第03章酶生物化学

2020/6/8
本章教学重点
酶的化学本质，单纯酶、结合酶、全酶、辅酶与辅基的概 念，金属离子的作用；酶的辅助因子与水溶性维生素的关 系，维生素的概念、分类； 酶的活性中心的概念。必需 基团的分类及其作用；酶促反应的特点：高效性、高特异 性和可调节性；底物浓度对酶促反应的影响：米一曼氏方 程，Km值的意义；抑制剂对酶促反应的影响：不可逆抑 制的作用，可逆性抑制包括竞争性抑制、 非竞争性抑制、 反竞争性抑制的动力学特征；酶原与酶原激活的过程与生 理意义；变构酶、变构调节、共价修饰和同工酶的概念。
醛基 酰基
烷基 二氧化碳 氨基 甲基、甲烯基、甲炔基 、甲酰基等一碳单位
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小分子有机化合物(辅酶或辅基)
名称
所含的维生素
NAD＋(尼克酰胺腺嘌呤二核苷 尼克酰胺(维生素PP)之一 酸，辅酶I)
NADP＋(尼克酰胺腺嘌呤二核 尼克酰胺(维生素PP)之一 苷酸磷酸，辅酶II)
FMN(黄素单核苷酸) FAD(黄素腺嘌呤二核苷酸) TPP(焦磷酸硫胺素) 辅酶A(CoA)
非共价键连接组成的酶。 ➢ 多酶体系(multienzyme system)：由几种不同功能的酶彼
此聚合形成的多酶复合物(如丙酮酸脱氢酶复合体)。 ➢ 多 功 能 酶 (multifunctional enzyme) 或 串 联 酶 (tandem
enzyme)：一些多酶体系在进化过程中由于基因的融合， 多种不同催化功能存在于一条多肽链中，这类酶称为多功 能酶(如逆转录酶)。
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一、酶的分子组成
单纯酶 (simple enzyme) 结合酶 (conjugated enzyme)
全酶 (holoenzyme)
蛋白质部分：酶蛋白 (apoenzyme)
辅助因子 (cofactor)
小分子有机化合物 金属离子
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全酶分子中各部分在催化反应中的作用: ➢ 酶蛋白决定反应的特异性 ➢ 辅助因子决定反应的种类与性质
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第三节 酶促反应动力学
Kinetics of Enzyme-Catalyzed Reaction
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➢ 酶 的 催 化 效 率 可 用 酶 的 转 换 数 (turnover number) 来表示。酶的转换数是指在酶被底 物饱和的条件下，每个酶分子每秒钟将底物 转化为产物的分子数。
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（二）酶促反应具有高度的特异性
酶的特异性 (specificity) 一种酶仅作用于一种或一类化合物，
代谢过程中的水解、水合、分子重排和许多取代 反应，都是因酶的酸碱催化而加速完成。
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广义酸基团（质子供体） 广义碱基团（质子受体）
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２.共价催化作用(covalent catalysis) 某些酶能与底物形成极不稳定的、共价结合的ES复 合物(过渡态)，从而降低反应的活化能，这些复合 物极易变成产物，加速化学反应速度。
或一定的化学键，催化一定的化学反应并 生成一定的产物。酶的这种特性称为酶的 特异性或专一性。
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根据酶对其底物结构选择的严格程度不同， 酶的特异性可大致分为以下3种类型： ➢ 绝对特异性(absolute specificity)：只能作用 于特定结构的底物，进行一种专一的反应，生 成一种特定结构的产物 。 ➢ 相对特异性(relative specificity)：作用于一 类化合物或一种化学键。 ➢ 立体结构特异性(stereospecificity)：作用于 立体异构体中的一种。
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小分子有机化合物是一些化学稳定的小分子 物质，称为辅酶 (coenzyme)。 ➢ 其主要作用是参与酶的催化过程，在反应中 传递电子、质子或一些基团。 ➢ 辅酶的种类不多，且分子结构中常含有维生 素或维生素类物质。
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某些辅酶(辅基)在催化中的作用
转移的基团 氢原子(质子)
维生素B2(核黄素) 维生素B2(核黄素) 维生素B1(硫胺素) 泛酸
硫辛酸
硫辛酸
钴胺素辅酶类 生物素
维生素B12 生物素
磷酸吡哆醛
吡哆醛(维生素B6之一)
四氢叶酸
叶酸
辅酶中与酶蛋白共价结合的辅酶又称为辅基 (prosthetic group)。
辅基和酶蛋白结合紧密，不能通过透析或超 滤等方法将其除去，在反应中不能离开酶蛋 白，如FAD、FMN、生物素等。
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二、酶的活性中心
必需基团(essential group) 酶分子中氨基酸残
基侧链的化学基团中， 一些与酶活性密切相关 的化学基团。
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酶的活性中心 (active center/site) 指必需基团在空间结构上彼此靠近，组
成具有特定空间结构的区域，能与底物特异 结合并将底物转化为产物。
➢ 同工酶存在于同一种属或同一个体的不同组织 或同一细胞的不同亚细胞结构中，它使不同的 组织、器官和不同的亚细胞结构具有不同的代 谢特征。这为同工酶用来诊断不同器官的疾病 提供了理论依据。
