第五章 酶化學

第五章酶化學主要內(nèi)容：主要介紹酶的化學本質(zhì)、結(jié)構(gòu)和特性；酶促反應動力學；酶的作用機理；酶的應用；酶活力及其測定；酶工程。一、酶的概念

酶是生物催化劑

酶是活細胞產(chǎn)生的一類具有催化功能的生物分子，所以又稱為生物催化劑，絕大多數(shù)的酶都是蛋白質(zhì)。酶催化的生物化學反應，稱為酶促反應

在酶的催化下發(fā)生化學變化的物質(zhì)，稱為底物。（一）酶的生物學意義

6CO2+6H2O+能量C6H12O6+6O2↑植物動物N2+3H2

500℃,300大氣壓Fe2NH3N2+3H22NH3某些微生物（二）酶是生物催化劑1．酶與一般催化劑的共同點

（1）用量少而催化效率高（2）能加快化學反應的速度，但不改變平衡點，反應前后本身不發(fā)生變化例2H2O2→2H2O+O2

反應活化能非催化反應75.24kJ/mol鈀催化反應48.9kJ/molH2O2酶催化8.36kJ/mol2．酶作為生物催化劑的特殊點（1）高的催化效率以摩爾為單位進行比較，酶的催化效率比化學催化劑高107～1013倍，比非催化反應高108～1020倍。

例2H2O2→2H2O+O21moleH2O2酶能催化5×106moleH2O2的分解1moleFe3+只能催化6×10-4moleH2O2的分解

（2）高度專一性酶的專一性又稱為特異性，是指酶在催化生化反應時對底物的選擇性。根據(jù)專一性的不同又可分為：絕對專一性相對專一性立體異構(gòu)專一性（3）溫和的反應條件酶促反應一般在pH5-8水溶液中進行，反應溫度范圍為20-40

C。高溫或其它苛刻的物理或化學條件，將引起酶的失活。（4）酶的催化活性可調(diào)節(jié)控制如酶濃度的調(diào)節(jié)、激素調(diào)節(jié)、反饋調(diào)節(jié)、抑制劑和激活劑的調(diào)節(jié)、別構(gòu)調(diào)節(jié)、酶的共價修飾調(diào)節(jié)、酶原活化等。（5）酶的催化活力與輔酶、輔基和金屬離子有關

（三）酶的化學本質(zhì)1．大多數(shù)酶是蛋白質(zhì)1926年美國Sumner獲得脲酶的結(jié)晶，并指出酶是蛋白質(zhì)。1930年Northrop等得到了胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶的結(jié)晶，并進一步證明了酶是蛋白質(zhì)。

20世紀80年代發(fā)現(xiàn)某些RNA有催化活性，還有一些抗體也有催化活性，甚至有些DNA也有催化活性，使酶是蛋白質(zhì)的傳統(tǒng)概念受到很大沖擊。

2．某些RNA有催化活性1982年美國T.Cech等人發(fā)現(xiàn)四膜蟲的rRNA前體能在完全沒有蛋白質(zhì)的情況下進行自我加工，發(fā)現(xiàn)RNA有催化活性1983年美國S.Altman等研究RNaseP（由20%蛋白質(zhì)和80%的RNA組成），發(fā)現(xiàn)RNaseP中的RNA可催化E.colitRNA的前體加工。Cech和Altman各自獨立地發(fā)現(xiàn)了RNA的催化活性，并命名這一類酶為ribozyme（核酶），2人共同獲1989年諾貝爾化學獎。3．抗體酶抗體：與抗原特異結(jié)合的免疫球蛋白?？贵w酶：指具有催化功能的抗體分子，在抗體分子的可變區(qū)（即肽鏈的N端）是識別抗原的活性區(qū)域，這部分區(qū)域被賦予了酶的屬性。

