第三讲 酶学基础

哺乳动物丝氨酸蛋白酶和微生物丝氨酸蛋白酶 a. 氨基酸顺序相似度在15％左右 b. 活性中心丝氨酸附近的氨基酸顺序也不同 与上述三个酶来源不同，但是电荷中继网组成相同，功能相同
酶蛋白的结构
酶蛋白的结构和特征
酶的化学本质是蛋白质，因此也有一、二、三、四级结构 一级结构：化学结构，酶分子中氨基酸的排列顺序 肽键、二硫键 二、三、四级结构称为空间结构 二级结构：多肽链主链原子的局部空间排列，没有考虑它的 侧链的构象或与其他部分的相互关系。 螺旋结构（α,γ）和β-折叠 作用力为氢键，C＝O和NH均参与形成氢键
三级结构
在二级结构的基础上，肽链进一步转曲折叠而成。它是指单 一的多肽链或共价连接的多肽链中，所有原子在空间上的排 列。具有下述特征： a. 一条肽链往往通过螺旋结构、β-折叠、转角结构和无规卷 曲而形成紧密的三维球状结构。 不同分子可能有不同的螺旋度 一个分子可能含有不同的螺旋结构 螺旋结构之间、 β-折叠之间或螺旋结构和β-折叠之间是 无规卷曲 三维球状结构有利于把位于肽链各部分的活性基团密集在 一起形成酶的活性中心，赋予酶以催化活性和专一性
酶的辅助因子
有些酶仅由蛋白质组成：尿酶，溶菌酶等 有些酶不仅含有蛋白质组分，还含有非蛋白质组分，只有酶 蛋白和辅助因子结合形成的复合物（全酶）才有活性 酶蛋白：决定酶反应的专一性 辅助因子：传递电子或某些化学基团 酶的辅助因子主要是金属离子（如Fe2+, Fe3+, Cu+, Cu2+, Mn2+,Mn3+,Zn2+,Mg2+,K+,Na+,Mo6+,Co2+等） 以及有机化合物
酶活性中心的各基团在空间构象上的相对位置对酶 活性是至关重要的。 活性中心构象的维持依赖于酶分子空间结构的完整 性
酶空间结构被破坏，活性中心构象也会发生改变，甚至因 肽链松散而使活性中心各基团分散，酶也因之失活
有时只要酶活性中心各基团的相对位置得以维持， 就能保全酶的活力，一级结构的破坏并不影响酶活 性。
表3.4 酶的部分亚类
2、转移酶类（亚类表示底物中被转移基团的性质） 2.1 转移一碳基团 2.2 转移醛基或酮基
2.3 转移酰基 2.4 转移糖苷基 2.5 转移甲基以外的烷基或者芳基 2.6 转移含氮基团 2.7 转移磷酸基 2.8 转移含硫基团
表3.4 酶的部分亚类（续）
3、水解酶类（亚类表示被水解的键的类型） 3.1 水解酯键
a-D-fructofuranose
Ligases
ATP + g-L-glutamyl-L-cysteine + glycine
ADP + phosphate + glutathione
ATP或者其他NTP供能使两个分子连接
酶的编号：EC，四个阿拉伯数字， “· ”分开
第一个数字：上述六大类酶 第二个数字：大类下的亚类 第三个数字：亚类下的亚亚类，更精确地表明底物 和反应物的类型 前三个数字就已经表明了酶的特性包括反应物种 类、反应性质等 第四个数字：亚亚类下具体的个别的酶的编号 一般按照发现时间的先后排列
多元催化
酶的多元催化通常是几个基元反应协同作用的结果，如 胰凝乳蛋白酶中的Ser-195作为亲核基团进行亲核催化反应， 而His-57侧链基团则起碱催化作用。
金属离子催化
在所有已知的酶中，几乎有三分之一的酶表现活性时需要 存在金属离子。 1、金属酶：具有紧密结合的金属离子，一般为Fe2+, Fe3+, Cu2+, Mn2+,； 2、金属激活酶：金属离子结合较松，如Ca2+,Mg2+,K+,Na+； 金属离子以多种方式参与催化作用：与底物结合，使其在反 应中正确定向；通过金属离子氧化态的变化进行氧化还原反 应；通过静电作用稳定或掩蔽负电荷。
马肝乙醇脱氢酶、龙虾甘油醛脱氢酶、小鲨鱼乳酸脱氢酶和 猪苹果酸脱氢酶的的分子结构上都存在两个结构域，其中一 个是结合NAD＋的，在四个酶中都很相似。
一级结构和空间结构的关系
一级结构决定空间结构 决定酶的空间结构的因素有两个： 1、内因：一级结构所决定的各种侧链间的各种相互 作用，包括疏水键、氢键、离子键、二硫 键、配位键、范德华力等 2、外因：酶所处的环境，如溶剂、其他溶质、pH、 温度、离子强度等。
酶活性中心的有关基团可使底物精确定位，这样就好象冻结 了底物的移动和转动。 a. 酶对底物分子起电子轨道导向作用； b. 酶使分子间反应转变成分子内反应，邻近和定向效应也相当 于增加反应物的摩尔浓度，从而增加反应速度； c. 酶对底物的邻近和定向作用生产ES中间物。ES寿命比一般 双分子相互碰撞的平均寿命要长，快速动力学技术测得前者 为10-7—10-4秒，而后者为10-13秒。这样就大大增加了产 物形成的几率。这种作用叫底物固定作用。
邻近和定向效应
