酶化学
酶化学的概念
酶化学的概念酶化学是指研究酶的物理性质、结构、功能和催化机理等方面的科学领域。
酶是生物体内的一类特殊蛋白质分子，具有高度的专一性和高效的催化活性。
它在生物体内扮演着极为重要的角色，参与几乎所有生物体内的代谢过程。
酶的研究涉及到许多学科，如生物化学、生物物理学、分子生物学、结构生物学等。
酶的分类：酶可以按照催化反应的类别进行分类，包括氧化还原酶、转移酶、水解酶、合成酶等等。
酶还可按照酶本身的性质进行分类，如氧化酶、脱羧酶、脱氢酶、酯酶、蛋白水解酶等。
每一类酶都有独特的催化机理和底物特异性。
酶的物理性质：酶是大分子量的蛋白质，通常由数百个氨基酸残基组成。
酶的大部分结构是由α-螺旋和β-折叠片段构成的。
酶的结构对其催化活性和底物特异性起着至关重要的作用。
酶还具有空间构象的变化能力，可以通过构象变化来调控其活性。
此外，酶还可以与底物和辅助物质结合形成酶底物和酶产物复合物，在催化过程中发挥重要作用。
酶的功能：酶主要通过催化底物的化学变化来实现其功能。
酶催化反应可以加速底物的反应速率，使反应在生物体内以可控的速率进行。
此外，酶还展示出高度的底物特异性，即只催化特定的底物分子。
酶的底物特异性由其活性中心和底物分子的互作以及结构适配性决定。
酶的催化机理：酶催化反应的机理通常可以分为两种主要类型，即酶促反应中的酸碱催化和酶促反应中的亲核催化。
酶促反应中的酸碱催化是指酶中的酸碱基团参与了底物的质子交换过程，从而改变了底物的活性。
酶促反应中的亲核催化是指酶通过提供亲核基团来引发底物分子的亲核进攻，从而促进了底物分子的化学反应。
酶的调控：酶活性的调控对于维持生物体内代谢的平衡和适应环境变化起着重要作用。
酶活性可以通过多种方式进行调控，包括底物浓度、辅助物质和蛋白质结构等方面的调控。
酶的活性还可以通过其他分子的结合或去结合来调节。
酶的调控通常会发生在多个层面，从基因转录、转录后修饰到蛋白质的空间结构调整等。
酶的应用：酶在许多领域都有广泛的应用。
生物化学-酶化学
酶化学（一）名词解释1．全酶（holoenzyme）与酶蛋白（apoenzyme）2．米氏常数（K m值，Michaelis constant）3．底物专一性（substrate specificity）4．绝对专一性（absolute specificity）、相对专一性与立体异构专一性（stereospecificity）5．辅基（prosthetic group）与辅酶（coenzyme）6．单体酶（monomeric enzyme）7．寡聚酶（oligomeric enzyme）8．多酶体系（multienzyme system）9．激活剂（activator）10．抑制剂（inhibitor inhibiton）11．酶的失活与抑制12．可逆抑制（reversible inhibition）与不可逆抑制（irreversible inhibition）13．竞争性抑制（competitive inhibition）与非竞争性抑制（noncompetitive inhibition）14．变构酶（allosteric enzyme）15．同工酶（isozyme）16．诱导酶（induced enzyme）17．酶原（zymogen或proenzyme）与酶原的激活（proenzyme activation）18．酶反应的初速度（initial speed）19．酶活力（enzyme activity）与酶的比活力（enzymatic compare energy）20．活性中心（active center）21．酶的转换数k cat（turnover number）22．核酶（ribozyme）23．