1986年美國Schultz和Lerner兩個實驗室同時在Science上發(fā)表論文，報道他們成功地得到了具有催化活性的抗體。

（四）酶的組成根據(jù)酶的化學組成可將酶分為：1單純蛋白酶類：只含有蛋白質(zhì)成分2結(jié)合蛋白酶類（全酶）：含有蛋白成分（酶蛋白）和非蛋白成分（輔助因子）

全酶=酶蛋白+輔助因子

輔酶:與酶蛋白結(jié)合比較疏松的小分子有機物輔助因子輔基:與酶蛋白結(jié)合緊密的小分子有機物。金屬離子:金屬離子作為輔助因子。酶蛋白和輔助因子單獨存在均無催化活性，只有二者結(jié)合為全酶才有催化活性。酶蛋白決定酶催化專一性，輔助因子通常是作為電子、原子或某些化學基團的載體決定反應的性質(zhì)。某些小分子有機化合物與酶蛋白結(jié)合在一起并協(xié)同實施催化作用，這類分子被稱為輔酶（或輔基）。輔酶是一類具有特殊化學結(jié)構(gòu)和功能的化合物。參與的酶促反應主要為氧化-還原反應或基團轉(zhuǎn)移反應。大多數(shù)輔酶的前體主要是水溶性B族維生素。許多維生素的生理功能與輔酶的作用密切相關。

輔酶在酶促反應中的作用特點:輔酶在催化反應過程中，直接參加了反應。每一種輔酶都具有特殊的功能，可以特定地催化某一類型的反應。同一種輔酶可以和多種不同的酶蛋白結(jié)合形成不同的全酶。一般來說，全酶中的輔酶決定了酶所催化的類型（反應專一性），而酶蛋白則決定了所催化的底物類型（底物專一性）。（五）根據(jù)酶蛋白分子的特點將酶分成三類

單體酶：以一個獨立的三級結(jié)構(gòu)為完整生物功能分子的最高結(jié)構(gòu)形式的酶。

寡聚酶：以一個獨立的四級結(jié)構(gòu)為完整生物功能分子的最高結(jié)構(gòu)形式的酶。

多酶復合體：由多種酶彼此鑲嵌成一個功能完整的具有特定結(jié)構(gòu)的復合體,它們相互配合依次進行，催化連續(xù)的一系列相關反應。（一）命名1．系統(tǒng)名稱（1）標明底物，催化反應的性質(zhì)

例:G-6-P→F-6-PG-6-P異構(gòu)酶二、酶的命名和分類（2）兩個底物參加反應時應同時列出，中間用冒號（:）分開。如其中一個底物為水時，水可略去。例1：丙氨酸+α-酮戊二酸→谷氨酸+丙酮酸

丙氨酸:α-酮戊二酸氨基轉(zhuǎn)移酶

例2：脂肪+H2O→脂酸+甘油

脂肪水解酶

2．習慣名稱（1）根據(jù)作用底物來命名，如淀粉酶、蛋白酶等。（2）根據(jù)所催化的反應的類型命名，如脫氫酶、轉(zhuǎn)移酶等。（3）兩個原則結(jié)合起來命名，如丙酮酸脫羧酶等。（4）根據(jù)酶的來源或其它特點來命名，如胃蛋白酶、胰蛋白酶等。（二）系統(tǒng)分類法及編號1．分類:6大類酶，氧轉(zhuǎn)水裂異連2．編號:

用4個阿拉伯數(shù)字的編號表示，數(shù)字中用“·”隔開，前面冠以EC。乳酸脫氫酶

EC1.1.1.27第1大類，氧化還原酶第1亞類，氧化基團CHOH第1亞亞類，H受體為NAD+該酶在亞亞類中的流水編號（三）六大類酶催化反應的性質(zhì)1．氧化還原酶類

催化氧化還原反應的酶，包括氧化酶類、脫氫酶類、過氧化氫酶、過氧化物酶等。（1）氧化酶類：催化底物脫氫，并氧化生成H2O或H2O2。2A·2H+O22A+2H2OA·2H+O2A+H2O2