当一个反应发生时，其反应物分子之间并不是相互靠近 以后在任何方向上都可以发生反应，必须有一定的反应空 间定向关系。相互反应的原子沿一轨道接近时，偏离最佳 方向很小的角度也会明显降低反应活性。 实验证明，除了邻近效应外，反应物之间相对移动和适 当定向也可使反应速度大大增加。（催化剂共价结合在反 应物上反应速度大大加快。） 对于一个双分子反应，当酶使两个底物分子安置在一起时， 不仅增加了邻近效应，且降低了相对平移和旋转运动（降 低熵值）。
酶催化的专一性和高效性
酶和底物的结合作用
酶和底物的有两种结合作用：酶与基态底物的结合 酶与过渡态底物的结合 一个所谓完全进化的酶必须具备与基态底物弱结合而与过渡 态底物强结合的性质。只有当底物处于过渡态，酶的活性部位 与其形状完全匹配，相互作用力达到最强，ES*才能稳定，反 应活化能大大降低。 过渡态的稳定化作用是酶加速反应的基本因素，过渡态类似 物是酶蛋白的强抑制剂这一现象也证明了这一观点。
Unit
– 活力单位：每分钟转化1umol底物所需酶量
Km
– 活力降到一半的底物浓度
Vmax
– 最大活力
底物专一性
理论假设：锁钥学说；诱导契合假说 专一性类型：
a、立体化学专一性
光学专一性 —— （L,D; R,S） L-氨基酸，D-葡萄糖 几何专一性 —— 顺反异构；区域选择性；
也有很多酶的活性中心附近氨基酸序列互不相同
酶的活性中心一般很小（几个到几十个氨基酸残基）， 为什么需要一个这样大而复杂的分子结构？
为了使催化基团和结合基团聚集起来，并保持它们 相应的空间位置 赋予此活性中心有一定的柔性 因此这样大而复杂的分子结构是必需的。
催化位点和结合位点可以不止一个。可以有几个亚 位点，和底物不同的结合部位结合。
如牛胰核糖核酸酶分子的切断和重组(N端20肽和C端104肽)
同源的趋异进化
来自胰脏的胰凝乳蛋白酶、胰蛋白酶和弹性蛋白酶， a. 活性中心丝氨酸附近的氨基酸序列相同 b. 其分子一级结构中有40％的氨基酸顺序也相同 c. 其三维结构也相同 起源于共同的祖先，但是底物专一性不同（基因突变）
异源的趋同进化
外因是条件，有较大影响 内因是根据，即酶的一级结构决定其空间结构
如能否形成螺旋结构，形成的螺旋结构的稳定程度， 这些与氨基酸侧链基团的大小、电荷性质密切相关 酶的三维构象是多肽链主链上的各个单键的旋转自由度 受到各种限制的总结果。这些限制包括： 肽键的硬度（即肽键的平面性质），Cα－C和 Cα －N 键旋转的许可角度，疏水基团和亲水基团的数目、位置， 带电基团的性质、数目和位置等。 通过这些侧链基团的彼此作用，以及它们与溶剂和其他 溶质的相互作用，最后达到平衡，形成在生物体条件下热力 学上最稳定的空间结构，实现自我装配。
b. 非极性侧链在酶分子内部，形成疏水核，这是酶分子的骨 架；极性侧链在酶分子的表明，形成亲水区。极性基团的 种类、数目、排布决定酶的功能 c. 酶分子表面往往有一个内陷的空穴（或者叫裂隙、口袋、凹 槽），一般是疏水区，是酶分子的活性部位
四级结构
组成酶蛋白四级结构的最小单位称为亚基（subunits） 四级结构是指各亚基在寡聚酶中的空间排布及其相互作用， 但是不考虑亚基的内部几何形状，每个亚基的三维结构仍被看 作它的三级结构。 形成寡聚酶的倾向与酶分子中的疏水氨基酸含量有关 30％以上的疏水AA，疏水键是主要作用力，偶尔也有离子键
酶的特性－－具有催化剂的共性
1、更高的催化效率：提高108－1020倍，比非酶催化反应速 率高几个数量级 2、更高的反应专一性：底物和产物专一性
如：多肽生物合成，超过1000个AA残基的多肽
多肽化学合成，50个AA残基的长度
3、反应条件温和：常温，大气压，中性pH 4、具有调节能力：酶活受多种调节机制的灵活调节
酶催化的化学机制
酸碱催化
酸（或碱）可以通过暂时提供（或接受）一个质子以稳定 过渡态达到催化反应的目的。 如酮与醇的异构化反应十分缓慢，加入酸或碱催化剂，可 使反应大大加快。 酶分子中氨基酸侧链具有质子供体和受体的功能，所以推 测酸碱催化在酶分子中起了重要作用是合理的，如溶菌酶催 化水解寡聚糖。 组氨酸侧链pKa接近7，因此在中性pH条件下可作为质子 传递体。一些酯酶、肽酶和蛋白酶活性中心的组氨酸在酶的 酸碱催化中起了及其重要的作用。
3.2 水解糖苷键
3.3 水解醚键 3.4 水解肽键 3.5 水解其他C－N键 3.6 水解酸酐键 3.11 水解C－P键
氨基酸的分类：
1、非极性氨基酸：丙氨酸(Ala)，缬氨酸(Val) ，亮氨酸(Leu)， 异亮氨酸(Ile)，苯丙氨酸(Phe)，蛋氨酸(Met)， 色氨酸 (Trp) 2、极性氨基酸：甘氨酸(Gly)，丝氨酸(Ser)，苏氨酸(Thr)， 半胱氨酸(Cys)，天冬酰胺(Asn)，谷氨酰胺(Gln)， 酪氨酸(Tyr) 3、酸性氨基酸：天东氨酸(Asp)，谷氨酸(Glu) 4、碱性氨基酸：赖氨酸(Lys)，精氨酸(Arg)，组氨酸(His) 5、亚氨基酸：脯氨酸(Pro)