抗体酶（abzyme）24．固定化酶（immobilized enzyme）（二）英文缩写符号1．NAD+（nicotinamide adenine dinucleotide）2．FAD（flavin adenine dinucleotide）3．THFA（tetrahydrofolic acid）4．NADP+（nicotinamide adenine dinucleotide phosphate）5．FMN（flavin mononucleotide）6．CoA（coenzyme A）7．PLP（pyridoxal phosphate）8．BCCP（biotin carboxyl carrier protein）9．ACP（acyl carrier protein）（三）填空题1．酶是产生的，具有催化活性的。
第三章 酶化学
第三章酶化学1．试比较酶与非酶催化剂的异同点。
2．解释酶作用专一性的假说有哪些？各自的要点是什么？3．酶的习惯命名法的命名原则是什么？5．已知丙氨酸是某酶的底物结合部位上的一个氨基酸；一次突变丙氨酸转变为甘氨酸，但酶活性没有受到影响。
在另一次突变时，丙氨酸变成了谷氨酸，使该酶的活性明显丧失，请分析原因。
6．在一酶促反应中，若底物浓度为饱和，并有一种抑制剂存在，问：1）继续增加底物浓度，2）增加抑制剂浓度，反应速度将如何变化？为什么？8．何谓共价调节酶？举例说明其如何通过自身活性的变化实现对代谢的调节。
10．举例说明酶的专一性及其研究意义是什么？12．下表数据是在没有抑制剂存在或有不同浓度的抑制剂存在时测得的反应速度随底物浓度变化的情况：1）无抑制剂存在时，反应的最大速度和Km是多少？2）若有2mmol的抑制剂存在，反应的最大速度和Km又是多少？该抑制剂属于何种类型的抑制作用？EI复合物的解离常数是多少？3）若有100mmol的抑制剂存在，最大反应速度和Km又是多少？该种抑制剂属于何种类型的抑制作用？EI复合物的解离常数是多少？13．举例说明酶的竞争性抑制作用及其研究意义。
16．酶原及酶原激活的生物学意义是什么？17．为什么吸烟者患肺气肿的可能性较大？18．从一级结构看，胰蛋白酶含有13个赖氨酸和2个精氨酸，为什么胰蛋白酶不能水解自身？20．以E．coli天冬氨酸转氨甲酰酶（ATCase）为例说明变构酶的结构特征及其在代谢调节中的作用？21．虽然凝血酶和胰蛋白酶的性质有许多相似之处，但胰蛋白酶原经自身催化可转变为胰蛋白酶，而凝血酶原不能，为什么？22．何谓同工酶？举例说明其分子结构的特征及研究意义？23．胰蛋白酶原的第2，3，4，5位氨基酸都是天门冬氨酸，这一结构特征的意义是什么？24．为什么胰脏酶原激活过程中产生的肽链的C一末端氨基酸一般是精或赖氨酸？27．为什么说N一磷乙酰基L一天门冬氨酸（PALA）是研究天门冬氨酸转氨甲酸酶（AT －Case）性质的特异性试剂？28．碱性磷酸酶水解1一磷酸葡萄糖产生葡萄糖和磷酸。
生物化学第6章 酶化学
课外练习题一、名词解释1、酶：是活细胞产生的对其特异底物起高效催化作用的生物分子，包括蛋白质和核酸等，所以又称为生物催化剂。
2、辅酶：是结合酶的非蛋白质部分，与酶蛋白以非共价键的方式结合，结合比较疏松，可以用透析和超滤法除去。
3、酶的活性中心：在酶分子表面上由必须基团形成一定的空间结构，能与底物结合并将底物转变为产物，这个包括底物结合基团和催化基团的区域称为酶的活性中心。
4、同工酶：在同种生物体内，催化相同的化学反应，但酶本身的分子结构和理化性质不同的一组酶。
5、诱导契合：酶活性中心的某些氨基酸残基或基团可以在底物的诱导下获得正确的空间定位，以利于底物的结合与催化。
