中國藥科大學(xué)生物化學(xué)課件-酶-01.02.03.04.05-概念.分類與命名.化學(xué)本質(zhì).結(jié)構(gòu)與功能關(guān)

主要內(nèi)容：介紹酶的概念、作用特點(diǎn)和分類、命名，討論酶的結(jié)構(gòu)特征和催化功能以及酶專一性及高效催化的策略，進(jìn)而討論影響酶作用的主要因素。對(duì)酶工程和酶的應(yīng)用作一般介紹。概述：酶的研究歷史酶的發(fā)現(xiàn)和提出：1897年，Buchner兄弟用不含細(xì)胞的酵母汁成功實(shí)現(xiàn)了發(fā)酵。提出了發(fā)酵與活細(xì)胞無關(guān)，而與細(xì)胞液中的酶有關(guān)。1913年，Michaelis和Menten提出了酶促動(dòng)力學(xué)原理—米氏學(xué)說。1926年，Sumner從刀豆種子中分離、純化得到了脲酶結(jié)晶，首次證明酶是具有催化活性的蛋白質(zhì)。1928年，Cech對(duì)四膜蟲的研究中發(fā)現(xiàn)RNA具有催化作用。一、酶的一般概念1、酶的重要性（生物學(xué)意義）（1）、酶是生化反應(yīng)的催化劑（2）、酶是新陳代謝的保證（3）、酶促反應(yīng)的連續(xù)性是能量轉(zhuǎn)換和本身各組分合成的保證

B、酶作為生物催化劑的特性酶的催化作用可使反應(yīng)速度提高10７–101３倍。例如：過氧化氫分解

2H2O2

2H2O+O2用Fe3+

催化，效率為6X10-4mol/mol·S，而用過氧化氫酶催化，效率為6X106mol/mol·S。轉(zhuǎn)換數(shù)（turnovernumber）的概念：每秒鐘每個(gè)酶分子能催化底物發(fā)生變化的微摩爾數(shù)，用kcat表示（mol/S）。-淀粉酶催化淀粉水解，1克結(jié)晶酶在65C條件下可催化2噸淀粉水解。(1)．高效性（酶具有極高的催化效率）酶的專一性Specificity又稱為特異性，是指酶在催化生化反應(yīng)時(shí)對(duì)底物的選擇性，即一種酶只能作用于某一類或某一種特定的物質(zhì)。亦即酶只能催化某一類或某一種化學(xué)反應(yīng)。

例如：蛋白酶催化蛋白質(zhì)的水解；淀粉酶催化淀粉的水解；核酸酶催化核酸的水解。(2)．專一性SpecificityB、酶作為生物催化劑的特性酶促反應(yīng)一般在pH5-8水溶液中進(jìn)行，反應(yīng)溫度范圍為20-40C。高溫或其它苛刻的物理或化學(xué)條件，將引起酶的失活。(3)．反應(yīng)條件溫和B、酶作為生物催化劑的特性(４)．酶易失活凡能使蛋白質(zhì)變性的因素如強(qiáng)酸、強(qiáng)堿高溫等條件都能使酶破壞而完全失去活性。所以酶作用一般都要求比較溫和的條件如常溫、常壓和接近中性的酸堿度等(５).酶活力可調(diào)節(jié)控制如抑制劑調(diào)節(jié)、共價(jià)修飾調(diào)節(jié)、反饋調(diào)節(jié)、酶原激活及激素控制等。(６).某些酶催化活力與輔酶、輔基及金屬離子有關(guān)。B、酶作為生物催化劑的特性酶作為生物催化劑的特性絕大部分酶都是蛋白質(zhì)1．高效性2．專一性3．反應(yīng)條件溫和４．酶易失活５.酶活力可調(diào)節(jié)控制６.某些酶催化活力與輔酶、輔基及金屬離子有關(guān)。小結(jié)（一）酶的分類氧化-還原酶催化氧化-還原反應(yīng)。主要包括脫氫酶(dehydrogenase)和氧化酶(Oxidase)。如，乳酸(Lactate)脫氫酶催化乳酸的脫氫反應(yīng)。1.氧化-還原酶類Oxido-reductasesA、國際系統(tǒng)分類法二、酶的分類和命名轉(zhuǎn)移酶催化基團(tuán)轉(zhuǎn)移反應(yīng)，即將一個(gè)底物分子的基團(tuán)或原子轉(zhuǎn)移到另一個(gè)底物的分子上。

