酶的概述 生物化学.

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1 酶的概述 生物化学

2 §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 §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

4 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。

5 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

6 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

7 （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

8 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）。

9 ●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。

10 一些金属离子作为酶的辅助因子 金属离子 酶 金属离子 酶

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12 （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

13 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

14 由相同亚基聚合而成的寡聚酶

15 由不同亚基聚合而成的寡聚酶

16 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

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18 （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。

19 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

20 （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。

21 酶与一般催化剂的比较

22 酶能大幅度地降低化学反应的活化能

23 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 KJ/mol H+（酸）催化时活化能为 KJ/mol 蔗糖酶催化时为 39.4 KJ/mol

24 （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

25 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

26 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

27 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

28 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

29 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）

30 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

31 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：

32 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

33 （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

34 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。

35 2、诱导契合理论: 1958年 Koshland 提出

36 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

37 四、酶的命名与分类 （一）酶的命名 （二）酶的系统分类方法

38 （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；

39 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

40 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）

41 （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

42 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：

43 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：

44 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：

45 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：

46 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

47 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：

48 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。

49 §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

50 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

51 （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

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53 ● 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

54 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

55 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。

56 溶菌酶的活性中心

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58 （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）

59 （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：

60 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。

61 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：

62 ●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。

63 ●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。

64 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

65 （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。

66 （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。

67 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

68 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。

69 （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：

70 …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。

71 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。

72 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。

73 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

74 胰蛋白酶原的激活过程

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76 胰凝乳蛋白酶原、 胰蛋白酶原的激活过程

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78 胃蛋白酶原的激活过程

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80 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。

81 酶原激活的级联反应：凝血机制

82 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