二、符号辨识1、FMN：黄素单核苷酸；2、LTPP：焦磷酸硫胺素；3、THP：四氢叶酸；4、Km：米氏常数，酶促反应速度达到最大速度一半时的底物浓度；5、IU：酶活性的国际单位；三、填空1、酶促反应具有高效性、专一性、（不稳定性）以及酶活性受到（调节和控制）的特点；2、酶作用的专一性有立体化学专一性和非立体化学专一性两种类型。
其中，立体化学专一性包括（立体异构）专一性和（几何异构）专一性，非立体化学专一性包括（键）专一性、（基团）专一性和（绝对）专一性。
3、酶的辅助因子包括（金属离子）、（小分子有机物）和（蛋白质辅酶）；4、辅酶是结合酶的非蛋白质部分，与酶蛋白以（非共价键）的方式结合，结合比较（疏松），可以用透析和超滤法除去。
5、辅基是结合酶的非蛋白质部分，与酶蛋白以（共价键）的方式结合，结合比较（紧密），不能用透析和超滤法除去。
6、完全由蛋白质组成没有辅助因子的酶是（单纯酶）。
如各种水解酶；7、酶蛋白只有一条多肽链，大多催化水解反应，这样的酶是（单体酶）；8、酶蛋白由几条至几十条多肽链亚基组成，这些多肽链或相同或不同，这样的酶被称为（寡聚酶）；9、由几种酶彼此嵌合形成，有利于一系列反应连续进行的复合体被称为（多酶复合酶）；10、酶的系统命名法可以简单表示为：（底物）＋（反应性质）＋酶11、依据国际酶学委员会的规定，按催化反应的类型，酶可分为6大类，即（氧化还原酶类）、（转移酶类）、（水解酶类）、（裂合酶类）、（异构酶类）和（合成酶类）。
《生物化学》-第五章 酶化学
—CH2—·O·：
H
底物中典 型的亲电 中心包括：
磷酰基
Cys-SH
—CH2—·S·：
H
脂酰基 糖基
His-咪唑基
—CH2—C=CH
HN N：
CH
（五）金属离子催化
金属离子作为酶的辅助因子起作用的方式：
1.与酶蛋白紧密结合稳定酶的天然构象，亲电催化 2.与酶结合较弱，作为激活剂存在。 3.通过价态的可逆变化，参与氧化还原反应。
其他成分的酶：
核酶（ribozyme） ：具有催化活性的天然RNA。 近年还有DNA分子具有催化活性报道。
酶的概念： 酶是生物催化剂。由活细胞产生的具有高效催化能力 和催化专一性的蛋白质、核酸或其复合体。
脲酶：专一性水解尿素。
第一个被分离提取的酶，并证明其化学本质为蛋白质。 抗体酶：是用化学反应的过渡态类似物作免疫原产生 的催化性抗体，是一种具有催化能力的蛋白质，其本 质上是免疫球蛋白。
（6）对于结合酶，辅酶、辅基往往参与酶活中心的 组成。
第二节 酶催化作用的机制
一、酶与底物的结合——中间复合物学说
该学说认为，在酶促反应中，酶（E）总是先和底 物（S）结合生成不稳定的中间复合物（ES），再 分解成产物（P），并释放出酶（E）。 ——中间复合物学说能较好的解释酶为什么能降 低反应的活化能。
实际上，底物与酶结合是一种相互作用的过程， 底物可诱导蛋白质构象改变，蛋白质必需基团也可使 底物敏感键发生变化，更好“契合” 。 3.“三点附着”模型：该模型认为底物与酶活中心的 结合有三个结合位点，只有当这三个位点都匹配的时 候，酶才会催化相应的反应。
二、酶作用高效率机制
（一）底物与酶的邻近、定向效应
1）绝对专一性
酶化学
第三章酶学I 主要内容一、酶的组成分类1．酶的化学本质是蛋白质，可以分为简单蛋白和结合蛋白。
2．简单蛋白质酶类：这些酶的活性仅仅由它们的蛋白质结构决定。
3．结合蛋白质酶类：这些酶的活性取决于酶蛋白和辅因子两部分。
辅因子主要包括无机离子和有机小分子两种物质，其中有机小分子又根据其与酶蛋白结合的紧密程度不同分为辅酶和辅基。
在结合蛋白质酶类分子中，酶促反应的专一性主要由酶蛋白质的结构决定，催化性质则主要由辅因子化学结构所决定。
二、酶的催化特性1．高效性：酶的催化效率非常高，酶促反应的速度与化学催化剂催化的反应速度高1010倍左右。