例：鄰苯二酚氧化酶（EC1.10.3.1）鄰苯二酚鄰苯醌（2）脫氫酶類：直接催化底物脫氫

A·2H+B

A+B·2H例：乳酸脫氫酶（EC1.1.1.27）乳酸丙酮酸2．轉(zhuǎn)移酶類催化基團的轉(zhuǎn)移

例：谷丙轉(zhuǎn)氨酶（GPT）（EC2.6.1.2）

3．水解酶類水解酶催化底物的加水分解反應。主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。AB+H2O A·OH+BH4．裂合酶類從底物移去一個基團而形成雙鍵或逆反應ABA+B例1：例2：5．異構(gòu)酶類例：

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)基團或原子的重排過程。6．連接酶類（也稱合成酶類）將兩個小分子合成一個大分子，通常需要ATP供能。例：

三、酶結(jié)構(gòu)與功能的關系酶的化學本質(zhì)是蛋白質(zhì)，同樣具有一、二、三級結(jié)構(gòu)，有些酶還具有四級結(jié)構(gòu)。作為生物催化劑，酶的結(jié)構(gòu)又有一些特點。(一)活性部位（中心）：酶分子中直接與底物結(jié)合，并催化底物發(fā)生反應的部位。酶活性中心包括兩個部位。酶的活性中心：酶活性中心

結(jié)合中心：酶與底物結(jié)合的部位，決定酶的專一性催化中心：催化底物發(fā)生反應的部位，決定酶的催化效率、反映性質(zhì)。必需基團：在酶分子中和酶的催化活性直接有關的基團，活性中心內(nèi)外都有。主要包括：親核性基團：絲氨酸的羥基，半胱氨酸的巰基和組氨酸的咪唑基。酸堿性基團：門冬氨酸和谷氨酸的羧基，賴氨酸的氨基，酪氨酸的酚羥基，組氨酸的咪唑基和半胱氨酸的巰基等。(二）變構(gòu)酶

1.概念亦稱別構(gòu)酶，由兩個以上亞基組成，除了具有與底物結(jié)合的活性中心外，還具有與調(diào)節(jié)劑結(jié)合的調(diào)節(jié)中心。當酶與調(diào)節(jié)劑結(jié)合后，酶蛋白的構(gòu)象發(fā)生變化，從而引起酶活性的變化。酶的別構(gòu)（變構(gòu)）效應示意圖別構(gòu)中心活性中心效應劑2.別構(gòu)酶的特點一般是寡聚酶，由多亞基組成，包括催化部位和調(diào)節(jié)（別構(gòu)）部位；具有別構(gòu)效應。指酶和一個配體（底物，調(diào)節(jié)物）結(jié)合后可以影響酶和另一個配體（底物）的結(jié)合能力。(三)酶原及酶原的激活1.酶原：酶無活性的前體。2.酶原的激活：從無活性的酶原轉(zhuǎn)變?yōu)橛谢钚缘拿傅倪^程。3.激活劑：能使無活性的酶原激活的物質(zhì)。4.酶原激活的本質(zhì)：：酶原的激活實質(zhì)上是酶活性部位形成或暴露的過程。

胃蛋白酶原的激活

酶的自身激活（四）同工酶能催化相同的化學反應，但在蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)和免疫性能等方面都存在明顯差異的一組酶。

如：乳酸脫氫酶（LDH)MHMMMMM4HMMMM3HMMHHM2H2MHHHMH3HHHHH4LDH5LDH4LDH3LDH2LDH1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-+原點催化的反應:乳酸丙酮酸心肌:LDH1乳酸丙酮酸LDH5骨骼肌:同工酶在各學科中的應用:(1)遺傳學和分類學：提供了一種精良的判別遺傳標志的工具(2)發(fā)育學：有效地標志細胞類型及細胞在不同條件下的分化情況，以及個體發(fā)育和系統(tǒng)發(fā)育的關系。(3)生物化學和生理學：根據(jù)不同器官組織中同工酶的動力學、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)學和臨床診斷：體內(nèi)同工酶的變化，可看作機體組織損傷，或遺傳缺陷，或腫瘤分化的的分子標志。四、酶的催化作用機理（一）酶作用高效率的機制1.活化能降低酶促反應：E+S===ES

