酶的概述 生物化学

§3.1 酶的一般概念 §3.2 酶的结构与功能的关系 §3.3 酶的作用机理 §3.4 酶促反应动力学 §3.5 酶的分离提纯及活力测定 §3.6 重要的酶

§3.1 酶的一般概念 一、酶的概念与化学本质 二、酶的组成与类别 三、酶的催化特性 四、命名与分类 五、酶的系统编号

一、酶的概念及化学本质 1、酶的概念： 2、酶的化学本质： 酶是生物体活细胞产生的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。 2、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。

除少数酶（核酶）外，绝大多数酶是有催化能力的蛋白质，依据： ⑤ 和蛋白质具有相同的颜色反应 ④ 和蛋白质一样不能透过半透膜 ③ 酶存在两性电离和等电点 ② 凡能使蛋白质变性的因素都使酶变性 ① 酶的水解产物为氨基酸，酶具有和蛋白质一样的一级、 二级、三级乃至四级结构 本章只讨论以蛋白质为本质的酶

二、酶的组成与分类 （一）按酶的组成分类 （二）按酶的结构特点及分子组成形式分类 （三）按酶的存在状态分类

（一）按酶的组成成分分为 单成分酶（单纯酶）：完全由蛋白质组成，没有辅因子 多成分酶（复合酶）: 如消化道中的各种水解酶：淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶等 结合酶＝酶蛋白(脱辅酶)＋辅助因子(辅因子)＝全酶 全 酶 酶 蛋 白 辅 助 因 子 结合蛋白质 蛋白质部分 非蛋白质部分

辅酶：和酶蛋白结合疏松，能用透析或超滤方法除去 辅基：和酶蛋白结合紧密，不能用透析或超滤方法除去 辅因子 ●从本质上看，酶的辅助因子: 小分子有机化合物：NAD+、NADP+、FAD、CoA等 金属离子：如 K+、Na+、 Mg2+、Cu2+(或Cu+)、Zn2+和 Fe2+(或Fe3+)等。 ●大多数维生素（特别是 B 族维生素）是组成许多酶的辅酶或 辅基的成分（它们的化学结构式见下章维生素）。

●体内酶的种类很多，而辅酶的种类却较少，通常一种酶蛋白 只能与一种辅酶结合，成为一种特异的酶。 ●一种辅酶往往能与不同的酶蛋白结合构成许多种特异性酶。 ●酶蛋白在酶促反应中主要起识别底物的作用，酶促反应的特 异性、高效率以及酶对一些理化因素的不稳定性均决定于酶 蛋白部分。 ●辅因子决定酶的反应种类与性质，其主要作用为：在反应中 传递电子、质子或一些基团。

一些金属离子作为酶的辅助因子 金属离子 酶 金属离子 酶

（二）根据酶的结构特点及分子组成形式分为： 1、单体酶 2、寡聚酶 3、多酶复合体

1、单体酶： 2、寡聚酶： 只含一条肽链，分子量小，大多数水解酶属于此类。 ●由相同或不同的若干亚基构成。 ●由几条或几十条多肽链组成，每条肽链是一个亚基， 单独的亚基无酶的活力。 ●由相同或不同的若干亚基构成。 如：己糖激酶、乳酸脱氢酶，含四个亚基 谷氨酸脱氢酶，含六个亚基

由相同亚基聚合而成的寡聚酶

由不同亚基聚合而成的寡聚酶

3、多酶复合体： ●若干个功能相关的酶彼此嵌合形成的复合体。 ●每个单独的酶都具有活性，当它们形成复合体时，可催 化某一特定的链式反应。 如 脂肪酸合成酶复合体：含有六个酶及一个非酶蛋白质 丙酮酸氧化脱羧酶复合体：含三个酶六个辅助因子

（三）按酶的存在状态分为： 1、胞内酶： 2、胞外酶： 在合成分泌后定位于细胞内发生作用的酶，大多数 的酶属于此类。 在合成后分泌到细胞外发生作用的酶，主要为水解酶。

三、酶催化作用的特性 （一）酶与普通催化剂的共性 （二）酶的催化特性 （三）酶的专一性 （四）酶的专一性的解释

（一）酶与普通催化剂的共性 ●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； ●酶也是通过降低化学反应的活化能来加快反应速度； ●酶在反应中用量很少，反应前后数量、性质不变。

