导图社区 酶
高等教育出版社生物化学简明教程第六版，酶是催化剂，具有一般催化剂的共性，酶是生物催化剂，一般催化剂多为小分子物质，但酶是生物大分子，具有复杂结构。
高等教育出版社生物化学简明教程第六版，新陈代谢是生物最基本的特征，生命存在的前提，从周围环境中摄取营养物质，转变为自身结构化合物的过程称为同化作用
高等教育出版社生物化学简明教程第六版，参与生物生长发育与代谢所必须的一类微量小分子有机化合物，不是构成机体组织的主要成分，不是体内的功能物质。
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英语词性
生物必修一
酶
前言
酶是生物催化剂
具有不同于一般催化剂的一些特点
酶是催化剂，具有一般催化剂的共性
酶是生物催化剂，一般催化剂多为小分子物质，但酶是生物大分子，具有复杂结构
绝大多数的酶是蛋白质，也有一些RNA具有催化功能，称为核酶
早期研究可以追溯到1833年A.Payen和J.Persoz从麦芽制备淀粉糖化酵素(现称淀粉酶）
1897年E.Buchner证实发酵是不需要活酵母的酶促反应过程
特点
具有一般催化剂的共性
能显著提高化学反应速率，使化学反应很快达到平衡
酶对反映的平衡常数没有影响（使正、逆反应按相同的倍数加速）
自身的数量和化学性质在反应前后均保持不变
作为生物催化剂的重要特点
具有高效性
很高的催化效率，比非催化反应高100000~10000000000000000
催化效率的表示：转换数：酶被底物饱和时，每个酶分子单位时间（1s）转换底物的分子数
具有专一性
酶对其催化反应的类型和底物有严格的选择性
酶只作用于一类甚至一种底物
由酶的结构特别是酶活性部位的结构特异性决定的
容易失活
使生物大分子变性的因素
高温
强酸
强碱
高盐
酶促反应需要较温和的条件
常温
常压
低盐
接近中性的pH
活性受到调控
新陈代谢以及其他生命活动在正常情况下处于动态平衡中，酶活性的调控是维持这种平衡的重要环节
化学本质
大多数为蛋白质
催化活性依赖于蛋白质结构的完整性（一级结构或者二级、三级、四级结构发生改变时，酶活性也会随之改变）
核酶
具有催化能力的RNA
组成
单纯蛋白质
仅由氨基酸残基组成，不含其它化学成分
缀合蛋白质
又被称为全酶
除了氨基酸残基组分外，还含有金属离子
全酶=脱辅酶（蛋白质部分）+辅因子（非蛋白质部分）
二者中的任何一者单独存在时一般无催化活性，只有由二者结合而成的全酶才具有完整的催化活性
辅因子
可作为电子、原子或某些化学基团的载体起作用
（金属离子）可以转移电子、提高水的亲核性能、静电屏蔽、为反应定向
有机小分子、金属有机分子的辅因子被称为辅酶
辅基：与脱辅酶牢固结合、甚至通过共价键结合的辅酶或金属离子
脱辅酶
结合底物
催化
类型
根据酶蛋白分子结构
单体酶
通常只有一条肽链
大多数是催化水解反应的酶
寡聚酶
由两个或两个以上的亚基组成
亚基可以相同，也可以不同
亚基间以非共价键结合
容易在酸碱或化学变性剂的作用下彼此分离，从而失去活性
寡聚酶完整的四级结构是酶活性所必需的
多酶复合体
几种酶彼此嵌合形成的复合体
有利于细胞中系列反应的连续进行
提高酶的催化效率，便于机体对酶的调控
命名
习惯命名法
日常生活
根据酶的底物
根据酶促反应的类型
根据酶的来源
系统命名法
正式发文
需要明确标示酶的底物与酶促反应类型
如果一种酶有两种底物，应同时写入两种底物的名称，用“：”分开
如果底物之一是水，则水可以省略不写
分类
国际酶学委员会规定了统一的分类编号
