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1、Biochemistry生物化学生物化学硕士研究生入学考试硕士研究生入学考试国家教育部指定考试科目国家教育部指定考试科目教材：王镜岩主编（第三版）教材：王镜岩主编（第三版）高教出版社高教出版社主讲主讲:杨卫民教授杨卫民教授Chapter8 Chapter8 酶通论酶通论一一、酶的特性酶的特性n（一）什么是酶？（一）什么是酶？n酶是活细胞产生的一类具有催化功能的生物酶是活细胞产生的一类具有催化功能的生物分子，所以又称为生物催化剂分子，所以又称为生物催化剂Biocatalysts 。n绝大多数的酶都是蛋白质。绝大多数的酶都是蛋白质。n酶催化的生物化学反应，称为酶促反应酶催化的生物化学反应，称为酶促
2、反应Enzymatic reaction。n在酶的催化下发生化学变化的物质，称为底物在酶的催化下发生化学变化的物质，称为底物substrate。（二）酶和一般催化剂的共性（二）酶和一般催化剂的共性n1 1，用量少而催化效率高；，用量少而催化效率高；n2 2，它能够改变化学反应的速度，但是不，它能够改变化学反应的速度，但是不能改变化学反应平衡。能改变化学反应平衡。n3 3，酶能够稳定底物形成的过渡状态，降，酶能够稳定底物形成的过渡状态，降低反应的活化能，从而加速反应的进行。低反应的活化能，从而加速反应的进行。一一、酶的特性酶的特性（三）酶催化作用特性：（三）酶催化作用特性：高效率、专一性、可调控
3、高效率、专一性、可调控n酶的催化作用可使反应速度提高酶的催化作用可使反应速度提高10106-6-10101212倍。倍。n例如：过氧化氢分解例如：过氧化氢分解n 2 2H H2 2O O2 2 2H 2H2 2O +OO +O2 2n用用Fe+Fe+催化，效率为催化，效率为6*106*10-4-4 mol/mol.Smol/mol.S，而用而用过氧化氢酶催化，效率为过氧化氢酶催化，效率为6*106*106 6 mol/mol.Smol/mol.S。n用用-淀粉酶催化淀粉水解，淀粉酶催化淀粉水解，1 1克结晶酶在克结晶酶在6565 C C条件下可催化条件下可催化2 2吨淀粉水解。吨淀粉水解。1
4、1高效性高效性一一、酶的特性酶的特性n酶的专一性酶的专一性 Specificityn又称为特异性，是指酶在催化生化反应又称为特异性，是指酶在催化生化反应时对底物的选择性时对底物的选择性2 2、专一性或选择性、专一性或选择性一一、酶的特性酶的特性（三）酶催化作用特性（三）酶催化作用特性n酶促反应一般在酶促反应一般在pH 5-8 pH 5-8 水溶液中进行，水溶液中进行，反应温度范围为反应温度范围为20-4020-40 C C。n高温或其它苛刻的物理或化学条件，将引高温或其它苛刻的物理或化学条件，将引起酶的失活（不稳定性）。起酶的失活（不稳定性）。3 3反应条件温和，容易失活反应条件温和，容易失活
5、（三）酶催化作用特性（三）酶催化作用特性一一、酶的特性酶的特性4.4.酶活力可调节控制酶活力可调节控制n如抑制剂调节、共价修饰调节、反如抑制剂调节、共价修饰调节、反馈调节、酶原激活及激素控制等。馈调节、酶原激活及激素控制等。5.5.某些酶催化活力与辅酶、辅基某些酶催化活力与辅酶、辅基及金属离子有关。及金属离子有关。（三）酶催化作用特性（三）酶催化作用特性一一、酶的特性酶的特性二二、酶的化学本质及其组成酶的化学本质及其组成（一）（一）Enzyme的化学本质的化学本质 Enzyme的化学本质是蛋白质，具有蛋白质相同的理化性质。的化学本质是蛋白质，具有蛋白质相同的理化性质。（二）（二）Enzyme的
6、组成和分类的组成和分类 1、简单蛋白质：如脲酶、蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶及核糖核酸酶等。、简单蛋白质：如脲酶、蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶及核糖核酸酶等。2、缀合蛋白质：蛋白质部分，又叫酶蛋白、缀合蛋白质：蛋白质部分，又叫酶蛋白 非蛋白质部分，又叫辅助因子非蛋白质部分，又叫辅助因子 全酶全酶=酶蛋白酶蛋白+辅助因子辅助因子 如铁黄素蛋白如铁黄素蛋白 酶蛋白的功能：决定酶反应的专一性酶蛋白的功能：决定酶反应的专一性 辅助因子的功能：直接对电子、原子或某些化学基团起传递作用。辅助因子的功能：直接对电子、原子或某些化学基团起传递作用。（三）根据酶蛋白分子的特点分（三）根据酶蛋白分子的特点分 1、单体酶：一条
