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酶学基础---酶的分子结构与催化功能

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酶学(一)

酶学(一)
酶
学
(Enzymology)
一、基本概念 （一）酶 （Enzyme）
What is enzyme (s)?
什么是酶？或酶是什么？
（酶这个字的由来？酶的化学本质？)
1 酶字的由来
Enzyme 来自希腊文，
---- 其意思“in yeast” “在酵母中” 那么，中文名如何写？ 为何选择了“ 酶 ”字？
ΔG0’ 表示生化标准状态下的系统自由能改变
ΔG0’的测定：
ΔG0’ = - RT ln Keq’ (Keq’ 为反应平衡常数)
= - nFΔE0’ (ΔE0’为生化标准下氧化还原电势 )
多酶复合体
催化系列反应中的几种酶以非共价作用 力相联系结合起来的聚合体
抗体酶 具有催化能力的免疫球蛋白
人工酶 通过化学方法半合成或全合成的具 有催化能力的酶
和C4 ，同时能催化合成C6和更长的聚胞苷 酸；1992年还发现有氨酰酯酶的活性。
核酶发现的重要意义？
重要意义：
1
生物催化剂的化学本质是蛋白质的概
念被改写
2 引发了生命起源的新概念
"RNA world" hypothesis early in life's history, RNA occupied center stage and performed most jobs in the cell, storing genetic information, copying itself, and performing basic metabolic functions.
因此，上述 RNA被写成：“ Ribozyme “ 那么，中文名称叫什么 ？
由于 “酶” 字的组成是（酉 +每）， 那么，核酸酶可否写成：

4. 酶

4. 酶

Vit PP（烟酰胺，尼克酰胺）
P
Nicotinamide adenine dinucleotide, NAD 烟酰胺嘌呤二核苷酸 ：苹果酸脱氢酶 Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate, NADP 烟酰胺嘌呤二核苷酸磷酸 ：苹果酸酶 作用：参与氧化还原反应，递氢、递电子
pyridoxal,pyridoxamine 维生素 B6（吡哆醛，吡哆胺）
辅酶形式：磷酸吡哆醛，磷酸吡哆胺 举例：所有的 转氨酶 氨基酸脱羧酶： L-谷氨酸脱羧酶 丝氨酸羟甲基转移酶 作用：转氨基作用、脱羧作用

泛酸(pantothenic acid)

辅酶形式: 辅酶A HS~CoA：脂酰辅酶A合成酶 作用: 转酰基作用
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。
活性中心以外 的必需基团
底物
催化基团
结合基团
活性中心
溶菌酶的活性 中心
* 谷氨酸35和天 冬氨酸52是催化 基团； * 色氨酸62和63、 天 冬 氨 酸 101 和 色 氨 酸 108 是 结 合基团；

一、 酶的分子组成
（一）结构组成仅含氨基酸组分的酶称为单纯酶
有些酶其分子结构仅由氨基酸组成，没有辅 助因子。这类酶称为单纯酶（simple enzyme）。 如脲酶、一些蛋白酶、淀粉酶、酯酶和核糖 核酸酶等。
（二）结构组成中既含氨基酸组分又含非氨 基酸组分的酶称为结合酶
结合酶（conjugated enzyme）是除了在其组 成中含有由氨基酸组成的蛋白质部分外，还含有 非蛋白质部分 决定反应的特异性及其催化机制 蛋白质部分：酶蛋白 (apoenzyme) 全酶 (holoenzyme)