由EC和4个用圆点隔开的阿拉伯数字组成
EC是酶学委员会的缩写
第一个数字表示酶的类别
分类标准是酶促反应类型
氧化还原酶类
催化底物发生氧化还原反应
酶类
氧化酶
催化底物上的H与氧气结合生成水或生成双氧水
脱氢酶
直接从底物上脱氢的反应及其逆反应
需要辅酶Ⅰ（NADH/NAD+）或辅酶Ⅱ（NADP+/NADPH）作为氢受体或氢供体参与反应
转移酶类
催化不同化合物之间基团转移反应
转移不同基团由不同的转移酶催化
激酶也是一类具有代表性的转移酶
催化特定分子与ATP之间磷酸基团的转移反应
水解酶类
催化底物发生水解反应
起到的关键生理作用
食物消化
酶原激活
外来病原体破坏
裂合酶类
催化一种化合物裂解为几种化合物，或有几种化合物缩合为一种化合物
反应涉及从一个化合物移去一个基团形成双键的反应或其逆反应
裂解反应常涉及双键的形成，缩合反应则相反
异构酶类
催化各种同分异构体（分子式相同，结构式不同的化合物）之间相互转变
异构反应是分子内部基团重新排列的反应
合成酶类
催化由两种化合物合成一种化合物及其逆反应，又称为连接酶
代表性合成酶
谷氨酰胺合成酶
氨酰tRNA合成酶
DNA连接酶
一般是吸能反应，因需要有ATP等高能物质参与反应
区分合成酶和裂解酶的重要依据
易位酶类
催化离子或分子跨越生物膜或在生物膜内进行转移，又称为转位酶
离子或分子可以从膜的一侧转移到另一侧
第二个数字表示酶的亚类
第三个数字表示酶的亚亚类
分类标准是底物中被作用的基团或键类的特点
第四个数字表示酶在亚亚类中的序列号
一种酶只有一个分类编号，一个分类编号只对应一种酶
结构
生物分子的结构决定功能，酶的结构同样决定了功能
酶的结构构成
其他部位
提供酶分子结构的完整性
活性调节
维持酶空间构象所必需的基团
活性部位
与酶蛋白的整体结构、其他部位之间具有协调统一的关系
占整体结构的很小一部分，占总体积的1%~2%
是整体三维立体结构的一部分，形状、大小、电荷性质、亲水疏水性等与底物具有较好的互补性
含有特定的催化基团
具有柔性，在结构上并非与底物完全匹配
通常是酶分子上的一个裂隙，为底物分子提供一个局部微环境
构成
催化基团
结合基团
对酶整体结构具有较高的依赖性
活性部位的形成要求酶分子具有完整的天然结空间构
一旦酶的空间结构被破坏，活性部位也就被破坏，酶就会失活
统称为酶的必需基团
探测活性部位有哪些残基的方法
切除法
化学修饰法
X射线衍射法
定点诱变法
酶工程
把酶学基本原理、化学工程技术、基因重组技术有机结合在一起的新型应用技术
化学酶工程
天然酶的制备与应用
来自于动植物组织和某些微生物
不同的行业分离纯化不同
一般工业无需高度纯化
食品工业需要确保安全卫生
医药需经过高度纯化，且不能含有热源物质
酶的化学修饰
对酶分子进行化学改造
常用的修饰技术
小分子修饰技术
定点修饰技术
化学交联技术
单功能聚合物化学修饰技术
辅因子引入技术
酶的固定化
将酶分子通过吸附、共价结合、包埋、交联等方式束缚于某种支持物上
优点
可以反复使用，降低成本
稳定性增加，使用寿命延长
有一定的机械强度，可以工艺加工
酶不留存于产物中，产品后处理简单易行
可以进行精细控制、连续化、自动化管理控制
生物酶工程
酶学与基因重组技术相结合的产物
酶的遗传修饰专一性强
可操作性能好
研究方法
活力测定
酶活力：也称酶活性，酶催化指定化学反应（酶促反应）的能力
酶活测定中一般测定产物的增加量
酶活力单位：单位时间内将一定量的底物转化为产物需要的酶量