7、多肽链组成的酶，如溶菌酶、胰蛋白酶；、单体酶：一条多肽链组成的酶，如溶菌酶、胰蛋白酶；2、寡聚酶：由两个或两个以上的亚基组成的酶，如磷酸化酶、寡聚酶：由两个或两个以上的亚基组成的酶，如磷酸化酶a；3、多酶复合体：是几种酶靠非共价键彼此嵌合而成，如脂肪酸合、多酶复合体：是几种酶靠非共价键彼此嵌合而成，如脂肪酸合成酶复合体；成酶复合体；二二、酶的化学本质及其组成酶的化学本质及其组成 （四）（四）Enzyme的辅助因子（的辅助因子（324页）页）1、辅酶：与酶蛋白松弛结合的辅助因子，可用透析方法除去；、辅酶：与酶蛋白松弛结合的辅助因子，可用透析方法除去；2、辅基：以共价键和酶蛋白较牢固地结合在一起，
8、不容易用透析方、辅基：以共价键和酶蛋白较牢固地结合在一起，不容易用透析方法除去，如细胞色素氧化酶与铁卟啉辅基。法除去，如细胞色素氧化酶与铁卟啉辅基。三、酶的命名及分类三、酶的命名及分类n(1)(1)习惯命名法习惯命名法（1961年以前）年以前）:n1,1,根据其催化底物来命名；根据其催化底物来命名；n2,2,根据所催化反应的性质来命名；根据所催化反应的性质来命名；n3,3,结合上述两个原则来命名，结合上述两个原则来命名，n4,4,有时在这些命名基础上加上酶的来源或其它有时在这些命名基础上加上酶的来源或其它特点。特点。如如 淀粉酶、蛋白酶、水解酶、胃蛋白酶等。淀粉酶、蛋白酶、水解酶、胃蛋白酶等。
9、（一）酶的命名（一）酶的命名(2)(2)国际系统命名法国际系统命名法 国际酶学会议国际酶学会议1961年提出的一个新的系统命名及系统分类的年提出的一个新的系统命名及系统分类的原则，规定每一种酶有一个系统名称和习惯名称。原则，规定每一种酶有一个系统名称和习惯名称。n系统名称包括底物名称、构型、反应性质，最后加一系统名称包括底物名称、构型、反应性质，最后加一个酶字。个酶字。n例如：例如：n习惯名称习惯名称:谷丙转氨酶谷丙转氨酶n系统名称系统名称:丙氨酸：丙氨酸：-酮戊二酸氨基转移酶酮戊二酸氨基转移酶n酶催化的反应酶催化的反应:n谷氨酸谷氨酸+丙酮酸丙酮酸 -酮戊二酸酮戊二酸+丙氨酸丙氨酸 三、酶的
10、命名及分类三、酶的命名及分类（一）酶的命名（一）酶的命名三、酶的命名及分类三、酶的命名及分类（二）酶的分类（二）酶的分类“国际系统分类法及编号国际系统分类法及编号”（240页）页）将所有的酶促反应按反应性质分为六大类，每一大类又分为若干个亚将所有的酶促反应按反应性质分为六大类，每一大类又分为若干个亚类和亚亚类，分别用类和亚亚类，分别用1、2、3、4、5、编号。编号。所以每一个酶的分类编号由四个数字组成，数字间用所以每一个酶的分类编号由四个数字组成，数字间用“”隔开，隔开，编号之前冠以编号之前冠以EC（Enzyme Commision)。1、氧化还原酶类、氧化还原酶类 如：乳酸脱氢酶：如：乳酸脱
11、氢酶：2、转移酶类、转移酶类 如：谷丙转氨酶：如：谷丙转氨酶：3、水解酶类、水解酶类 如：亮氨酸氨肽酶：如：亮氨酸氨肽酶：4、裂合酶类、裂合酶类 如：醛缩酶：如：醛缩酶：EC4.1.2.7 5、异构酶类、异构酶类 6、合成酶类、合成酶类 或连接酶类或连接酶类n水解酶催化底物的加水分解反应。水解酶催化底物的加水分解反应。n主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。n例如，脂肪酶例如，脂肪酶(Lipase)(Lipase)催化的脂的水解反应：催化的脂的水解反应：(1)(1)水解酶水解酶 hydrolase hydrolase（二）酶的分类（二）酶的分类三、酶的
12、命名及分类三、酶的命名及分类n氧化氧化-还原酶催化氧化还原酶催化氧化-还原反应。还原反应。n主要包括脱氢酶主要包括脱氢酶(dehydrogenase)(dehydrogenase)和氧化酶和氧化酶(Oxidase)(Oxidase)。n如，乳酸如，乳酸(Lactate)(Lactate)脱氢酶催化乳酸的脱氢反应。脱氢酶催化乳酸的脱氢反应。(2)(2)氧化氧化-还原酶还原酶 Oxidoreductase Oxidoreductase（二）酶的分类（二）酶的分类三、酶的命名及分类三、酶的命名及分类n转移酶催化基团转移反应，即将一个底物分子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
