酶 Enzyme

酶的发展历史 1837年Berzelius认为发酵是活的细胞造成，首先想到催化作用 1857年Pasteur认为酒的发酵是酵母(yeast)细胞生命活动的结果，细胞破裂则失去发酵作用 1878年Kühne提出enzyme，源于希腊语的酵母中(in yeast), 中文：酵素→酶 Eduard Buchner是第一位提出酵素可以独立出细胞而产生作用，获1907年Nobel化学奖。 1897年Buchner兄弟用不含细胞的酵母提取液完成了发酵，证明酶无生命，只是一种化学物质

Landwirtschaftliche Hochschule (Agricultural College) Berlin, Germany The Nobel Prize in Chemistry 1907 "for his biochemical researches and his discovery of cell-free fermentation"                                 Eduard Buchner 1860-1917 Landwirtschaftliche Hochschule (Agricultural College) Berlin, Germany http://www.nobel.se/chemistry/laureates/1907/index.html

酶的发展历史 1926年Sumner从刀豆中得到脲酶的结 晶,首次证明酶是蛋白质 1930年Northrop等得到胃蛋白酶结晶

The Nobel Prize in Chemistry 1946 "for his discovery that enzymes can be crystallized" "for their preparation of enzymes and virus proteins in a pure form" James Batcheller Sumner John Howard Northrop Wendell Meredith Stanley 1/2 of the prize 1/4 of the prize 1/4 of the prize Rockefeller Institute for Medical Research Princeton, NJ, USA Rockefeller Institute for Medical Research Princeton, NJ, USA Cornell University Ithaca, NY, USA 1887-1955 1897-1987 1904-1971

Urease crystals ( X 728) Sumner, J. B Urease crystals ( X 728) Sumner, J. B. (1926) “ The isolation and crystallization of the enzyme urease” J. Biol. Chem. 69:435-441.

Pepsin crystals (X90) Northrop, J. H. (1930) “Crystallin pepsin, 1: Isolation and tests of purity” J. Gen . Physiol. 13:739-766.

酶的发展历史 1965年Blake对溶菌酶的结晶进行了X-射线衍射分析，酶的活性中心的催化机理获得直接而具体的解释 1982年Cech发现个别RNA具有自我催化作用，提出ribozyme概念

酶的概念 由活细胞产生，能在体内外对其特异底物起着高效催化作用的一类蛋白质。 活细胞产生 催化高效和专一 温和条件

核酶(ribozyme) 具有高效、特异催化作用的核酸，是一类新的生物催化剂，其作用主要参与RNA的剪接。

酶的化学本质 蛋白质 核酸 RNA 核酶 （Ribozyme) DNA 脱氧核糖核酸酶（Deoxyribozyme ）

主要内容 酶的分子结构和功能 酶的工作原理 酶促反应动力学 酶活性的调节 酶的分类与命名 酶与医学的关系

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

酶的存在形式 单体酶：仅具有三级结构的酶 (一条肽链)，如核糖核酸酶。 寡聚酶：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：由几种不同功能的酶彼此聚合形成的多酶复合物，如：丙酮酸脱氢酶复合物 。 多功能酶或串联酶：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，如：哺乳动物脂肪酸合成酶。

一、 酶的分子结构 单纯蛋白酶 (simple enzyme) 结合蛋白酶 (conjugated enzyme) 仅由氨基酸残基构成 单纯蛋白酶 (simple enzyme) 结合蛋白酶 (conjugated enzyme) 蛋白质＋非蛋白质 蛋白质部分：酶蛋白 (apoenzyme) 全酶 (holoenzyme) 一、酶的分子组成 单纯酶和结合酶的分子组成不同 （一）单纯酶（simple enzyme）由氨基酸组成。 （二）结合酶（conjugated enzyme）又有全酶（holoenzyme）之称。由两部分组成。 1．酶蛋白（apoenzyme） 2．辅助因子（cofactor） 小分子有机化合物 有催化活性 辅助因子 (cofactor) 金属离子

各部分在催化反应中的作用 乳酸脱氢酶= 酶蛋白+NAD+ a-磷酸甘油脱氢酶=酶蛋白+NAD+ * 酶蛋白或辅助因子单独存在时？ 酶蛋白决定反应的特异性（底物） 辅助因子决定反应的种类与性质（反应） 乳酸脱氢酶= 酶蛋白+NAD+ a-磷酸甘油脱氢酶=酶蛋白+NAD+ 酶蛋白决定反应的高度特异性和高效率，辅助因子决定反应的种类与性质，例如乳酸脱氢酶、a-磷酸甘油脱氢酶都由各自特异的酶蛋白和NAD+组成， NAD+ 决定了这两种酶催化的反应是脱氢反应。酶蛋白或辅助因子单独存在时都不具备全酶的活性。 * 酶蛋白或辅助因子单独存在时？