1961年，国际规定使用国际统一单位（international unit，IU）来表示酶活力
规定：在特定反应条件（25℃、最适pH、最适离子强度等），每分钟内催化1μ㏖底物转化为产物所需的酶量为一个国际单位（1IU=1μ㏖/min）
酶的比活力：每毫克酶蛋白所具有的酶活力单位数
酶样品纯度的指标
比活力越大表明样品的纯度越大
活力测定实际上就是测定不同时刻底物或产物的量
测定方法
分光光度法
操作简单、节省样品和时间、可连续测活
灵敏度相对较低
荧光法
同位素测定法
电化学方法
分离提纯
纯化方法
盐析
透析
蛋白质纯化方法
活力保护
低温保护
分离纯化过程中始终保持低温（通常为4℃左右）
液体酶制剂一般可在-20℃~-80℃保存
酶的浓度越高，酶越不容易失活
固体酶制剂可在低温下保存较长时间
温和的操作条件
缓冲液的pH应为酶的最适pH，或接近最适pH
一般情况下不使用强酸或强碱等处理酶样品
使用保护剂
金属螯合剂去除重金属离子
巯基试剂拮抗酶的氧化活性
蛋白抑制剂拮抗蛋白水解酶的破坏作用
缩短时间
评估指标
总活力
回收率
纯化倍数
改变酶的数量与分布
改变已有酶分子的活性
通过改变酶的结构
别构调控
通过酶的结构改变，进而改变酶的催化活性，这种酶活性的调节方式
酶除了具有活性部位外，还具有调节部位，调节部位可以与某些化合物可逆地非共价结合
具有别构调控作用的酶称为别构酶
多个亚基组成的寡聚酶
可具有多个活性部位与调节部位
可能位于同一亚基上，也可能位于不同亚基
加热或用化学试剂处理，可使别构酶解离并失去调节活性
称为脱敏作用
对酶分子具有别构调节作用的化合物称为效应物
效应物以小分子化合物为主
正效应物（别构激活剂）
导致酶活性增加
负效应物（别构抑制剂）
导致酶活性降低
作用类型
同促效应
活性部位也是调节部位，效应物是底物
底物与别构酶某一活性部位结合
正协同效应
促进其他底物分子与该酶剩余活性部位结合
酶促反应速率增加
负协同效应
其他底物与该酶更难以结合
异促效应
活性部位和调节部位不同，效应物是非底物分子
当调节亚基结合一个负效应物后，酶的结构发生一定变化，活性部位对底物的亲和力减小
酶结合底物或效应物引起的结构变化，通过各肽链内部的作用以及肽链之间的相互作用，可传递到酶分子的其他亚基，引起高度协同的别构转变
可逆的共价修饰
修饰方法
磷酸化
尿苷酰化
ADP-核糖基化
甲基化
酶原的激活
酶原是酶的无活性前体，其激活是一个不可逆的过程
特定蛋白水解酶的催化下，对其肽链进行切割，形成酶的活性部位
酶原激活的实质就是活性中心的形成或暴露
消化酶以酶原的形式存在，可以保护消化细胞不被其水解破坏
凝血酶原的激活作用可以汇集在一起形成酶的级联放大作用
其他调节作用
常见于代谢调控与信号转导等过程中
肝的葡糖激酶
蛋白激酶A（PAK）
影响酶与底物的相互作用
竞争性抑制剂
酶促反应
酶促反应速率
单位时间内反应物或生成物浓度的改变
酶促反应速率在反应早期阶段保持不变
随时间增加而逐渐降低
底物浓度的降低
产物对酶的抑制
酶本身的失活
底物浓度与酶促反应速率
不同反应机制对应不同的反应速率方程
零级反应的反应速率为恒定值，不随反应物浓度变化而变化
一级反应的反应速率与反应物浓度成正比关系
动力学方程式
发展
1913年L.Michaelis和M.Menten在中间复合物学说的基础上推导出Michaelis-Menten方程简称为米氏方程
1925年G.E.Briggs和J.B.S.Haldane提出稳态理论，对米氏方程进行了修正
米氏方程推导规律