13、一个底物的分子上。的基团或原子转移到另一个底物的分子上。例如，例如，谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。(3)(3)转移酶转移酶 Transferase Transferase（二）酶的分类（二）酶的分类三、酶的命名及分类三、酶的命名及分类n裂合酶催化从底物分子中移去一个基团或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。原子形成双键的反应及其逆反应。n主要包括醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。主要包括醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。n例如，例如，脱羧酶脱羧酶(4)(4)裂合酶裂合酶 Lyase Lyase（二）酶的分类（二）酶的分类三、酶的命名及分类三、酶的命名
14、及分类n异构酶催化各种同分异构体的相互转化，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。即底物分子内基团或原子的重排过程。例如，例如，6-磷酸葡萄糖异构酶催化的反应。磷酸葡萄糖异构酶催化的反应。(5)(5)异构酶异构酶 Isomerase Isomerase（二）酶的分类（二）酶的分类三、酶的命名及分类三、酶的命名及分类n合成酶，又称为连接酶，能够催化合成酶，又称为连接酶，能够催化C-CC-C、C-OC-O、C-N C-N 以及以及C-S C-S 键的形成反应。这类反应必须与键的形成反应。这类反应必须与ATPATP分解反应相互偶联。分解反应相互偶联。nA+B+ATP+
15、H-O-H=A A+B+ATP+H-O-H=A B+ADP+Pi B+ADP+Pi n例如，丙酮酸羧化酶催化的反应。例如，丙酮酸羧化酶催化的反应。丙酮酸丙酮酸 +COCO2 2 草酰乙酸草酰乙酸(6)(6)合成酶合成酶 Ligase or Synthetase Ligase or Synthetase（二）酶的分类（二）酶的分类三、酶的命名及分类三、酶的命名及分类n核酸酶是唯一的非蛋白酶。它是一类特殊的核酸酶是唯一的非蛋白酶。它是一类特殊的RNARNA，能够催化，能够催化RNARNA分子中的磷酸酯键的水解及其逆分子中的磷酸酯键的水解及其逆反应。反应。(7)(7)核酸酶（催化核酸）核酸酶（催化核
16、酸）ribozyme ribozyme（二）酶的分类（二）酶的分类三、酶的命名及分类三、酶的命名及分类四、酶的结构及四、酶的结构及催化作用机制催化作用机制 1 1结合部位结合部位 Binding site 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。酶分子中与底物结合的部位或区域一般称为结合部位。（一）酶分子的结构特点（一）酶分子的结构特点2 2催化部位催化部位 catalytic site catalytic siten酶分子中促使底物发生化学变化的部位称为催化部位酶分子中促使底物发生化学变化的部位称为催化部位。n通常将酶的结合部位和催化部位总称为酶的活性部位或
17、活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。性中心。n结合部位决定酶的专一性，结合部位决定酶的专一性，n催化部位决定酶所催化反应的性质。催化部位决定酶所催化反应的性质。n酶分子中存在着一些可以与其他分子发生某种程度的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。起激活或抑制作用。3 3调控部位调控部位 Regulatory site Regulatory site（一）酶分子的结构特点（一）酶分子的结构特点四、酶的结构及四、酶的结构及催化作用机制催化作用机制 (1)(1