酶与一般催化剂的比较

酶能大幅度地降低化学反应的活化能

酶能显著地降低化学反应的活化能 ● H2O2→H2O + O2 过氧化氢的分解反应 无催化剂时活化能为 75.5 KJ/mol ●蔗糖 → 果糖 + 葡萄糖 无催化剂时活化能为 1339.8 KJ/mol H+（酸）催化时活化能为 104.7 KJ/mol 蔗糖酶催化时为 39.4 KJ/mol

（二）酶的催化特性 1、酶具有极高的催化效率（高效性） 2、酶具有高度专一性（特异性specificity） 3、反应条件温和性 4、酶的活力受多种因素的调节控制

1、酶具有极高的催化效率（高效性） 酶比一般的催化剂效率高 10 7～10 13 倍，是 非酶催化的 10 8～10 20 倍。 酶的高效性是因为酶能大幅度降低化学反应活化能

例如： CO2+H2O H2CO3 CO2+2NH3 NH2－CO－NH2＋H2O 碳酸酐酶（红细胞、肺泡细胞、肾小管细胞） 每个酶分子 1s 内催化 6×10 5 个 CO2 水合，比非催化 反应高 107 倍 脲酶： CO2+2NH3 NH2－CO－NH2＋H2O 20℃的催化常数为 3×10 4 S －1，比非催化反应大 1014 倍。 一餐饭在 37 ℃下消化，无催化剂时需要 50 年，消化酶 消化只需 3 ~ 4 小时

2、酶具有高度专一性（特异性specificity） 指酶对所作用的底物（substrate）具有选择性。 如：蛋白酶：催化蛋白质水解 脂肪酶：催化脂肪水解 磷酸二酯酶：催化磷酸二酯键水解 3、反应条件温和性： 动物酶作用条件：体温（37 ~ 40℃）、中性（pH 7.4）、 常压; 离开温和的反应条件，酶易失活

4、酶的活力受多种因素的调节控制 酶浓度调节：酶合成与降解速度调节 酶活性调节：变构调节、共价修饰调节 激素调节

1、绝对专一性（absolute specificity） （三）酶的专一性 酶的专一性：也称为酶的特异性，它是指酶对所 作用底物的选择性。 1、绝对专一性（absolute specificity） 根据酶对底物的选择方式不同，酶的专一性分为： 2、相对专一性（relative specificity） 3、光学专一性（optical specificity） 4、几何专一性（geometrical specificity）

2NH3+CO2 NH2CONH2+H2O 1、绝对专一性（absolute specificity） 脲酶 指一种酶只选择一种底物作用，如脲酶： 脲酶 2NH3+CO2 NH2CONH2+H2O

2、相对专一性（relative specificity）： 指一种酶选择一类底物作用。 基团专一性（族专一性，group speicificity）： 指酶对所作用的键及键一侧或两侧的基团的选择性。 如： α-D-葡萄糖苷酶，胰蛋白酶 键专一性（bond specificity）： 指酶对所作用键的选择性，如脂肪酶。 根据酶选择的对象不同又分为：

3、光学专一性（optical specificity）： 指酶对所作用底物立体构型的选择性。 4、几何专一性（geometrical specificity）： 指酶对所作用底物顺－反异构的选择性。 如 顺乌头酸酶

（四）酶的专一性的解释 1、锁与钥匙学说（直接契合学说） 2、诱导契合理论 3、结构性质互补假说 4、三点附着学说

德国的化学家 Emil Fisher 1894 年提出。 1、锁与钥匙学说（直接契合学说）： 德国的化学家 Emil Fisher 1894 年提出。

2、诱导契合理论: 1958年 Koshland 提出

3、结构性质互补假说 4、三点附着学说 该学说认为酶同底物结合的专一性，与底物结构和酶的 活性中心的空间结构相关，二者的结构是互补的。如果底物 是解离的，则酶的活性中心的空间结构必然带相反的电荷才 能很好结合。而且底物同酶活性中心的极性也必然相同。 4、三点附着学说

