第三章酶通论 第三章酶通论 第一节酶概论 酶的概念及特性 酶 (enzyme)是活细胞内产生的具有高度专一性和催化效率的蛋白质,又 称为生物催化剂,生物体在新陈代谢过程中,几乎所有的化学反应都是在 酶的催化下进行的。 酶是生物催化剂( biological catalyst),具有两方面的特性,既有与一般 催化剂相同的催化性质,又具有一般催化剂所没有的生物大分子的特征 酶与一般催化剂一样,只能催化热力学允许的化学反应,缩短达到化 学平衡的时间,而不改变平衡点。酶作为催化剂在化学反应的前后没有质 和量的改变。微量的酶就能发挥较大的催化作用。酶和一般催化剂的作用 机理都是降低反应的活化能 activation energy)。因为酶是蛋白质,所以酶促 反应又固有其特性: 1高度的催化效率(高效性) 般而论,酶促反应速度比非催化反应高107-1020倍。 2高度的专一性(专一性) 一种酶只作用于一类化合物或一定的化学键,以促进一定的化学变化, 并生成一定的产物,这种现象称为酶的特异性或专一性( specific ity)。受酶催 化的化合物称为该酶的底物或作用物( substrate) 3酶活性的可调节性(可调节性) 酶是生物体的组成成份,和体内其他物质一样,不断在体内新陈代谢 酶的催化活性也受多方面的调控。例如,酶的生物合成的诱导和阻遏、酶 的化学修饰、抑制物的调节作用、代谢物对酶的反馈调节、酶的别构调节 以及神经体液因素的调节等,这些调控保证酶在体内新陈代谢中发挥其恰 如其分的催化作用,使生命活动中的种种化学反应都能够有条不紊、协调 一致地进行 4酶活性的不稳定性(不稳定性) 酶是蛋白质,酶促反应要求一定的PH、温度等温和的条件。强酸、强 碱、有机溶剂、重金属盐、髙温、紫外线、剧烈震荡等任何使蛋白质变性 的理化因素都可能使酶变性而失去其催化活性。 酶的分类和命名
第三章 酶通论 1 第三章 酶通论 第一节 酶概论 一、酶的概念及特性 酶(enzyme)是活细胞内产生的具有高度专一性和催化效率的蛋白质，又 称为生物催化剂，生物体在新陈代谢过程中，几乎所有的化学反应都是在 酶的催化下进行的。 酶是生物催化剂(biological catalyst)，具有两方面的特性，既有与一般 催化剂相同的催化性质，又具有一般催化剂所没有的生物大分子的特征。 酶与一般催化剂一样，只能催化热力学允许的化学反应，缩短达到化 学平衡的时间，而不改变平衡点。酶作为催化剂在化学反应的前后没有质 和量的改变。微量的酶就能发挥较大的催化作用。酶和一般催化剂的作用 机理都是降低反应的活化能(activation energy)。因为酶是蛋白质，所以酶促 反应又固有其特性： 1.高度的催化效率（高效性） 一般而论，酶促反应速度比非催化反应高 107 -1020 倍。 2.高度的专一性（专一性） 一种酶只作用于一类化合物或一定的化学键，以促进一定的化学变化， 并生成一定的产物，这种现象称为酶的特异性或专一性(specificity)。受酶催 化的化合物称为该酶的底物或作用物(substrate)。 3.酶活性的可调节性（可调节性） 酶是生物体的组成成份，和体内其他物质一样，不断在体内新陈代谢， 酶的催化活性也受多方面的调控。例如，酶的生物合成的诱导和阻遏、酶 的化学修饰、抑制物的调节作用、代谢物对酶的反馈调节、酶的别构调节 以及神经体液因素的调节等，这些调控保证酶在体内新陈代谢中发挥其恰 如其分的催化作用，使生命活动中的种种化学反应都能够有条不紊、协调 一致地进行。 4.酶活性的不稳定性（不稳定性） 酶是蛋白质，酶促反应要求一定的 PH、温度等温和的条件。强酸、强 碱、有机溶剂、重金属盐、高温、紫外线、剧烈震荡等任何使蛋白质变性 的理化因素都可能使酶变性而失去其催化活性。 二、酶的分类和命名