底物浓度很小时，反应速率与底物浓度成正比
底物浓度远远过量时，反应速率达到最大，与零级反应动力学相似
底物浓度等于米氏常数时，反应速率是最大速率的一半
米氏常数是酶的特征物理常数，固定反应条件下，其大小只与酶的性质有关，与浓度无关
影响因素
抑制剂
具有抑制作用的的物质称为抑制剂
干扰酶的催化，使酶促反应减慢或终止的作用称抑制作用
通常为小分子物质，但生物体内有生物大分子类的抑制剂
抑制程度可用相对活力分数和抑制分数及其百分数表示
不可逆抑制剂
与酶的必需基团以共价键结合，引起酶的永久性失活
不能用透析、超滤等温和物理手段解除
青霉素与细菌转肽酶活性部位的丝氨酸羟基共价结合，使其永久失活，从而抑制细菌细胞壁的合成，起抗菌作用
可逆抑制剂
与酶蛋白以非共价键结合，引起酶活性暂时丧失
可以通过透析、超滤等手段解除
抑制剂的化学结构与底物相似，能与底物竞争与酶活性部位的结合
米氏方程
双倒数
非竞争性抑制剂
酶可同时与底物以及此类抑制剂结合，且后两者与酶的结合能力互不影响
形成的三元复合物不能进一步分解为产物
反竞争性抑制剂
酶先与底物结合后才能与此类抑制剂结合，形成的复合物不能分解为产物
温度
较低的范围内，酶促反应随温度升高而增大，超过一定温度后，反应速率反而会下降
温度-酶促反应速率作图可得到一条钟形曲线，曲线顶点对应的温度为酶作用的最适温度
酶的最适温度只有在一定条件下测定才有意义
pH
pH过高或过低可导致酶高级结构的改变，使酶失活，又称为酸变性或碱变性
活性部位有柔性，比其他部位更容易在酸、碱作用下发生构象改变，导致酶活力下降
酶具有许多可解离的基团，不同pH中，基团的解离状态不同，所带电荷不同，而它们的解离状态对酶与底物结合、催化能力都有重要作用
影响底物的解离状态以及中间复合物的解离状态影响酶促反应速率
其他条件合适，酶只有在一定pH范围内才能表现催化活性
与温度相同，有最适pH，pH-酶促反应速率曲线也是钟性，也有对应半个钟性，甚至是直线
激活剂
提高酶的活力
大多为无机离子或简单的有机化合物
某些蛋白酶可以水解一些酶原将其激活，所以这些蛋白酶也可视为激活剂
通常酶对激活剂有一定的选择性，且有一定的浓度要求
有些离子在酶的激活作用方面有拮抗作用，有的可以相互替代
作用机制
酶作为一种催化剂，其提高化学反应速率的基本原理与一般催化剂是相同的
底物的几种能量状态
过渡态
一种能量（Gibbs自由能）更高的状态（比底物的能量较高）
基态
能量（Gibbs自由能）较低的反应物分子所处的状态
过渡态比基态多出的Gibbs自由能称为活化能
反应所需的活化能越高，反应物分子越难进入过渡态，反应速率越慢
酶通过降低反应活化能使反应速率加快
酶与底物复合物的形成
1903年V.Henri等提出了酶与底物中间复合物学说
酶（E）首先与底物（S）结合生成中间复合产物（ES），中间复合产物继续反应生成产物（P），并释放出游离的酶（E）
底物与酶之间通过较弱的化学键结合
氢键
范德华力
疏水相互作用
盐键
非共价键
通过非共价作用所产生的能量称为结合能
对酶的高效性和专一性均有贡献
具有高催化效率的分子机制
邻近效应
酶与底物结合后，使原来游离的底物集中于酶活性部位
减少底物之间或底物与酶催化基团之间的距离，使反应更容易进行
定向效应
底物的反应基团之间、酶催化基团与底物反应基团之间正确的定位与取向
两个发生作用的化学基团以最有利于化学反应进行的距离与角度分布
限制化学基团的自由度，拉近化学基团之间的距离，调整化学基团之间的角度
