酶类王镜岩生物化学第三版笔记打印版Word下载.docx
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三、酶特性
酶是生物体产生，有催化能力蛋白质。
细胞内蛋白质，90％均有催化活性。
酶是一种生物催化剂，与普通催化剂同样，只变化反映速度，不变化化学平衡，并在反映先后自身不变。
但酶作为生物催化剂，与普通无机催化剂相比有如下特点：
1.催化效率高酶催化效率比无机催化剂高106－1013倍。
举例来说，1mol马肝过氧化氢酶在一定条件下可催化5×
106摩尔过氧化氢分解，在同样条件下1mol铁只能催化6×
10－4摩尔过氧化氢分解。
因而，这个酶催化效率是铁1010倍。
也就是说，用过氧化氢酶在1秒内催化反映，同样数量铁需要3才干反映完。
2.专一性强普通催化剂对底物没有严格规定，能催化各种反映，而酶只催化某一类物质一种反映，生成特定产物。
因而酶种类也是各种各样。
酶催化反映称为酶促反映，酶促反映反映物称为底物。
酶只催化某一类底物发生特定反映，产生一定产物，这种特性称为酶专一性。
各种酶专一性不同，涉及构造专一性和立体专一性两大类，构造专一性又有绝对专一性和相对专一性之分。
绝对专一性指酶只催化一种底物，生成拟定产物。
如氨基酸：
tRNA连接酶，只催化一种氨基酸与其受体tRNA连接反映。
相对专一性指酶催化一类底物或化学键反映。
如醇脱氢酶可催化许多醇类氧化反映。
尚有许多酶具备立体专一性，对底物构型有严格规定。
如乳酸脱氢酶只能催化L-乳酸，不能催化D-乳酸反映。
3.反映条件温和酶促反映不需要高温高压及强酸强碱等激烈条件，在常温常压下即可完毕。
4.酶活性受各种因素调节无机催化剂催化能力普通是不变，而酶活性则受到诸多因素影响。
例如底物和产物浓度、pH值以及各种激素浓度都对酶活有较大影响。
酶活变化使酶能适应生物体内复杂多变环境条件和各种各样生理需要。
生物通过变构、酶原活化、可逆磷酸化等方式对机体代谢进行调节。
5.稳定性差酶是蛋白质，只能在常温、常压、近中性条件下发挥作用。
高温、高压、强酸、强碱、有机溶剂、重金属盐、超声波、激烈搅拌、甚至泡沫表面张力等均有也许使酶变性失活。
但是自然界中酶是各种各样，有些酶可以在极端条件下起作用。
有些细菌生活在极端条件下，如超噬热菌可以生活在90℃以上环境中，高限为110℃；
噬冷菌最适温度为－2℃，高于10℃不能生长；
噬酸菌生活在pH1如下，噬碱菌最适pH不不大于11；
噬压菌最高可耐受1035个大气压。
这些噬极菌胞内酶较为正常，但胞外酶却可以耐受极端条件作用。
有些酶在有机溶剂中可以催化在水相中无法完毕反映。
四、酶命名与分类
1.命名
酶命名法有两种：
习惯命名与系统命名。
习惯命名以酶底物和反映类型命名，有时还加上酶来源。
习惯命名简朴，惯用，但缺少系统性，不精确。
1961年国际酶学会议提出了酶系统命名法。
规定应标明酶底物及反映类型，两个底物间用冒号隔开，水可省略。
如乙醇脱氢酶系统命名是：
醇：
NAD+氧化还原酶。
2.分类
按照催化反映类型，国际酶学委员会将酶分为六大类。
在这六大类里，又各自分为若干亚类，亚类下又分小组。
亚类划分原则：
氧化还原酶是电子供体类型，移换酶是被转移基团形状，水解酶是被水解键类型，裂合酶是被裂解键类型，异构酶是异构作用类型，合成酶是生成键类型。
（1）氧化还原酶催化氧化还原反映，如葡萄糖氧化酶，各种脱氢酶等。
是已发现量最大一类酶，其氧化、产能、解毒功能，在生产中应用仅次于水解酶。
需要辅因子，可依照反映时辅因子光电性质变化来测定。