第三章酶通论 (一)酶的分类 国际酶学委员会(EC)规定,按酶促反应的性质,可把酶分成六大类: 1氧化还原酶类( oxido-reductases):指催化底物进行氧化还原反应的酶 类。例如,乳酸脱氢酶、琥珀酸脱氢酶、细胞色素氧化酶、过氧化氢酶等。 2转移酶类( (transferases):指催化底物之间进行某些基团的转移或交换 的酶类。如转甲基酶、转氨酸、己糖激酶、磷酸化酶等。 3水解酶类( hydrolases):指催化底物发生水解反应的酶类。例如、淀粉 酶、蛋白酶、脂肪酶、磷酸酶等。 4裂解酶类( lyases):指催化一个底物分解为两个化合物或两个化合物合 成为一个化合物的酶类。例如柠檬酸合成酶、醛缩酶等 5异构酶类( (somerase):指催化各种同分异构体之间相互转化的酶类 如,磷酸丙糖异构酶、消旋酶等。 6.连接酶类(合成酶类, ligases):指催化两分子底物合成为一分子化 合物,同时还必须偶联有ATP的磷酸键断裂的酶类。例如,谷氨酰胺合成 酶、氨基酸:tRNA连接酶等。 (二)酶的命名 1习惯命名法 (1)一般采用底物而命名:如蛋白水解酶等;对水解酶类,只要底物 名称即可,如蔗糖酶、胆硷酯酶、蛋白酶等 (2)依据其催化反应的性质来命名:如水解酶、转氨酶等 (3)结合1、2的命名:如琥珀酸脱氢酶、乳酸脱氢酶、磷酸己糖异 构酶等。 (4)有时在底物名称前冠以酶的来源或其他特点:如血清谷氨酸一丙 酮酸转氨酶、唾液淀粉酶、碱性磷酸酯酶和酸性磷酸酯酶等。 习惯命名法简单,应用历史长,但缺乏系统性,有时出现一酶数名或 名数酶的现象。 2.系统命名法 鉴于新酶的不断发展和过去文献中对酶命名的混乱,国际酶学委员会 规定了一套系统的命名法,使一种酶只有一种名称。它包括酶的系统命名 和4个数字分类的酶编号
第三章 酶通论 2 （一）酶的分类 国际酶学委员会(I.E.C)规定，按酶促反应的性质，可把酶分成六大类： 1.氧化还原酶类(oxido-reductases)：指催化底物进行氧化还原反应的酶 类。例如，乳酸脱氢酶、琥珀酸脱氢酶、细胞色素氧化酶、过氧化氢酶等。 2.转移酶类(transferases)：指催化底物之间进行某些基团的转移或交换 的酶类。如转甲基酶、转氨酸、己糖激酶、磷酸化酶等。 3.水解酶类(hydrolases)：指催化底物发生水解反应的酶类。例如、淀粉 酶、蛋白酶、脂肪酶、磷酸酶等。 4.裂解酶类(lyases)：指催化一个底物分解为两个化合物或两个化合物合 成为一个化合物的酶类。例如柠檬酸合成酶、醛缩酶等。 5.异构酶类(isomerases)：指催化各种同分异构体之间相互转化的酶类。 如，磷酸丙糖异构酶、消旋酶等。 6. 连接酶类 (合成酶类，ligases)：指催化两分子底物合成为一分子化 合物，同时还必须偶联有 ATP 的磷酸键断裂的酶类。例如，谷氨酰胺合成 酶、氨基酸：tRNA 连接酶等。 （二）酶的命名 1.习惯命名法 （1）一般采用底物而命名：如蛋白水解酶等；对水解酶类，只要底物 名称即可，如蔗糖酶、胆硷酯酶、蛋白酶等。 （2）依据其催化反应的性质来命名：如水解酶、转氨酶等。 （3）结合 1、2 的命名：如琥珀酸脱氢酶、乳酸脱氢酶、磷酸己糖异 构酶等。 （4）有时在底物名称前冠以酶的来源或其他特点：如血清谷氨酸－丙 酮酸转氨酶、唾液淀粉酶、碱性磷酸酯酶和酸性磷酸酯酶等。 习惯命名法简单，应用历史长，但缺乏系统性，有时出现一酶数名或 一名数酶的现象。 2.系统命名法 鉴于新酶的不断发展和过去文献中对酶命名的混乱，国际酶学委员会 规定了一套系统的命名法，使一种酶只有一种名称。它包括酶的系统命名 和 4 个数字分类的酶编号
第三章酶通论 全部底物(:间隔)+反应类型+酶 例如对催化下列反应酶的命名:ATP+D-葡萄糖→ADP+D一葡萄糖 -6-磷酸。该酶的正式系统命名是:ATP葡萄糖磷酸转移酶,表示该酶催化 从ATP中转移一个磷酸到葡萄糖分子上的反应。它的分类编号是 EC2.71.1;EC代表按国际酶学委员会规定的命名,第1个数字(2)代表酶 的分类名称转移酶类),第2个数字(7)代表亚类(磷酸转移酶类),第3个数 1)代表亚亚类(以羟基作为受体的磷酸转移酶类,第4个数字(1)代表该 酶在亚-亚类中的排号⑦D葡萄糖作为磷酸基的受体 第二节酶的分子组成和化学结构 、酶的分子组成 (一)根据酶的组成成份,可分单纯酶和结合酶两类。 单纯酶( simple enzyme):是基本组成单位仅为氨基酸的一类酶。它 的催化活性仅仅决定于它的蛋白质结构。如消化道蛋白酶、淀粉酶、酯酶、 核糖核酸酶等 2.