第 4 章生物催化剂 — 酶 Enzymes

羧肽酶 第4章生物催化剂—酶Enzymes

酶学研究历史 • 公元前两千多年，我国已有酿酒记载。 • 一百余年前，Pasteur认为发酵是酵母细胞生命活动的结果。 • 1877年，Kuhne首次提出Enzyme一词。 • 1897年，Buchner兄弟用不含细胞的酵母提取液，实现了发酵。 • 1926年，Sumner首次从刀豆中提纯出脲酶结晶。 • 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研究室首先报道了具有DNA连接酶活性DNA片段，称为脱氧核酶(deoxyribozyme)。

酶的概述 1.1 定义酶是生物催化剂。酶是一类由活细胞产生的，对其特异底物具有高效催化作用的蛋白质。绝大部分酶是蛋白质，还有一些核糖核酸RNA具有催化作用，称为核酶（ribozyme）。目前将生物催化剂分为两类：酶、非酶生物催化剂（核酶，脱氧核酶等）细胞的代谢由成千上万的化学反应组成，几乎所有的反应都是由酶（enzyme）催化的。酶对于动物机体的生理活动有重要意义，不可或缺。酶在生产实践中有广泛应用。

1.2 酶的特点 • 酶具有一般催化剂的特征： • 只能进行热力学上允许进行的反应； • 可以缩短化学反应到达平衡的时间，而不改变反应的平衡点； • 自身不参与反应； • 通过降低活化能加快化学反应速度。

1.2 酶的催化特点 • 高效性酶的催化作用可使反应速度比非催化反应提高108 -1020倍。比其他催化反应高106 -1013倍例如：过氧化氢分解 2H2O2 2H2O + O2 Fe3+催化，效率为6×104mol/mol. S 过氧化氢酶催化，效率为6 × 106mol/mol.S • 专一性即对底物的选择性或特异性。一种酶只催化一种或一类底物转变成相应的产物。

绝对专一性 一种酶只催化一种底物转变为相应的产物。例如，脲酶只催化尿素水解成CO2和NH3。 • 相对专一性（键专一性基团专一性）一种酶作用于一类化合物或一类化学键。例如，不同的蛋白水解酶对于所水解的肽键两侧的基团有不同的要求。 • 立体专一性（几何异构专一性旋光异构专一性）指酶对其所催化底物的立体构型有特定的要求。例如，乳酸脱氢酶专一地催化L-乳酸转变为丙酮酸，延胡索酸只作用于反式的延胡索酸（反丁烯二酸）。立体专一性保证了反应的定向进行。

R3: Tyr, Trp, Phe R4: 不是 Pro R1: Lys, Arg R2: 不是Pro

酶容易变性 这是酶的化学本质（蛋白质）所决定的。 • 条件温和：常温、常压、pH≈7 • 酶的可调节性抑制和激活（activation and inhibition ）反馈控制(feed back) 酶原激活(activation of proenzyme) 变构酶(allosteric enzyme) 化学修饰(chemical modification ) 多酶复合体(multienzyme complex) 酶在细胞中的区室化 (enzyme compartmentalization ) 一些酶的活力与辅助因子有关

1.3 酶的组成酶的不同形式 • 单体酶(monomeric enzyme)：仅由单一肽链组成的具有完全催化活性的酶。 • 寡聚酶(oligomeric enzyme)：由多个相同或不同亚基以非共价键连接组成的酶。 • 多酶体系(multienzyme system)：由几种不同功能的酶彼此聚合形成的多酶复合物。 • 多功能酶(multifunctional enzyme)或串联酶(tandem enzyme)：一些多酶体系在进化过程中由于基因的融合，多种不同催化功能存在于一条多肽链中，这类酶称为多功能酶。

酶的聚集方式 1、松散排列 • 酶在细胞中各自以可溶的单体形式存在，彼此没有结构上的联系。 • 反应时酶是随机扩散，催化效率不高。（如糖酵解历程）酶5 酶4 酶1 酶2 酶3