酶的基础知识

酶的基础知识

团）。如胰蛋白酶，只专一的水解赖氨酸或精氨酸的羧基形成的
肽键。
—NH--CH—CO--NH—CH—CO—NH
R1
R2
Lys,Arg
立体异构（化学）专一性
１、旋光异构专一性 当底物具有旋光异构体时，酶只能作用于其中
的一种。
例如：淀粉酶只能选择性地水解D－葡萄糖形成的1，4 －糖苷键； L-氨基酸氧化酶只能催化L-氨基酸氧化.
2、酶作为生物催化剂的特性*
③酶易失活，要求温和的反应条件
凡能使蛋白质变性的因素如强酸、强碱、高温 等条件都能使酶破坏而完全失去活性。所以酶 作用一般都要求比较温和的条件如常温、常压 和接近中性的酸碱度。
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。
2、酶作为生物催化剂的特性*
寡聚酶中亚基的聚合，有的与酶的专一性有关，有的与 酶活性中心形成有关，有的与酶的调节性能有关。
3、 多酶复合体 multienzyme system
▪ 由几种酶靠非共价键彼此嵌合而成，其中每一个 酶催化一个反应，所有反应依次进行，构成一个 代谢途径或代谢途径的一部分。
▪ 分子量很高，在几百万以上。如丙酮酸脱氢酶复 合体、脂肪酸合酶复合体等。
国际生化学会酶学委员会根据酶所催化的反 应性质将酶分为六大类*：
氧、转、水、裂、异、合
分别用1、2、3、4、5、6表示
六大类酶*
国 1. 氧化-还原酶类
际 2. 转移(移换)酶类
系 统
3. 水解酶类
分 4. 裂合（裂解）酶类
类 5. 异构酶类
法 6. 合成酶类
1. 氧化-还原酶类 Oxido-reductases
(2)诱导契合学说(induced-fit hypothesis)

酶

酶

第一节概述top一、定义酶是一种生物催化剂，是有催化功能的蛋白质。

二、人们对酶的认识过程1833年佩延（Payen）和Persoz从麦芽中抽提出一种对热敏感的物质，这种物质能将淀粉水解成可溶性糖，被称为淀粉糖化酶（diastase），意思是“分离”。

所以后人命名酶时常加词尾-ase。

由于他们用乙醇沉淀等方法提纯得到了无细胞的酶制剂，并发现了酶的催化特性和热不稳定性，所以一般认为他们首先发现了酶。

19世纪西方对发酵现象的研究推动了对酶的进一步研究。

巴斯德提出“酵素”一词，认为只有活的酵母细胞才能进行发酵。

现在日本还经常使用“酵素”一词（ferment）。

1878年德国人库恩（Kuhne）提出“Enzyme”一词，意为“在酵母中”。

1896年德国人巴克纳（Buchner）兄弟用石英砂磨碎酵母细胞，得到了能催化发酵的无细胞滤液，证明发酵是一种化学反应，与细胞的活力无关。

这项发现涉及到了酶的本质，有人认为这是酶学研究的开始。

1913年米凯利斯（Michaelis）和门顿（Menten）利用物理化学方法提出了酶促反应的动力学原理—米氏学说，使酶学可以定量研究。

1926年美国人J. B. Sumner从刀豆中结晶出脲酶（第一个酶结晶），并提出酶是蛋白质的观点。

后来陆续得到多种酶的结晶，证明了这种观点，萨姆纳因而获得1947年诺贝尔奖。

此后多种酶被发现、结晶、测定结构，并产生了酶工程等分支学科。

进入80年代后，核糖酶（ribozyme）、抗体酶、模拟酶等相继出现，酶的传统概念受到挑战。

1982年Cech等发现四膜虫26S rRNA 前体具有自我剪接功能，并于1986年证明其内含子L-19 IVS具有多种催化功能。

此后陆续发现多种具有催化功能的RNA，底物也扩大到DNA、糖类、氨基酸酯。

还有人在实验室中设计合成新的核糖酶。

甚至有人发现博莱霉素等肽类抗生素也有催化能力。

这些新发现不仅增加了对酶的本质的研究，也有助于对生命起源等问题的探讨，使酶学研究进入新的阶段。

酶的基本知识

酶的基本知识
成都中医药大学峨眉学院 资源教研室 童娟 制
二、酶的概念
（二）酶的特性
1.催化效率高 2. 特异性强：高度专一性 3.反应条件温和 4.可调节性：酶促反应受多种因素调控 5.稳定性差
酶是活细胞产生的，对底物具有高度
催化效率和高度特异性的一类生物催化 剂。
成都中医药大学峨眉学院 资源教研室 童娟 制
制
成都中医药大学峨眉学院 资源教研室 童娟
二、底物浓度对酶反应速度的影响
（二）米氏方程