结合酶( conjugated enzyme):酶的催化活性,除蛋白质部分(酶蛋白 apoenzyme)外,还需要非蛋白质的物质,即所谓酶的辅助因子( cofactors), 两者结合成的复合物称作全酶( holoenzyme) 全酶(结合蛋白质)=酶蛋白 apoenzyme,蛋白质部分)+辅助因子 cofactors,非蛋白质部分) 对于结合酶而言,只有全酶才具有催化活性。酶的辅助因子可以是金 属离子,也可以是小分子有机化合物。常见酶含有的金属离子有K+、Na+ Mg2+、Cu2+、(或Cu)、Zn2+和Fe2+(或Fe3)等 酶的辅助因子所起的作用:1)是酶活性的组成部分;2)是连接底物 和酶分子的桥梁;3)在稳定酶蛋白分子构象方面所必需。小分子有机化合 物是些化学稳定的小分子物质,其主要作用是在反应中传递电子、质子或 些基团,常可按其与酶蛋白结合的紧密程度不同分成辅酶和辅基两大类。 辅酶( coenzyme)与酶蛋白结合疏松,可以用透析或超滤方法除去:辅基 ( prosthetic group)与酶蛋白结合紧密,不易用透析或超滤方法除去,辅酶和 辅基的差别仅仅是它们与酶蛋白结合的牢固程度不同,而无严格的界限 现知大多数维生素(特别是B族维生素)是组成许多酶的辅酶或辅基的 成分。体内酶的种类很多,而辅酶(基)的种类却较少,通常一种酶蛋白只能
第三章 酶通论 3 全部底物（：间隔）+反应类型+酶 例如对催化下列反应酶的命名：ATP + D-葡萄糖→ ADP + D—葡萄糖 -6-磷酸。该酶的正式系统命名是：ATP:葡萄糖磷酸转移酶，表示该酶催化 从 ATP 中转移一个磷酸到葡萄糖分子上的反应。它的分类编号是： E.C.2.7.1.1；E.C 代表按国际酶学委员会规定的命名，第 1 个数字(2)代表酶 的分类名称(转移酶类)，第 2 个数字(7)代表亚类(磷酸转移酶类)，第 3 个数 字(1)代表亚亚类(以羟基作为受体的磷酸转移酶类)，第 4 个数字(1)代表该 酶在亚-亚类中的排号(D 葡萄糖作为磷酸基的受体)。 第二节 酶的分子组成和化学结构 一、酶的分子组成 （一）根据酶的组成成份，可分单纯酶和结合酶两类。 1. 单纯酶(simple enzyme)：是基本组成单位仅为氨基酸的一类酶。它 的催化活性仅仅决定于它的蛋白质结构。如消化道蛋白酶、淀粉酶、酯酶、 核糖核酸酶等。 2. 结合酶(conjugated enzyme)：酶的催化活性，除蛋白质部分(酶蛋白 apoenzyme)外，还需要非蛋白质的物质，即所谓酶的辅助因子(cofactors)， 两者结合成的复合物称作全酶(holoenzyme)。 全酶(结合蛋白质) = 酶蛋白(apoenzyme，蛋白质部分) + 辅助因子 (cofactors，非蛋白质部分) 对于结合酶而言，只有全酶才具有催化活性。酶的辅助因子可以是金 属离子，也可以是小分子有机化合物。常见酶含有的金属离子有 K+、Na+、 Mg2+、Cu2+、(或 Cu+ )、Zn2+和 Fe2+(或 Fe3+)等。 酶的辅助因子所起的作用：1）是酶活性的组成部分；2）是连接底物 和酶分子的桥梁；3）在稳定酶蛋白分子构象方面所必需。小分子有机化合 物是些化学稳定的小分子物质，其主要作用是在反应中传递电子、质子或 一些基团，常可按其与酶蛋白结合的紧密程度不同分成辅酶和辅基两大类。 辅酶(coenzyme)与酶蛋白结合疏松，可以用透析或超滤方法除去；辅基 (prosthetic group)与酶蛋白结合紧密，不易用透析或超滤方法除去，辅酶和 辅基的差别仅仅是它们与酶蛋白结合的牢固程度不同，而无严格的界限。 现知大多数维生素(特别是 B 族维生素)是组成许多酶的辅酶或辅基的 成分。体内酶的种类很多，而辅酶(基)的种类却较少，通常一种酶蛋白只能
