第三章酶通论 第三章酶通论 第一节酶概论 酶的概念及特性 酶 (enzyme)是活细胞内产生的具有高度专一性和催化效率的蛋白质,又 称为生物催化剂,生物体在新陈代谢过程中,几乎所有的化学反应都是在 酶的催化下进行的。 酶是生物催化剂( biological catalyst),具有两方面的特性,既有与一般 催化剂相同的催化性质,又具有一般催化剂所没有的生物大分子的特征 酶与一般催化剂一样,只能催化热力学允许的化学反应,缩短达到化 学平衡的时间,而不改变平衡点。酶作为催化剂在化学反应的前后没有质 和量的改变。微量的酶就能发挥较大的催化作用。酶和一般催化剂的作用 机理都是降低反应的活化能 activation energy)。因为酶是蛋白质,所以酶促 反应又固有其特性: 1高度的催化效率(高效性) 般而论,酶促反应速度比非催化反应高107-1020倍。 2高度的专一性(专一性) 一种酶只作用于一类化合物或一定的化学键,以促进一定的化学变化, 并生成一定的产物,这种现象称为酶的特异性或专一性( specific ity)。受酶催 化的化合物称为该酶的底物或作用物( substrate) 3酶活性的可调节性(可调节性) 酶是生物体的组成成份,和体内其他物质一样,不断在体内新陈代谢 酶的催化活性也受多方面的调控。例如,酶的生物合成的诱导和阻遏、酶 的化学修饰、抑制物的调节作用、代谢物对酶的反馈调节、酶的别构调节 以及神经体液因素的调节等,这些调控保证酶在体内新陈代谢中发挥其恰 如其分的催化作用,使生命活动中的种种化学反应都能够有条不紊、协调 一致地进行 4酶活性的不稳定性(不稳定性) 酶是蛋白质,酶促反应要求一定的PH、温度等温和的条件。强酸、强 碱、有机溶剂、重金属盐、髙温、紫外线、剧烈震荡等任何使蛋白质变性 的理化因素都可能使酶变性而失去其催化活性。 酶的分类和命名
第三章 酶通论 1 第三章 酶通论 第一节 酶概论 一、酶的概念及特性 酶(enzyme)是活细胞内产生的具有高度专一性和催化效率的蛋白质，又 称为生物催化剂，生物体在新陈代谢过程中，几乎所有的化学反应都是在 酶的催化下进行的。 酶是生物催化剂(biological catalyst)，具有两方面的特性，既有与一般 催化剂相同的催化性质，又具有一般催化剂所没有的生物大分子的特征。 酶与一般催化剂一样，只能催化热力学允许的化学反应，缩短达到化 学平衡的时间，而不改变平衡点。酶作为催化剂在化学反应的前后没有质 和量的改变。微量的酶就能发挥较大的催化作用。酶和一般催化剂的作用 机理都是降低反应的活化能(activation energy)。因为酶是蛋白质，所以酶促 反应又固有其特性： 1.高度的催化效率（高效性） 一般而论，酶促反应速度比非催化反应高 107 -1020 倍。 2.高度的专一性（专一性） 一种酶只作用于一类化合物或一定的化学键，以促进一定的化学变化， 并生成一定的产物，这种现象称为酶的特异性或专一性(specificity)。受酶催 化的化合物称为该酶的底物或作用物(substrate)。 3.酶活性的可调节性（可调节性） 酶是生物体的组成成份，和体内其他物质一样，不断在体内新陈代谢， 酶的催化活性也受多方面的调控。例如，酶的生物合成的诱导和阻遏、酶 的化学修饰、抑制物的调节作用、代谢物对酶的反馈调节、酶的别构调节 以及神经体液因素的调节等，这些调控保证酶在体内新陈代谢中发挥其恰 如其分的催化作用，使生命活动中的种种化学反应都能够有条不紊、协调 一致地进行。 4.酶活性的不稳定性（不稳定性） 酶是蛋白质，酶促反应要求一定的 PH、温度等温和的条件。强酸、强 碱、有机溶剂、重金属盐、高温、紫外线、剧烈震荡等任何使蛋白质变性 的理化因素都可能使酶变性而失去其催化活性。 二、酶的分类和命名
第三章酶通论 (一)酶的分类 国际酶学委员会(EC)规定,按酶促反应的性质,可把酶分成六大类: 1氧化还原酶类( oxido-reductases):指催化底物进行氧化还原反应的酶 类。例如,乳酸脱氢酶、琥珀酸脱氢酶、细胞色素氧化酶、过氧化氢酶等。 2转移酶类( (transferases):指催化底物之间进行某些基团的转移或交换 的酶类。如转甲基酶、转氨酸、己糖激酶、磷酸化酶等。 3水解酶类( hydrolases):指催化底物发生水解反应的酶类。例如、淀粉 酶、蛋白酶、脂肪酶、磷酸酶等。 4裂解酶类( lyases):指催化一个底物分解为两个化合物或两个化合物合 成为一个化合物的酶类。例如柠檬酸合成酶、醛缩酶等 5异构酶类( (somerase):指催化各种同分异构体之间相互转化的酶类 如,磷酸丙糖异构酶、消旋酶等。 6.连接酶类(合成酶类, ligases):指催化两分子底物合成为一分子化 合物,同时还必须偶联有ATP的磷酸键断裂的酶类。例如,谷氨酰胺合成 酶、氨基酸:tRNA连接酶等。 (二)酶的命名 1习惯命名法 (1)一般采用底物而命名:如蛋白水解酶等;对水解酶类,只要底物 名称即可,如蔗糖酶、胆硷酯酶、蛋白酶等 (2)依据其催化反应的性质来命名:如水解酶、转氨酶等 (3)结合1、2的命名:如琥珀酸脱氢酶、乳酸脱氢酶、磷酸己糖异 构酶等。 (4)有时在底物名称前冠以酶的来源或其他特点:如血清谷氨酸一丙 酮酸转氨酶、唾液淀粉酶、碱性磷酸酯酶和酸性磷酸酯酶等。 习惯命名法简单,应用历史长,但缺乏系统性,有时出现一酶数名或 名数酶的现象。 2.系统命名法 鉴于新酶的不断发展和过去文献中对酶命名的混乱,国际酶学委员会 规定了一套系统的命名法,使一种酶只有一种名称。它包括酶的系统命名 和4个数字分类的酶编号