2．专一性：每一种酶只能作用于某一类或某一种物质。
根据专一性的程度可分为绝对、相对专一性和立体结构专一性三种类型。
3．温和性：酶一般是在体温、近中性的pH及有水的环境下进行，作用条件较为温和。
4．酶活性的可调节性：细胞内酶活性可以受底物浓度、产物浓度等许多因素的影响。
三、酶的命名和分类1．命名法：习惯命名法和系统命名法。
2．国际系统分类和编号：根据国际系统分类法的原则，所有的酶促反应按反应性质分为六大类，用1，2，3，4，5，6的编号来表示。
1-氧化还原酶类；2-转移酶类；3-水解酶类；4-裂合酶类；5-异构酶类；6-合成酶类。
如：Ecl.1.1.27 乳酸：NAD+氧化还原酶。
四、酶活力(或酶活性)、比活力表示法用反应初速度表示酶活力。
酶活力单位：U；酶的比活力：U／mg蛋白质五、酶促反应动力学1．底物浓度对酶促反应速度的影响。
米氏常数(Km)：当酶反应速度达到最大反应速度一半时的底物浓度。
它是酶的特征性常数之一，只与酶的种类有关，而与底物浓度无关；米氏常数(Km)的测定主要采用双倒数作图法。
2．温度对酶反应速度的影响：最适温度：酶反应速度最大的环境温度，它是酶的条件性特征常数，只在一定情况下才有意义。
3．pH对酶促反应速度的影响：最适pH：酶反应速度最大的介质pH值。
4．酶浓度对酶反应速度的影响：当底物浓度远远大于酶浓度时，反应速度与酶浓度成正比。
酶化学
酶的分离纯化步骤
选材 保 存
破碎细胞
检测酶纯度
抽提
浓缩、制干
分离、纯化
进一步纯化
分离纯化注意事项：
全部操作一般在0~5℃间进行。用有机溶剂 时，必须在－15℃至－20℃下进行。
有时需在抽提溶剂中加少量EDTA，以妨重 金属使酶失活。
对于巯基酶需加入少量巯基乙醇，以妨酶 被氧化失活。 在整个分离纯化过程中，不能过度搅拌， 以免产生大量泡沫使酶失活。 在整个分离纯化过程中，必需经常测活， 以指导纯化工作。
一种酶蛋白一般只能与一种辅助因子结合
3、酶的辅助因子
辅助因子的化学本质是金属离子或小分子有机化合物，按其
与酶蛋白结合的紧密程度不同可分为辅酶（ coenzyme ）与 辅基（prosthetic group）。 辅酶：与酶蛋白结合疏松（一般非共价结合），可用透析或 超滤的方法除去 辅基：与酶蛋白结合紧密（一般以共价键结合），不能通过 透析或超滤将其除去
②结合酶：由蛋白质部分和非蛋白质部分组成，前者称为酶蛋 白（ apoenzyme ），后者称为辅助因子（ cofactor ）。酶蛋白
与辅助因子结合形成的复合物称为全酶（holoenzyme）。
全酶＝酶蛋白＋辅助因子
酶蛋白与辅助因子单独存在时，均无催化活性，只有二者结合
成全酶才有催化作用。
酶蛋白：决定反应专一性（特异性） 辅助因子：直接参加反应，决定反应类型（性质） 一种辅助因子可与多种酶蛋白结合
The Nobel Prize n Chemistry 1989
The Royal Swedish Academy of Sciences has awarded the 1997 Nobel Prize in Chemistry with one half to Paul D. Boyer and John E. Walker for their elucidation of the enzymatic mechanism underlying the synthesis of adenosine triphosphate (ATP); and with one half to Jens C. Skou, for the first discovery of an ion-transporting enzyme, Na+, K+-ATPase.