EP

E+P

反應方向,主要取決于反應自由能變化

H

。

而反應速度快慢,則主要取決于反應的活化能Ea。催化劑的作用是降低反應活化能Ea,從而起到提高反應速度的作用

反應過程中能的變化2.中間產(chǎn)物學說在酶催化的反應中，第一步是酶與底物形成酶－底物中間復合物。當?shù)孜锓肿釉诿缸饔孟掳l(fā)生化學變化后，中間復合物再分解成產(chǎn)物和酶。

E+S====E-S

P+E許多實驗事實證明了E－S復合物的存在。E－S復合物形成的速率與酶和底物的性質(zhì)有關。過氧化物酶，DNA聚合酶。酶（E）與底物（S）結(jié)合生成不穩(wěn)定的中間物（ES），再分解成產(chǎn)物（P）并釋放出酶，使反應沿一個低活化能的途徑進行，降低反應所需活化能，所以能加快反應速度。E+SP+EES能量水平反應過程

G

E1

E2（二）酶作用專一性的機制酶分子活性中心部位，一般都含有多個具有催化活性的手性中心，這些手性中心對底物分子構(gòu)型取向起著誘導和定向的作用，使反應可以按單一方向進行。酶能夠區(qū)分對稱分子中等價的潛手性基團。“三點結(jié)合”的催化理論。認為酶與底物的結(jié)合處至少有三個點，而且只有一種情況是完全結(jié)合的形式。只有這種情況下，不對稱催化作用才能實現(xiàn)。關于酶作用專一性的幾種假說:1.鎖鑰學說鎖鑰學說認為整個酶分子的天然構(gòu)象是具有剛性結(jié)構(gòu)的，酶表面具有特定的形狀。酶與底物的結(jié)合如同一把鑰匙對一把鎖一樣2.誘導契合學說誘導契合學說認為酶表面并沒有一種與底物互補的固定形狀，而只是由于底物的誘導才形成了互補形狀.五、酶促反應動力學定義：酶促反應動力學是研究酶促反應速度以及各種條件下對酶反應速度的影響。酶反應速度的測定：

初速度

P237（一）底物濃度對酶促反應速度的影響

1.V-S曲線在低底物濃度時,反應速度與底物濃度成正比，為一級反應。底物濃度增大與速度的增加不成正比,為混合級反應.

當?shù)孜餄舛冗_到一定值，幾乎所有的酶都與底物結(jié)合后，反應速度達到最大值（Vmax），此時再增加底物濃度，反應速度不再增加，表現(xiàn)為零級反應。2.米氏方程

1913年，德國化學家Michaelis和Menten根據(jù)中間產(chǎn)物學說對酶促反映的動力學進行研究，推導出了表示整個反應中底物濃度和反應速度關系的著名公式，稱為米氏方程。Km—米氏常數(shù)Vmax—最大反應速度3.米氏方程的推導根據(jù)中間產(chǎn)物學說，酶促反應分兩步進行:4.米氏常數(shù)的意義P239Km即為米氏常數(shù)，Vmax為最大反應速度當反應速度等于最大速度一半時,即V=1/2Vmax,Km=[S]上式表示,米氏常數(shù)是反應速度為最大值的一半時的底物濃度。因此,米氏常數(shù)的單位為mol/L。（1）Km是酶的一個特征性常數(shù)，只與酶的性質(zhì)有關，與酶的濃度無關（2）如酶能催化幾種不同的底物，對每種底物都有一個特定的Km值，其中Km值最小的稱該酶的最適底物。（3）Km除了與底物類別有關，還與pH、溫度有關，所以Km是一個物理常數(shù)，是對一定的底物、一定的pH、一定的溫度而言的。（4）Km值表示酶與底物之間的親和程度：Km值大表示親和程度小，酶的催化活性低;Km值小表示親和程度大,酶的催化活性高。5．米氏常數(shù)的測定（1）v對[S]作圖（2）雙倒數(shù)作圖法將米氏方程改寫成斜率=Km/Vmax-1/Km1/Vmax（3）v對作圖（4）[S]/v對[S]作圖6.酶的Km在實際應用中的意義鑒定酶：通過測定Km，可鑒別不同來源或相同來源但在不同發(fā)育階段，不同生理狀態(tài)下催化相同反應的酶是否是屬于同一種酶。判斷酶的最適底物。（天然底物）計算一定速度下底物濃度。了解酶的底物在體內(nèi)具有的濃度水平。判斷反應方向或趨勢。判斷抑制類型。