第三章 酶通论 2 （一）酶的分类 国际酶学委员会(I.E.C)规定，按酶促反应的性质，可把酶分成六大类： 1.氧化还原酶类(oxido-reductases)：指催化底物进行氧化还原反应的酶 类。例如，乳酸脱氢酶、琥珀酸脱氢酶、细胞色素氧化酶、过氧化氢酶等。 2.转移酶类(transferases)：指催化底物之间进行某些基团的转移或交换 的酶类。如转甲基酶、转氨酸、己糖激酶、磷酸化酶等。 3.水解酶类(hydrolases)：指催化底物发生水解反应的酶类。例如、淀粉 酶、蛋白酶、脂肪酶、磷酸酶等。 4.裂解酶类(lyases)：指催化一个底物分解为两个化合物或两个化合物合 成为一个化合物的酶类。例如柠檬酸合成酶、醛缩酶等。 5.异构酶类(isomerases)：指催化各种同分异构体之间相互转化的酶类。 如，磷酸丙糖异构酶、消旋酶等。 6. 连接酶类 (合成酶类，ligases)：指催化两分子底物合成为一分子化 合物，同时还必须偶联有 ATP 的磷酸键断裂的酶类。例如，谷氨酰胺合成 酶、氨基酸：tRNA 连接酶等。 （二）酶的命名 1.习惯命名法 （1）一般采用底物而命名：如蛋白水解酶等；对水解酶类，只要底物 名称即可，如蔗糖酶、胆硷酯酶、蛋白酶等。 （2）依据其催化反应的性质来命名：如水解酶、转氨酶等。 （3）结合 1、2 的命名：如琥珀酸脱氢酶、乳酸脱氢酶、磷酸己糖异 构酶等。 （4）有时在底物名称前冠以酶的来源或其他特点：如血清谷氨酸－丙 酮酸转氨酶、唾液淀粉酶、碱性磷酸酯酶和酸性磷酸酯酶等。 习惯命名法简单，应用历史长，但缺乏系统性，有时出现一酶数名或 一名数酶的现象。 2.系统命名法 鉴于新酶的不断发展和过去文献中对酶命名的混乱，国际酶学委员会 规定了一套系统的命名法，使一种酶只有一种名称。它包括酶的系统命名 和 4 个数字分类的酶编号
第三章酶通论 全部底物(:间隔)+反应类型+酶 例如对催化下列反应酶的命名:ATP+D-葡萄糖→ADP+D一葡萄糖 -6-磷酸。该酶的正式系统命名是:ATP葡萄糖磷酸转移酶,表示该酶催化 从ATP中转移一个磷酸到葡萄糖分子上的反应。它的分类编号是 EC2.71.1;EC代表按国际酶学委员会规定的命名,第1个数字(2)代表酶 的分类名称转移酶类),第2个数字(7)代表亚类(磷酸转移酶类),第3个数 1)代表亚亚类(以羟基作为受体的磷酸转移酶类,第4个数字(1)代表该 酶在亚-亚类中的排号⑦D葡萄糖作为磷酸基的受体 第二节酶的分子组成和化学结构 、酶的分子组成 (一)根据酶的组成成份,可分单纯酶和结合酶两类。 单纯酶( simple enzyme):是基本组成单位仅为氨基酸的一类酶。它 的催化活性仅仅决定于它的蛋白质结构。如消化道蛋白酶、淀粉酶、酯酶、 核糖核酸酶等 2.结合酶( conjugated enzyme):酶的催化活性,除蛋白质部分(酶蛋白 apoenzyme)外,还需要非蛋白质的物质,即所谓酶的辅助因子( cofactors), 两者结合成的复合物称作全酶( holoenzyme) 全酶(结合蛋白质)=酶蛋白 apoenzyme,蛋白质部分)+辅助因子 cofactors,非蛋白质部分) 对于结合酶而言,只有全酶才具有催化活性。酶的辅助因子可以是金 属离子,也可以是小分子有机化合物。常见酶含有的金属离子有K+、Na+ Mg2+、Cu2+、(或Cu)、Zn2+和Fe2+(或Fe3)等 酶的辅助因子所起的作用:1)是酶活性的组成部分;2)是连接底物 和酶分子的桥梁;3)在稳定酶蛋白分子构象方面所必需。小分子有机化合 物是些化学稳定的小分子物质,其主要作用是在反应中传递电子、质子或 些基团,常可按其与酶蛋白结合的紧密程度不同分成辅酶和辅基两大类。 辅酶( coenzyme)与酶蛋白结合疏松,可以用透析或超滤方法除去:辅基 ( prosthetic group)与酶蛋白结合紧密,不易用透析或超滤方法除去,辅酶和 辅基的差别仅仅是它们与酶蛋白结合的牢固程度不同,而无严格的界限 现知大多数维生素(特别是B族维生素)是组成许多酶的辅酶或辅基的 成分。体内酶的种类很多,而辅酶(基)的种类却较少,通常一种酶蛋白只能
