第三章酶 生物体内不断进行着各种化学变化。绿色植物和某些细菌能以十分简单的物质(如 水、CO2和无机盐)为原料合成各种复杂物质,并把太阳能转化为化学能贮存于有机物质 中;而其他生物又能分解这些复杂物质,从中获取能量。例如,动物以植物体中的淀粉等 复杂物质为食物,将淀粉降解成单糖,并在细胞内进一步分解为CO2和水,同时释放能 量供动物生长、发育、运动等各种生命活动需要。在实验室中,复杂有机物的合成与分解 必需在高温、高压、强酸或强碱等剧烈条件下进行,而在生物体内虽然条件十分温和,许 多复杂的化学变化却进行得极顺利和迅速,这种使化学反应变得容易和迅速的根本原因就 是生物体内普遍存在着生物催化剂——酶。酶与其他催化剂不同,它具有很大的专一性 和极高的催化效率,能在机体中十分温和的条件下起高效率的催化作用,这不是无机催化 剂所能比拟的。 人们对酶的认识起源于生产实践。我国几千年前就开始制作发酵饮料及食品。夏禹时 代,酿酒已经出现,周代已能制作饴糖和酱。春秋战国时期已能用曲治疗消化不良。1833 年 Payon和 Persoz从麦芽提取液中分离得到一种能水解淀粉的物质,称之为淀粉酶。 1857年微生物学家 Pasteur等人提出酒精发酵是酵母细胞活动的结果,1878年提出了 酶”这个概, liebig等人提出发酵现象是由溶解于细胞液中的酶引起的。1913年 Michaelis和 Menten提出了酶动力学原理—米氏学说,这对酶学反应机理的研究是 个突破。19236年 Sumner第一次从刀豆中提取出了脲酶结晶,并第一次证明酶有蛋白质性 质。20世纪30年代 Northrop又分离出了结晶的胃蛋白酶、胰蛋白酶及胰凝乳蛋白酶,并 进行了动力学探讨,确立了酶的蛋白质本质。 现已鉴定出4000多种酶,其中不少得到结晶,很多种的一级结构或三级结构也已经 阐明。随着酶学理论研究的不断深入必将对生命本质的探索作出更大的贡献。 第一节酶的命名与分类 、习惯命名法 1961年以前使用的酶的名称都是习惯沿用的,称为习惯名。习惯命名的原则是: (1)绝大多数酶依据其底物来命名如催化水解淀粉的称为淀粉酶,催化水解蛋白 质的称为蛋白酶
95 第三章 酶 生物体内不断进行着各种化学变化。绿色植物和某些细菌能以十分简单的物质(如 水、CO2 和无机盐)为原料合成各种复杂物质，并把太阳能转化为化学能贮存于有机物质 中；而其他生物又能分解这些复杂物质，从中获取能量。例如，动物以植物体中的淀粉等 复杂物质为食物， 将淀粉降解成单糖，并在细胞内进一步分解为 CO2 和水，同时释放能 量供动物生长、发育、运动等各种生命活动需要。在实验室中，复杂有机物的合成与分解 必需在高温、高压、强酸或强碱等剧烈条件下进行，而在生物体内虽然条件十分温和，许 多复杂的化学变化却进行得极顺利和迅速，这种使化学反应变得容易和迅速的根本原因就 是生物体内普遍存在着生物催化剂——酶。酶与其他催化剂不同，它具有很大的专一性 和极高的催化效率，能在机体中十分温和的条件下起高效率的催化作用，这不是无机催化 剂所能比拟的。 人们对酶的认识起源于生产实践。我国几千年前就开始制作发酵饮料及食品。夏禹时 代，酿酒已经出现，周代已能制作饴糖和酱。春秋战国时期已能用曲治疗消化不良。1833 年 Payon 和 Persoz 从麦芽提取液中分离得到一种能水解淀粉的物质，称之为淀粉酶。 1857 年微生物学家 Pasteur 等人提出酒精发酵是酵母细胞活动的结果，1878 年提出了 “酶” 这个概，Liebig 等人提出发酵现象是由溶解于细胞液中的酶引起的。