第 三 章 酶 Enzyme The biochemistry and molecular biology department of JMU

酶的概念 目前将生物催化剂分为两类 酶 、 核酶（脱氧核酶） 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。

酶学研究简史 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。 1878年，Kühne首次提出Enzyme一词。 1897年，Eduard Buchner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)。

第一节 酶的分子结构与功能 The Molecular Structure and Function of Enzyme

酶的不同形式 单体酶(monomeric enzyme)：仅具有三级结构的酶。 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。

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。

多功能酶或串联酶 (multifunctional or 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。 由单肽链构成的，含有若干个酶活性的结构域。

一、酶的分子组成中常含有辅助因子 单纯酶 (simple enzyme) 结合酶 (conjugated enzyme) 蛋白质部分：酶蛋白 (apoenzyme) 辅助因子 (cofactor) 金属离子 小分子有机化合物 全酶 (holoenzyme)

全酶分子中各部分在催化反应中的作用: 酶蛋白决定反应的特异性 辅助因子决定反应的种类与性质

金属离子是最多见的辅助因子 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，但与酶的结合不甚紧密。

金属离子的作用： 参与催化反应，传递电子； 在酶与底物间起桥梁作用； 稳定酶的构象； 中和阴离子，降低反应中的静电斥力等。

小分子有机化合物是一些化学稳定的小分子物质，称为辅酶 (coenzyme)。 其主要作用是参与酶的催化过程，在反应中传递电子、质子或一些基团。 辅酶的种类不多，且分子结构中常含有维生素或维生素类物质。

辅酶中与酶蛋白共价结合的辅酶又称为辅基(prosthetic group)。 辅基和酶蛋白结合紧密，不能通过透析或超滤等方法将其除去，在反应中不能离开酶蛋白，如FAD、FMN、生物素等。

辅基 (prosthetic group): 辅助因子分类 （按其与酶蛋白结合的紧密程度） 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。

小分子有机化合物在催化中的作用

辅酶的作用 1 质子（氢原子 ）转移: NAD+  NADH + H+ NADP+  NADPH + H+ FMN  FMNH2 FAD  FADH2

尼克酰胺 VPP活性形式： NAD+ NADP+ NAD+：R为 H NADP+：R为 缺乏症：癞皮病 目 录

口角炎、唇炎、舌炎、眼睑炎、角膜血管增生等 Vit B2 FMN AMP FAD Ⅰ Ⅱ Ⅲ VB2活性形式： FMN FAD 缺乏症 口角炎、唇炎、舌炎、眼睑炎、角膜血管增生等

辅酶的作用2 参与基团的转移: 醛基-----TPP(焦磷酸硫胺素) (Vit B1) 酰基-----辅酶A、硫辛酸(泛酸) 羧基(CO2)------生物素(biotin) 氨基------磷酸吡哆醛(Vit B6) 一碳单位------四氢叶酸(folic acid)

VB1活性形式：TPP 转移醛基 焦磷酸硫胺素(TPP) 缺乏症 ﹡脚气病，末梢神经炎 目 录

泛酸活性形式： 辅酶A(CoA) 酰基载体蛋白(ACP) 转移酰基 CoA的结构式 泛酸 4-磷酸泛酰 巯基乙胺 目 录

硫辛酸 生化作用 硫辛酸(lipoic acid)是硫辛酸乙酰转移酶的辅酶，起转酰基作用。 氧化型 还原型

生物素 生化作用 生物素(biotin)是多种羧化酶（如丙酮酸羧化酶）的辅酶，参与CO2的羧化过程。 与赖氨酸残基ε-氨基结合成生物胞素 与羧基结合生 成羧基生物素 目 录

VB6体内活性形式： 磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺 氨基酸转氨酶及脱羧酶的辅酶 目 录

5, 6, 7, 8-四氢叶酸 叶酸活性形式为四氢叶酸(FH4) 参与一碳单位的转移 缺乏症：巨幼红细胞贫血 叶酸 二氢叶酸 四氢叶酸 二氢叶酸还原酶 二氢叶酸还原酶 叶酸 二氢叶酸 四氢叶酸 NADPH+H+ NADP+ NADPH+H+ NADP+ 5, 6, 7, 8-四氢叶酸

二、酶的活性中心是酶分子中执行其催化功能的部位

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。 目 录

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的区域，能与底物特异结合并将底物转化为产物。

活性中心内的必需基团 活性中心外的必需基团 催化基团 结合基团 (catalytic group) (binding group) 与底物相结合 催化基团 (catalytic group) 催化底物转变成产物 活性中心外的必需基团 位于活性中心以外，维持酶活性中心应有的空间构象和（或）作为调节剂的结合部位所必需。

常见酶活性中心的基团 亲核性基团： Ser的羟基 Cys的巯基 His的咪唑基

酸碱性基团： Asp和Glu的羧基 Lys的氨基 Try的酚羟基 His的咪唑基

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

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

溶菌酶的活性中心 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。

溶菌酶的活性中心

三、 同工酶 * 定义 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。

根据国际生化学会的建议，同工酶是由不同基因编码的多肽链，或由同一基因转录生成的不同mRNA所翻译的不同多肽链组成的蛋白质。 同工酶存在于同一种属或同一个体的不同组织或同一细胞的不同亚细胞结构中，它使不同的组织、器官和不同的亚细胞结构具有不同的代谢特征。这为同工酶用来诊断不同器官的疾病提供了理论依据。

* 举例1：乳酸脱氢酶(LDH1～ LDH5)

Every LDH molecule consists of four subunits, where each subunit is either H or M (based on their electrophoretic properties.) H M LDH1 (H4) LDH2 (H3M) LDH3 (H2M2) LDH4 (HM3) LDH5 (M4) 乳酸脱氢酶的同工酶

There are five LDH isotypes: LDH-1 (4H) - in the heart LDH-2 (3H1M) - in the reticuloendothelial system LDH-3 (2H2M) - in the lungs LDH-4 (1H3M) - in the kidneys LDH-5 (4M) - in the liver and skeletal muscle Usually LDH-2 is the predominant form in the serum. An LDH-1 level higher than the LDH-2 level, suggests myocardial infarction (damage to heart tissues releases heart LDH, which is rich in LDH-1, into the bloodstream).

*生理及临床意义 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。 心肌梗死和肝病病人血清LDH同工酶谱的变化 1 酶活性 心肌梗死酶谱 正常酶谱 肝病酶谱 2 3 4 5

心肌梗死和肝病病人血清LDH同工酶谱的变化 心肌梗死酶谱 酶活性 正常酶谱 肝病酶谱 1 2 3 4 5 心肌梗死和肝病病人血清LDH同工酶谱的变化

肌酸激酶 (creatine kinase, CK) 同工酶 举例 2 B B M B M M CK1(BB) CK2(MB) CK3(MM) 脑 心肌 骨骼肌 肌酸激酶 (creatine kinase, CK) 同工酶