2、簇式排列 • 几种酶有机地聚集在一起，精巧的镶嵌成一定的结构，定向转移，形成多酶复合体。催化效率高。【举例】丙酮酸脱氢酶复合体脂肪酸合成酶复合体酶1 酶2 酶3 酶6 酶5 酶4

酶3 酶1 酶2 酶4 酶5 3、与生物膜结合 • 一种结构更高的多酶复合体，酶整齐的排列在生物膜上。催化效率最高。（如呼吸链）

酶蛋白 (apoenzyme)：多肽； 全酶 (holoenzyme) 小分子有机化合物辅助因子 (cofactor) 金属离子结合酶的分子组成 • 酶蛋白：决定反应的特异性、高效性 • 辅助因子：非蛋白组分；递氢、电子、基团；决定反应的种类与性质

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。金属离子 • 辅助因子分类 • （按其与酶蛋白结合的紧密程度）

辅酶/辅基的作用特点 • 辅酶在催化反应过程中，直接参加了反应。 • 每一种辅酶都具有特殊的功能，可以特定地催化某一类型的反应。在反应中起运载体的作用，传递电子、质子或其它基团。 • 同一种辅酶可以和多种不同的酶蛋白结合形成不同的全酶。 • 一般来说，全酶中的辅酶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）。

小分子有机化合物（辅酶）在催化中的作用

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：金属酶和金属激活酶。 • 金属酶(metalloenzyme)：酶蛋白与金属离子结合紧密。如 Fe2+/ Fe3+ 、Cu+/Cu3、Zn2+ 、Mn2+、Co2等。 • 金属激活酶(metal-activated enzyme) ：金属离子为酶的活性所必需，但与酶的结合不紧密。 • 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。

金属离子催化作用 提高水的亲核性能 • 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。 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 • 多种激酶的底物是Mg2+－ATP复合物。

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。

酶的命名及分类 1、习惯命名法: • 根据其催化底物来命名； • 根据所催化反应的性质来命名； • 结合上述两个原则来命名， • 有时在这些命名基础上加上酶的来源或其它特点。例如，胃蛋白（水解）酶、碱性磷酸酶。酶的命名

2、国际系统命名法 • 系统名称包括底物名称、构型、反应性质，最后加一个酶字。 • 例如： • 习惯名称:谷丙转氨酶 • 系统名称:丙氨酸：-酮戊二酸氨基转移酶 • 酶催化的反应: • 谷氨酸 + 丙酮酸 ←-酮戊二酸 + 丙氨酸 →

乳酸 + NAD+ 丙酮酸 + NADH + H+ 乳酸：NAD+氧化还原酶乳酸：NAD+氧化还原酶乳酸脱氢酶 • 系统名：包括所有底物的名称和反应类型。 • 惯用名：只取较重要的底物名称和反应类型。 • 对于催化水解反应的酶一般在酶的名称上省去反应类型。

1961年酶学委员会（Enzyme Commission，EC） 规定酶的表示法： EC. X. X. X. X 例如：乳酸脱氢酶

酶的分类及命名 酶的分类 • 1961年国际酶学委员会（Enzyme Committee, EC）根据酶所催化的反应类型和机理，把酶分成6大类：

AH2 + B（O2） A + BH2（H2O2，H2O） 1、氧化-还原酶 Oxidoreductase • 氧化-还原酶催化氧化-还原反应，催化氢的转移或电子传递。 • 主要包括脱氢酶(dehydrogenase)和氧化酶(Oxidase)。 • 如，乳酸(Lactate)脱氢酶催化乳酸的脱氢反应。

AH2 +B A +BH2（需辅酶Ⅰ或辅酶Ⅱ） AH2 + O2 A + H2O2（需FAD或FMN） 2AH2 + O2 2A + 2H2O ROO + H2O2 RO + H2O + O2 （1）脱氢酶类：催化直接从底物上脱氢的反应（2）氧化酶类 ①催化底物脱氢，氧化生成H2O2： ②催化底物脱氢，氧化生成H2O：（3）过氧化物酶