在酶促反应中所起的作用可以累积，两者共同作用可使反应速率升高100000000倍左右
促进底物过渡态形成的非共价作用
酶与底物之间的非共价作用可以使底物分子围绕其敏感键发生形变
相应电子重新分配，促进底物形成过渡态，降低反应活化能
活性部位的构象也在底物的作用下发生改变，更好地与底物过渡态结合
酸碱催化
通过向反应物提供质子或从反应物接受质子，从而稳定过渡态、降低反应活化能、加速反应
狭义
水溶液中通过质子和氢氧根离子进行的催化
广义
通过质子、氢氧根离子以及其他能提供质子或接受质子的物质进行催化
能提高反应速率100~100000
生理条件下，生物体内的反应以广义的酸碱催化为主，由酶活性部位的一些功能基团来完成提供质子或接受质子的任务
参与基团
谷氨酸/天冬氨酸残基侧链的羧基
赖氨酸残基侧链的氨基
精氨酸残基侧链的胍基
组氨酸残基侧链的咪唑基
组氨酸残基在酶的催化功能中占据重要地位
共价催化
催化剂通过与底物形成相对不稳定的共价中间复合物，改变了反应历程，使活化能降低
亲核催化
催化剂作提供电子的亲核试剂攻击反应物的缺电子中心，与反应物形成共价中间复合物
半胱氨酸残基侧链的巯基
丝氨酸残基侧链的羟基
一般作为亲核试剂攻击底物的缺电子中心
亲电催化
催化剂作吸取电子的亲电试剂攻击反应物的负电中心，与之形成共价中间复合物
金属离子催化
通过多种途径参加酶促反应过程
提高水的亲和性能
通过静电作用屏蔽负电荷
利用其所带的正电荷稳定反应时形成的负电荷，利于底物进入过渡态
通过结合底物为反应定向
在氧化还原反应中起传递电子的作用
活性部位微环境的作用
提供的微环境类型
疏水环境
酸性环境
碱性环境
利于酶与底物的结合，酶催化基团与底物分子之间的相互作用
一种酶的催化作用是多种催化机制的综合作用，多种机制配合在一起共同作用，称多元催化
酶作为生物大分子，具有多个能起催化作用的基团，这些基团通过协同方式作用于底物，从而大幅度提高酶促反应速率
酶具有高效性的重要原因
专一性
结构专一性
绝对专一性
通常只作用于一种特定的底物
相对专一性
作用对象是一类结构相似的底物
两种类型
族专一性（基团专一性）
对底物被作用的化学键一侧的基团有严格要求
键专一性
作用于底物特定的化学键，对键两端的基团没有严格要求
当酶的底物是大分子时，对此大分子的局部结构有要求
立体异构专一性
当反应物具有立体异构体时，酶只选择一种立体异构体作为底物
包括
旋光异构专一性
只能与反应物中的一种旋光异构体结合并催化其发生反应
几何异构专一性
只能选择性地催化某种几何异构体底物的反应
具有非常重要的生理意义，可使生物体内的各种化学反应能够顺利协调进行，并受到精密的调控
可利用酶的立体异构专一性制造单一的立体异构体
学说
1894年E.Fischer提出锁与钥匙学说
1946年α螺旋结构发现者L.Pauling提出过渡态互补学说
1958年D.E.Koshland提出诱导契合学说
同工酶
1959年由C.L.Markert和F.Moller提出
能催化相同的化学反应，但酶本身的分子结构组成、理化性质、免疫性能、调控特性等方面有所不同的一组酶
活性部位空间结构的相似性以及具有相同功能的集团，使得这一组酶都可以结合相同的底物，催化相同的反应
一级结构和高级结构的差异又赋予了它们不同的理化性质、免疫性能、调控性能
分布
同一生物体的不同组织
同一组织、同一细胞的不同亚细胞结构
不同发育时期的组织
应用
研究代谢调控机制
研究分子遗传机制
研究生物进化机制
可以使同一个反应步骤分别受多种代谢产物相互独立的反馈调控，使代谢调控非常精巧