1913 年 Michaelis 和 Menten 提出了酶动力学原理——米氏学说， 这对酶学反应机理的研究是一 个突破。1926 年 Sumner 第一次从刀豆中提取出了脲酶结晶，并第一次证明酶有蛋白质性 质。20 世纪 30 年代 Northrop 又分离出了结晶的胃蛋白酶、胰蛋白酶及胰凝乳蛋白酶，并 进行了动力学探讨，确立了酶的蛋白质本质。 现已鉴定出 4 000多种酶，其中不少得到结晶，很多种的一级结构或三级结构也已经 阐明。随着酶学理论研究的不断深入必将对生命本质的探索作出更大的贡献。 第一节 酶的命名与分类 一、习惯命名法 1961 年以前使用的酶的名称都是习惯沿用的，称为习惯名。习惯命名的原则是： （1）绝大多数酶依据其底物来命名 如催化水解淀粉的称为淀粉酶，催化水解蛋白 质的称为蛋白酶
(2)某些根据所催化的反应性质来命名如水解酶催化底物分子水解,转氨酶催 化一种化合物上的氨基转移至另一化合物上 3)有的醵结合上述两个原则来命名如琥珀酸脱氢酶是催化琥珀酸脱氢反应的 酶 (4)在这些命名的基础上有时还加上酶的来源或酶的其他特点如胃蛋白酶及胰蛋 白酶,碱性磷酸酯酶及酸性磷酸酯酶等 习惯命名比较简单,应用历史较长,但缺乏系统性,有时出现一酶数名或一名数酶的 情况。为了适应酶学的发展,避免命名的重复,国际酶学会议于1961年提出了一个新的 系统命名及系统分类的原则,已为国际生化协会所采用 二、国际系统命名法 按照国际系统命名法,每一种酶有一个系统名称( systematic name)和习惯名称(即推荐 名称( recommended name),后一种名称简单,便于使用,但不严格缺乏系统性。系统名称 应当明确表明酶的底物及催化反应的性质。例如,草酸氧化酶(习惯名称)写成系统名称 时,应将它的两个底物,即“草酸”及“氧”同时列出,并用“:”将它们隔开,它所催化的反 应性质为“氧化”,也需指明,所以它的系统名称为“草酸:氧氧化酶”。若底物之一是水 时,可将水略去不写,如乙酰辅酶A水解酶(习惯名)可以写成乙酰辅酶A:水解酶系统 名),而不必写成乙酰辅酶A:水水解酶 在国际科学文献中,为严格起见,一般使用酶的系统名称,但是因某些系统名称太 长,较复杂为了方便起见,有时仍使用酶的习惯名称。在《酶学手册》(《 Enzyme Handbook》, Thome E bar编1969年)或某些专著中列有酶的一览表,表中包括酶的编 号、系统名称、习惯名称、反应式、酶的来源、酶的性质等各项内容,必要时可以查阅 国际系统分类法及编号 国际系统法中分类的原则是将所有的酶促反应按反应性质分为六大类,分别用 2、3、4、5、6的编号来表示。再根据底物中被作用的基团或键的特点将每一大类分为若 干个亚类,每个亚类按顺序编成l、2、3、4…等数字。每一个亚类可再分为若干个亚 亚类,仍用1、2、3、4…编号。每一个亚一亚类中不同的酶有不同的编号。所以每 个酶的分类编号由四个数字组成,数字间由“”隔开:第一个数字指明该酶属于六个 大类中的哪一类;第二个数字指出该酶属于哪一个亚类;第三个数字指出该酶属于哪一个 亚一亚类;第四个数字则表明该酶在一定的亚一亚类中的排号。编号之前往往冠以EC(如 EC2612),EC为 Enzyme Commission(酶学委员会舶缩写。六个大类及其亚类详细介绍 如下 (1)氧化还原类氧化还原酶类 oxido-reductases)催化氧化还原反应。 A2H+B=A+BH 例如,乳酸:NAD氧化还原酶C1.1127,习惯名为乳酸脱氢酶)及黄嘌呤氧化还原 酶(EC1.232,习惯名为黄嘌呤氧化酶)