（顺，顺-已二烯二酸） RH + O2 + 还原型辅助因子 ROH + H2O + 氧化型辅助因子（又称羟化酶） OH OH O2 + C=O OH C=O OH （4）加氧酶（双加氧酶和单加氧酶）

A·X + B A +B·X 2、转移酶 Transferase • 转移酶催化基团转移反应，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。 • 根据X分类：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。 • 例如，谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。

AB + H2O AOH + BH 3、水解酶 hydrolase • 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。 • 例如，脂肪酶(Lipase)催化的脂的水解反应：

4、裂解酶 Lyase • 裂合酶催化从底物分子中移去一个基团或原子形成双键的反应及其逆反应。 • 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。

A B 5、异构酶 Isomerase • 异构酶催化各种同分异构体的相互转化，即底物分子内基团或原子的重排过程。 • 例如，6-磷酸葡萄糖异构酶催化的反应

A + B + ATP A·B + ADP +Pi 6、合成酶 Ligase or Synthetase • 合成酶，又称为连接酶，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。 • 例如，丙酮酸羧化酶催化的反应。丙酮酸 + CO2  草酰乙酸

7、核酶（催化核酸） ribozyme • 核酶是唯一的非蛋白酶。它是一类特殊的RNA，能够催化RNA分子中的磷酸酯键的水解及其逆反应。

酶的作用机制 1．结合部位 Binding site • 酶分子中与底物结合的部位或区域一般称为结合部位。酶的活性中心

2．催化部位（catalytic site） • 酶分子中促使底物发生化学变化的部位称为催化部位 • 通常将酶的结合部位和催化部位总称为酶的活性部位或活性中心 • 结合部位决定酶的专一性 • 催化部位决定酶所催化反应的性质

活性中心(active site) • 活性中心：底物结合部位＋催化部位活性中心是酶与底物结合并表现催化作用的空间区域，大多由肽链上远隔的氨基酸残基提供必需基团，经肽链盘绕折叠，使之在三维空间相互接近，构成特定的空间构象，起催化中心作用。在结合酶中，辅基与辅酶也参与活性中心的组成。

常见酶活性中心的基团 • 亲核性基团：丝氨酸的羟基，半胱氨酸的巯基和组氨酸的咪唑基。

酸碱性基团：门冬氨酸和谷氨酸的羧基，赖氨酸的氨基，酪氨酸的酚羟基，组氨酸的咪唑基和半胱氨酸的巯基等。酸碱性基团：门冬氨酸和谷氨酸的羧基，赖氨酸的氨基，酪氨酸的酚羟基，组氨酸的咪唑基和半胱氨酸的巯基等。

3．调控部位 Regulatory site • 酶分子中存在着一些可以与其他分子发生某种程度的结合的部位，从而引起酶分子空间构象的变化，对酶起激活或抑制作用。

必需基团：酶表现活性不可缺少的基团 • 活性中心的必需基团：结合、催化。 • 调节部位的必需基团 • 维持三维空间结构的必需基团 • 其它必需基团 • 活性中心的常见基团：His的咪唑基，Ser的羟基，Cys的巯基，Glu的γ羧基

底物 活性中心以外的必需基团催化基团结合基团活性中心

酶的活性中心示意图 活性中心是酶分子上由催化基团和结合基团构成的一个微区

反应过程 S+E ES ES* EP P+E 过渡态复合物酶与底物的结合中间产物学说 • 在酶催化的反应中，第一步是酶与底物形成酶－底物中间复合物。当底物分子在酶作用下发生化学变化后，分解成产物和酶。 • E + S ==== E-S  P + E 许多实验事实证明了E－S复合物的存在。E－S复合物形成的速率与酶和底物的性质有关。

锁钥学说： • 认为整个酶分子的天然构象是具有刚性结构的，酶表面具有特定的形状。酶与底物的结合如同一把钥匙对一把锁一样

诱导契合学说（induced fit） 诱导契合学说认为，酶和底物都有自己特有的构象，在两者相互作用时，一些基团通过相互取向，定位以形成中间复合物。

诱导契合学说 • 该学说认为酶表面并没有一种与底物互补的固定形状，而只是由于底物的诱导才形成了互补形状.

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