1913年，德国化学家Michaelis和Menten根据中 间产物学说对酶促反映的动力学进行研究，推 导出了表示整个反应中底物浓度和反应速度关 系的著名公式，称为米氏方程。
Vmax [S] V= Km + [S]
第三章 酶
Enzyme
目的要求：
介绍酶的概念、作用特点和分
类、命名，讨论酶的结构特征 和催化功能，进而讨论影响酶 作用的主要因素。对酶类药物 作简单的介绍。
成都中医药大学峨眉学院 资源教研室 童娟
制
第四章
第一节 第二节 第三节 第四节
酶的基本知识
酶的概述 酶的结构和功能 酶促反应 酶类药物简介
第一节 概述
成都中医药大学峨眉学院 资源教研室 童娟
制
三、 酶的分类
（二）根据酶的化学组成可将酶分为： 1 单纯蛋白酶类：只含有蛋白质成分 2 结合蛋白酶类（全酶）：含有蛋白成分 （酶蛋白）和非蛋白成分（辅助因子）
全酶 = 酶蛋白 ＋ 辅助因子
辅酶 与酶蛋白结合比较疏松的小分子有机物 辅助因子 辅基 与酶蛋白结合紧密的小分子有机物。 金属离子 金属离子作为辅助因子。
成都中医药大学峨眉学院 资源教研室 童娟 制

生物化学-酶学

生物化学-酶学

酶的特异性/专一性

立体结构特异性(stereospecificity)：酶作用于立 体异构体中的一种而表现出来的特异性。
乳酸脱氢酶只能催化L（+）乳酸脱氢转化为 丙酮酸，却不能使D（-）乳酸脱氢生成丙酮酸。

5. 酶促反应具有可调节性（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。
底物（Substrate，S）：酶作用的对象即反应物 产物（Product，P）：酶作用后的生成物
一.酶的结构与组成
依据酶分子中肽链的数目，分为：
单体酶(monomeric enzyme)：只有一条肽 链即可构成有活性的酶，故单体酶仅具 有三级结构。 寡聚酶(oligomeric enzyme)：由多个相同 或不同亚基以非共价键连接组成的酶。
甲基、甲烯基、甲炔基、 四氢叶酸 甲酰基等一碳单位
(1) 维生素PP
尼克酸和尼克酰胺，在体内转变为辅酶I
和辅酶II。 能维持神经组织的健康。缺乏时表现出 神经营养障碍，出现皮炎。
COOH N CONH2 N
(1) 维生素PP和NAD+ 和NADP+
酶功 。能
：
是 多 种 重 要 脱 氢 酶 的 辅
一些常见的必需基团
巯基 半胱氨酸 天冬酰胺 胍基 精氨酸
酰胺基
咪唑基 组氨酸 丝氨酸
羟基 天冬氨酸
羧基
1. 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，称为必需 基团。 根据其作用必需基团又分为： 结合基团：结合底物与辅酶，形成酶-底物 复合物，有利于反应的进行的化学基团 催化基团：催化底物转变成产物的化学基 团