第三章 酶通论 3 全部底物（：间隔）+反应类型+酶 例如对催化下列反应酶的命名：ATP + D-葡萄糖→ ADP + D—葡萄糖 -6-磷酸。该酶的正式系统命名是：ATP:葡萄糖磷酸转移酶，表示该酶催化 从 ATP 中转移一个磷酸到葡萄糖分子上的反应。它的分类编号是： E.C.2.7.1.1；E.C 代表按国际酶学委员会规定的命名，第 1 个数字(2)代表酶 的分类名称(转移酶类)，第 2 个数字(7)代表亚类(磷酸转移酶类)，第 3 个数 字(1)代表亚亚类(以羟基作为受体的磷酸转移酶类)，第 4 个数字(1)代表该 酶在亚-亚类中的排号(D 葡萄糖作为磷酸基的受体)。 第二节 酶的分子组成和化学结构 一、酶的分子组成 （一）根据酶的组成成份，可分单纯酶和结合酶两类。 1. 单纯酶(simple enzyme)：是基本组成单位仅为氨基酸的一类酶。它 的催化活性仅仅决定于它的蛋白质结构。如消化道蛋白酶、淀粉酶、酯酶、 核糖核酸酶等。 2. 结合酶(conjugated enzyme)：酶的催化活性，除蛋白质部分(酶蛋白 apoenzyme)外，还需要非蛋白质的物质，即所谓酶的辅助因子(cofactors)， 两者结合成的复合物称作全酶(holoenzyme)。 全酶(结合蛋白质) = 酶蛋白(apoenzyme，蛋白质部分) + 辅助因子 (cofactors，非蛋白质部分) 对于结合酶而言，只有全酶才具有催化活性。酶的辅助因子可以是金 属离子，也可以是小分子有机化合物。常见酶含有的金属离子有 K+、Na+、 Mg2+、Cu2+、(或 Cu+ )、Zn2+和 Fe2+(或 Fe3+)等。 酶的辅助因子所起的作用：1）是酶活性的组成部分；2）是连接底物 和酶分子的桥梁；3）在稳定酶蛋白分子构象方面所必需。小分子有机化合 物是些化学稳定的小分子物质，其主要作用是在反应中传递电子、质子或 一些基团，常可按其与酶蛋白结合的紧密程度不同分成辅酶和辅基两大类。 辅酶(coenzyme)与酶蛋白结合疏松，可以用透析或超滤方法除去；辅基 (prosthetic group)与酶蛋白结合紧密，不易用透析或超滤方法除去，辅酶和 辅基的差别仅仅是它们与酶蛋白结合的牢固程度不同，而无严格的界限。 现知大多数维生素(特别是 B 族维生素)是组成许多酶的辅酶或辅基的 成分。体内酶的种类很多，而辅酶(基)的种类却较少，通常一种酶蛋白只能
第三章酶通论 与一种辅酶结合,成为一种特异的酶,但一种辅酶往往能与不同的酶蛋白 结合构成许多种特异性酶。酶蛋白在酶促反应中主要起识别底物的作用, 酶促反应的特异性、高效率以及酶对一些理化因素的不稳定性均决定于酶 蛋白部分 (二)根据酶蛋白分子特点可分单体酶、寡聚酶和多酶复合体三类。 1单体酶单体酶( monomeric enzyme)一般由一条肽链组成,如溶菌酶、 牛胰核糖核酸酶。单体酶种类较少,一般多是催化水解反应的酶,相对分 子量在(13-35)×103之间。 2寡聚酶寡聚酶( oligomeric enzyme)是由2个或2个以上亚基组成的 酶,这些亚基可以是相同的,也可以是不同的。绝大部分寡聚酶都含有偶 数亚基,但个别寡聚酶含奇数亚基,如荧光素酶、嘌呤核苷磷酸化酶就含 有3个亚基。亚基之间靠次级键结合,彼此容易分开。寡聚酶的相对分子 量一般大于35×103。大多数寡聚酶的聚合形式是活性型,解聚形式是失活 型。相当数量的寡聚酶是调节酶,在代谢调控中起重要作用 3多酶复合体 多酶复合体( multienzy me complex)常包括三个或三个以上的酶,彼此间 靠非共价键作用,组成一个有一定构型的复合体。复合体中第一个酶催化 的产物,直接由邻近下一个酶催化,第二个酶催化的产物又为复合体第三 酶的底物,如此形成一条结构紧密的“流水生产线”。有利于一系列的反 应连续进行,显著提高催化效率。相对分子量很髙。葡萄糖氧化分解过程 的丙酮酸脱氢酶复合体,属于多酶复合体 、酶的分子结构和活性中心 )酶的分子结构 酶的分子中存在有许多功能基团例如,NH2、COOH、SH、OH等, 但并不是这些基团都与酶活性有关。一般将与酶活性有关的基团称为酶的 必需基团( essential group)。有些必需基团虽然在一级结构上可能相距很远, 但在空间结构上彼此靠近,集中在一起形成具有一定空间结构的区域,该 区域与底物相结合并将底物转化为产物,这一区域称为酶的活性中心 ( active center) 酶的活性中心往往是若干个在一级结构上相距很远,但在空间结构上 彼此靠近的氨基酸残基集中在一起形成具有一定空间结构的区域,该区域
第三章 酶通论 4 与一种辅酶结合，成为一种特异的酶，但一种辅酶往往能与不同的酶蛋白 结合构成许多种特异性酶。酶蛋白在酶促反应中主要起识别底物的作用， 酶促反应的特异性、高效率以及酶对一些理化因素的不稳定性均决定于酶 蛋白部分。 （二）根据酶蛋白分子特点可分单体酶、寡聚酶和多酶复合体三类。 1.单体酶 单体酶(monomeric enzyme)一般由一条肽链组成，如溶菌酶、 牛胰核糖核酸酶。单体酶种类较少，一般多是催化水解反应的酶，相对分 子量在(13~35)×103 之间。 2.寡聚酶 寡聚酶(olimomeric enzyme)是由 2 个或 2 个以上亚基组成的 酶，这些亚基可以是相同的，也可以是不同的。绝大部分寡聚酶都含有偶 数亚基，但个别寡聚酶含奇数亚基，如荧光素酶、嘌呤核苷磷酸化酶就含 有 3 个亚基。亚基之间靠次级键结合，彼此容易分开。寡聚酶的相对分子 量一般大于 35×103。大多数寡聚酶的聚合形式是活性型，解聚形式是失活 型。