第三章 酶 第三章 酶 (enzymes)(enzymes)

主要内容：主要讲解酶的化学本质、结构和特性；酶促反应动力学；酶的作用机理；酶活性的调节；酶的应用；还介绍了别构酶、共价调节酶、同工酶等的概念、性质、生物学意义。

制作人 :05 技术 (2) 班吕达

　　酶是一类由活细胞产生的，具有催化活性和高度专一性的生物分子，大多数酶主要是蛋白质。　　酶的催化活性依赖于天然的完整蛋白质的构象，如果酶蛋白变性或解离为亚基，其催化活性通常会丧失。

二、酶的概念

一、酶的发展史

第一节 通伦第一节 通伦1 1 酶是生物催化剂酶是生物催化剂

1 ．酶与一般催化剂比较共性

（ 1 ）用量少而催化效率高：细胞内含量少；

（ 2 ）能加快化学反应的速度，但不改变平衡点，反应前后本身不发生变化；

（ 3 ）降低反应所需的活化能

2 ．酶作为生物催化剂的特性

（ 1 ）高的催化效率

就分子比 (molecular ratio) 而言， 以摩尔为单位进行比较，酶的催化效率比化学催化剂高 107 ～ 1013 倍，比非催化反应高 108 ～ 1020 倍。

例 ： 2H2O2→2H2O+O2

1mol H2O2 酶能催化 5×106mol H2O2 的分解

1mol Fe3+ 只能催化 6×10-4molH2O2 的分解

（ 2 ）高的专一性（ 3 ）温和的反应条件（ 4 ）酶在体内受到严格调控：如酶浓度的调节、激素调节、反馈调节、抑制剂和激活剂的调节、别构调节、酶的共价修饰调节、酶原活化等。 （ 5 ）酶的催化活力与辅酶、辅基和金属离子有关

20 世纪 80 年代发现某些 RNA 有催化活性，还有一些抗体也有催化活性，甚至有些 DNA 也有催化活性，使酶是蛋白质的传统概念受到很大冲击。 某些 RNA 有催化活性 1982 年美国 T. Cech 等人发现四膜虫的 rRNA 前体能在完全没有蛋白质的情况下进行自我加工，发现 RNA 有催化活性

Thomas Cech, University of Colorado at Boulder, USA

1983 年美国 S.Altman 等研究 RNaseP （由 20% 蛋白质和 80% 的 RNA 组成），发现 RNaseP 中的 RNA 可催化E. coli tRNA 的前体加工。

Sidney Altman Yale University New Haven, CT, USA

第二节 酶的命名和分类第二节 酶的命名和分类

1961 年国际酶学委员会（ enzyme commission ）提出

的酶的命名和分类方法。

国际系统命名法

（ 1 ）标明底物，催化反应的性质 例 :G-6-P→F-6-P G-6-P 异构酶

（ 2 ）两个底物参加反应时应同时列出，中间用冒号（ : ）分开。如其中一个底物为水时，水可略去。例 1 ： 丙氨酸 +α- 酮戊二酸 → 谷氨酸 + 丙酮酸 丙氨酸 :α- 酮戊二酸氨基转移酶例 2 ：

脂肪 +H2O → 脂酸 + 甘油

脂肪水解酶

2 ．习惯名称（ recommended name ）（ 1 ）底物 （ 2 ）反应性质 （ 3 ）底物，反应性质（ 4 ）来源或其它特点

国际系统分类法1 ．分类 : 6 大类酶，氧化还原、转移、水解、 裂合、异构、连接注意顺序不能变！

（（ 22 ）酶的组成）酶的组成

1 ．单纯蛋白质酶类 2 ．结合蛋白质酶类全酶 = 酶蛋白 + 辅助因子（辅酶、辅基或金属离子）注意几个概念辅酶（ coenzyme ）辅基（ prosthetic group ）单体酶（ monomeric enzyme ）寡聚酶（ oligomeric enzyme ） 多酶复合体（ multienzyme complex ）

第三节 酶催化作用的结构基础（ 1 ）酶的活性中心（ active center ） 1 、活性中心的概念 酶是蛋白质，是大分子化合物，在这样一个大分子中只有一小部分是与底物结合，并与催化作用直接有关，这个部位称酶的活性中心。组成酶活性中心的氨基酸侧链基团主要有 Glu 和 ASP 的 -COOH ，Lys 的 ε-NH2 ， His 的咪唑基， Ser 的 -OH ， Cys 的 -SH ， Tyr

