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1、第四章 酶,enzyme,The application of enzyme has a much longer history than that of enzymatic research See at p319,第一节 酶学概论,一、 酶的概念及其作用特点 酶是一类具有高效率、高度专一性、活性可调节的生物催化剂。 生物催化剂 ： 酶(enzyme) 核酶(ribozyme) 脱氧核酶(deoxyribozyme),1、 酶与非生物催化剂相比的几点共性： 催化效率高，用量少（细胞中含量低）。 加快反应速度但不改变化学反应平衡点。 降低反应活化能。 反应前后自身结构不变。,活化能在一定温度下
2、1 摩尔底物全部进入活化 状态所需的自由能，单 位为kj/mol。,催化剂改变了化学反应的途径，使反应通过一条活化能比原途径低的途径进行。 催化剂的效应只反映在动力学上（反应速度），不影响反应的热力学（化学平衡）。,非酶催化反应,过渡态,酶催化反应,底物,产物,3、 酶催化反应的特点 （1）、 催化效率更高 酶催化反应速度是相应的无催化反应的108-1020倍，并且高出非酶催化反应速度至少几个数量级。,转换数（TN)或催化常数（Kcat)表示酶的最大催化效率 Kcat是一定条件下（SKm）每秒钟每个酶分子转换底物的分子数（数值上Kcat =K3）,P 322 表8-2 一些酶的最大转换数,（2
3、）. 专一性高 酶对反应的底物和产物都有极高的专一性，几乎没有副反应发生。 （3）、易失活反应条件温和 常温、常压，中性pH环境。,（4）、 活性可调节 别构调节、酶的共价修饰、酶的合成、活化与降解等。,二、 酶的化学本质及其组成 （一） 酶的化学本质 绝大多数酶是蛋白质 证据（1）酸水解的 产物是氨基酸，能被蛋白酶水解失活； （2）具有蛋白质的一切共性，凡是能使蛋白质变性的因素都能使酶变性；（具有蛋白质的颜色反应） 少数酶是RNA（核酶）, ribozyme核酶（具有催化功能的RNA） （1）80年代初，Thomas Cech和Sidney Altman 四膜虫L19RNA具有生物催化功能，
4、催化rRNA前体的剪接 （2）1983年 Atman和Pace E.Coli RNase P中的RNA具有加工tRNA前体的催化功能,（二） 酶的化学组成 单纯酶类(simple enzyme)：仅由蛋白质组成 脲酶、溶菌酶、淀粉酶、脂肪酶、核糖核酸酶等 缀合酶类（conjugated enzyme): 全酶（holoenzyme)=脱辅基酶（apoenzye)+辅因子(cofactor)： 超氧化物歧化酶Cu2+、Zn2+）、乳酸脱氢酶（NAD+）, 酶的辅助因子主要有金属离子和有机化合物 金属离子：Fe2+、Fe3+ 、 Zn2+、 Cu+、Cu2+、 Mn2+、Mn3+、Mg2+ 、K+
5、、 Na+ 、Mo6+ 、Co2+等。 有机化合物：NAD，NADP，FAD，生物素，卟啉等 辅酶(coenzyme)：与酶蛋白结合较松，可透析除去。 辅基(prosthetic group)：与酶蛋白结合较紧。,P324 表8-4 金属离子作为一些酶的辅助因子 P325 表8-5 基团转移反应中的辅酶和辅基。,酶蛋白决定酶专一性，辅助因子决定酶促反应的类型和反应的性质。 NAD+构成专一性强的乳酸脱氢酶、醇脱氢酶、苹果酸脱氢酶、异柠檬酸脱氢酶。,（三）、 单体酶、寡聚酶、多酶复合体、多酶融合体 1、 单体酶 由一条或多条共价相连的肽链组成的酶分子 牛胰RNase 124a.a 单链 鸡卵清溶