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举例 1
H 心肌型
M 骨骼肌型(碱性AA较多)
HH HH
血清% 器官分布
LDH1 (H4)
27
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（三）酶促反应的可调节性
酶促反应受多种因素的调控，以适应机体 对不断变化的内外环境和生命活动的需要。
➢ 区域化分布与基因分化/融合/编辑 ➢ 酶原激活 ➢ 对酶生成与降解量的调节 ➢ 酶催化效率的调节 ➢ 通过改变底物浓度对酶进行调节等
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二、酶促进反应速率的机制
（一）酶比一般催化剂更有效地降低反应活化能
取液，实现了发酵。 ➢ 1926年，Sumner首次从刀豆中提纯出脲酶结晶
。
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➢ 1982年，Cech首次发现RNA也具有酶的催化活 性，提出核酶(ribozyme)的概念。
➢ 2019年，Jack W.Szostak研究室首先报道了具有 DNA 连 接 酶 活 性 DNA 片 段 ， 称 为 脱 氧 核 酶 (deoxyribozyme)。
邻近效应与定向排列：
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两个基团邻近和定向示意图
a.不靠近不定向；b.靠近不定向；c.靠近定向
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3.表面效应使底物分子去溶剂化
➢酶的活性中心多位于酶分子的疏水“口袋”，酶 反应在此疏水环境中进行，使底物分子脱溶剂化 (desolvation)，排除周围大量水分子对酶和底物 分子中功能基团的干扰性吸引和排斥，防止水化 膜的形成，利于底物与酶分子的密切接触和结合。 这种现象称为表面效应(surface effect)。
（二）酶-底物复合物的形成
酶底物复合物
E+S
ES
(过渡态)
E+P
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1．诱导契合作用使酶与底物密切结合 ➢酶与底物相互接近时，其结构相互诱导、相 互变形和相互适应，进而相互结合。这一过 程称为酶-底物结合的诱导契合(induced-fit) 。
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酶受底物诱导发生构象改变，特别是活性中心的 功能基团位移或改向，呈现一种高活性功能状态。
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金属离子是最多见的辅助因子 ➢ 金属酶(metalloenzyme) 金属离子与酶结合紧密，提取过程中不 易丢失。 ➢ 金属激活酶(metal-activated enzyme) 金属离子为酶的活性所必需，但与酶的 结合不甚紧密。
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➢ 金属离子的作用： 参与催化反应，传递电子； 在酶与底物间起桥梁作用； 稳定酶的构象； 中和阴离子，降低反应中的静电斥力等。
加之，由于酶的活性中心关键性电荷基团可使底 物分子电子云密度改变，产生张力作用使底物扭 曲，削弱有关的化学键，从而使底物从基态转变 成过渡态，有利于反应进行。
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X-射线晶体衍射证明，溶菌酶与底物结合后，底 物中的乙酰氨基葡糖中吡喃环可从椅式扭曲成沙 发式，导致糖苷键断裂，实现溶菌结合基团
(binding group) 与底物相结合
催化基团
(catalytic group) 催化底物转变成产物
➢ 活性中心外的必需基团
位于活性中心以外，维持酶活性中心应有 的空间构象和（或）作为调节剂的结合部位所 必需。
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活性中心以外 的必需基团
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第一节
酶的分子结构与功能
The Molecular Structure and Function of Enzyme
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酶的不同形式:
➢ 单体酶(monomeric enzyme)：仅有三级结构的酶。 ➢ 寡聚酶(oligomeric enzyme)：由多个相同或不同亚基以
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一、酶促反应的特点
（一）酶促反应具有极高的效率
➢ 酶的催化效率通常比非催化反应高108～1020倍， 比一般催化剂高107～1013倍。
➢ 酶的催化不需要较高的反应温度。 ➢ 酶和一般催化剂加速反应的机理都是降低反应
的活化能(activation energy)。酶比一般催化剂 更有效地降低反应的活化能。
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３.亲核催化作用(nucleophilic catalysis) 通常酶分子活性中心内都含有亲核基团，如Ser的 羟基Cys的巯基、His的咪唑基、Lys的e－氨基这些 基团都有剩余的电子对，可以对底物缺电子基团发 动亲核攻击。例如胰凝乳蛋白酶，就是利用Ser195 －OH的H+通过His57传向Asp102后，Ser195－O-一 成为强的亲核基团，来攻击底物的羰基碳（>C=O）
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