酶蛋白与辅助因子的关系 一种酶蛋白只和一种辅助因子结合 一种辅助因子可与不同酶蛋白结合 体内酶的种类很多，而辅助因子的种类很少。一种酶蛋白只和一种辅助因子结合成为专一性的酶，而一种辅助因子可与不同酶蛋白结合形成许多专一性不同的酶。

辅助因子 金属离子 组成 小分子有机化合物 辅助因子 辅基(prosthetic group): 共价键；结合紧密 分类 or 常见：K+, Na+, Mg2+, Cu2+, Zn2+, Fe2+ 组成 小分子有机化合物 辅助因子 常见：维生素及其衍生物 辅基(prosthetic group): 共价键；结合紧密 不可用透析或超滤除去 根据辅助因子与酶蛋白结合的紧密程度，可以分为△辅酶（coenzyme）：与酶蛋白结合疏松，可用透析或超滤等方法除去。在反应中作为底物能可逆地接受或释放质子或基团，并可离开酶蛋白。 △辅基（prosthetic group）：与酶蛋白结合紧密，不可用透析或超滤等方法除去。在反应中不离开酶蛋白。 分类 辅酶(coenzyme): 非共价键；结合疏松 可用透析或超滤除去

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) 酶的活性所必需，但与酶的结合不甚紧密 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等 根据其与酶蛋白结合的紧密程度，分为

金属离子是最多见的辅助因子

辅酶或辅基多为小分子有机化合物 小分子有机化合物在催化中的作用 例如含有B族维生素及其衍生物的NAD+和FAD等，在反应中传递电子。。。；其他如生物素运载CO2，CoA运载酰基。

二、酶的活性中心 必需基团(essential group) 与酶活性密切相关的化学基团 丝氨酸的羟基 半胱氨酸的巯基 谷氨酸的羧基 组氨酸的咪唑基 酶是具有一定空间结构的蛋白质，尽管该酶分子的表面有许多由氨基酸残基提供的化学基团，但并非所有的化学基团都参与酶的催化作用。只有小部分化学基团直接参与酶的催化作用，这些与酶活性密切相关的化学基团称为必需基团，它们与维持酶分子空间构象有关。例如常见到

酶的活性中心 (active center) 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 酶的活性中心（active center）或活性部位（active site）。定义：由酶的必需基团（essential group）组成的具有特定空间结构的，能与底物结合并将底物转化为产物的区域称为酶的活性中心。

酶的活性中心 (active center) * 组成酶活性中心的必需基团在一级结构上可能相距很远，但在形成三级结构时相互接近，形成具有三维结构的区域，多是酶分子中的裂隙或凹陷所形成的疏水口袋 酶的活性中心（active center）或活性部位（active site）。定义：由酶的必需基团（essential group）组成的具有特定空间结构的，能与底物结合并将底物转化为产物的区域称为酶的活性中心。 * 结合酶的辅基/辅酶 也参与活性中心的组成

位于活性中心以外，维持酶活性中心应有的空间构象或/和作为调节剂的结合部位所必需 活性中心内的必需基团 结合基团 (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 ※必需基团有活性中心内必需基团和活性中心外必需基团； ※活性中心内必需基团有结合基团（binding group）和催化基团（catalytic group），有的同时具备结合与催化两种功能； ※活性中心内的必需基团大多由肽链上距离较远的aa残基提供，经肽链的折叠后使其在空间位置上互相接近，形成活性中心；在结合酶类，辅酶、辅基也大多参与活性中心的组成。 ※活性中心外必需基团不参与活性中心组成，但能维持活性中心应有的空间构象（conformation）或/和作为调节剂的结合部位所必需。 位于活性中心以外，维持酶活性中心应有的空间构象或/和作为调节剂的结合部位所必需

活性中心以外的必需基团 底 物 催化基团 结合基团 活性中心

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

三、同工酶 (isoenzyme) 指催化相同的化学反应，而酶蛋白的分子结构、理化性质及免疫学性质不同的一组酶 举例：乳酸脱氢酶(LDH1～ LDH5) H M LDH1 (H4) LDH2 (H3M) LDH3 (H2M2) LDH4 (HM3) LDH5 (M4) * 心肌中LDH1为主，骨骼肌和肝脏以LDH5为主

临床意义 同工酶谱的改变有助于对疾病的诊断 1 酶活性 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 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