6、菌酶 129a.a 单链 胰凝乳蛋白酶 三条肽链,2、 寡聚酶 含相同亚基的寡聚酶： 苹果脱胱氢酶（鼠肝），2个相同的亚基 含不同亚基的寡聚酶： 琥珀酸脱氢酶（牛心），2个亚基 寡聚酶中亚基的聚合，有的与酶的专一性有关，有的与酶活性中心形成有关，有的与酶的调节性能有关。 大多数寡聚酶是胞内酶，而胞外酶一般是单体酶。,3、 多酶复合体 由两个或两个以上的酶，靠非共价键结合而成，其中每一个酶催化一个反应，所有反应依次进行，构成一个代谢途径或代谢途径的一部分。 大肠杆菌丙酮酸脱氢酶复合体由三种酶组成： 丙酮酸脱氢酶（E1） 以二聚体存在 29600 二氢硫辛酸转乙酰基酶（E2） 70000 二氢硫辛
7、酸脱氢酶（E3） 以二聚体存在 256000 12个E1 二聚体 2496000 24个E2 单体 2470000 6个E3 二聚体 1256000 总分子量：560万,4、 多酶融合体（多功能酶） 一条多肽链上含有两种或两种以上催化活性的酶，往往是基因融合的产物。 例如：天冬氨酸激酶I-高丝氨酸脱氢酶I融合体（双功能酶） 该酶是四聚体4，每条肽链含两个活性区域：N-端区域是Asp激酶，C端区域是高Ser脱氢酶,三、 酶的分类及命名,（一）、 习惯命名 1.依据底物来命名（绝大多数酶）： 蛋白酶、淀粉酶 2. 依据催化反应的性质命名： 水解酶、转氨酶 3 结合上述两个原则命名：琥珀酸脱氢酶。
8、4. 有时加上酶的来源 胃蛋白酶、牛胰凝乳蛋白酶,（二）、 国际系统命名 基本原则：明确标明酶的底物及催化反应的性质（底物为水时可略去不写）。 P327 表8-8酶国际系统命名法举例, （三）国际系统分类法及编号（EC编号） （1）按反应性质分六大类，用1、2、3、4、5、6表示。 （2）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，编号用1、2、3 。 （3）每个亚类又可分为若干个亚一亚类，用编号1、2、3表示。 每一个酶的编号由4个数字组成，中间以“”隔开。 第一个数字表示大类，第二个数字表示亚类，第三个表示亚-亚类，第四个数字表示在亚-亚中的编号。,乙醇脱氢酶EC1.1.1
9、.1 ， 乳酸脱氢酶EC1.1.1.27 ， 苹果酸脱氢酶EC1.1.1.37 第一个数字表示大类： 氧化还原 第二个数字表示反应基团：醇基 第三个数字表示电子受体：NAD+或NADP+ 第四个数字表示此酶底物：乙醇，乳酸，苹果酸。,P327 表8-9 酶的国际系统分类,氧、转、水、裂、异、合 氧化还原酶类 转移酶类 水解酶类 裂合酶类 异构酶类 连接酶类（也叫：合成酶）,1、 氧化还原酶类一类催化氧化还原反应的酶，可分为氧化酶和脱氢酶 （1）氧化酶类 催化底物脱氢，并氧化生成H2O2或H2O A2H+O2=A+H2O2 （2）脱氢酶类 催化直接从底物上脱氢的反应 A2H+B=A+B2H 这类
10、酶需要辅酶（NAD）或辅酶（NADP）作为氢供体或氢受体起传递氢的作用。 乳酸：NAD+氧化还原酶（EC1.1.1.27）， 习惯名：乳酸脱氢酶 以NAD为辅酶将乳酸氧化成丙酮酸,（四）六大酶类的特征和举例,2、 转移酶类催化化合物某些基团的转移，即将一种分子上 的某一基团转移到另一种分子上的反应 AX+B=A+BX Ala：酮戊二酸氨基移换酶（EC2.6.1.2）， 习惯名： 谷丙转氨酶,3、 水解酶类 催化水解反应，多为细胞外酶，包括淀粉酶、核酸酶、蛋白酶、脂酶。 AB+HOH AOH+BH 亮氨酸氨基肽水解酶（EC3.4.1.1）， 习惯名： Ile氨肽酶。,4、 裂合酶类（裂解酶） 催