第三章酶通论 与一种辅酶结合,成为一种特异的酶,但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 (二)根据酶蛋白分子特点可分单体酶、寡聚酶和多酶复合体三类。 1单体酶单体酶( monomeric enzyme)一般由一条肽链组成,如溶菌酶、 牛胰核糖核酸酶。单体酶种类较少,一般多是催化水解反应的酶,相对分 子量在(13-35)×103之间。 2寡聚酶寡聚酶( oligomeric enzyme)是由2个或2个以上亚基组成的 酶,这些亚基可以是相同的,也可以是不同的。绝大部分寡聚酶都含有偶 数亚基,但个别寡聚酶含奇数亚基,如荧光素酶、嘌呤核苷磷酸化酶就含 有3个亚基。亚基之间靠次级键结合,彼此容易分开。寡聚酶的相对分子 量一般大于35×103。大多数寡聚酶的聚合形式是活性型,解聚形式是失活 型。相当数量的寡聚酶是调节酶,在代谢调控中起重要作用 3多酶复合体 多酶复合体( multienzy me complex)常包括三个或三个以上的酶,彼此间 靠非共价键作用,组成一个有一定构型的复合体。复合体中第一个酶催化 的产物,直接由邻近下一个酶催化,第二个酶催化的产物又为复合体第三 酶的底物,如此形成一条结构紧密的“流水生产线”。有利于一系列的反 应连续进行,显著提高催化效率。相对分子量很髙。葡萄糖氧化分解过程 的丙酮酸脱氢酶复合体,属于多酶复合体 、酶的分子结构和活性中心 )酶的分子结构 酶的分子中存在有许多功能基团例如,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( essential group)。有些必需基团虽然在一级结构上可能相距很远, 但在空间结构上彼此靠近,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,这一区域称为酶的活性中心 ( active center) 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
第三章 酶通论 4 与一种辅酶结合，成为一种特异的酶，但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。 （二）根据酶蛋白分子特点可分单体酶、寡聚酶和多酶复合体三类。 1.单体酶 单体酶(monomeric enzyme)一般由一条肽链组成，如溶菌酶、 牛胰核糖核酸酶。单体酶种类较少，一般多是催化水解反应的酶，相对分 子量在(13~35)×103 之间。 2.寡聚酶 寡聚酶(olimomeric enzyme)是由 2 个或 2 个以上亚基组成的 酶，这些亚基可以是相同的，也可以是不同的。绝大部分寡聚酶都含有偶 数亚基，但个别寡聚酶含奇数亚基，如荧光素酶、嘌呤核苷磷酸化酶就含 有 3 个亚基。亚基之间靠次级键结合，彼此容易分开。寡聚酶的相对分子 量一般大于 35×103。大多数寡聚酶的聚合形式是活性型，解聚形式是失活 型。相当数量的寡聚酶是调节酶，在代谢调控中起重要作用。 3.多酶复合体 多酶复合体(multienzyme complex)常包括三个或三个以上的酶，彼此间 靠非共价键作用，组成一个有一定构型的复合体。复合体中第一个酶催化 的产物，直接由邻近下一个酶催化，第二个酶催化的产物又为复合体第三 酶的底物，如此形成一条结构紧密的“流水生产线”。有利于一系列的反 应连续进行，显著提高催化效率。相对分子量很高。葡萄糖氧化分解过程 的丙酮酸脱氢酶复合体，属于多酶复合体。 二、酶的分子结构和活性中心 一）酶的分子结构 酶的分子中存在有许多功能基团例如，-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(essential group)。有些必需基团虽然在一级结构上可能相距很远， 但在空间结构上彼此靠近，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，这一区域称为酶的活性中心(active center)。 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