例如，谷丙轉(zhuǎn)氨酶催化的氨基轉(zhuǎn)移反應(yīng)。2.轉(zhuǎn)移(移換)酶類Transferases（一）酶的分類水解酶催化底物的加水分解反應(yīng)。主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。例如，脂肪酶(Lipase)催化的脂的水解反應(yīng)：3.水解酶類hydrolases（一）酶的分類主要包括醛縮酶、水化酶（脫水酶）及脫氨酶等。裂合酶催化從底物分子中移去一個(gè)基團(tuán)或原子而形成雙鍵的反應(yīng)及其逆反應(yīng)。例如，蘋果酸裂合酶即延胡索酸水合酶催化的反應(yīng)。4.裂合（裂解）酶類Lyase（一）酶的分類異構(gòu)酶催化各種同分異構(gòu)體的相互轉(zhuǎn)化，即底物分子內(nèi)基團(tuán)或原子的重排過程。

例如，6-磷酸葡萄糖異構(gòu)酶催化的反應(yīng)。5.異構(gòu)酶類Isomerases（一）酶的分類合成酶，又稱為連接酶，能夠催化C-C、C-O、C-N以及C-S鍵的形成反應(yīng)。這類反應(yīng)必須與ATP分解反應(yīng)相互偶聯(lián)。A+B+ATP+H-O-H===AB+ADP+Pi

例如，丙酮酸羧化酶催化的反應(yīng)。丙酮酸+CO2草酰乙酸6.合成酶類LigasesorSynthetases（一）酶的分類*每一種酶有一個(gè)編號(hào),如乙醇脫氫酶

EC1.1.1.27

大類亞類亞亞類序號(hào)B、按酶的化學(xué)組成分類簡(jiǎn)單蛋白酶：指酶的活性僅僅決定于它的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。如脲酶、蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶等。結(jié)合蛋白酶：這些酶只有在結(jié)合了非蛋白組分（輔助因子）后，才表現(xiàn)出酶的活性。幾個(gè)概念：酶蛋白-apoenzyme（脫輔酶-apoprotein）、輔助因子（cofactor）

和全酶(holoenzyme)、輔基(prostheticgroup)、輔酶(coenzyme)。C、根據(jù)酶的分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類單體酶-monomericenzyme：一般由一條肽鏈組成，如溶菌酶、胰蛋白酶、木瓜蛋白酶等。但有的單體酶有多條肽鏈組成，如胰凝乳蛋白酶由3條肽鏈，鏈間由二硫鍵相連構(gòu)成一個(gè)共價(jià)整體。寡聚酶-oligomericenzyme：由2個(gè)或2個(gè)以上亞基組成，亞基間可以相同也可不同。亞基間以次級(jí)鍵締合。如3-磷酸甘油醛脫氫酶、乳酸脫氫酶、丙酮酸激酶等。多酶體系-multienzymesystem：由幾種酶靠非共價(jià)鍵彼此嵌合而成。主要指結(jié)構(gòu)化的多酶復(fù)合體如丙酮酸脫氫酶系、脂肪酸合成酶復(fù)合體等。多酶體系和多酶復(fù)合體細(xì)胞中的許多酶常常是在一個(gè)連續(xù)的反應(yīng)鏈中起作用，即前一個(gè)反應(yīng)的產(chǎn)物是后一個(gè)反應(yīng)的底物，在完整細(xì)胞內(nèi)的某一代謝過程中，由幾個(gè)酶形成的反應(yīng)體系，稱為多酶體系（multienzymesystem）。

如果體系中幾種酶彼此有機(jī)地組合在一起。精巧地鑲嵌成一定的結(jié)構(gòu)，即形成多酶復(fù)合體。這種結(jié)構(gòu)即能提高反應(yīng)途徑的效率，又能增強(qiáng)調(diào)控的準(zhǔn)確性。分散多酶體系與中間物示意圖多酶復(fù)合體示意圖(1)習(xí)慣命名法:根據(jù)其催化底物來命名（蛋白酶；淀粉酶）根據(jù)所催化反應(yīng)的性質(zhì)來命名（水解酶；轉(zhuǎn)氨酶；裂解酶等）結(jié)合上述兩個(gè)原則來命名（琥珀酸脫氫酶）有時(shí)在這些命名基礎(chǔ)上加上酶的來源或其它特點(diǎn)（胃蛋白酶、胰蛋白酶、堿性磷酸脂酶和酸性磷酸脂酶）。（二）.酶的命名(2)國際系統(tǒng)命名法