11、化从底物上移去一个基团而形成双键的反应或其逆反应 AB A+B 二磷酸酮糖裂合酶（EC4.1.2.7）， 习惯名：醛缩酶,5、 异构酶（EC5.3.1.9） 催化同分异构体相互转化，即分子内部基团的重新排列 A B 6-磷酸Glc异构酶,6、 合成酶（连接酶） 催化一切必须与ATP分解相偶联、并由两种物质合成一种物质的反应。 A+B+ATP AB+ADP+Pi 或 A+B+ATP AB+AMP+PPi UTP：氨连接酶（CTP合成酶）,L-酪氨酸：tRNA连接酶（酪氨酰tRNA合成酶） T4DNA 连接酶,国际分类的盲区：忽略了酶的物种差异和组织差异 SOD： EC1.15.1.1，只有一个名
12、称和编号 2O2-+2H+H2O2+O2 三类不同的SOD： CuZn-SOD 真核生物细胞质中 Mn-SOD 真核生物线粒体中 Fe-SOD 同是CuZn-SOD，来自牛红细胞与猪红细胞的，其一级结构也有很大不同。 在讨论一个具体的酶时，应对它的来源与名称一并加以说明。,四、酶的专一性 放在酶的作用机理中讲,五、酶的活力测定与分离纯化 1、 酶活力与酶促反应速度 酶活力：在一定条件下，酶催化某一反应的反应速度（一般测初速度）。 酶促反应速度：单位时间、单位体积中底物的减少量或产物的增加量。 单位：浓度/单位时间,研究酶促反应速度，以酶促反应的初速度为准(底物消耗5%）。,2、 酶的活力单位（
13、U） 国际单位（IU单位）： 在最适反应条件下，每分钟催化1mol底物转化为产物所需的酶量，称一个国际单位（IU），1 IU = 1mol /min 国际单位（Katal, Kat单位）： 在在最适反应条件下，每秒钟催化1mol底物转化为产物所需的酶量，称Kat单位 1 Kat=60 106 IU,最适条件：最适温度（25或37 ）,最适pH、最适缓冲液离子强度、最适底物浓度。 底物浓度（1）通常很大，使酶饱和 （2）底物消耗5%,3、 酶的比活力 Specific activity 每毫克酶蛋白所具有的酶活力。 单位：U/mg蛋白质。 酶的比活力是分析酶的含量与纯度的重要指标。,4、酶活力的
14、测定方法 P336 分光光度法 荧光法 同位素法 电化学法,（二）酶的分离和纯化,大多数酶是蛋白质，因此酶的分离提纯方法，也就是常用来分离提纯蛋白质的方法。,酶的提纯,把酶制剂从很大体积浓缩到比较小的体积,把酶制剂中大量的杂质蛋白和其他大分子物质分离出去,判断分离提纯方法的优劣，两个指标来衡量,总活力的回收表示提纯过程中酶的损失情况,比活力提高的倍数表示提纯方法的有效程度,酶分离和纯化中应注意的几点：,（1）选材酶含量丰富的新鲜生物材料 获得材料后立即开始，否则应低温保存 （2）破碎 （3）抽提低温下，以水或低盐缓冲液，抽提 （4）分离及纯化操作条件要温和，05下进行,一个酶的分离纯化分为4 步。 步骤 1 2 3 4 总活力（U） 6 4 3 2 总蛋白质（mg） 20 10 5 2 比活力（U/mg） 6/20 4/10 3/5 2/2 酶的提纯过程中，总蛋白减少，总活力减少，比活力增高。 酶的纯化倍数： 酶的回收率： 100%,核酶 抗体酶 酶工程 诱导酶 同工酶 后边讲,