四、酶的命名与分类 （一）酶的命名 （二）酶的系统分类方法

（一）酶的命名 通常采用习惯命名法 习惯命名法主要根据以下几个原则： 1、底物＋酶：如淀粉酶、蛋白酶、 脂肪酶等； 3、来源＋底物＋作用条件＋酶等：如细菌淀粉酶、碱性 磷酸酯酶、胃蛋白酶等。 2、反应的性质＋酶：如脱氢酶、脱羧酶、水解酶等；

从上述可知，酶的习惯命名法不够系统，不够准确， 难免会出现一酶多名或一名多酶的现象。 1961 年国际酶学委员会（Enzyme Commission，EC）提出了系统命名法。 系统命名法规定，酶的名称包括两部分： 如果反应中有多个底物，每个底物均需列出，但水解反应中 的“水”可省略，底物名称之间用“ ：”隔开。若底物有构型，也 需标出， 底物名称 ＋ 反应类型

CH3CH2OH + NAD+ → CH3CHO + NADH+H+（反应） 乙醇脱氢酶（习惯名） 乙醇：NAD+ 氧化还原酶（系统名） CH3CH2OH + NAD+ → CH3CHO + NADH+H+（反应） 谷丙转氨酶（习惯名） 丙氨酸：α－酮戊二酸氨基转移酶（系统名） 丙氨酸＋α－酮戊二酸 → 丙酮酸 ＋ 谷氨酸（反应） 脲酶（习惯名） 尿素：水解酶（系统名）

（二）酶的系统分类方法 根据酶所催化反应的性质，由酶学委员会规定，将 酶分为六大类： 1、氧化还原酶类：催化氧化还原反应 2、转移酶类：催化底物之间基团的转移反应 3、水解酶类：催化底物的水解反应 4、裂合酶类：催化底物裂解或缩合反应 5、异构酶类：催化同分异构体的底物之间相互转换 6、合成酶类

1、氧化还原酶类：催化氧化还原反应 通式： AH2 + B→BH2 + A 乳酸＋NAD+→丙酮酸＋NADH＋H+ 其中：A 为质子供体，B 为质子受体 通式： AH2 + B→BH2 + A 乳酸＋NAD+→丙酮酸＋NADH＋H+ 如：乳酸脱氢酶催化的反应：

2、转移酶类：催化底物之间基团的转移反应 通式： AR+B→BR+A 其中：R 为转移基团，R 不为 2H 如：己糖激酶、转氨酶、脂酰转移酶、糖基转移酶等。 谷丙转氨酶催化的氨基转移反应：

例如，脂肪酶（Lipase）催化的脂的水解反应： 通式： AB + H2O →AH + BOH 3、水解酶类：催化底物的水解反应 催化底物的水解反应。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、裂合酶类：催化底物裂解或缩合反应 通式： AB A+B 例如，延胡索酸水合酶催化的反应： 催化底物裂解或缩合反应，主要包括脱水酶、脱氨酶、 脱羧酶、醛缩酶等。 例如，延胡索酸水合酶催化的反应：

5、异构酶类：催化同分异构体的底物之间相互转换 通式： A B 其中：A、B为同分异构体 5、异构酶类：催化同分异构体的底物之间相互转换 如 磷酸甘油酸变位酶、6－磷酸葡萄糖异构酶等。 葡萄糖异构酶催化的反应

CH3COC0A+CO2+ATP →HOOCCH2COC0A+AMP+PPi 6、合成酶类 也称连接酶类，催化两种或两种以上化合物合成一种化合 物的反应。反应需吸收能量，通常与 ATP 的分解相偶联， ATP 分解产生能量用于合成反应。 通式： A+B+ATP→AB+ADP+Pi 或 A+B→AB+AMP+PPi CH3COC0A+CO2+ATP →HOOCCH2COC0A+AMP+PPi 如，乙酰辅酶A羧化酶催化的反应：

五、酶的系统编号 根据上述酶的系统分类方法，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。

§3.2 酶的结构与功能的关系 一、酶活性中心与必需基团 二、酶高级结构与功能的关系 三、酶原激活

一、酶的活性中心与必需基团 （一）酶的活性中心概念 （二）酶的活性中心以外的必需基团 （三）酶活性中心证明方法 （四）酶的活性中心的一级结构

（一）酶的活性中心概念 ● 酶分子中直接参与与底物相结合并与酶的 催化作用有关的部位就称为酶的活性中心 (active center)。 催化中心：催化发生化学反应的部位，决定 酶催化能力的大小 结合中心：与底物相结合的部位，决定酶与 底物的专一性