的侧链基团。

酶活性中心

结合部位（结合位）

催化部位（催化位）

酶的专一性（特异性， specificity ）

1 、绝对专一性（ absolute specificity ）

C O

NH2

NH2

H2O

脲酶CO2 + 2NH3

C O

NH2

NHCH3

H2O

脲酶X

1 、溶菌酶（ Lysozyme ）

(2) (2) 酶原的激活酶原的激活

第四节 酶催化作用的机理第四节 酶催化作用的机理

酶依靠降低活化能加速化学反应

底物 substrate

产物 product

3 、酸碱催化（ acid-base catalysis ）

OH

N N OH

酚 吡啶 α－羟基吡啶

4 、共价催化（ covalent catalysis ）

什么是共价催化？

共价催化

亲电子催化

亲核催化

酶催化功能的几个实例 1 、溶菌酶（ Lysozyme ）

2 、胰凝乳蛋白酶（ chymotrypsin ）

3 、羧肽酶 A （ carboxypeptidase A ， CpA ）

第五节、酶的作用动力学（第五节、酶的作用动力学（ kineticskinetics ））

（一）底物浓度对酶反应速度的影响 1 ．米氏方程的提出

中间复合物学说： 第一步 : E+S ES

第二步 : ES→E+P V [ES] ∝

（二）酶浓度对酶反应速度的影响 1 ．反应速度与酶浓度成正比

[S]>>[E] V [E] ∝

2 ． V 与 [E] 关系的几点讨论

（三） pH对酶反应速度的影响 1 ．酶反应的最适 pH （ optimum pH ）

反应速度

pH最适pH

6 8 100

2 ． pH影响反应速度的原因 ( 1 ) pH影响了酶分子、底物分子和 ES复合物的解离状态。

( 2 ) 过高、过低的 pH导致酶蛋白变性。

（四）温度对酶反应速度的影响

1 ．最适温度（ optimum temperature ）

最适温度与最适 pH 一样，也不是一个固定的常数，它随底物的种类、浓度 , 溶液的离子强度 , pH, 反应时间等的影响。

例 : 反应时间短，最适温度高。

反应时间长，最适温度低。

（五）激活剂对酶反应速度的影响

（六）酶的抑制作用和抑制作用动力学

1 、不可逆抑制作用（ irreversible inhibition ）

2 、可逆抑制作用 (reversible inhibition)及其动力学

（ 1 ）竞争性抑制作用（ competitive inhibition ）

第六节 重要酶类及其活性调节第六节 重要酶类及其活性调节一、别构酶（也称变构酶，一、别构酶（也称变构酶， allosteric enzymeallosteric enzyme ））

（一）别构酶结构上的特点

（二）别构酶性质上的特点

（三）别构酶的别构效应（ allosteric effect ）

1 、什么是别构效应

2 、同促效应与异促效应

（四）别构酶的作用动力学

1 、正协同效应（ positive cooperative effect ）

2 、负协同效应（ negative cooperative effect ）

3 、正协同效应别构酶与米氏酶动力学比较

4 、负协同效应别构酶与米氏酶动力学比较

二、同工酶（二、同工酶（ isoenzyme or isozymeisoenzyme or isozyme ））

（一）同工酶的概念

同工酶的概念

同工酶的性质

第七节、酶的分离、纯化及活力测定第七节、酶的分离、纯化及活力测定（一）酶的分离纯化1 ．选材2 ．破碎细胞3 ．抽提4 ．去核酸、去多糖5 ．纯化6 ．保存由于酶的特殊性，在提纯过程中要注意 :1 ．全部操作在低温 0 ～ 4℃。 2 ．在分离提纯过程中，不能剧烈搅拌。3 ．在提纯溶剂中加一些保护剂，如少量 EDTA 、少量 β-巯基乙醇。 4 ．在分离提纯过程中要不断测定酶活力和蛋白质浓度，从而求得比活力，还要计算总活力。

比活力＝ 酶活力蛋白质浓度

总活力＝单位体积的酶活力 (U/ml)× 分离溶液总体积 (ml)

（二）酶活力的测定

酶活力（ enzyme activity, 也称酶活性）酶活力的测定 1 ．测定酶活力时应注意几点（ 1 ）应测反应初速度（ initial velocity or initial speed ）（ 2 ）酶的反应速度一般用单位时间内产物的增加量来表示。 （ 3 ）测酶活力时应使反应温度、pH 、离子强度和底物浓度等因素保持恒定。（ 4 ）测定酶反应速度时，应使 [S]>>[E] 。

产 物 浓 度 [P]

(t)

2 ．酶活力和比活力表示方式 （ 1 ）酶活力（ enzyme activity ）

（ 2 ）酶的比活力（ specific activity ，也称比活性） 比活力：指每mg 蛋白质所具有的酶活力，一般用 U/mg 蛋白质来表示，比活力说明酶的纯度。 比活力 = 酶活力（ U/ml ） / 蛋白质浓度（ mg/ml ）

（ 3 ）转换数（ TN or kcat)

（ 4 ）分子活性（ molecular activity ）

（ 5 ）催化中心活性（ catalytic center activity ）

3. 酶活力的测定方法

分光光度法（ spectrophotometry ）

该法要求酶的底物和产物在紫外或可见光部分光吸收不同。

优点：简便、迅速、准确。一个样品可多次测定，有利于动力学研究。可检测到 10-9mol/L 水平的变化。