相当数量的寡聚酶是调节酶，在代谢调控中起重要作用。 3.多酶复合体 多酶复合体(multienzyme complex)常包括三个或三个以上的酶，彼此间 靠非共价键作用，组成一个有一定构型的复合体。复合体中第一个酶催化 的产物，直接由邻近下一个酶催化，第二个酶催化的产物又为复合体第三 酶的底物，如此形成一条结构紧密的“流水生产线”。有利于一系列的反 应连续进行，显著提高催化效率。相对分子量很高。葡萄糖氧化分解过程 的丙酮酸脱氢酶复合体，属于多酶复合体。 二、酶的分子结构和活性中心 一）酶的分子结构 酶的分子中存在有许多功能基团例如，-NH2、-COOH、-SH、-OH 等， 但并不是这些基团都与酶活性有关。一般将与酶活性有关的基团称为酶的 必需基团(essential group)。有些必需基团虽然在一级结构上可能相距很远， 但在空间结构上彼此靠近，集中在一起形成具有一定空间结构的区域，该 区域与底物相结合并将底物转化为产物，这一区域称为酶的活性中心(active center)。 酶的活性中心往往是若干个在一级结构上相距很远，但在空间结构上 彼此靠近的氨基酸残基集中在一起形成具有一定空间结构的区域，该区域
第三章酶通论 与底物相结合并将底物转化为产物,对于结合酶来说,辅酶或辅基往往是 活性中心的组成成分。酶的活力中心通常包括两部分:与底物结合的部位 称为结合中心,结合中心决定酶的专一性;促进底物发生化学变化的部位 称为催化中心,它决定酶所催化反应的性质以及催化的效率。有些酶的结 合中心与催化中心是同一部分。 构成酶活性中心的可分为四种 接触残基( contact residue):与底物结合的必需基团称为结合基团 ( binding group),促进底物发生化学变化的基团称为催化基团 catalytic group)活性中心中有的必需基团可同时具有这两方面的功能。还有些必需 基团虽然不参加酶的活性中心的组成,但为维持酶活性中心应有的空间构 象所必需,这些基团是酶的活性中心以外的必需基团,主要有 直接与底物接触的基团,它们参与底物的化学转变,是活性中心的主 要必需基团。这些基团中有的与底物结合称为结合基团( binding group),有 的催化底物发生化学变化称为催化基团( catalytic group)。活性中心中有的必 需基团可同时具有这两方面的功能。还有些必需基团虽然不参加酶的活性 中心的组成,但为维持酶活性中心应有的空间构象所必需,这些基团是酶 的活性中心以外的必需基团 辅助残基( auxiliary residue)这种残基既不直接与底物结合,也不催化底 物的化学反应,但对接触残基的功能有促进作用。它可促进结合基团对底 物的结合,促进催化基团对底物的催化反应。它也是活性中心不可缺少的 组成部分。 结构残基( structure residue):这是活性中心以外的必需基团,它们与 酶的活性不发生直接关系,但它们可稳定酶的分子构象,特别是稳定酶活 性中心的构象,因而对酶的活性也是不可缺少的基团,只是起间接作用而 非贡献残基( noncontribution residue):酶分子中除上述基团外的其它 基团,它们对酶的活性“没有贡献”,也称为非必需基团。这些基团对酶 活性的发挥不起作用,它们可以被其他氨基酸残基取代,甚至可以去掉都 不会影响酶的催化活力。但这些基团并不是真正意义上的“非必需”基团, 它们可能在系统发育的物种专一性方面、免疫方面或者在体内的运输转移 分泌、防止蛋白酶降解的方面起一定作用。如果没有这些基团,酶的寿命
第三章 酶通论 5 与底物相结合并将底物转化为产物，对于结合酶来说，辅酶或辅基往往是 活性中心的组成成分。酶的活力中心通常包括两部分：与底物结合的部位 称为结合中心，结合中心决定酶的专一性；促进底物发生化学变化的部位 称为催化中心，它决定酶所催化反应的性质以及催化的效率。有些酶的结 合中心与催化中心是同一部分。 构成酶活性中心的可分为四种： 接触残基（ contact residue）：与底物结合的必需基团称为结合基团 (binding group)，促进底物发生化学变化的基团称为催化基团(catalytic group)。活性中心中有的必需基团可同时具有这两方面的功能。还有些必需 基团虽然不参加酶的活性中心的组成，但为维持酶活性中心应有的空间构 象所必需，这些基团是酶的活性中心以外的必需基团，主要有： 直接与底物接触的基团，它们参与底物的化学转变，是活性中心的主 要必需基团。这些基团中有的与底物结合称为结合基团(binding group)，有 的催化底物发生化学变化称为催化基团(catalytic group)。活性中心中有的必 需基团可同时具有这两方面的功能。还有些必需基团虽然不参加酶的活性 中心的组成，但为维持酶活性中心应有的空间构象所必需，这些基团是酶 的活性中心以外的必需基团。 辅助残基(auxiliary residue):这种残基既不直接与底物结合，也不催化底 物的化学反应，但对接触残基的功能有促进作用。它可促进结合基团对底 物的结合，促进催化基团对底物的催化反应。它也是活性中心不可缺少的 组成部分。 结构残基（structure residue）：这是活性中心以外的必需基团，它们与 酶的活性不发生直接关系，但它们可稳定酶的分子构象，特别是稳定酶活 性中心的构象，因而对酶的活性也是不可缺少的基团，只是起间接作用而 已。 非贡献残基（noncontribution residue）：酶分子中除上述基团外的其它 基团，它们对酶的活性“没有贡献”，也称为非必需基团。这些基团对酶 活性的发挥不起作用，它们可以被其他氨基酸残基取代，甚至可以去掉都 不会影响酶的催化活力。但这些基团并不是真正意义上的“非必需”基团， 它们可能在系统发育的物种专一性方面、免疫方面或者在体内的运输转移、 分泌、防止蛋白酶降解的方面起一定作用。如果没有这些基团，酶的寿命