按系统命名可分为19亚类，习惯上可分为4个亚类：
²
脱氢酶：
受体为NAD或NADP，不需氧。
氧化酶：
以分子氧为受体，产物可为水或H2O2，常需黄素辅基。
过氧物酶：
以H2O2为受体，常以黄素、血红素为辅基
氧合酶（加氧酶）：
催化氧原子掺入有机分子，又称羟化酶。
按掺入氧原子个数可分为单加氧酶和双加氧酶。
（2）移换酶类催化功能基团转移反映，如各种转氨酶和激酶分别催化转移氨基和磷酸基反映。
移换酶也叫转移酶，多需要辅酶，但反映不易测定。
按转移基团性质，可分为8个亚类，较重要有：
一碳基转移酶：
转移一碳单位，与核酸、蛋白质甲基化关于。
磷酸基转移酶：
常称为激酶，多以ATP为供体。
少数蛋白酶也称为激酶（如肠激酶）。
糖苷转移酶：
与多糖代谢密切有关，如糖原磷酸化酶。
（3）水解酶类催化底物水解反映，如蛋白酶、脂肪酶等。
起降解作用，多位于胞外或溶酶体中。
有些蛋白酶也称为激酶。
可分为水解酯键（如限制性内切酶）、糖苷键（如果胶酶、溶菌酶等）、肽键、碳氮键等11亚类。
（4）裂合酶类催化从底物上移去一种小分子而留下双键反映或其逆反映。
涉及醛缩酶、水化酶、脱羧酶等。
共7个亚类。
（5）异构酶类催化同分异构体之间互相转化。
涉及消旋酶、异构酶、变位酶等。
共6个亚类。
（6）合成酶类催化由两种物质合成一种物质，必要与ATP分解相偶联。
也叫连接酶，如DNA连接酶。
共5个亚类。
3.酶编号
国际酶学委员会依照酶类别，给每种酶规定了统一编号。
酶编号由EC和4个用圆点隔开数字构成。
EC表达酶学委员会，第一种数字表达酶类别，第二个数字表达酶亚类，第三个数字表达酶小组，第四个数字表达酶在小组中序列号。
如EC1.1.1.1表达这个酶是氧化还原酶，电子供体是醇，电子受体是NAD+,序列号是1，即乙醇脱氢酶。
胰蛋白酶编号是EC3.4.4.4，4个数字分别表达它类型是水解酶；
水解键是肽键；
是内切酶而不是外切酶；
序列号是4。
多功能酶可以有各种编号。
五、酶活力
1.定义指酶催化一定化学反映能力。
2.单位在特定条件下，1分钟内转化1微摩尔底物所需酶量为一种活力单位（U）。
温度规定为25度，其她条件取反映最适条件。
比活：
每毫克酶蛋白所具备酶活力。
单位是u/mg。
比活越高则酶越纯。
转化数：
每分子酶或每个酶活性中心在单位时间内能催化底物分子数（TN）。
相称于酶反映速度常数kp。
也称为催化常数（Kcat）。
1/kp称为催化周期。
碳酸酐酶是已知转换数最高酶之一，高达36×
106每分，催化周期为1.7微秒。
3.测定普通采用测定酶促反映初速度办法来测定活力，由于此时干扰因素较少，速度保持恒定。
反映速度单位是浓度/单位时间，可用底物减少或产物增长量来表达。
由于产物浓度从无到有，变化较大，而底物往往过量，其变化不易测准，因此多用产物来测定。
第二节酶构造
一、酶分子化学构成
酶本质是蛋白质。
酶与其她蛋白同样，由氨基酸构成，具备一、二、三、四级构造。
酶也会受到某些物理、化学因素作用而发生变性，失去活力。
酶分子量很大，具备胶体性质，不能透析。
酶也能被蛋白酶水解。
1.辅因子
有些酶完全由蛋白质构成，属于简朴蛋白，如脲酶、蛋白酶等；
有些酶除蛋白质外，还具有非蛋白成分，属于结合蛋白。
其中非蛋白成分称为辅因子（cofactor），蛋白某些成为酶蛋白，复合物叫全酶。
辅因子普通起携带及转移电子或功能基团作用，其中与酶蛋白以共价键紧密结合称为辅基，以非共价键松散结合称为辅酶。
在催化过程中，辅基不与酶蛋白分离，只作为酶内载体起作用，如黄素蛋白类酶分子中FAD、FMN辅基携带氢，羧化酶生物素辅基携带羧基等等。