第二节 酶的工作原理 The Mechanism of Enzyme Action

化学催化剂和酶（生物催化剂） 共性: * 促进热力学上允许进行的反应 * 缩短达到化学平衡的时间, 不改变平衡点 * 反应前后无质和量的改变 共性: * 促进热力学上允许进行的反应 * 缩短达到化学平衡的时间, 不改变平衡点 * 反应前后无质和量的改变 * 降低反应的活化能 特性: 酶本质特性(蛋白质)

一、 酶促反应的特点 极高的催化效率 高度特异性 可调节性 酶遵循一般催化剂的共同规律，只能催化热力学上允许的反应，即不能新生反应；只能加速反应达到平衡点，不能改变平衡点；反应前后酶的质量不变。

（一）酶促反应具有极高的效率 效率：单位时间内产物的生成量 酶的转换数(turnover number) 反应酶的催化效率，酶被底物饱和的条件下，每个酶分子每秒钟将底物转化为产物的分子数 催化效率比非催化反应高108～1020倍，比一般催化剂高106～1012倍 酶和一般催化剂加速反应的机理都是降低反应的，酶 比一般催化剂更有效地降低反应的活化能(activation energy)

底物分子(S)从初态进入活化态所需要的能量 活化能 底物分子(S)从初态进入活化态所需要的能量 ？ 为什么酶能降低反应的活化能？ 我们知道，即便在热力学上允许进行的反应中，也只有那些能量较高的活泼分子也就是活化分子才有可能进行化学反应，这些活化分子的能量来自于分子之间相互碰撞。这种使底物分子从基础状态（初态）达到活化态所需要的能量称为活化能。 酶促反应活化能的改变

一种酶仅作用于一种或一类化合物，或一定的化学键，催化一定的化学反应并生成一定的产物。酶的这种特性称为酶的特异性或专一性 （二）酶促反应具有高度的特异性 酶的特异性(specificity) 一种酶仅作用于一种或一类化合物，或一定的化学键，催化一定的化学反应并生成一定的产物。酶的这种特性称为酶的特异性或专一性 根据酶对其底物结构选择的严格程度不同 绝对特异性(absolute specificity) 相对特异性(relative specificity) 立体异构特异性(stereo specificity)

绝对特异性 NH2 C= O + H2O 2NH3 + CO2 脲酶 脲 NH CH3 C=O 甲基脲 只作用于特定结构的底物,进行一种专一的反应，生成一种特定结构的产物 NH2 C= O + H2O 2NH3 + CO2 脲 NH CH3 C=O 甲基脲 脲酶

2. 相对特异性 2. 相对特异性 只作用于一类底物 或一种化学键 NH O H2N-C-NH-(CH2)3- CH - C—N-C-R2------ NH 2 H 胰蛋白酶 精氨酸与 赖氨酸羧基的肽键 胰蛋白酶 磷酸酶 磷酸酯键

蔗糖酶 [果糖—葡萄糖 ] 果糖 + 葡萄糖 蔗糖 [果糖—葡萄糖—半乳糖] 果糖 + [葡萄糖 --半乳糖] 棉子糖 二糖 棉子糖

3. 立体异构特异性 3. 立体异构特异性 L- 精氨酸酶 L- 精氨酸 L-鸟氨酸 + 尿素 D- 精氨酸 L- 精氨酸酶 只催化 一对光学异构体之一 一对顺反异构体之一 L- 精氨酸酶 L- 精氨酸 L-鸟氨酸 + 尿素 D- 精氨酸 L- 精氨酸酶

3. 立体异构特异性 L-乳酸 D-乳酸 乳酸脱氢酶(LDH)

（三）酶促反应的可调节性 酶促反应受多种因素的调控，以适应机体对不断变化的内外环境和生命活动的需要。包括： 酶、代谢物区域化分布；同工酶 酶原激活 变构调节、共价修饰 酶合成与降解的调节 酶、代谢物区域化分布使不同的亚细胞结构的各有其代谢特点，例如糖的有氧氧化和三羧酸循环发生在线粒体；无氧酵解发生在细胞浆。另外，不同组织器官中存在的同工酶使不同组织中同一个反应过程的代谢特点不同。

小结酶促反应的特点 由活细胞产生，能在体内外对其特异底物起着高效催化作用的一类蛋白质 极高的催化效率 高度特异性 可调节性 酶遵循一般催化剂的共同规律，只能催化热力学上允许的反应，即不能新生反应；只能加速反应达到平衡点，不能改变平衡点；反应前后酶的质量不变。

二、酶促反应的机理 更有效地降低反应的活化能 ?

E + S E + P ES 酶-底物复合物的形成 & 过渡态（transition state） 分二步进行所需要的活化能要低得多 (过渡态) 分二步进行所需要的活化能要低得多 形成中间产物ES, 二者次级键的形成释放结合能，此能量可抵消活化能. 是酶降低活化能的主要能量来源.