● 酶的活性中心往往是若干个 在一级结构上相距很远，但在 空间结构上彼此靠近的氨基酸 残基集中在一起形成具有一定 空间结构的区域，该区域与底 物相结合并将底物转化为产物， 对于结合酶来说，辅酶或辅基 往往是活性中心的组成成分。 凝乳蛋白酶的一级结构 和空间结构

活性中心由少量残基构成并且在一级结构上可能相距较远

溶菌酶的活性中心 ●谷氨酸35和天冬氨酸52是催化基团； ●色氨酸62和63、天冬氨酸101和色氨酸108是结合基团； ●A～F为底物多糖链的糖基，位于酶的活性中心形成的裂隙中。

溶菌酶的活性中心

（二）酶的活性中心以外的必需基团(essential group) ● 酶的分子中还存在着许多功能基团，例如，－NH2、－COOH －SH、－OH 等，但并不是这些基团都与酶活性有关。一般 将与酶活性有关的基团称为酶的必需基团。 ●必需基团可分为四种： 接触残基（contact residue） 辅助残基（auxiliary residue） 结构残基（structure residue） 非贡献残基（noncontribution residue）

（三）酶活性中心证明方法 1、切除法 2、化学修饰法 3、亲和标记法 4、X－射线衍射法：

1、切除法 对小分子且结构已知的酶多用此法。用专一性的酶切 除一段肽链后剩余的肽链仍有活性，说明切除的肽链与 活性无关，反之，切除的肽链与活性有关。

2、化学修饰法 ●选用适当的化学试剂与酶蛋白中的氨基酸残基的侧链 基团发生反应，引起共价结合、氧化或还原等修饰， 称之为化学修饰。 －SH、－OH、咪唑基、氨基、羧基、胍基 等 ●酶分子中可以修饰的基团有：

●用作修饰的试剂很多，目前已有七十多种，但专一性 的修饰剂不多。 ●活力中心判断方法： 某一基团被修饰后，酶的活性显著下降或无活性，可初 步判断该基团与酶的活性有关；反之，与酶的活性无关。

●缺点：也有可能酶活性部位外的某个氨基酸残基侧链的 修饰而影响酶分子的正常空间结构，而导致酶活性的丧 失。为排除这种可能，常在底物保护下用同一试剂对酶 作用，若不能被修饰，说明该基团确实处于活性部位； 反之，底物存在下，该基团可被同一试剂修饰，且使酶失 活，在则该基团不是活性部位的基团，而是结构基团。

根据修饰剂是否专一性结合酶的活性中心的 特定基团，化学修饰可分为： 非特异性共价共接修饰 特异性的共价修饰

（1）非特异性共价共接修饰： 修饰试剂既可与酶的活性部位的某特异基团结合，又 可与酶的非活性部位的同一基团结合，称之为非特异 性共价修饰。 此法适用于所修饰的基团只存在与活性部位，在非活性 部位不存在或极少存在。判断标准是： ① 酶活力的丧失程度与修饰剂的浓度成正比； ② 底物或竞争性抑制剂保护下可防止修饰剂的抑制作用。

（2）特异性的共价修饰： 修饰剂专一性地结合于酶的活性部位的特定基团，使 酶失活。 如：DIFP（二异丙基氟磷酸）可专一性地结合丝氨酸 蛋白酶活性部位的丝氨酸－OH 而使酶失活。DIFP 一般 不与蛋白质反应，也不与含丝氨酸的蛋白酶原或变性的酶 反应，只与活性的酶且活性部位含丝氨酸的酶结合。

3、亲和标记法 根据酶与底物能特异性的结合的性质，设计合成一种含反 应基团的底物类似物，作为活性部位的标记试剂，它能象底 物一样进入酶的活性部位，并以其活泼的化学基团与酶的活 性基团的某些特定基团共价结合，使酶失去活性。 胰凝乳蛋白酶最适底物： N－对甲苯磺酰－L－苯丙氨酰乙酯或甲酯 亲和标记试剂： N－对甲苯磺酰－苯丙氨酰氯甲基酮（TPCK） 分子中的氯甲基酮部分可使酶的 His 57 烷基化形成酶 －TPCK 衍生物而使酶失活