酶的结构和功能调控机制

酶的结构和功能调控机制

酶的结构和功能调控机制酶是一种生物催化剂，它能够加速生物化学反应的进行，提高反应速率。

酶的结构和功能调控机制是研究酶学领域中的热点问题，其深入探究有重要的理论和实际应用价值。

一、酶的结构酶由蛋白质或核酸构成，具有特定的空间结构。

酶的结构可以分为四个层次：一级结构、二级结构、三级结构和四级结构。

一级结构是指酶分子的氨基酸序列，由蛋白质基因所决定。

二级结构是指氨基酸在空间中的排列方式，通常有α-螺旋和β-折叠。

三级结构是指酶分子的整体空间形态，主要由氨基酸残基之间的作用力决定。

四级结构是指由两个或多个蛋白质亚基组成的酶分子的整体空间结构。

酶的结构对其功能至关重要，因为酶分子的结构决定了其活性中心的空间和化学特性。

二、酶的功能酶的主要功能是催化生物化学反应，其反应速率比非催化情况下的速率要快得多。

酶催化反应的速率受多种因素的影响，包括物理条件（温度、pH值等）和化学条件（反应物浓度、反应物结构等）。

酶的催化机理多种多样，可以分为两类：酸碱催化和亲合催化。

酸碱催化是指酶分子中存在酸性或碱性氨基酸残基，它们能够提供或吸收质子以促使反应进行。

亲合催化是指酶分子通过与反应物间的氢键、非共价键等作用力相互结合，从而达到提高反应速率的效果。

三、酶的调控机制酶的调控机制主要包括底物浓度调控、信号调控和结构调控等。

底物浓度调控是指底物浓度对酶催化反应速率的调控作用。

当底物浓度增加时，酶催化反应速率也随之增加，直到反应达到饱和状态。

信号调控是指外源性信号分子（如激素、细胞因子等）对酶的活性进行调节。

这种调节方式通常通过在酶的结构上引入相互作用来实现。

结构调控是指酶分子在空间构型上的调节，通过与辅助分子的相互作用来实现酶催化功能的启动和终止。

四、酶的应用酶在生物工程、食品科学、医药化学等领域有广泛的应用。

例如，酶在面包和奶酪制作中被广泛使用，可以提高产品的质量和产量；酶在医学中的应用，如DNA酶和RNA酶，可以用于分析基因序列和研究生物分子的功能等。

酶的结构与催化机制

酶的结构与催化机制

酶的结构与催化机制酶是一种生物催化剂，能够加速生物体内化学反应的速率。

它们在细胞内发挥着重要的作用，参与了几乎所有生物体内的代谢过程。

酶的结构与催化机制是科学家们长期以来的研究重点。

本文将从酶的结构和催化机制两个方面，探讨酶的奥秘。

酶的结构是酶催化机制的基础。

酶分子通常由蛋白质组成，它们具有复杂的三维结构。

酶的结构可以分为四个层次：一级结构、二级结构、三级结构和四级结构。

一级结构是指酶分子中氨基酸的线性排列顺序，它决定了酶的基本组成和序列。

二级结构是指氨基酸链的局部折叠形式，常见的二级结构有α-螺旋和β-折叠。

三级结构是指整个氨基酸链的立体空间构型，由氨基酸侧链间的相互作用所决定。

四级结构是指多个氨基酸链的相互作用形成的复合物，例如四聚体或六聚体。

这些层次的结构相互作用，使得酶分子具有特定的空间结构和活性。

酶的活性位点是酶分子中发挥催化作用的关键部位。

活性位点通常由一些特定的氨基酸残基组成，它们能够与底物结合，并催化底物的转化。

酶的活性位点具有高度的特异性，只能与特定的底物结合。

这种特异性是由活性位点的结构决定的。

例如，酶分子中的一些氨基酸残基可以形成氢键、离子键或范德华力等相互作用，与底物分子形成稳定的结合。

这种结合使得底物分子在活性位点上发生构象变化，从而使底物分子更容易发生化学反应。

酶的催化机制是酶分子发挥催化作用的关键步骤。

酶的催化机制可以分为两类：酶促反应和酶催化反应。

酶促反应是指酶通过改变底物的构象或环境条件，使底物分子更容易发生化学反应。

这种催化机制主要通过酶与底物分子的物理相互作用来实现。