第三章 酶化学
5. 金属离子的催化效应
金属离子与底物形成络合物，稳定中间过渡态； 金属离子通过屏蔽底物的负电荷，使亲核反应更容易 进行。 6. 活性部位的疏水效应 活性部位通常位于疏水环境的裂缝中，使得酶和底物 的弱相互作用力变强，有利于反应的进行。
胰凝乳蛋白酶的催化机理（了解） 胰凝乳蛋白酶的催化机理（了解）
酯酶 酯酶
甘油＋ 3 脂肪酸
R1-COO-R2+H2O 蔗糖＋H2O 棉子糖＋H2O
蔗糖酶
R1-COOH + R2OH 葡萄糖 + 果糖 果糖 ＋ 蜜二糖
蔗糖酶
b. 基团专一性（族专一性）
（2）立体异构专一性 旋光异构专一性 L－氨基酸氧化酶只对L－氨基酸起作用，对D－ 氨基酸无作用。 D－氨基酸氧化酶只对D－氨基酸起 作用，对L－氨基酸无作用。 精氨酸酶催化L-精氨酸；乳酸脱氢酶催化L-乳酸； 苦杏仁酶只催化β-甲基葡萄糖苷水解，对α－甲基葡 萄糖苷无水解活性。
３. X-射线晶体衍射法 X４. 定点诱变法 定点突变的方法改变编码蛋白质的DNA的顺序， 定点突变的方法改变编码蛋白质的DNA的顺序， 通过判断突变前后酶活性的变化来研究酶的活性中心。
酶催化作用的机理：
影响酶催化效率的因素： 影响酶催化效率的因素： 1. 酶和底物的邻近和定向效应 邻近效应是指通过底物在酶分子表面的定位从而大大 提高底物的局部浓度，使反应速度加快的效应。 定向效应是指底物在酶的作用下，采取有利于反应进 行的取向。
2. 酶和底物的诱导契合
底物在酶的作用下，某些基团的电子云密度发生改 变，产生电子张力，底物分子形变，导致反应易于进行 的效应。
3. 酸碱催化效应
酶通过向底物分子提供瞬时的质子或接受瞬时的 质子而稳定酶-底物复合物，加快反应进行的效应。
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有些DNA也有催化活性
1995年Cuenoud等发现有些DNA分 子亦具有催化活性。
酶 enzymes
除蛋白质部分外，不需要其它的化学 成分的酶，即不需要辅助因子 (Cofactor)
第二节 酶的催化性质
1)高效性 2)酶在活性中心与底物结合 3)专一性 4)反应条件温和 5)对反应条件敏感容易失活 6)受到调控
1)高效性
酶的催化作用可使反应速度提高 106 _1012倍。
2)酶在活性中心与底物结合
• 活性中心：酶分子上 直接与底物结合，并 与催化作用直接相关 的区域。
活性中心由2部分组成：
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
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。
Cech和Altman各自独立地发现了RNA的催化 活性，并命名这一类酶为ribozyme（核酶），2人 共同获1989年诺贝尔化学奖。
酶还有以下功能：
控制一个反应在何时何地进行； 调节反应的速度； 防止副反应的发生； 优化特殊条件下的反应。
第三节 酶的命名及分类
1、酶的命名
1)习惯命名法:一般采用底物加反应类 型来命名，如蛋白水解酶、乳酸脱氢 酶、磷酸己糖异构酶。
2)国际系统命名法
系统名称包括底物名称、构型、反应性质, 最后加一个酶字。 例:丙氨酸:酮戊二酸氨基转移酶
H2O
脂肪酶
RCOOH
CH3CH2OH
2)氧化-还原酶(Oxidoreductase)
催化氧化-还原反应
CH3CHCOOH NAD+
CH3CCOOH NADH H+
乳酸脱
OH
氢酶
O
乳酸
(3)转移酶(Transferase)
催化基团转移反应
谷丙转氨酶
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.酶的分类