96 （2）某些酶根据所催化的反应性质来命名 如水解酶催化底物分子水解，转氨酶催 化一种化合物上的氨基转移至另一化合物上。 （3）有的酶结合上述两个原则来命名 如琥珀酸脱氢酶是催化琥珀酸脱氢反应的 酶。 （4）在这些命名的基础上有时还加上酶的来源或酶的其他特点 如胃蛋白酶及胰蛋 白酶，碱性磷酸酯酶及酸性磷酸酯酶等。 习惯命名比较简单，应用历史较长，但缺乏系统性，有时出现一酶数名或一名数酶的 情况。为了适应酶学的发展，避免命名的重复，国际酶学会议于 1961 年提出了一个新的 系统命名及系统分类的原则，已为国际生化协会所采用。 二、国际系统命名法 按照国际系统命名法，每一种酶有一个系统名称(systematic name)和习惯名称(即推荐 名称( recommended name)，后一种名称简单，便于使用，但不严格缺乏系统性。系统名称 应当明确表明酶的底物及催化反应的性质。例如，草酸氧化酶(习惯名称)写成系统名称 时，应将它的两个底物，即“草酸”及“氧”同时列出，并用“：”将它们隔开，它所催化的反 应性质为“氧化”，也需指明，所以它的系统名称为“草酸：氧氧化酶”。若底物之一是水 时，可将水略去不写，如乙酰辅酶 A 水解酶(习惯名)可以写成乙酰辅酶 A：水解酶(系统 名)，而不必写成乙酰辅酶 A：水水解酶。 在国际科学文献中，为严格起见，一般使用酶的系统名称，但是因某些系统名称太 长，较复杂为了方便起见，有时仍使用酶的习惯名称。在《酶学手册》(《Enzyme Handbook》，Thome E. Barm 编,1969 年)或某些专著中列有酶的一览表，表中包括酶的编 号、系统名称、习惯名称、反应式、酶的来源、酶的性质等各项内容，必要时可以查阅。 三、国际系统分类法及编号 国际系统法中分类的原则是将所有的酶促反应按反应性质分为六大类，分别用 l、 2、3、4、5、6 的编号来表示。再根据底物中被作用的基团或键的特点将每一大类分为若 干个亚类，每个亚类按顺序编成 l、2、3、4……等数字。每一个亚类可再分为若干个亚 —亚类，仍用 l、2、3、4……编号。每一个亚—亚类中不同的酶有不同的编号。所以每 一个酶的分类编号由四个数字组成，数字间由 “.” 隔开；第一个数字指明该酶属于六个 大类中的哪一类；第二个数字指出该酶属于哪一个亚类；第三个数字指出该酶属于哪一个 亚—亚类；第四个数字则表明该酶在一定的亚—亚类中的排号。编号之前往往冠以 EC(如 EC2.6.1.2)，EC 为 Enzyme Commission(酶学委员会)的缩写。六个大类及其亚类详细介绍 如下： （1）氧化还原酶类 氧化还原酶类(oxido-reductases)催化氧化还原反应。 A2H + B ＝ A + B2H 例如，乳酸：NAD+氧化还原酶(EC1.1.1.27，习惯名为乳酸脱氢酶)及黄嘌呤氧化还原 酶(EC1.2.3.2，习惯名为黄嘌呤氧化酶)
Ho-C-H+NAD一乳酸股氢酶C=0+NADH+ 乳酸 丙酮酸 黄嘌呤氧化酶 +O+h,O + HO CH =0 尿酸 (2)转换酶类转换酶类( transferases)催化功能基团转移反应 AB+C=A+BC 例如,丙氨酸:酮戊二酸氨基转换酶(EC2.6.1.2,习惯名为谷丙转氨酶或丙氨酸氨 基移换酶):S-腺苷酰蛋氨酸:尼克酰胺甲基移换酶(EC.1.1.1,习惯名为尼克酰胺甲 (3)水解酶类水解酶类( hydrolases)催化水解反应。这类酶包括淀粉酶、核酸酶、蛋 白酶及脂酶等 AB+ H2O= AOH +BH 例如,亮氨酸氨基肽水解酶(EC3.4.1.1,习惯名为亮氨酸氨肽酶)。 (4)裂合类(裂解酶类)裂合酶类(yaes)催化从底物上移去一个基团而形成双 键的反应或其逆反应。这类酶包括醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。 例如,柠檬酸裂合酶(EC4.1、3.7,习惯名为柠檬酸合成酶)。 (5)异构酶类异构酶类( Isomerases)催化各种同分异构体的相互转变。 例如,葡萄糖6磷酸己酮糖异构酶EC53.1.9,习惯名为6-磷酸葡萄糖异构酶) (6)合成类合成酶类( (ligases能催化一切必须与ATP分解反应相偶联,并由两种 物质合成一种物质的反应。例如,L酪氨酸:tRNA连接酶(EC61.1,习惯名是酪氨酸 合成酶)。 第三个数字(表示亚一亚类),更加精确地表明底物或反应物的性质,如1大类1亚 类中的亚一亚类表示受体的类型 1.1.1表示氧化还原酶,作用于CHOH基团,受体是NAD、ADP
97 HN C N C C C N CH N O O + O2 + H2O HN C N C C C N C NH O O + H2O2 黄嘌呤 尿酸 黄嘌呤氧化酶 O H （2）转换酶类 转换酶类(transferases)催化功能基团转移反应。 AB + C ＝ A + BC 例如，丙氨酸：酮戊二酸氨基转换酶(EC2.6.1.2，习惯名为谷丙转氨酶或丙氨酸氨 基移换酶)•；S-腺苷酰蛋氨酸：尼克酰胺甲基移换酶(EC2.1.1.1，习惯名为尼克酰胺甲 基酶)。 （3）水解酶类 水解酶类(hydrolases)催化水解反应。这类酶包括淀粉酶、核酸酶、蛋 白酶及脂酶等。 AB + H2O ＝ AOH + BH 例如，亮氨酸氨基肽水解酶(EC3．4．1．1，习惯名为亮氨酸氨肽酶)。 （4）裂合酶类（裂解酶类） 裂合酶类(Iyases)催化从底物上移去一个基团而形成双 键的反应或其逆反应。这类酶包括醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。 例如，柠檬酸裂合酶(EC4.1.3.7，习惯名为柠檬酸合成酶)。 （5）异构酶类 异构酶类(isomerases)催化各种同分异构体的相互转变。 例如，葡萄糖-6-磷酸己酮糖异构酶(EC5.3.1.9，习惯名为6-磷酸葡萄糖异构酶)。 （6）合成酶类 合成酶类(ligases)能催化一切必须与 ATP 分解反应相偶联，并由两种 物质合成一种物质的反应。例如，L-酪氨酸：tRNA 连接酶 (EC6.1.1.1，习惯名是酪氨酸 合成酶)。 第三个数字(表示亚－亚类)•，更加精确地表明底物或反应物的性质，如 1 大类 1 亚 类中的亚-亚类表示受体的类型： ＼ 1．1．1 表示氧化还原酶，作用于 CHOH 基团，受体是 NAD+、ADP。 ／ C CH3 COO - HO H + NAD + CH3 C COO - O + NADH + H + 乳酸 乳酸脱氢酶 丙酮酸
1.1.2表示氧化还原酶,作用于CHOH基团,受体是细胞色素。 1.1.3表示氧化还原酶,作用于CHOH基团,受体是分子氧 当酶的编号仅有三个数字时,就已清楚地表明了这个酶的特性:反应性质、底物性 质、键的类型。 关于酶编号中第四个数字没有什么特殊规定。例如: EC1.1.127为乳酸:NAD氧化还原酶 EC1.1.1.37为苹果酸:NAD氧化还原酶 EC61.1.1为L酪氨酸:tRNA-连接酶AMP EC6.1.12为L色氨酸:tRNA-连接酶AMP 前两个都是氧化还原酶,都是作用在一CHOH基团上的第一个亚类,又都是以 NAD为受体的,但第四个数字不同,分别为27、37,说明它们所利用的底物不同,分 别为乳酸、苹果酸。