計算一定速度下底物濃度:從米氏方程中求得：當反應速度達到最大反應速度的90%，則90%V=100%V[S]/(km+[S])即[S]=9km在進行酶活力測定時，通常用4km的底物濃度即可。一般而言[s]=10Km,達反應90%[s]=100Km,達反應99%

（二）酶濃度對酶反應速度的影響1．反應速度與酶濃度成正比

[S]>>[E] V∝[E]2．V與[E]關系的幾點討論

（三）pH對酶反應速度的影響

1．酶反應的最適pH在一定的pH下,酶具有最大的催化活性,通常稱此pH為最適pH。

酶的最適pH不是一個固定的常數(shù)，它受到底物的種類、濃度，緩沖液的種類、濃度;酶的純度，反應的溫度、時間等的影響。例:堿性磷酸酶催化磷酸苯酯水解時

[s]為2.5x10-5M，最適pH為8.3[s]為2.5x10-2M，最適pH為10.02．pH影響反應速度的原因

(1)pH影響了酶分子、底物分子和ES復合物的解離狀態(tài)。

(2)過高、過低的pH導致酶蛋白變性。（四）溫度對酶反應速度的影響

一方面是溫度升高,酶促反應速度加快。另一方面,溫度升高,酶的高級結(jié)構(gòu)將發(fā)生變化或變性，導致酶活性降低甚至喪失。因此大多數(shù)酶都有一個最適溫度。在最適溫度條件下,反應速度最大。

高溫兩種不同影響：1.溫度升高，反應速度加快；2.溫度升高，酶熱變性速度加快。低溫影響：1.溫度降低，酶活性降低2.溫度過低,酶無活性但不變性。最適溫度與最適pH一樣，也不是一個固定的常數(shù)，它隨底物的種類、濃度，溶液的離子強度，pH，反應時間等的影響。例:反應時間短，最適溫度高。反應時間長，最適溫度低。

一般酶反應溫度T≤60℃（五）激活劑對酶反應速度的影響

什么是激活劑：凡能提高酶活力的物質(zhì)都是酶的激活劑。如Cl-是唾液淀粉酶的激活劑。

酶的激活劑分三類：1.無機離子2.有機分子3.具有蛋白質(zhì)性質(zhì)的大分子應用激活劑時應注意:1一般情況下，一種激活劑對某種酶是激活劑，而對另一種酶則起抑制作用；2對于同一種酶，不同激活劑濃度會產(chǎn)生不同的作用。（六）抑制劑對酶活性的影響

P245使酶的活性降低或喪失的現(xiàn)象，稱為酶的抑制作用。能夠引起酶的抑制作用的化合物則稱為抑制劑。酶的抑制劑一般具備兩個方面的特點：a.在化學結(jié)構(gòu)上與被抑制的底物分子或底物的過渡狀態(tài)相似。b.能夠與酶以非共價或共價的方式形成比較穩(wěn)定的復合體或結(jié)合物。1、不可逆抑制作用E+I→EI