例如，酶可以通过降低底物的活化能，加速底物的反应速率。

酶催化反应是指酶分子本身参与底物的化学反应。

这种催化机制主要通过酶分子中的特定氨基酸残基与底物发生共价键结合来实现。

例如，酶可以通过提供活化能或催化剂的形式，促使底物发生化学反应。

酶的结构与催化机制密不可分。

酶的结构决定了酶分子的催化活性，而酶的催化机制则依赖于酶分子的结构。

临床免疫学检验-第五章-诊断酶学

临床免疫学检验-第五章-诊断酶学

(二)连续监测法测定酶活性
偶联反应中存在几个时相：
①预孵育期： ②延滞期： ③稳态期：
酶偶联法测定ALT的吸光度变化
米－曼氏方程
• Michaelis 和Menten提出的酶作用的中间产物学说
E+S
K1 K2
ES K3
E+P
1913年提出了著名的酶促反应速度与底物浓度关系 的
方程式，即米-曼氏方程(Michaelis-Menten equation):
酶 ALT AST ALP
ACP LD CK γ-GT
AMY LPS ChE#
方法 连续监测法 底物中含磷酸吡哆醛
底物中不含磷酸吡哆醛 连续监测法 底物中含磷酸吡哆醛
底物中不含磷酸吡哆醛 连续监测法（磷酸对硝基苯酚法）
比色法（磷酸麝香草酚法） 连续监测法 L→P，即LD-L法
P→L，即LD-P法 连续监测法（酶偶联法）
(三)干扰因素
1. 其他酶和物质的干扰 2. 酶的污染 3. 非酶反应 4. 分析容器的污染 5. 沉淀形成
（四）血清酶活性浓度测定的条件的优化
1.方法选择 尽可能采用连续监测法；尽量减少操作步骤。 2.仪器和设备 明确规定仪器和设备的各种性能规范。 3.试剂 化学试剂必须具有一定纯度；试验用水最好是纯水或双蒸水。 4.自动生化分析仪参数的设置
参考区间 男：≤45U/L；女：≤34U/L* 5~40U/L 男：≤35U/L；女：≤33U/L* 8~40U/L 1~12岁＜500U/L； 男：12~15岁＜750U/L，
＞25岁40~150U/L； 女：＞15岁40~150U/L 0.5~1.9U/L ≤252U/L* 200~380U/L 男：≤169U/L；女：≤143U/L*

酶的分子结构和功能

酶的分子结构和功能

一、底物浓度对反应速率的影响
研究前提
I. 单底物、单产物反应 II. 酶促反应速率一般用单位时间内底物的消
耗量和产物的生成量来表示 III.反应速率取其初速率，即底物的消耗量很
小（一般在5﹪以内）时的反应速率 IV.底物浓度远远大于酶浓度
一
012345678
底
物
浓
80
S + E
度
↓
对
60
P
产物P
“五个相互”
酶诱导底物形成过渡态
底物
过渡态
产物
X 若只是与底物互补结合则无 催化反应
酶不但能与底物结合，还能诱导底物形成过渡态
酶促反应的其他机制
➢ 邻近效应与定向排列
➢ 多元催化(multielement catalysis) ➢ 表面效应(surface effect)
酶活性中心多为疏水性“口袋”
• 底物（substrate）：酶的催化下，发生化学 变化的物质
• 产物（product）：反应后生成的物质 • 限速酶或关键酶（rate-limiting enzyme/ key
enzyme）：催化反应速率最慢，决定整个 代谢途径总速率和反应方面的酶
二、酶的分类及命名 (自学)
酶的分类（催化化学反应的性质）
常见：维生素及其衍生物
辅基
辅酶
辅助因子为金属离子可分为：
金属激活酶：金属离子与酶的结合不甚紧密
金属酶：金属离子与酶结合紧密，提取过程
中不易丢失 辅助因子可分为：
辅酶:与酶蛋白结合疏松，可用透析或超滤的 方法除去
辅基:与酶蛋白结合紧密，不能用透析或超滤 的方法除去
某些辅酶（辅基）在催化中的作用
转移的基团 氢原子（质子）