第三章酶通论 酶在细胞中的分布等方面受到限制。这些基团的存在也可能是该酶迄今未 发现的新的活力类型的活力中心。 酶分子很大,其催化作用往往并不需要整个分子,如用氨基肽酶处理 木瓜蛋白酶,其肽链自N端开始逐渐缩短,当其原有的180个氨基酸残基 被水解掉120个后,剩余的短肽仍有水解蛋白质的活性。又如将核糖核酸 酶肽链C末端的三肽切断,余下部分也有酶的活性,足见某些酶的催化活 性仅与其分子的一小部分有关。 不同的酶有不同的活性中心,故对底物有严格的特异性。 活性中心外必需基团 结合基团 作用物分子 催化基团 酶活性中心示意图 二)酶活性中心证明方法 1.切除法 对小分子且结构已知的酶多用此法。用专一性的酶切除一段肽链后剩 余的肽链仍有活性,说明切除的肽链与活性无关,反之,切除的肽链与活 性有关 2化学修饰法 选用适当的化学试剂与酶蛋白中的氨基酸残基的侧链基团发生反应引 起共价结合、氧化或还原等修饰,称之为化学修饰。酶分子中可以修饰的 基团有:-SH、-OH、咪唑基、氨基、羧基、胍基等,用作修饰的试剂很多, 目前已有七十多种,但专一性的修饰剂不多 判断方法:某一基团被修饰后,酶的活性显著下降或无活性,可初步 判断该基团与酶的活性有关;反之,与酶的活性无关。 缺点:也有可能酶活性部位外的某个氨基酸残基侧链的修饰而影响酶 分子的正常空间结构,而导致酶活性的丧失。为排除这种可能,常在底物 保护下用同一试剂对酶作用,若不能被修饰,说明该基团确实处于活性部
第三章 酶通论 6 酶在细胞中的分布等方面受到限制。这些基团的存在也可能是该酶迄今未 发现的新的活力类型的活力中心。 酶分子很大，其催化作用往往并不需要整个分子，如用氨基肽酶处理 木瓜蛋白酶，其肽链自 N 端开始逐渐缩短，当其原有的 180 个氨基酸残基 被水解掉 120 个后，剩余的短肽仍有水解蛋白质的活性。又如将核糖核酸 酶肽链 C 末端的三肽切断，余下部分也有酶的活性，足见某些酶的催化活 性仅与其分子的一小部分有关。 不同的酶有不同的活性中心，故对底物有严格的特异性。 酶活性中心示意图 二） 酶活性中心证明方法 1.切除法 对小分子且结构已知的酶多用此法。用专一性的酶切除一段肽链后剩 余的肽链仍有活性，说明切除的肽链与活性无关，反之，切除的肽链与活 性有关。 2.化学修饰法 选用适当的化学试剂与酶蛋白中的氨基酸残基的侧链基团发生反应引 起共价结合、氧化或还原等修饰，称之为化学修饰。酶分子中可以修饰的 基团有：-SH、-OH、咪唑基、氨基、羧基、胍基等，用作修饰的试剂很多， 目前已有七十多种，但专一性的修饰剂不多。 判断方法：某一基团被修饰后，酶的活性显著下降或无活性，可初步 判断该基团与酶的活性有关；反之，与酶的活性无关。 缺点： 也有可能酶活性部位外的某个氨基酸残基侧链的修饰而影响酶 分子的正常空间结构，而导致酶活性的丧失。为排除这种可能，常在底物 保护下用同一试剂对酶作用，若不能被修饰，说明该基团确实处于活性部
第三章酶通论 位;反之,底物存在下,该基团可被同一试剂修饰,且使酶失活,在则该 基团不是活性部位的基团,而是结构基团。 根据修饰剂是否专一性结合酶的活性中心的特定基团,化学修饰可分 为 (1)、非特异性共价共接修饰:修饰试剂既可与酶的活性部位的某特 异基团结合,又可与酶的非活性部位的同一基团结合,称之为非特异性共 价共价修饰。 此法适用于所修饰的基团只存在与活性部位,在非活性部位不存在或 极少存在。判断标准是一:酶活力的丧失程度与修饰剂的浓度成正比;二 底物或竞争性抑制剂保护下可防止修饰剂的抑制作用。 (2)、特异性的共价修饰:修饰剂专一性地结合于酶的活性部位的特 定基团,使酶失活。如:DIFP(二异丙基氟磷酸)可专一性地结合丝氨酸 蛋白酶活性部位的丝氨酸一OH而使酶失活。DIFP一般不与蛋白质反应, 也不与含丝氨酸的蛋白酶原或变性的酶反应,只与活性的酶且活性部位含 丝氨酸的酶结合。 3亲和标记法: 根据酶与底物能特异性的结合的性质,设计合成一种含反应基团的底 物类似物,作为活性部位的标记试剂,它能象底物一样进入酶的活性部位, 并以其活泼的化学基团与酶的活性基团的某些特定基团共价结合,使酶失 去活性。如胰凝乳蛋白酶最适底物为:N一对甲苯磺酰一L一苯丙氨酰乙酯 或甲酯,根据此结构设计的亲和标记试剂为:N一对甲苯磺酰一苯丙氨酰氯 甲基酮(TPCK)。 4X一射线衍射法:把一纯酶的ⅹ一射线晶体衍射图谱与酶与底物反应 后的Ⅹ-射线图谱相比较,即可确定酶的活性中心。 5基因定位突变法 如果用同位素标记酶的活性中心后,将酶水解,分离带标记水解片段, 对其进行一级结构测定,就可了解酶的活性中心的一级结构。对各种蛋白 水解酶进行类似的分析,功能类似的酶在一级结构上有惊人的相似性 活性部位的一般特点 ①只占酶整个体积的相当小的一部分;②是一个三维实体(立体空间) ③多是裂隙、裂缝或凹穴;④多数底物与酶结合时通过弱的作用力;⑤结