18、)反应专一性反应专一性n酶一般只能选择性地催化一种或一类相同类型的化学酶一般只能选择性地催化一种或一类相同类型的化学反应。反应。（二）（二）酶催化反应的专一性酶催化反应的专一性四、酶的结构及四、酶的结构及催化作用机制催化作用机制 (2)(2)底物专一性底物专一性n一种酶只能作用于某一种或某一类结构性质相似的物一种酶只能作用于某一种或某一类结构性质相似的物质。质。结构专一性结构专一性A、绝对专一性、绝对专一性n有些酶对底物的要求非常严格，有些酶对底物的要求非常严格，只作用于一个特定的底物。这只作用于一个特定的底物。这种专一性称为绝对专一性种专一性称为绝对专一性（Absolute specific
19、ity)。B、相对专一性、相对专一性 立体化学专一性立体化学专一性n有些酶的作用对象不是一种底物，而是有些酶的作用对象不是一种底物，而是一类化合物或一类化学键。这种专一性一类化合物或一类化学键。这种专一性称为相对专一性称为相对专一性(Relative Specificity)。n包括族包括族(group)专一性。专一性。如如-葡萄糖苷酶，葡萄糖苷酶，催化由催化由-葡萄糖所构成的糖苷水解，但葡萄糖所构成的糖苷水解，但对于糖苷的另一端没有严格要求。对于糖苷的另一端没有严格要求。n和键和键(Bond)专一性。如酯酶催化酯的水专一性。如酯酶催化酯的水解，对于酯两端的基团没有严格的要求。解，对于酯两端的
20、基团没有严格的要求。B、相对专一性、相对专一性 立体化学专一性立体化学专一性n酶的一个重要特性是能专一性地与手性酶的一个重要特性是能专一性地与手性底物结合并催化这类底物发生反应。底物结合并催化这类底物发生反应。n例如，淀粉酶只能选择性地水解例如，淀粉酶只能选择性地水解D D葡萄葡萄糖形成的糖形成的1 1，4 4糖苷键糖苷键I I、光学专一性光学专一性 O Optical Specificityptical SpecificityStereochemical SpecificityStereochemical Specificity、几何专一性几何专一性n有些酶只能选择性催化某种几何异构体有些酶
21、只能选择性催化某种几何异构体底物的反应，而对另一种构型则无催化底物的反应，而对另一种构型则无催化作用。作用。n如延胡索酸水合酶只能催化延胡索酸水如延胡索酸水合酶只能催化延胡索酸水合生成苹果酸，对马来酸则不起作用。合生成苹果酸，对马来酸则不起作用。geometrical specificitygeometrical specificity 立体化学专一性立体化学专一性Stereochemical SpecificityStereochemical Specificity(三三)酶作用专一性的机制酶作用专一性的机制 n酶分子活性中心部位，一般都含有多个具有催化活酶分子活性中心部位，一般都含有多个具
22、有催化活性的手性中心，这些手性中心对底物分子构型取向性的手性中心，这些手性中心对底物分子构型取向起着诱导和定向的作用，使反应可以按单一方向进起着诱导和定向的作用，使反应可以按单一方向进行。行。n酶能够区分对称分子中等价的潜手性基团。酶能够区分对称分子中等价的潜手性基团。(a)(a)“三点结合三点结合”的催化理论的催化理论。认为酶与底物的结。认为酶与底物的结合处至少有三个点，而且只有一种情况是完全结合合处至少有三个点，而且只有一种情况是完全结合的形式。只有这种情况下，不对称催化作用才能实的形式。只有这种情况下，不对称催化作用才能实现。现。四、酶的结构及四、酶的结构及催化作用机制催化作用机制 （b
23、 b）锁钥学说：）锁钥学说：认为整个酶分认为整个酶分子的天然构象是具有刚性结构的，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物的结合如同一把钥匙对一把锁一样一样n（c c）诱导契合学说：）诱导契合学说：该学说认为酶表面并没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。物的诱导才形成了互补形状。（四）酶作用高效率的机制（四）酶作用高效率的机制 n1 1，中间产物学说，中间产物学说n 在酶催化的反应中，第一步是酶与底物形成酶在酶催化的反应中，第一步