概念：P246抑制劑與酶的必需基團以共價鍵結(jié)合，引起酶活力喪失，不能用透析、超濾等物理方法除去抑制劑而使酶復活。

2、可逆抑制作用E+IEI抑制劑與酶蛋白以非共價方式結(jié)合，引起酶活性暫時性喪失。抑制劑可以通過透析等方法被除去，并且能部分或全部恢復酶的活性。根椐抑制劑與酶結(jié)合的情況，又可以分為三類

竟爭性抑制可逆抑制非竟爭性抑制反競爭性抑制作用（1）競爭性抑制作用某些抑制劑的化學結(jié)構(gòu)與底物相似，因而能與底物竟爭與酶活性中心結(jié)合。當抑制劑與活性中心結(jié)合后，底物被排斥在反應中心之外，其結(jié)果是酶促反應被抑制了。

競爭性抑制作用特點：競爭性抑制劑的結(jié)構(gòu)與底物結(jié)構(gòu)十分相似，二者競爭酶的結(jié)合部位。抑制程度取決于I和S的濃度以及與酶結(jié)合的親和力大小。

可以通過增大底物濃度，即提高底物的競爭能力來消除。例:丙二酸對琥珀酸脫氫酶的抑制作用競爭性抑制作用動力學方程的推導競爭性抑制作用可用下式表示:EI+S→noreaction推導出的方程

（2）非競爭性抑制作用E+S→ESESIE+I→EIESI酶可同時與底物及抑制劑結(jié)合，引起酶分子構(gòu)象變化，并導至酶活性下降。抑制劑與活性中心以外的基團結(jié)合，不與底物競爭酶的活性中心，所以稱為非競爭性抑制劑。如某些金屬離子（Cu2+、Ag+、Hg2+）以及EDTA等，通常能與酶分子的調(diào)控部位中的-SH基團作用，改變酶的空間構(gòu)象，引起非競爭性抑制。

非競爭性抑制特點：抑制劑與底物結(jié)構(gòu)不相似，抑制劑與酶活性中心以外的基團結(jié)合。Vm下降，Km不變非竟爭性抑制不能通過增大底物濃度的方法來消除。非競爭性抑制作用動力學公式推導非競爭性抑制作用可用下式表示:經(jīng)推導后得方程:

（3）反競爭性抑制作用酶只有在與底物結(jié)合后，才能與抑制劑結(jié)合，引起酶活性下降。動力學方程:

反競爭性抑制特點：抑制劑與酶和底物的復合物結(jié)合。Km和Vm下降底物濃度增加，抑制作用加強。3、一些重要的抑制劑及其實際意義（1）不可逆抑制劑：E+I→EI或

①有機磷化合物

化學結(jié)構(gòu)通式:R1、R2:烷基;X:-F,-CN等

這些有機磷化合物能抑制某些蛋白酶及酯酶的活力，特別是強烈抑制膽堿酯酶。膽堿＋乙酸乙酰膽堿乙酰膽堿酶膽堿酯酶

有機磷化合物中常用的是DFP以及有機磷殺蟲劑，如1605、敵百蟲、敵敵畏、樂果等。②巰基酶抑制劑

A、烷化劑：例ICH2COOH，ICH2CONH2等

B、有機汞、有機砷化合物

C、巰基氧化劑

2E-SH+GSSG E-S-S-E+2GSHE-SH+ICH2COOHE-S-CH2COOH+HI③金屬酶抑制劑

什么是金屬酶？

金屬酶抑制劑如氰化物、硫化物和一氧化碳等。④重金屬抑制劑

如含Ag+、Cu2+、Hg2+、Pb2+等金屬鹽能使大多數(shù)酶失活。（2）可逆抑制劑最常見的是競爭性抑制劑

例：磺胺藥中的對一氨基苯磺酰胺對氨基苯磺酰胺與PABA兩者競爭FH2合成酶（PABA）人：

葉酸（食物）FH2FH4葉酸還原酶細菌：PABAFH2合成酶FH