第三章 酶通论 7 位；反之，底物存在下，该基团可被同一试剂修饰，且使酶失活，在则该 基团不是活性部位的基团，而是结构基团。 根据修饰剂是否专一性结合酶的活性中心的特定基团，化学修饰可分 为： （1）、非特异性共价共接修饰：修饰试剂既可与酶的活性部位的某特 异基团结合，又可与酶的非活性部位的同一基团结合，称之为非特异性共 价共价修饰。 此法适用于所修饰的基团只存在与活性部位，在非活性部位不存在或 极少存在。判断标准是一：酶活力的丧失程度与修饰剂的浓度成正比；二： 底物或竞争性抑制剂保护下可防止修饰剂的抑制作用。 （2）、特异性的共价修饰：修饰剂专一性地结合于酶的活性部位的特 定基团，使酶失活。如：DIFP（二异丙基氟磷酸）可专一性地结合丝氨酸 蛋白酶活性部位的丝氨酸—OH 而使酶失活。DIFP 一般不与蛋白质反应， 也不与含丝氨酸的蛋白酶原或变性的酶反应，只与活性的酶且活性部位含 丝氨酸的酶结合。 3.亲和标记法： 根据酶与底物能特异性的结合的性质，设计合成一种含反应基团的底 物类似物，作为活性部位的标记试剂，它能象底物一样进入酶的活性部位， 并以其活泼的化学基团与酶的活性基团的某些特定基团共价结合，使酶失 去活性。如胰凝乳蛋白酶最适底物为：N—对甲苯磺酰—L—苯丙氨酰乙酯 或甲酯，根据此结构设计的亲和标记试剂为：N—对甲苯磺酰—苯丙氨酰氯 甲基酮（TPCK）。 4.X－射线衍射法：把一纯酶的 X—射线晶体衍射图谱与酶与底物反应 后的 X-射线图谱相比较，即可确定酶的活性中心。 5.基因定位突变法 如果用同位素标记酶的活性中心后，将酶水解，分离带标记水解片段， 对其进行一级结构测定，就可了解酶的活性中心的一级结构。对各种蛋白 水解酶进行类似的分析，功能类似的酶在一级结构上有惊人的相似性。 活性部位的一般特点： ①只占酶整个体积的相当小的一部分；②是一个三维实体（立体空间）； ③多是裂隙、裂缝或凹穴；④多数底物与酶结合时通过弱的作用力；⑤结
第三章酶通论 合的专一性决定于活性中心的原子基团的正确排列,并且活性中心是柔性 的 、酶原激活 酶以酶原的形式合成和分泌,酶原是没有活性的酶的前体。使无活性 的酶原转变成活性酶的过程,称为酶原激活。胃蛋白酶、胰蛋白酶、胰糜 蛋白酶、羧基肽酶、弹性蛋白酶在它们初分泌时都是以无活性的酶原形式 存在,在一定条件下才转化成相应的酶。酶原激活的实质是活性部位形成 或暴露的过程。 例如,胰蛋白酶原进入小肠后,受肠激酶或胰蛋白酶本身的激活,第6 位赖氨酸与第7位异亮氨酸残基之间的肽键被切断,水解掉一个六肽,酶 分子空间构象发生改变,产生酶的活性中心,于是胰蛋白酶原变成了有活 性的胰蛋白酶。除消化道的蛋白酶外,血液中有关凝血和纤维蛋白溶解的 酶类,也都以酶原的形式存在。酶原激活的生理意义在于避免细胞内产生 的蛋白酶对细胞进行自身消化,并可使酶在特定的部位和环境中发挥作用, 保证体内代谢的正常进行。 四、重要的酶 (一)同工酶 1.同工酶( isoenzyme)是指催化的化学反应相同,酶蛋白的分子结构、 理化性质乃至免疫学性质不同的一组酶。这类酶存在于生物的同一种属或 同一个体的不同组织、甚至同一组织或细胞中。 现已发现有数种同工酶。如6-磷酸葡萄糖脱氢酶、乳酸脱氢酶、酸性 和碱性磷酸酶、谷丙转氨酶和谷草转氨酸、肌酸磷酸激酶、核糖核酸酶、 过氧化酶和胆碱酯酶等。其中糖酵解过程中的关键酶之一乳酸脱氢酶最为 熟悉,乳酸脱氢酶(LDH)有五种同工酶,它们的分子量在130000-15000 范围内,都由四个亚基组成。LDH的亚基可以分为两型(由2种不同的结 构基因编码成的2种蛋白质亚基),即:骨骼肌型(M型)和心肌型(H型)。 M、H亚基的氨基酸组成有差别,可用电泳分离。其免疫抗体无交叉反应。 两种亚基以不同比例组成五种四聚体即为一组LDH同工酶LDH5(M4) LDH4(M3H)、LDH(M2H2)、LDH2(MH3)和LDH1(H4)电泳时都移向正极, 其速度以LDH1为最快,依次递减,以LDH5为最慢。若用12M尿素或5M
