第四章 酶
Enzyme
第一节 酶学概论
一、  酶的概念及其作用特点
酶是生物体活细胞产生的具有特殊催化活性和特定空间构象的生物大分子，包括蛋白质及核酸。
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。
1、酶可降低所催化反应的活化能
S
P
ES
EST
EP
ST
反应能量变化
无酶时所需能量
有酶时所需能量较低
T = Transition state
Adapted from Alberts et al (2002) Molecular Biology of the Cell (4e) p.166
① 催化效率高，用量少（细胞中含量低)。
② 加快反应速度但不改变化学反应平衡点（不改变平衡常数）。
③ 降低反应活化能。
活化能：在一定的温度下，1mol分子全部进入其活化态所需要的自由能。
④ 反应前后自身结构不变。
2、酶与非生物催化剂的共性：
1
（1）、 催化效率更高（高效性）
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。
3、   酶催化反应的特点
（2）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）反应条件温和（易失活）
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。
（5）酶的催化活性需要辅酶、辅基、金属离子
（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）
二、  酶的化学本质及其组成
酶是一类具有催化功能的蛋白质。
酶的分类：
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
复（缀）合酶类 (conjugated enzyme):
复合酶=蛋白质+非蛋白质成分
全酶=酶蛋白（脱辅酶）+辅酶(酶因子)：
如：超氧化物歧化酶(Cu2+、Zn2+）、
乳酸脱氢酶（NAD+）
（二）  酶的化学组成
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+、 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。
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。
第二节 酶的分类与命名
一、酶的命名
二、酶的国际系统分类法及编号
三、酶的分类
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。
4. 有时加上酶的来源
胃蛋白酶、牛胰凝乳蛋白酶
一、酶的命名
习惯命名
的习惯命名法不够系统，不够准确，难免会出现一酶多名或一名多酶的现象。为此1961年国际酶学委员会（Enzyme Commission，EC）提出了系统命名法。
根据酶所催化反应的性质，由酶学委员会规定，将酶分为六大类：
1、氧化还原酶类:A.2H + B=A + B.2H
2、移换酶类: A.X + B=A + B.X
3、水解酶类: A-B + H2O=A.H + B.OH
4、裂合酶类: A-B=A + B
5、异构酶类: A=B
6、合成酶类: A + B + ATP=A-B + ADP + Pi
二、酶的国际系统分类法及编号（EC编号）

第五节 酶的作用机理
一、酶的活性中心
二、酶作用的专一性
三、酶高效性的作用机理
四、酶活性的调节控制和调节酶
1、活性中心的概念
活性中心：酶分子中结合底物并起催化作用的少数氨基酸残基，包括底物结合部位、催化部位。
一、酶的活性中心
酶不但能底物结合 还会诱导过渡状态生成
Adapted from Nelson & Cox (2000) Lehninger Principles of Biochemistry (3e) p.252
活性中心模式图
活性中心
专一性
结合位点
催化位点
酶的活性中心一般是一个凹陷的口袋
酶活性中心为何可降低活化能？
是一个魔术口袋
(1) 可稳定过渡状态
(2) 防止水分子干扰
(3) 具高反应性基团
(4) 有辅酶帮助反应
(2)
(3)
(4)
(1)
辅酶
+
-
二、专一性的机理
（一）酶专一性类型
1、结构专一性
（1）绝对专一性
只能作用于一个底物，或只催化一个反应。
麦芽糖酶只作用于麦芽糖，脲酶只催化尿素水解。
（2）相对专一性： 一类相似的底物
基团专一性：对键两端的基团要求程度不同，对其中的
一个基团要求严格，对另一个则要求不严格。
键专一性（对底物结构要求最低）
a-D-Glc苷酶，水解蔗糖和麦芽糖。
2、立体异构专一性
（1）旋光异构专一性
（2）几何异构专一性
反丁烯二酸水化酶只催化反丁烯二酸生成苹果酸
二、专一性的机理
（二）酶作用专一性的解释
1、锁钥模型(lock-key hypothesis)1894 Fisher
酶活性中心的形状与底物分子形状互补。
底物分子或其一部分像钥匙一样，专一地插入酶活性中心，通过多个结合位点的结合，形成酶—底物复合物。
酶活性中心的催化基团正好对准底物的有关敏感键，进行催化反应。
二、专一性的机理
锁钥模型较好地解释了立体异构专一性。
但不能解释可逆反应。
2、诱导楔合模型
酶分子与底物分子接近时，酶蛋白质受底物分子诱导，构象发生有利于与底物结合的变化，酶与底物在此基础上互补楔合，进行反应。
二、专一性的机理
己糖激酶与D-葡萄糖经诱导契合生成复合物
四、酶活性的调节
酶促反应速度的调控方式:
（1）调节酶浓度：
酶的诱导与阻遏、 酶的选择性降解
（2）调节酶活性:
反馈抑制、抑制剂与激活剂的调节、
别构调节、可逆的共价修饰、酶原激活
酶活性的调节控制
有些酶在细胞内合成时，或初分泌时，没有催化活性，这种无活性状态的酶的前体称为酶原。酶原向活性的酶转化的过程称为酶原的激活。酶原激活实际上是酶的活性中心形成或暴露的过程。
2、酶原的激活
pH＜5时，活性中心暴露，切除N端的44个残基的碱性肽段。
胃蛋白酶原的自动激活