（國際酶學(xué)委員會(huì)１９６１年提出）系統(tǒng)名稱包括底物名稱、構(gòu)型、反應(yīng)性質(zhì)，最后加一個(gè)酶字。例如：習(xí)慣名稱:谷丙轉(zhuǎn)氨酶系統(tǒng)名稱:丙氨酸：-酮戊二酸氨基轉(zhuǎn)移酶酶催化的反應(yīng):-酮戊二酸+丙氨酸谷氨酸+丙酮酸<<EnzymeHandbook>>ThomsE.Barm編

三、酶的化學(xué)本質(zhì)

（一）、絕大多數(shù)酶是蛋白質(zhì)（二）、酶的輔因子

全酶＝酶蛋白＋輔因子

（三）、單體酶、寡聚酶及多酶體系

四、酶的結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系

(一)、酶的活性部位與必需集團(tuán)

1、活性部位（活性中心）

定義：酶的活性中心是指結(jié)合底物和將底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的區(qū)域，通常是相隔很遠(yuǎn)的氨基酸殘基形成的三維實(shí)體。（是指酶分子中能同底物結(jié)合并與酶催化作用直接有關(guān)的空間部位）。

酶的活性中心包括兩個(gè)功能部位：結(jié)合部位和催化部位。結(jié)合部位（Bindingsite）

酶分子中與底物結(jié)合的部位或區(qū)域一般稱為結(jié)合部位。此部位決定酶的專一性。催化部位（catalyticsite

）

酶分子中促使底物發(fā)生化學(xué)變化的部位稱為催化部位。此部位決定酶所催化反應(yīng)的性質(zhì)。2、必需基團(tuán)：酶表現(xiàn)催化作用所必需的基團(tuán)。（酶分子中有些基團(tuán)若經(jīng)化學(xué)修飾（氧化、還原、?；⑼榛┦蛊涓淖?，則酶的活性喪失，這些基團(tuán)稱為必需基團(tuán)）。非必需基團(tuán)：有的酶溫和水解掉幾個(gè)AA殘基，仍能表現(xiàn)活性，這些基團(tuán)即非必需基團(tuán)。(一)、酶的活性部位與必需集團(tuán)酶活性中心的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1.活性中心只占酶分子總體積的很小一部分，往往只占整個(gè)酶分子體積的1%-2%。

某些酶活性部位的AA殘基酶AA殘基數(shù)活性部位的AA殘基核糖核酸酶124

His12,His119,Lys41溶菌酶129Asp52,Glu35胰凝乳蛋白酶241His57,Asp102,Ser195胃蛋白酶348Asp32,Asp215木瓜蛋白酶212Cys25,His159羧肽酶A307Arg127,Glu270,Tyr248,Zn2+2.酶的活性部位是一個(gè)三維實(shí)體，具有三維空間結(jié)構(gòu)。活性中心的空間構(gòu)象不是剛性的，在與底物接觸時(shí)表現(xiàn)出一定的柔性和運(yùn)動(dòng)性。3.酶的活性部位并不是和底物的形狀正好互補(bǔ)的，而是在酶和底物的結(jié)合過程中，底物分子或酶分子、有時(shí)是兩者的構(gòu)象同時(shí)發(fā)生了一定的變化后才互補(bǔ)的，此時(shí)催化基團(tuán)的位置正好處在所催化底物鍵的斷裂和即將生成鍵的適當(dāng)位置，這個(gè)動(dòng)態(tài)辨認(rèn)過程稱為誘導(dǎo)契合（induced-fit）.4.酶的活性部位位于酶分子表面的一個(gè)裂隙（crevice）內(nèi).裂隙內(nèi)是一個(gè)相當(dāng)疏水的環(huán)境，從而有利于同底物的結(jié)合。5.底物靠許多弱的鍵力與酶結(jié)合。酶活性中心的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)AspHisSer胰凝乳蛋白酶的活性中心活性中心重要基團(tuán):His57,Asp102,Ser195為Tyr248為Arg145為Glu270為底物ZnZn羧肽酶活性中心示意圖