第三章 酶通论 8 合的专一性决定于活性中心的原子基团的正确排列，并且活性中心是柔性 的。 三、酶原激活 酶以酶原的形式合成和分泌，酶原是没有活性的酶的前体。使无活性 的酶原转变成活性酶的过程，称为酶原激活。胃蛋白酶、胰蛋白酶、胰糜 蛋白酶、羧基肽酶、弹性蛋白酶在它们初分泌时都是以无活性的酶原形式 存在，在一定条件下才转化成相应的酶。酶原激活的实质是活性部位形成 或暴露的过程。 例如，胰蛋白酶原进入小肠后，受肠激酶或胰蛋白酶本身的激活，第 6 位赖氨酸与第 7 位异亮氨酸残基之间的肽键被切断，水解掉一个六肽，酶 分子空间构象发生改变，产生酶的活性中心，于是胰蛋白酶原变成了有活 性的胰蛋白酶。除消化道的蛋白酶外，血液中有关凝血和纤维蛋白溶解的 酶类，也都以酶原的形式存在。酶原激活的生理意义在于避免细胞内产生 的蛋白酶对细胞进行自身消化，并可使酶在特定的部位和环境中发挥作用， 保证体内代谢的正常进行。 四、重要的酶 （一）同工酶 1.同工酶(isoenzyme)是指催化的化学反应相同，酶蛋白的分子结构、 理化性质乃至免疫学性质不同的一组酶。这类酶存在于生物的同一种属或 同一个体的不同组织、甚至同一组织或细胞中。 现已发现有数种同工酶。如 6-磷酸葡萄糖脱氢酶、乳酸脱氢酶、酸性 和碱性磷酸酶、谷丙转氨酶和谷草转氨酸、肌酸磷酸激酶、核糖核酸酶、 过氧化酶和胆碱酯酶等。其中糖酵解过程中的关键酶之一乳酸脱氢酶最为 熟悉，乳酸脱氢酶(LDH)有五种同工酶，它们的分子量在 130000～150000 范围内，都由四个亚基组成。LDH 的亚基可以分为两型（由 2 种不同的结 构基因编码成的 2 种蛋白质亚基），即：骨骼肌型(M 型)和心肌型(H 型)。 M、H 亚基的氨基酸组成有差别，可用电泳分离。其免疫抗体无交叉反应。 两种亚基以不同比例组成五种四聚体即为一组 LDH 同工酶 LDH5(M4)、 LDH4(M3H) 、LDH3(M2H2)、LDH2(M H3)和 LDH1(H4)。电泳时都移向正极， 其速度以 LDH1 为最快，依次递减，以 LDH5 为最慢。若用 12M 尿素或 5M
第三章酶通论 盐酸胍溶液处理,M亚基和H亚基可以分开,但此时LDH无酶的活性, 其结构示意如下: 888888888 为M系 魄H四聚体 HMMM纯M四体 同工酶的生物学功能: 同工酶是研究代谢调节、分子遗传、生物进化、个体发育、细胞分化 和癌变的有力工具。在酶学、生物学和医学中均占有重要地位 2.变构酶与变构调节 有些酶除了活性中心外,还有一个或几个部位,当特异性分子非共价 结合到这些部位时,可改变酶的构象,进而改变酶的活性,酶的这种调节 作用称为变构调节(allosteric regulation),受变构调节的酶称变构酶( allosteric enzyme),也称为别构酶,这些特异性分子称为效应剂( effector)。变构酶分 子组成,一般是多亚基的,分子中凡与底物分子相结合的部位称为催化部 位( catalytic site),凡与效应剂相结合的部位称为调节部位( regulatory site), 这二部位可以在不同的亚基上,或者位于同一亚基。 变构酶多为寡聚酶,含的亚基数一般为偶数;且分子中有催化部位(结 合底物)与调节部位(结合变构剂),这两部位可以在不同的亚基上,或 者在同一亚基的两个不同部位 (1)作用机理点 1)、一般变构酶分子上有二个以上的底物结合位点。当底物与一个亚 基上的活性中心结合后,通过构象的改变,可增强其他亚基的活性中心与 底物的结合,出现正协同效应( positive cooperative effect)。使其底物浓度曲 线呈S形。即底物浓度低时,酶活性的増加较慢,底物浓度髙到一定程度 后,酶活性显著加强,最终达到最大值Vmax 多数情况下,底物对其变构酶的作用都表现正协同效应,但有时一个 底物与一个亚基的活性中心结合后,可降低其他亚基的活性中心与底物的 结合,表现负协同效应( negative cooperative effect)如3-磷酸甘油醛脱氢酶 对NAD的结合为负协同效应
第三章 酶通论 9 盐酸胍溶液处理，M 亚基和 H 亚基可以分开，但此时 LDH 无酶的活性， 其结构示意如下： 同工酶的生物学功能： 同工酶是研究代谢调节、分子遗传、生物进化、个体发育、细胞分化 和癌变的有力工具。在酶学、生物学和医学中均占有重要地位。 2. 变构酶与变构调节 有些酶除了活性中心外，还有一个或几个部位，当特异性分子非共价 结合到这些部位时，可改变酶的构象，进而改变酶的活性，酶的这种调节 作用称为变构调节(allosteric regulation)，受变构调节的酶称变构酶(allosteric enzyme)，也称为别构酶，这些特异性分子称为效应剂(effector)。变构酶分 子组成，一般是多亚基的，分子中凡与底物分子相结合的部位称为催化部 位(catalytic site)，凡与效应剂相结合的部位称为调节部位(regulatory site)， 这二部位可以在不同的亚基上，或者位于同一亚基。 变构酶多为寡聚酶，含的亚基数一般为偶数；且分子中有催化部位（结 合底物）与调节部位（结合变构剂），这两部位可以在不同的亚基上，或 者在同一亚基的两个不同部位。 （1）作用机理/特点 1)、 一般变构酶分子上有二个以上的底物结合位点。当底物与一个亚 基上的活性中心结合后，通过构象的改变，可增强其他亚基的活性中心与 底物的结合，出现正协同效应(positive cooperative effect)。使其底物浓度曲 线呈 S 形。即底物浓度低时，酶活性的增加较慢，底物浓度高到一定程度 后，酶活性显著加强，最终达到最大值 Vmax。 多数情况下，底物对其变构酶的作用都表现正协同效应，但有时一个 底物与一个亚基的活性中心结合后，可降低其他亚基的活性中心与底物的 结合，表现负协同效应(negative cooperative effect)。如 3-磷酸甘油醛脱氢酶 对 NAD+的结合为负协同效应