第五章酶学

第五章酶学
标记试剂。这种试剂象底物一样进入活性部位，接 近结合位点，并以其活泼的化学基团与活性部位的 某一基团共价结合，而指示出酶活性部位的特征。
+
X-Y
酶原与酶原激活
酶原：细胞中合成的不具催化活性的
酶前体形式，称为~。
酶原激活：将无活性的酶原转变活性
酶的过程称为~。
肠激酶（激活作用）
缬 缬 缬 天 天 天 天 赖 异 缬 甘 组 S S 活性中心 缬 缬 天 天 天 天 赖 缬 缬 甘 组 S S S 胰 蛋 白 酶 S 胰 蛋 白 酶 原
5、活性部位微环境的影响
（酶活性中心是低介电区域）
酶活性中心处于一个非极性环境中， 其介电常数较在水介质（极性介质）中 的介电常数低，在非极性环境中两个带 电基团之间的静电作用比在极性环境中 显著增高。从而有利于同底物的结合。
酶催化作用机理： 综上所述：
酶与底物结合时，由于酶的变形（诱导契 合）或底物变形使二者相互适合，并依靠离 子键、氢键、范德华力的作用和水的影响， 结合成中间产物，在酶分子的非极性区域内， 由于酶与底物的邻近、定向，使二者可以通 过亲核\亲电催化、一般酸\碱催化或金属离 子催化方式进行多元催化，从而大大降低反 应所需的活化能，使酶促反应迅速进行。

分子水平上对酶的催化活性进行调节 共价修饰、变构调节、同功酶调节等 在酶分子合成水平上对酶量进行调节 酶量调节

共价修饰调节：
共价调节酶通过酶对其多肽链上某些基因进 行可逆的共价修饰使处于活性和非活性之间 的互变状态，从而调节酶活性

变构调节：
酶分子的非催化部位与某些化合物可逆的非 共价结合后发生构象的改变，从而改变酶活 性状态
第四节 酶分子的组成与结构
简单蛋白质酶

Enzyme酶

Enzyme酶
研究作出更大的贡献
第一节 酶的分子结构与功能 一、酶的分子组成
酶分子可根据其化学组成的不同，分为两类： 单纯酶
酶→
酶蛋白
结合酶（全酶）→
辅酶
辅助因子→ 辅基
金属离子
由酶蛋白与辅助因子组成的酶称为全酶。
与酶蛋白疏松结合并与酶的催化活性有关 的耐热低分子有机化合物称为辅酶。
与酶蛋白牢固结合并与酶的催化活性有关 的耐热低分子有机化合物称为辅基。
催化反应历程
一般化学反应历程： S →P
酶促反应历程： S+E →
ES → E + P
（二）具有高度的底物特异性 l 一种酶只作用于一种或一类化合物，以促进一定的化 学变化，生成一定的产物，这种现象称为酶作用的特异 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)。
三、酶促反应的机制
（一）中间复合物学说
酶催化时，酶活性中心首先与底物结合生成一种 酶-底物复合物（ES），此复合物再分解释放出酶， 并生成产物。
S + E → SE → E + P
（二） 诱导契合学说
当底物与酶接近时，底物分子可以诱导酶活性中 心的构象发生改变，使之成为能与底物分子密切 结合的构象 。
丙二酸对琥珀酸脱氢酶的竞争性抑制
H2N-
-COOH对氨基苯甲酸
H2N-
-SO2NH对氨R 基苯磺酰胺
磺胺类药物对二氢叶酸合成酶的竞争性抑制
某些抑制剂的化学结构与底物相似，因而能与 底物竟争与酶活性中心结合。当抑制剂与活性 中心结合后，底物被排斥在反应中心之外，其 结果是酶促反应被抑制了。