辅酶则常作为酶间载体，将两个酶促反映连接起来，如NAD+在一种反映中被还原成NADH，在另一种反映中又被氧化回NAD+。
它在反映中象底物同样，有时也称为辅底物。
有30％以上酶需要金属元素作为辅因子。
有些酶金属离子与酶蛋白结合紧密，不易分离，称为金属酶；
有些酶金属离子结合松散，称为金属活化酶。
金属酶辅因子普通是过渡金属，如铁、锌、铜、锰等；
金属活化酶辅因子普通是碱金属或碱土金属，如钾、钙、镁等。
2.单体酶、寡聚酶和多酶体系
由一条肽链构成酶称为单体酶，由多条肽链以非共价键结合而成酶称为寡聚酶，属于寡聚蛋白。
有时在生物体内某些功能有关酶被组织起来，构成多酶体系，依次催化关于反映。
构成多酶体系是代谢需要，可以减少底物和产物扩散限制，提高总反映速度和效率。
有时一条肽链上有各种酶活性，称为多酶融合体。
如糖原分解中脱支酶在一条肽链上有淀粉-1，6-葡萄糖苷酶和4-α-D-葡聚糖转移酶活性；
来自樟树种子克木毒蛋白（camphorin）由一条肽链构成，有三种活性：
①RNAN-糖苷酶活性，可水解大鼠28SrRNA中第4324位腺苷酸糖苷键，释放一种腺嘌呤；
②依赖于超螺旋DNA构型核酸内切酶活性，专一解旋并切割超螺旋环状DNA形成缺口环状和线状DNA；
③超氧化物歧化酶活性。
来自红色链孢霉AROM多酶融合体是二聚体，每条肽链含五种酶活性，可催化莽草酸途径第二至第六步反映，由于有中间产物传递通道，使催化效率大为提高。
二、酶活性中心
1.定义
酶是大分子，其分子量普通在一万以上，由数百个氨基酸构成。
而酶底物普通很小，因此，直接与底物接触并起催化作用只是酶分子中一小某些。
有些酶底物虽然较大，但与酶接触也只是一种很社区域。
因而，人们以为，酶分子中有一种活性中心，它是酶分子一小某些，是酶分子中与底物结合并催化反映场合。
活性中心是有酶分子中少数几种氨基酸残基构成，它们在一级构造上也许相距很远，甚至位于不同肽链上，由于肽链盘曲折叠而互相接近，构成一种特定活性构造。
因而活性中心不是一种点或面，而是一种小空间区域。
活性中心氨基酸按功能可分为底物结合部位和催化部位。
前者负责辨认特定底物并与之结合。
它们决定了酶底物专一性。
催化部位是起催化作用，底物敏感键在此被切断或形成新键，并生成产物。
两者分别并不是绝对，有些基团既有底物结合功能又有催化功能。
Koshland将酶分子中残基分为四类：
接触亚基负责底物结合与催化，辅助亚基起协助作用，构造亚基维持酶构象，非贡献亚基替代对活性无影响，但对酶免疫、运送、调控与寿命等有作用。
前两者构成活性中心，前三者称为酶必要基团。
活性中心以外某些并不是无用，它们可以维持酶空间构造，使活性中心保持完整。
在酶与底物结合后，整个酶分子构象发生变化，这种扭动张力使底物化学键容易断裂。
这种变化也要依托非活性中心协同作用。
普通单体酶只有一种活性中心，但有些具备各种功能多功能酶具备各种活性中心。
如大肠杆菌DNA聚合酶I是一条109kd肽链，既有聚合酶活性，又有外切酶活性。
3.形成过程
有些酶在细胞内刚刚合成或分泌时，尚不具备催化活性，这些无活性酶前体称为酶原。
酶原通过激活才干转化为有活性酶。
酶原激活是通过变化酶分子共价构造来控制酶活性一种机制，通过肽链剪切，变化蛋白构象，从而形成或暴露酶活性中心，使酶原在必要时被活化成为有活性酶，发挥其功能。
4.研究活性中心办法
酶底物和竞争性抑制剂构造特点有助于研究酶活性中心构造。
酶最适pH及速度常数等动力学特点也可提供某些信息。
化学修饰在活性中心研究中起过很重要作用。
由于活性中心基团反映性常与其她基团不同，因此某些试剂可以专一性地与活性中心中某种残基反映，而不与活性中心外残基作用。