它们的习惯名称分别为乳酸脱氢酶及苹果酸脱氢酶。后两种酶都是 连接酶,都要求ATP供给能量,但催化不同的tRNA与不同的氨基酸之间的连接,所以 第四个数字不同。部分亚类分别列于表5-2中。 表5-2酶的国际分类表(大类及亚类) (表示分类名称、编号、催化反应的类型) 1.氧化还原酶类 4.裂合酶类 亚类表示底物中发生氧化的基团的性质) (亚类表示分裂下来的基团与残余分子 间的键的类型 1.1作用在一CH-OH 1.2作用在一C=O上 3作用在一CH=CH2上 4.3C-N 14作用在CNH2上 4.4C-SS 1.5作用在 1.6作用在NADH、 NADPH上 2.移换酶类 5.异构酶类 (亚类表示底物中被转移的性质) 亚类表示异构的键的类型) 2.1碳基团 5.1消旋及差向异构酶 2.2醛或酮基 5.2顺反异构酶 2.3酰基 2.4糖苷基 2.5除甲基之外的烃基或酰基 2.6含氮基 2.8含硫基
98 ＼ 1．1．2 表示氧化还原酶，作用于 CHOH 基团，受体是细胞色素。 ／ ＼ 1．1．3 表示氧化还原酶，作用于 CHOH 基团，受体是分子氧。 ／ 当酶的编号仅有三个数字时，就已清楚地表明了这个酶的特性：反应性质、底物性 质、键的类型。 关于酶编号中第四个数字没有什么特殊规定。例如： EC 1.1.1.27 为乳酸： NAD+氧化还原酶 EC 1.1.1.37 为苹果酸： NAD+氧化还原酶 EC 6.1.1.1 为 L-酪氨酸：tRNA-连接酶(AMP) ． EC 6.1.1.2 为 L-色氨酸：tRNA-连接酶(AMP) 前两个都是氧化还原酶， 都是作用在－CHOH 基团上的第一个亚类，又都是以 NAD+为受体的， 但第四个数字不同，分别为 27、37，说明它们所利用的底物不同，分 别为乳酸、苹果酸。它们的习惯名称分别为乳酸脱氢酶及苹果酸脱氢酶。 后两种酶都是 连接酶，都要求 ATP 供给能量，但催化不同的 tRNA 与不同的氨基酸之间的连接，所以 第四个数字不同。部分亚类分别列于表 5-2 中。 表 5-2 酶的国际分类表(大类及亚类) (表示分类名称、编号、催化反应的类型) 1.氧化还原酶类 4. 裂合酶类 (亚类表示底物中发生氧化的基团的性质) (亚类表示分裂下来的基团与残余分子 间的键的类型) 1.1 作用在 上 4.1 C—C 1.2 作用在 上 4.2 C—O 1.3 作用在 —CH=CH2 上 4.3 C—N 1.4 作用在 上 4.4C—S—S 1.5 作用在 上 1.6 作用在 NADH、NADPH 上 2. 移换酶类 5. 异构酶类 (亚类表示底物中被转移的性质) (亚类表示异构的键的类型) 2.1 碳基团 5.1 消旋及差向异构酶 2.2 醛或酮基 5.2 顺反异构酶 2.3 酰基 2.4 糖苷基 2.5 除甲基之外的烃基或酰基 2.6 含氮基 2.7 磷酸基 2.8 含硫基 | —CH—OH | —C=O | —C—NH2 | | —CH—NH
3.水解酶类 6.合成酶类 亚类表示被水解的类型) 亚类表示新形成的键的类型 3.1酯键 3.3醚键 6.3C-N 3.4肽键 6.4C-C 3.5其他C-N键 3.6酸酐键 第二节酶的催化性质 、酶是生物催化剂 1.酶和一般催化剂比较 (1)用量少但能大大如快反应速率酶与一般催化剂一样,虽然细胞中的相对含量 很低,却能大大加快反应速度 (2)不改变反应的平衡点与一般催化剂一样,酶仅能改变化学反应的速度,并不 能改变化学反应的平衡点。酶本身在反应前后也不发生变化。