4、X－射线衍射法： 把一纯酶的 X－射线晶体衍射图谱和酶与底物反应后 的X－射线图谱相比较，即可确定酶的活性中心。

（四）酶的活性中心的一级结构 ●应用化学修饰法对多种酶的活性中心进行研究发现，在酶 的活性中心处存在频率最高的氨基酸残基是：丝氨酸、组氨 酸、天冬氨酸、酪氨酸、赖氨酸和半胱氨酸。如果用同位素 标记酶的活性中心后，将酶水解，分离带标记水解片段，对 其进行一级结构测定，就可了解酶的活性中心的一级结构。 ●对各种蛋白水解酶进行类似的分析，功能类似的酶在一级 结构上有惊人的相似性。见下表：

…Ser.Cys.Gly.Gly.Asp.Ser.Gly.Gly.Pro.Val… 酶 氨 基 酸 顺 序 牛胰蛋白酶 …Ser.Cys.Gly.Gly.Asp.Ser.Gly.Gly.Pro.Val… 牛胰凝乳蛋白酶 …Ser.Cys.Met.Gly.Asp.Ser.Gly.Gly.Pro.Leu… 猪弹性蛋白酶 …Gly.Cys.Gln.Gly.Asp.Ser.Gly.Gly.Pro.Leu… 猪凝血酶 ..Asp.Ala.Cys.Gln.Gly.Asp.Ser.Gly.Gly.Pro.… 从上表可知，一些丝氨酸蛋白酶在活性丝氨酸附近的氨基酸 几乎完全一样，而且这个活性丝氨酸最邻近的5-6氨基酸顺序， 从微生物到哺乳动物都一样，说明蛋白质活性中心在种系进化 上有严格的保守性。

二、酶的活性与高级结构的关系 酶的活性不仅与一级结构有关，而且与其高级结构 密切相关。就某种程度而言，在酶的活性表现上，高级 结构甚至比一级结构更为重要。高级结构是形成酶特定 空间结构的保证，高级结构破坏，酶失去活性。

三、酶原激活 ●无活性状态的酶的前体称为酶原(zymogen)。 ●酶原向活性的酶转化的过程称为酶原的激活。 ●酶原激活实际上是酶的活性中心形成或暴露的过程。

胃蛋白酶、胰蛋白酶、胰糜蛋白酶、羧肽酶、弹性蛋白酶原的激活 激活条件 活化的酶 水解掉的肽段 胃蛋白酶原 H+或胃蛋白酶 胃蛋白酶 44肽 胰蛋白酶原 肠激酶或 胰蛋白酶 六肽 糜蛋白酶原A 糜蛋白酶 α－糜蛋白酶 两个二肽 羧肽酶原A 羧肽酶A 几个碎片 弹性蛋白酶原 弹性蛋白酶

胰蛋白酶原的激活过程

胰凝乳蛋白酶原、 胰蛋白酶原的激活过程

胃蛋白酶原的激活过程

酶原激活的生理意义： ●在于避免细胞内产生的蛋白酶对细胞进行自身消化，并 可使酶在特定的部位和环境中发挥作用，保证体内代谢 的正常进行。 ●酶原还是生物体储存酶的一种方式。 除消化道的蛋白酶外，血液中有关凝血和纤维蛋白溶解 的酶类，也都以酶原的形式存在，凝血过程是一系列与凝血 有关的酶或凝血因子的激活过程。

酶原激活的级联反应：凝血机制

防止酶原超前激活的措施：以胰蛋白酶为例 胰腺中的胰蛋白酶抑制剂：胰蛋白酶底物的类似物，Mr为 6×103，与胰蛋白酶有很高的亲和力 α1－抗胰蛋白酶（或称抗弹性蛋白酶）： Mr 为 5.3×104 的血浆蛋白质 该抑制剂对弹性蛋白酶的抑制作用大于胰蛋白酶； 与蛋白酶活力部位不可逆结合是蛋白酶失活； 肺气肿患者血清中该抑制剂明显低于正常人