如DFP（二异丙基氟磷酸）可与活性中心中丝氨酸反映。
TPCK（N-对甲苯磺酰苯丙氨酰氯甲基酮）专一性更强，只能与糜蛋白酶活性中心His-57结合，称为亲和标记。
它是底物类似物，烷化剂。
TLCK（赖氨酸衍生物）作用于胰酶His-46。
某些试剂专一性不强，可用差示标记法：
先用底物类似物保护活性中心，加入修饰剂，与活性中心以外基团反映，然后除去抑制剂，再加入放射性标记试剂，此时试剂只能与活性中心基团反映，测定放射性位置，即可找到活性中心。
紫外、荧光、园二色光谱等办法也可用与活性中心研究。
在酶与底物结合时，位于底物结合部位生色团必然会发生某种变化，从而导致其光谱变化。
这些生色团可以是酶自身带有，也可以人工引入。
这种办法可以用来判断活性中心构成，也可以研究催化反映过程。
最直接最精确办法是X-射线衍射。
三、同工酶
同工酶是同毕生物催化同一反映不同酶分子。
同工酶催化作用相似，但其功能意义有所不同。
不同种生物有相似功能酶不是同工酶。
同工酶具备相似或相似活性中心，但其理化性质和免疫学性质不同。
同工酶细胞定位、专一性、活性及其调节可有所不同。
每种同工酶均有其独特功能意义。
如乳酸脱氢酶（LDH）是由4个亚基构成四聚体。
亚基有A（M）和B（H）两种，有5种同工酶：
LDH1（H4）、LDH2（MH3）、LDH3（M2H2）、LDH4（M3H）、LDH5（M4）。
M、H两个亚基由不同基因编码，在不同细胞中合成速度不同，因此在不同组织器官中5种同工酶比例不同，经电泳分离后会得到不同同工酶谱。
人体心肌中LDH1和LDH2较多，而骨骼肌中LDH5较多。
M亚基对丙酮酸Km较高，且不受底物抑制，因而肌肉可生成大量乳酸；
H亚基Km小，并受底物抑制，随底物增长不久饱和，因此心脏生成乳酸很少，此酶重要用于乳酸氧化。
临床上通过度析病人血清LDH同工酶谱，有助于诊断病变发生部位。
如心肌损害时血清中LDH1升高；
肺损害时LDH3升高。
第三节酶催化机制
一、酶与底物结合
酶与底物结合伙用力重要是氢键、盐键和范德华力。
盐键是带电荷基团之间静电吸引力，疏水基团之间作用也称为疏水键。
酶与底物结合是有专一性，人们曾经用锁和钥匙来比喻酶和底物关系。
这种“锁钥学说”是不全面。
例如，酶既能与底物结合，也能与产物结合，催化其逆反映。
于是又提出了“诱导契合学说”,以为当酶与底物接近时，酶蛋白受底物分子诱导，其构象发生变化，变得有助于与底物结合和催化。
二、酶加快反映速度因素
酶加快反映速度重要靠减少反映活化能，即底物分子达到活化态所需能量。
例如脲酶可使尿素水解反映活化能由136kj/mol降到46kj/mol，使反映速度提高1014倍。
酶催化机理重要有如下几点：
1.邻近定向对一种双分子反映，酶可以使两个底物结合在活性中心彼此接近，并具备一定取向。
这比在溶液中随机碰撞更容易反映。
对不同反映，由分子间反映变成分子内反映后，反映速度可加快100倍到1011倍。
2.底物形变酶与底物结合时，不但酶构象变化，底物构象也会发生变化。
这种变化使底物更接近于过渡态，因而可以减少活化能。
3.酸碱催化和共价催化酶活性中心某些残基侧链基团可以起酸碱催化或共价催化作用。
酸碱催化可分为普通酸碱催化和特殊酸碱催化两种，特殊酸碱催化是指H+和OH-催化作用；
普通酸碱催化还涉及其她弱酸弱碱催化作用。
酶促反映普通发生在近中性条件，H+和OH-浓度很低，因此酶促反映重要是普通酸碱催化。
酶分子中某些可解离集团如咪唑基、羧基、氨基、巯基常起普通酸碱催化作用，其中咪唑最活泼有效。
有些酶有酸碱共催化机制及质子转移通路。