1)水解酶(hydrolase) 催化底物的加水分解反应
R
COOCH2CH3
1. 是一个三维实体； 2. 只占酶总体很小的一部分； 3. 为酶分子表面的一个裂缝、空隙、口袋； 4. 与底物结合为多重次级键； 5. 底物结合的特异性取决于活性中心和底物之间
的互补性。 6. 构想具有可变性。
3)专一性
又称特异性，指酶在催化生化反应时对底 物的选择性。
专一性的类型
绝对专一性 基团专一性 键专一性 立体专一性
① 结合部位：酶分子与底物直接结合的部位。
② 催化部位：酶分子中催化底物发生化学变化的部 位。
活性中心的形成需要酶分子具有一定的空间构象， 因此，酶分子中其他部位的作用对于酶的催化来说， 可能是次要的，但绝对不是毫无意义的，它们至少为 酶活性中心的形成提供了结构基础。
（牛胰岛素）
ห้องสมุดไป่ตู้
• 活性中心的特征：
酶的化学本质：RNA
发现了RNA具有催 化功能。获得了 1989年度诺贝尔化 学奖。
Sidney Altman
Thomas R.Cech
抗体酶（abzyme）
抗体：与抗原特异结合的免疫球蛋白。 抗体酶：指具有催化功能的抗体分子，在抗体分子的 可变区（即肽链的N端）是识别抗原的活性区域，这 部分区域被赋予了酶的属性。
需要其它的化学成分(Cofactor)的酶
Cofactors
一种或多种无机离子，如Fe2+, Mn2+等
复合有机或金属有机(metalloorganic) 分子, 即辅酶(Coenzymes)
全酶 = 酶蛋白 + 辅助因子
辅酶，辅基，金属离子
辅酶：与酶蛋白结合松散、用透析的方法就容易去除的 有机小分子；
4)反应条件温和
酶促反应一般在pH 5-8 水溶液中进行， 反应温度范围为20-40C。
5)对反应条件敏感容易失活
每一种酶都有最佳的反应条件，偏离最佳 条件或不佳的反应条件会影响到它的催 化效率，甚至导致酶活性丧失。
6)受到调控
酶的活性特别是一条代谢途径之中的限速 酶活性是受到严格调控的，调控的手段 也是多种多样的。
分别得到脲酶和 胃蛋白酶的结晶， 并用实验证明酶 是蛋白质。为此 获得了1946年度 诺贝尔化学奖。
James Batcheller Sumner
John Howard Northrop
• 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。
第一节 酶的化学本质
一、酶的特性
酶的概念 酶是活细胞产生的一类具有催化功能的生物
分子，又称为生物催化剂(Biocatalysts)。大多 数的酶都是蛋白质，极少数是RNA。
酶的化学本质：蛋白质
1926年美国Sumner得到了脲酶的 结晶，并指出酶是蛋白质
1930年Northrop等得到了胃蛋白 酶、胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶的结晶， 并进一步证明了酶是蛋白质。
辅基：与酶蛋白结合紧密、用透析的方法难以去除的有 机小分子；
金属酶：常见的金属酶有铜、镁、锰。
全酶(Holoenzyme): 具有完整催化活性的酶(酶 蛋白＋辅助因子)
Holoenzyme
辅助因子(Cofactor): coenzyme and/or one or more metal ions
酶蛋白(protein part): 酶去除辅助因 子的部分亦称为去辅基酶 (apoenzyme)或去辅基蛋白 (apoprotein)
有两种模型可以解释酶作用的专一性
1.锁钥学说：整个酶分子的天然构象是具有刚 性结构的，酶表面具有特定的形状。
2.诱导契合学说：酶表面并没有一种与底 物互补的固定形状，只是由于底物的诱导才 形成了互补形状。
3.“三点附着”模型：
酶与底物的结合处至 少有三个点，而且只 有一种情况是完全结 合的形式。