（二）、酶原的激活

體內(nèi)合成出來的酶，有時(shí)不具有生物活性，經(jīng)過蛋白水解酶專一作用后，構(gòu)象發(fā)生變化，形成活性中心，變成有活性的酶。這個(gè)不具活性的蛋白質(zhì)稱為酶原（zymogen或proenzyme），這個(gè)過程稱為酶原的激活。

該變化過程，是生物體的一種調(diào)控機(jī)制。這種調(diào)控作用的特點(diǎn)是，蛋白質(zhì)由無活性狀態(tài)轉(zhuǎn)變成活性狀態(tài)是不可逆的。實(shí)例：消化系統(tǒng)蛋白酶原的激活胰蛋白酶原胰蛋白酶六肽腸激酶活性中心胰蛋白酶原的激活示意圖

胰蛋白酶原胰蛋白酶六肽腸激酶胰蛋白酶對(duì)各種胰臟蛋白酶的激活作用

胰凝乳蛋白酶原胰凝乳蛋白酶彈性蛋白酶原彈性蛋白酶羧肽酶原羧肽酶（三）、同工酶

概念：存在于同一種屬或不同種屬，同一個(gè)體的不同組織或同一組織、同一細(xì)胞，具有不同分子形式但卻能催化相同的化學(xué)反應(yīng)的一組酶，稱之為同工酶（isoenzyme）（催化同一種化學(xué)反應(yīng)，但酶蛋白本身的分子結(jié)構(gòu)、物化性質(zhì)不完全相同的一類酶）。乳酸脫氫酶是研究的最多的同工酶。生物學(xué)功能：

遺傳的標(biāo)志

和個(gè)體發(fā)育及組織分化密切相關(guān)

適應(yīng)不同組織或不同細(xì)胞器在代謝上的不同需要

在各學(xué)科中的應(yīng)用乳酸脫氫酶同工酶形成示意圖多肽亞基mRNA四聚體結(jié)構(gòu)基因a

b乳酸脫氫酶同工酶電泳圖譜+–H4MH3M2H2M3HM4點(diǎn)樣線不同組織中LDH同工酶的電泳圖譜LDH1(H4)LDH2(H3M)LDH3(H2M2)LDH4(HM3)LDH5(M4)心肌腎肝骨骼肌血清-+原點(diǎn)同工酶在各學(xué)科中的應(yīng)用(1)遺傳學(xué)和分類學(xué)：提供了一種精良的判別遺傳標(biāo)志的工具。(2)發(fā)育學(xué)：有效地標(biāo)志細(xì)胞類型及細(xì)胞在不同條件下的分化情況，以及個(gè)體發(fā)育和系統(tǒng)發(fā)育的關(guān)系。(3)生物化學(xué)和生理學(xué)：根據(jù)不同器官組織中同工酶的動(dòng)力學(xué)、底物專一性、輔助因子專一性、酶的變構(gòu)性等性質(zhì)的差異，從而解釋它們代謝功能的差別。（4）醫(yī)學(xué)和臨床診斷：體內(nèi)同工酶的變化，可看作機(jī)體組織損傷，或遺傳缺陷，或腫瘤分化的的分子標(biāo)志。五、酶的底物專一性酶的底物專一性即特異性（substratespecificity）指酶對(duì)它所作用的底物有嚴(yán)格的選擇性。一種酶只能作用于某一種或某一類結(jié)構(gòu)性質(zhì)相似的物質(zhì)。酶的底物專一性類型：

結(jié)構(gòu)專一性和立體異構(gòu)專一性。１.結(jié)構(gòu)專一性有些酶對(duì)底物的要求非常嚴(yán)格，只作用于一個(gè)特定的底物。這種專一性稱為絕對(duì)專一性（Absolutespecificity)。例如：脲酶、麥芽糖酶、淀粉酶、碳酸酐酶及延胡索酸水化酶（只作用于反丁烯二酸）等。（１）絕對(duì)專一性（A