四甲基葡萄糖在苯中变旋反映如果单独用吡啶（碱）或酚（酸）来催化，速度很慢；
如果两者混合催化，则速度加快，即酸碱共催化。
如果把酸和碱集中在一种分子中，即合成α－羟基吡啶，它催化速度又加快7000倍。
这是由于两个催化集团集中在一种分子中有助于质子传递。
在酶－底物复合物中经常由氢键和共轭构造形成质子传递通路，从而大大提高催化效率。
共价催化可分为亲电催化和亲核催化。
丝氨酸蛋白酶、含巯基木瓜蛋白酶、以硫胺素为辅酶丙酮酸脱羧酶均有亲核催化作用。
羟基、巯基和咪唑基均有亲核催化作用。
金属离子和酪氨酸羟基、－NH3+都是亲电基团。
共价催化经常形成反映活性很高共价中间物，将一步反映变成两步或多步反映，绕过较高能垒，使反映迅速进行。
例如胰蛋白酶通过丝氨酸侧链羟基形成酰基-酶共价中间物，减少活化能。
4.微环境作用有些酶活性中心是一种疏水微环境，其介电常数较低，有助于电荷之间作用，也有助于中间物生成和稳定。
如赖氨酸侧链氨基pK约为9，而在乙酰乙酸脱羧酶活性中心赖氨酸侧链pK只有6左右。
以上几点都可加速反映，但每种酶不同，可同步具备其中几种因素。
第四节酶促反映动力学
酶促反映动力学是研究酶促反映速度以及影响速度各种因素科学。
动力学研究既可觉得酶机理研究提供实验证据，又可以指引酶在生产中应用，最大限度地发挥酶催化作用。
一、米氏方程
1.米氏方程推导
米氏学说是19Michaelis和Menton建立，以为反映分为两步，先生成酶-底物复合物（中间产物），再分解形成产物，释放出游离酶。
通过Briggs和Haldane补充与发展，得到了当前米氏方程。
Ｓ＋Ｅ＝ＳＥ＝Ｐ＋Ｅ
对于上面反映，一方面有三点假设：
第一，底物大过量，即[S]》[E]。
第二，在反映初期，产物浓度极小，忽视逆反映即k-2=0；
第三，稳态假设，即随着反映进行，复合物形成速度逐渐减少，分解加快，在某一时刻达到平衡，复合物浓度为常数，这种状态称为“稳态”。
体系达到稳态后，底物消耗和产物生成速度都是常数，且相等。
经测定，酶加入体系后，在几毫秒之内即可达到稳态，因此咱们测定初速度普通是稳态速度。
在产物积累较多之前，体系始终保持稳态，因此反映速度
v=k2[ES]。
依照稳态假设，有k1[E][S]=（k-1+k2）[ES]，即[ES]=k1[E][S]/（k-1+k2）。
定义（k-1+k2）/k1=Km，由于[E]=[E]0-[ES]，故[ES]=[E]0[S]/（Km+[S]）。
代入速度方程，得到v=k2[E]0[S]/（Km+[S]）。
由于当[ES]=[E]0时速度最大，因此Vm=k2[E]0。
代入，得到下列米氏方程：
v=Vm×
[S]/（Km+[S]）
2.米氏常数意义
米氏常数物理意义是反映速度达到最大反映速度一半时底物浓度。
其酶学意义在于，它是酶特性常数，只与酶性质关于，与酶浓度无关。
不同酶其Km不同，同种酶对不同底物也不同。
在k2极小时1/Km可近似表达酶与底物亲和力，1/Km越大，亲和力越大。
在酶各种底物中，Km最小底物叫做该酶天然底物。
3.米氏常数测定
从酶v-[s]图上可以得到Vm，再从1/2Vm处读出[s]，即为Km。
但事实上只能无限接近Vm，却无法达到。
为得到精确米氏常数，可以把米氏方程加以变形，使它相称于线性方程，通过作图得到精确米氏常数。
双倒数作图法将方程改写为
1/v=Km/Vm×
1/[S]+1/Vm
实验时在不同底物浓度测定初速度，以1/v对1/[S]作图，直线外推与横轴相交，横轴截踞为-1/Km，纵轴截踞为1/Vm。
此法称为Lineweaver-Burk作图法，应用最广，但实验点常集中在左端，作图不易精确。