例如,肽键遇水自发水解的 反应极为缓慢,没有现实意义,当有酶存在时,这个反应则进行得十分迅速。 (3)可降低反应的活化能在一个化学反应体系中,反应开始时反应物(S)分子的能 量水平很低,为”初态" (initial state)(A)。在反应的任何一瞬间反应物中都有一部分分子具 有比初态更高一些的能量,高出的这一部分能量称为活化能( activation energy),使分子进 入“过渡态 transition state)(即活化态A),这时就能形成或打破一些化学键,形成新的物 质——产物(P),即S转变为P。这些具有较高能量处于活化态的分子称为活化分子。反 应物中这种活化分子越多,反应速度越快。酶和一般催化剂一样可以降低反应的活化能 增加活化分子数,加快反应速度。酶作为催化剂参加一些反应后,酶分子立即恢复原来的 状态,继续参加新的反应 2.酶作为生物催化剂的特性 (1)催化效率高以分子比表示,酶催化反应的反应速度比非催化反应高10~10 倍,比其他催化反应高10~103倍。以转化数(每秒钟每个酶分子能催化多少个umol的 底物发生变化)表示,大部分酶为100,最大可达几十万,甚至可达100万以上 (2)具有高度的专一性种酶只能作用于一类或一种特定的物质,这就是酶作用 的专一性( specificity.)。通常把被酶作用的物质称为底物 substra)。所以也可以说一种酶 只能作用于一种或一类底物。不同的酶有不同的专一性
99 3. 水解酶类 6.合成酶类 (亚类表示被水解的类型) (亚类表示新形成的键的类型) 3.1 酯键 6.1 C—N 3.2 糖苷键 6.2 C—S 3.3 醚键 6.3 C—N 3.4 肽键 6.4 C—C 3.5 其他 C—N 键 3.6 酸酐键 第二节 酶的催化性质 一、酶是生物催化剂 1．酶和一般催化剂比较 （1）用量少但能大大加快反应速率 酶与一般催化剂一样，虽然细胞中的相对含量 很低，却能大大加快反应速度。 （2）不改变反应的平衡点 与一般催化剂一样，酶仅能改变化学反应的速度，并不 能改变化学反应的平衡点。酶本身在反应前后也不发生变化。例如，肽键遇水自发水解的 反应极为缓慢，没有现实意义，当有酶存在时，这个反应则进行得十分迅速。 （3）可降低反应的活化能 在一个化学反应体系中,反应开始时反应物(S)分子的能 量水平很低，为"初态"(initial state)(A)。在反应的任何一瞬间反应物中都有一部分分子具 有比初态更高一些的能量，高出的这一部分能量称为活化能(activation energy)，使分子进 入“过渡态”(transition state)(即活化态 A * )，这时就能形成或打破一些化学键，形成新的物 质——产物(P)，即 S 转变为 P。这些具有较高能量处于活化态的分子称为活化分子。反 应物中这种活化分子越多,反应速度越快。酶和一般催化剂一样可以降低反应的活化能， 增加活化分子数，加快反应速度。酶作为催化剂参加一些反应后，酶分子立即恢复原来的 状态，继续参加新的反应。 2．酶作为生物催化剂的特性 （1）催化效率高 以分子比表示,酶催化反应的反应速度比非催化反应高 108～1020 倍,比其他催化反应高 107～10 13 倍。以转化数•(每秒钟每个酶分子能催化多少个μmol 的 底物发生变化)表示，大部分酶为1 000,最大可达几十万，甚至可达100 万以上。 （2）具有高度的专一性 一种酶只能作用于一类或一种特定的物质，这就是酶作用 的专一性(specificity)。通常把被酶作用的物质称为底物(substrate)。所以也可以说一种酶 只能作用于一种或一类底物。不同的酶有不同的专一性