24、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底物中间复合物。当底物分子在酶作用下发生化学变化后，中间复合物再分解成产物和酶。生化学变化后，中间复合物再分解成产物和酶。n E +S =E-S E +S =E-S P +E P +En许多实验事实证明了许多实验事实证明了E ES S复合物的存在。复合物的存在。E ES S复合物形成的速率与酶和底物的性质有关。复合物形成的速率与酶和底物的性质有关。四、酶的结构及四、酶的结构及催化作用机制催化作用机制 n酶促反应：酶促反应：E+S =ES=ESE+S =ES=ES n EP EP E+P E+Pn反应方向反应方向,即化学平衡方向即化学平衡方向
25、,主要取决于反应主要取决于反应自由能变化自由能变化 H H。n而反应速度快慢而反应速度快慢,则主要取决于反应的活化能则主要取决于反应的活化能E Ea a。n催化剂的作用是降低反应活化能催化剂的作用是降低反应活化能E Ea,a,从而起到从而起到提高反应速度的作用提高反应速度的作用2.2.活化能降低活化能降低四、酶的结构及四、酶的结构及催化作用机制催化作用机制 （四）酶作用高效率的机制（四）酶作用高效率的机制 反应过程中能的变化反应过程中能的变化n酶催化作用的本质是酶的活性中心与底酶催化作用的本质是酶的活性中心与底物分子通过短程非共价力物分子通过短程非共价力(如氢键如氢键,离子离子键和疏水键等键和
26、疏水键等)的作用，形成的作用，形成E-SE-S反应中反应中间物，间物，n其结果使底物的价键状态发生形变或极其结果使底物的价键状态发生形变或极化，起到激活底物分子和降低过渡态活化，起到激活底物分子和降低过渡态活化能作用。化能作用。五、酶活力的测定和分离纯化五、酶活力的测定和分离纯化 1、酶活力与酶反应速度：、酶活力与酶反应速度：活力越高，酶催化的反应速度越活力越高，酶催化的反应速度越快快 2、Enzyme的活力单位（的活力单位（U，active unit）1961年国际酶学会议规定：年国际酶学会议规定：1个酶活力单位，是指在特定个酶活力单位，是指在特定条件下（温度为条件下（温度为25C，pH及底
27、物浓度等均为最适条件），在及底物浓度等均为最适条件），在1分钟内能转化分钟内能转化1微摩尔微摩尔(mol)底物的酶量，或是转化底物中底物的酶量，或是转化底物中1微摩尔的有关基团的酶量微摩尔的有关基团的酶量。3、Enzyme的比活力的比活力(specific activity)比活力的大小，也就是酶含量的大小，比活力的大小，也就是酶含量的大小，即每毫克蛋白所即每毫克蛋白所具有的酶活力具有的酶活力，一般用，一般用“单位单位/毫克蛋白毫克蛋白(U/mg)”来表示。来表示。（一）（一）EnzymeEnzyme活力的测定活力的测定 Enzyme的分离提纯的分离提纯 1、选材；选材；2、破碎；、破碎；3、
28、抽提；、抽提；4、分离及提纯；、分离及提纯；5、结晶；、结晶；6、保存。、保存。整个过程注意酶蛋白的变性与失活。整个过程注意酶蛋白的变性与失活。五、酶活力的测定和分离纯化五、酶活力的测定和分离纯化 （二）（二）EnzymeEnzyme分离和纯化分离和纯化六、核酶（六、核酶（339339页）页）核酶核酶(Ribozyme)Cech 和和Altman发现核酸分子也有酶活性，从根本上改变了以往认为只发现核酸分子也有酶活性，从根本上改变了以往认为只有蛋白质才具有催化功能的概念。由此，有蛋白质才具有催化功能的概念。由此，Cech 和和Altman获得了获得了1989年的诺贝尔化学奖。年的诺贝尔化学奖。意
29、义：意义：1、作为、作为RNA的限制性内切酶的限制性内切酶 2、作为抗病因子、作为抗病因子 3、生命起源的探索、生命起源的探索八、酶工程简介八、酶工程简介以上内容以自学为主，尤以核酶为重要。以上内容以自学为主，尤以核酶为重要。七、抗体酶七、抗体酶 抗体酶抗体酶(Abzyme)1986年美国年美国Science周刊发表了来自周刊发表了来自Lerner和和Schultz的有关具有的有关具有酶催化性质的抗体研究报告。酶催化性质的抗体研究报告。意义：利用抗体酶专一性地破坏病毒蛋白质以及清除体内意义：利用抗体酶专一性地破坏病毒蛋白质以及清除体内“垃圾垃圾”如如血管凝快等。还可用于可卡因吸毒患者的治疗和减轻癌症治疗的副作用。血管凝快等。还可用于可卡因吸毒患者的治疗和减轻癌症治疗的副作用。在制药工业，立体专一性的抗体酶有助于解决令人头痛的对映体拆分的在制药工业，立体专一性的抗体酶有助于解决令人头痛的对映体拆分的难题难题