酶-底物复合物的形成 & 过渡态（transition state） 酶活性中心与底物形成瞬时的次级键 每生成一个次级键可产生4—30kJ/mol的结合能, 抵消活化能.

酶-底物复合物的形成 & 过渡态（transition state） 位于酶-底物复合物中的底物，结构介于底物和产物之间，不稳定，容易转变成为产物或返回底物 过渡态 活化态 过渡态分子 活化分子

酶-底物复合物的形成 & 过渡态（transition state） 降低反应的活化能

（一）诱导契合作用(induced-fit) 1958年，Koshland 提出 底物（S）和酶蛋白相互接近时，诱导 酶蛋白发生空间构象的变化，而底物也可以变形适应酶的变化，它们相互诱导、相互变形、相互适应，进而相互结合

酶 的 诱 导 契 合 动 画 接近 诱导 变形 适应

羧肽酶的诱导契合模式 底物

（二）邻近效应(proximity effect)与 定向排列(orientation arrange ) 多个底物分子集中在酶的活性中心, 分子间更加接近 底物分子与活性中心的构象完全相符， 分子间的空间趋向是固定的 当酶与它的底物结合时，酶分子的构象会改变，使催化基团和结合基团正确排列和定位。使酶活性中心处的 [S] 当溶液中[S] 为 0.001 mol/L 酶活性中心处的 [S]为 100 mol/L

（三）表面效应（surface effect）与 底物分子脱溶剂化（desolvation） 酶分子的内部疏水性氨基酸形成疏水口袋中，去掉水化膜干扰，有利于底物和酶分子之间的密切接触 （四）多元催化作用 一般的酸碱催化（general acid-base catalysis） 亲核催化（nucleophilic catalysis） 亲电子催化（Electrophilic catalysis）

酶促反应的机理 ? 诱导契合 作用 酶-底物复合物 &过渡态形成 有效降低 活化能

Kinetics of Enzyme-Catalyzed Reaction 第三节 酶促反应动力学 Kinetics of Enzyme-Catalyzed Reaction

研究各种因素对酶促反应速度的影响，并加以定量的阐述 酶促反应速度 单位时间内，单位体积中底物的减少量或产物的生成量 酶促反应动力学概念 研究各种因素对酶促反应速度的影响，并加以定量的阐述 酶促反应速度 单位时间内，单位体积中底物的减少量或产物的生成量 [S]下降 酶逐渐失活/部分失活 产物逐渐增多，对酶的抑制 时间 产物生成量 随反应时间的延长 酶促反应速度逐渐降低

酶促反应速度以初速率 ( initial velocity )为准 界定条件 单底物、单产物反应 酶促反应速度以初速率 ( initial velocity )为准 初速率 底物的消耗量很小（一般在5﹪以内）时的反应速度 时间 产物生成量 初速度

影响因素 底物浓度[S] 酶浓度 温度 pH 抑制剂 以底物浓度为横坐标，酶促反应速度为纵坐标作图，表现为矩形双曲线。

一、底物浓度[S]对反应速度(V)的影响 条件：当[E]不变时，[S]对反应速度的影响为 矩形双曲线 V Vmax 以底物浓度为横坐标，酶促反应速度为纵坐标作图，表现为矩形双曲线。 [S]

[S] V Vmax 当底物浓度较低时 反应速度与底物浓度成正比

[S] V Vmax 随着底物浓度的增高 反应速度不再成正比例加速

[S] V Vmax 当底物浓度高达一定程度 反应速度不再增加，达最大速度

米氏方程（Michaelis equation) ----解释 [S] 和 V 之间的关系 1913年Michaelis和Menten提出

米氏方程（Michaelis equation) ----解释 [S] 和 V 之间的关系 Vmax [S] Km + [S ] V= V： 不同[S]时的反应速度 [S]： 底物浓度 Vmax：最大反应速度(maximum velocity) Ｋm： 米氏常数(Michaelis constant)

米氏方程（Michaelis equation) ----解释 [S] 和 V 之间的关系 *依据： 中间产物学说 E + S k1 k2 k3 ES E + P *假设： ① E与S形成ES复合物的反应是快速平衡反应，而ES分解为E及P的反应为慢反应，反应速度取决于慢反应即 V＝k3[ES]。(1) ② [S]>>[E] ,反应的初始阶段，S的浓度可认为不变即[S]＝[St]。

米氏方程对曲线的解释 Vmax [S] Km + [S ] V= Km ：米氏常数 ?

小 结 酶的分子组成 酶的活性中心 酶促反应的特点 酶的催化作用机理 降低反应活化能、诱导契合作用、邻近效应与定向排列、表面效应、多元催化作用 酶促反应动力学 底物浓度对酶促反应速度的影响 米氏方程式