Eadie-Hofstee法将方程改写为
v=-Km×
v/[S]+Vm
以v对v/[S]作图，直线斜率为-Km。
4.其她动力学参数
Kcat/Km称为酶专一性常数，它不受非生产性结合与中间产物积累影响，可以表达酶对互相竞争几种底物专一性。
生理条件下许多反映底物浓度是很低。
在底物浓度很低时，v=（Kcat/Km）[E][S]，即Kcat/Km是表观二级速度常数。
由于Kcat/Km=k3k1/（k2+k3），因此它不大于k1，即不大于酶和底物复合物生成速度常数。
它不是真实微观速度常数，只有当反映限速环节是酶与底物互相碰撞时，它才是真实微观速度常数。
扩散限制决定了速度常数上限是108-109mol-1s-1，碳酸酐酶、磷酸丙糖异构酶、乙酰胆碱酯酶等都接近这一极限，阐明她们进化已经很完善。
反映级数：
对于xA+yB=p反映，其速度v=k[A]a[B]b，对底物A是a级，对底物B是b级，整个反映级数是a+b级。
反映分子数是指在最慢一步反映中，参加最低分子数目。
它是指反映机制，必要是整数；
而反映级数是通过实验测得，可以是小数。
依照米氏方程，当底物浓度远不不大于米氏常数时，v=Vm，是零级反映；
反之，v=（Vm/Km）[s]，是一级反映。
而中间某些则是混合级反映。
二、多底物反映机制
许多酶催化反映比较复杂，包括一种以上底物，它们反映按分子数分为几类，单分子称为uni，双分子称为bi，三分子为ter，四分子为quad。
较为常用是双底物双产物反映，称为bi－bi反映：
A+B→P+Q
当前以为大某些双底物反映也许有三种反映机理：
1.依次反映机理
需要NAD+或NADP+脱氢酶反映就属于这种类型。
辅酶作为底物A先与酶生成EA，再与底物B生成三元复合物EAB，脱氢后生成产物P，最后放出还原型辅酶NADH或NADPH。
2.随机机理
底物加入和产物放出都是随机，无固定顺序。
如糖原磷酸化反映。
3.乒乓机制
转氨酶是典型乒乓机制，酶一方面与底物A（氨基酸）作用，产生中间产物EA，底物中氨基转移到辅酶，使辅酶中磷酸吡哆醛变成磷酸吡哆胺，即EA转变为FP，然后放出产物P（α－酮酸），得到酶F，再与底物B（另一种酮酸）作用，放出产物Q（相应氨基酸）和酶E。
由乙酰辅酶A、ATP和HCO3-三个底物生成丙酰辅酶A反映也属于乒乓机制。
三、影响反映速度因素
（一）pH影响大某些酶活力受pH值影响，在一定pH值活力最高，称最适pH。
普通酶最适pH在6－8，少数酶需偏酸或碱性条件。
如胃蛋白酶最适pH在1.5，而肝精氨酸酶在9.7。
pH影响酶构象，也影响与催化关于基团解离状况及底物分子解离状态。
最适pH有时因底物种类、浓度及缓冲溶液成分不同而变化，不是完全不变。
大某些酶pH-酶活曲线是钟形曲线，但也有少数酶只有钟形一半，甚至是直线。
如木瓜蛋白酶底物电荷变化对催化没有影响，在pH4-10之间是一条直线。
（二）温度影响酶活随温度变化曲线是钟形曲线，有一种最高点，即最适温度。
温血动物酶最适温度是35－40度，植物酶在40－50度。
这是温度升高时化学反映加速（每升温10℃反映速度加快1－2倍）与酶失活综合平衡成果。
普通酶在60度以上变性，少数酶可耐高温，如牛胰核糖核酸酶加热到100度仍不失活。
干燥酶耐受高温，而液态酶失活快。
最适温度也不是固定值，它受反映时间影响，酶可在短时间内耐受较高温度，时间延长则最适温度减少。
热失活活化能普通为50-100Kcal/mol，比普通
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