第三章酶通论 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。酶的活力中心通常包括两部分:与底物结合的部位 称为结合中心,结合中心决定酶的专一性;促进底物发生化学变化的部位 称为催化中心,它决定酶所催化反应的性质以及催化的效率。有些酶的结 合中心与催化中心是同一部分。 构成酶活性中心的可分为四种 接触残基( contact residue):与底物结合的必需基团称为结合基团 ( binding group),促进底物发生化学变化的基团称为催化基团 catalytic group)活性中心中有的必需基团可同时具有这两方面的功能。还有些必需 基团虽然不参加酶的活性中心的组成,但为维持酶活性中心应有的空间构 象所必需,这些基团是酶的活性中心以外的必需基团,主要有 直接与底物接触的基团,它们参与底物的化学转变,是活性中心的主 要必需基团。这些基团中有的与底物结合称为结合基团( binding group),有 的催化底物发生化学变化称为催化基团( catalytic group)。活性中心中有的必 需基团可同时具有这两方面的功能。还有些必需基团虽然不参加酶的活性 中心的组成,但为维持酶活性中心应有的空间构象所必需,这些基团是酶 的活性中心以外的必需基团 辅助残基( auxiliary residue)这种残基既不直接与底物结合,也不催化底 物的化学反应,但对接触残基的功能有促进作用。它可促进结合基团对底 物的结合,促进催化基团对底物的催化反应。它也是活性中心不可缺少的 组成部分。 结构残基( structure residue):这是活性中心以外的必需基团,它们与 酶的活性不发生直接关系,但它们可稳定酶的分子构象,特别是稳定酶活 性中心的构象,因而对酶的活性也是不可缺少的基团,只是起间接作用而 非贡献残基( noncontribution residue):酶分子中除上述基团外的其它 基团,它们对酶的活性“没有贡献”,也称为非必需基团。这些基团对酶 活性的发挥不起作用,它们可以被其他氨基酸残基取代,甚至可以去掉都 不会影响酶的催化活力。但这些基团并不是真正意义上的“非必需”基团, 它们可能在系统发育的物种专一性方面、免疫方面或者在体内的运输转移 分泌、防止蛋白酶降解的方面起一定作用。如果没有这些基团,酶的寿命
第三章 酶通论 5 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。酶的活力中心通常包括两部分：与底物结合的部位 称为结合中心，结合中心决定酶的专一性；促进底物发生化学变化的部位 称为催化中心，它决定酶所催化反应的性质以及催化的效率。有些酶的结 合中心与催化中心是同一部分。 构成酶活性中心的可分为四种： 接触残基（ contact residue）：与底物结合的必需基团称为结合基团 (binding group)，促进底物发生化学变化的基团称为催化基团(catalytic group)。活性中心中有的必需基团可同时具有这两方面的功能。还有些必需 基团虽然不参加酶的活性中心的组成，但为维持酶活性中心应有的空间构 象所必需，这些基团是酶的活性中心以外的必需基团，主要有： 直接与底物接触的基团，它们参与底物的化学转变，是活性中心的主 要必需基团。这些基团中有的与底物结合称为结合基团(binding group)，有 的催化底物发生化学变化称为催化基团(catalytic group)。活性中心中有的必 需基团可同时具有这两方面的功能。还有些必需基团虽然不参加酶的活性 中心的组成，但为维持酶活性中心应有的空间构象所必需，这些基团是酶 的活性中心以外的必需基团。 辅助残基(auxiliary residue):这种残基既不直接与底物结合，也不催化底 物的化学反应，但对接触残基的功能有促进作用。它可促进结合基团对底 物的结合，促进催化基团对底物的催化反应。它也是活性中心不可缺少的 组成部分。 结构残基（structure residue）：这是活性中心以外的必需基团，它们与 酶的活性不发生直接关系，但它们可稳定酶的分子构象，特别是稳定酶活 性中心的构象，因而对酶的活性也是不可缺少的基团，只是起间接作用而 已。 非贡献残基（noncontribution residue）：酶分子中除上述基团外的其它 基团，它们对酶的活性“没有贡献”，也称为非必需基团。这些基团对酶 活性的发挥不起作用，它们可以被其他氨基酸残基取代，甚至可以去掉都 不会影响酶的催化活力。但这些基团并不是真正意义上的“非必需”基团， 它们可能在系统发育的物种专一性方面、免疫方面或者在体内的运输转移、 分泌、防止蛋白酶降解的方面起一定作用。如果没有这些基团，酶的寿命