残基形成的三维小区（为裂缝或为凹陷） 。酶活性部位的基团属必需基团，有二种：一是结合基团，其作用是与底物结合，生成酶-底物复合物；二是催化基团，其作用是影响底物分子中某些化学键的稳定性，催化底物发生化学反应并促进底物转变成产物，也有的必需基团同时有这两种功能。还有一些化学基团位于酶的活性中心以外的部位，为维持酶活性中心的构象所必需，称为酶活性中心以外的必需基团。构成酶活性中心的常见基团有组氨酸的咪唑基、丝氨酸的羟基、半胱氨酸的巯基等。如丝氨酸蛋白酶家族的胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶和弹性蛋白酶，都催化蛋白质的肽键使之水解，但底物的专一性由它们的底物-结合部位中氨基酸基团的性质所决定，与其作用的底物互补。像胰蛋白酶，在它的底物- 结合部位有带负电荷的 Asp 残基，可与底物侧链上带正电荷的 Lys 和 Arg 相互作用，切断其羧基侧；胰凝乳蛋白酶在它的底物- 结合部位有带小侧链的氨基酸残基，如 Gly 和 Ser，使底物庞大的芳香的和疏水氨基酸残基得以进入，切断其羧基側；弹性蛋白酶有相对大的 Val 和 Thr 不带电荷的氨基酸側链，凸出在它的底物 -结合部位，阻止了除 Ala 和 Gly 小側链以外的所有其他氨基酸。三、酶原激活没有活性的酶的前体称为“酶原” ，酶原转变成酶的过程称为酶原激活。其实质是酶活性部位形成或暴露的过程。一些与消化作用有关的酶，如胃蛋白酶、胰蛋白酶在最初合成和分泌时，没有催化活性。胃蛋白酶原在 H+作用下，自 N 端切下几个多肽碎片，形成酶催化所需的空间结构，转化为胃蛋白酶。胰蛋白酶原随胰液进入小肠时被肠激酶激活，自 N 端切除一个 6 肽，促使酶的构象变化，形成活性中心，转变成有活性的胰蛋白酶。酶原的生物合成和酶原激活一般不在同一组织、细胞或细胞器中进行。酶原的激活具有重要的生理意义，不仅保护细胞本身不受酶的水解破坏，而且保证酶在特定的部位与环境中发挥催化作用。四、同工酶、变构酶、抗体酶（一）同工酶（isozymes）具有不同的分子形式但却催化相同的化学反应的一组酶称为同工酶。1959 年发现的第一个同工酶是乳酸脱氢酶（LDH ） ，它在 NADH 存在下，催化丙酮酸的可逆转化生成乳酸。它是一个寡聚酶，由两种不同类型的亚基组成 5 种分子形式：H4、H3M、H2M2、HM3 、M4，它们的分子结构、理化性质和电泳行为不同，但催化同一反应，因为它们的活性部位在结构上相同或非常相似。M 亚基主要存在骨骼肌和肝脏，而 H 亚基主要在心肌。心肌梗死的情况可通过血液 LDH 同工酶的类型的检测确定。（二）