第三章酶通论 2)、正协同效应的变构酶其速度一底物浓度曲线呈S形,即底物浓度 较低时,酶活性的增加缓慢,底物浓度高到一定程度后,酶活性显著加强, 最终达到最大值Vmax。如大肠杆菌的天冬氨酸转甲酰基酶( ATCase) 对底物天冬氨酸的结合表现为正协同效应;负协同效应的变构酶其速度 底物浓度曲线为类似双曲线,底物浓度较低时,酶表现出较大活性,但底 物浓度明显增加时,其反应速度无明显变化。如3-磷酸甘油醛脱氢酶对 NAD+的结合为负协同效应,其意义在于无论细胞内酶的底物浓度如何变 化,酶始终能以一个较恒定的速度进行以满足细胞的基本需要 3)、变构酶除活性中心外,存在着能与变构剂作用的亚基或部位,称 调节亚基(或部位),变构剂与调节亚基以非共价键特异结合,可以改变调节 亚基的构象,进而改变催化亚基的构象,从而改变酶活性。凡使酶活性增 强的变构剂称变构激活剂 (allosteric activitor)),它能使上述S型曲线左移, 饱和量的变构激活剂可将S形曲线转变为矩形双曲线。凡使酶活性减弱的 变构剂称变构抑制剂( allosteric inhibitor),能使S形曲线右移。例如,ATP 是磷酸果糖激酶的变构抑制剂,而ADP、AMP为其变构激活剂 4)、由于变构酶动力学不符合米一曼氏酶的动力学,所以当反应速度 达到最大速度一半时的底物的浓度,不能用Km表示,而代之以K0.5S表 (2)变构酶除活性中心外,存在着能与效应剂作用的亚基或部位, 称调节亚基(或部位),效应剂与调节亚基以非共价键特异结合,可以改变调 节亚基的构象,进而改变催化亚基的构象,从而改变酶活性。凡使酶活性 增强的效应剂称变构激活剂( allo steric activ itor),它能使上述S型曲线左移。 凡使酶活性减弱的效应剂称变构抑制剂( allosteric inhibitor),能使S形曲线 右移。例如,ATP是磷酸果糖激酶的变构抑制剂,而ADP、AMP为其变构 激活剂。 (3)变构酶生理意义 )在变构酶的S形曲线中段,底物浓度稍有降低,酶的活性明显下降, 多酶体系催化的代谢通路可因此而被关闭;反之,底物浓度稍有升高,则 酶活性迅速上升,代谢通路又被打开,因此可以快速调节细胞内底物浓度 和代谢速度。2)变构抑制剂常是代谢通路的终产物,变构酶常处于代谢通 路的开端,通过反馈抑制,可以及早地调节整个代谢通路,减少不必要的
第三章 酶通论 10 2）、正协同效应的变构酶其速度—底物浓度曲线呈 S 形，即底物浓度 较低时，酶活性的增加缓慢，底物浓度高到一定程度后，酶活性显著加强， 最终达到最大值 Vmax。 如大肠杆菌的天冬氨酸转甲酰基酶（ATCase） 对底物天冬氨酸的结合表现为正协同效应；负协同效应的变构酶其速度— 底物浓度曲线为类似双曲线，底物浓度较低时，酶表现出较大活性，但底 物浓度明显增加时，其反应速度无明显变化。如 3-磷酸甘油醛脱氢酶对 NAD+的结合为负协同效应，其意义在于无论细胞内酶的底物浓度如何变 化，酶始终能以一个较恒定的速度进行以满足细胞的基本需要。 3）、变构酶除活性中心外，存在着能与变构剂作用的亚基或部位，称 调节亚基(或部位)，变构剂与调节亚基以非共价键特异结合，可以改变调节 亚基的构象，进而改变催化亚基的构象，从而改变酶活性。凡使酶活性增 强的变构剂称变构激活剂(allosteric activitor)，它能使上述 S 型曲线左移， 饱和量的变构激活剂可将 S 形曲线转变为矩形双曲线。凡使酶活性减弱的 变构剂称变构抑制剂(allosteric inhibitor)，能使 S 形曲线右移。例如，ATP 是磷酸果糖激酶的变构抑制剂，而 ADP、AMP 为其变构激活剂。 4）、由于变构酶动力学不符合米－曼氏酶的动力学，所以当反应速度 达到最大速度一半时的底物的浓度，不能用 Km 表示，而代之以 K0.5S 表 示。 （2） 变构酶除活性中心外，存在着能与效应剂作用的亚基或部位， 称调节亚基(或部位)，效应剂与调节亚基以非共价键特异结合，可以改变调 节亚基的构象，进而改变催化亚基的构象，从而改变酶活性。凡使酶活性 增强的效应剂称变构激活剂(allosteric activitor)，它能使上述 S 型曲线左移。 凡使酶活性减弱的效应剂称变构抑制剂(allosteric inhibitor)，能使 S 形曲线 右移。例如，ATP 是磷酸果糖激酶的变构抑制剂，而 ADP、AMP 为其变构 激活剂。 （3）变构酶生理意义 1) 在变构酶的 S 形曲线中段，底物浓度稍有降低，酶的活性明显下降， 多酶体系催化的代谢通路可因此而被关闭；反之，底物浓度稍有升高，则 酶活性迅速上升，代谢通路又被打开，因此可以快速调节细胞内底物浓度 和代谢速度。2) 变构抑制剂常是代谢通路的终产物，变构酶常处于代谢通 路的开端，通过反馈抑制，可以及早地调节整个代谢通路，减少不必要的