酶学基础---酶的分子结构与催化功能

酶学基础---酶的分子结构与催化功能

大分子底物和酶的复合物可用电子显微镜直接观 察
DNA聚合酶与DNA的复合物。即使小分子底物也可用 X射线衍射法获得酶-底物复合物的信息，如羧肽酶A是 通过哪些残基和底物甘氨酰-L-酪氨酸结合的以及溶菌 酶的最小六糖底物是怎样“躺”在酶分子表面的狭长 凹穴中，目前都已研究清楚。
有些双底物的酶可在只有一种底物的情况下加以 提纯或结晶，如3一磷酸甘油醛脱氢酶需要加入一 定量的NAD+才能结晶，这也是酶一底物复合物的 直接证据。 现已充分证明:底物是通过酶的活性中心和酶结合 的。
天冬氨酸转氨酶用温和的琥珀酸的方法使四级结构解离时，分离得 到的亚基仍各自保持催化功能；当用强烈的条件如酸、碱、表面活 性剂等破坏其四级结构时，得到的亚基没有催化活性。
与代谢调节有关的具有四级结构的酶：其组成亚基中，有 的亚基具有调节中心（激活中心和/或抑制中心），使酶的 活性受到激活或者抑制，调节酶反应的速度和代谢过程。
用紫外分光差光谱、荧光光谱、圆二色光谱、 光散射和内埋巯基暴露等手段研究肌酸激酶、 核糖核酸酶、乳酸脱氢酶及3一磷酸甘油醛脱氢 酶等在盐酸胍和尿素溶液中变性不同时间的构 象变化(即肽链去折叠的过程)，同时测定酶活力 的下降，发现：酶活力的丧失往往先于上述常 规手段所测出的酶分子的整体构象变化。 热变性实验同样证明，酶活性丧失在前，整体 构象变化在后。
第三节 酶催化作用的基本理论
有过各种酶催化学说。早期学说的中心思想是 底物的活化，到⒛世纪60年代，随着新技术的 发展，从而亦考虑到在催化反应中，酶本身功 能基团的作用。 酶在进行催化反应时，首先和底物形成ES络合 物，这样分子间的催化反应就变为分子内的催 化反应。
一、酶－底物复合物
酶与底物结合形成中间复合物（或称中间 络合物）。 复合物的形成是专一性决定的过程，也是 变分子间反应为分子内反应的过程，同时 又是诱导契合过程。由于中问复合物的形 成，酶和底物的结构都将发生有利于催化 反应进行的变化。
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第二篇
酶学基础
第四章 酶的分子结构与催化功能
第一节 酶分子组成
单纯酶 酶 结合酶 （全酶）= 酶蛋白 + 辅因子
辅酶 与酶蛋白结合得比较松的小分子有机物。 辅因子 辅基 与酶蛋白结合得紧密的小分子有机物。
金属激活剂 金属离子作为辅助因子。 蛋白质具有一级、二级、三级、四级结构以及大分子组 织形式。 酶的催化专一性主要决定于酶蛋白部分。 辅因子通常是作为电子、原子或某些化学基团的载体。
牛胰核糖核酸酶(RNA酶) 有4对二硫键及很多氢键维持 其空间构象; 活性中心中有两个组氨酸（His12及 His119）。用枯草杆菌蛋白酶处理，被水解成为N端的 ⒛肽(S肽)和其余的104肽(S蛋白)两个片段，分别含有 His12和His119，两者单独存在时均无活力，但在pH7.0的 介质中，将两者1:1混合，并使S肽与S蛋白间形成氢键 及疏水键连接，则20与21位之间的肽键虽不能恢复，但 活力能恢复。这是因为S肽上的His12又与s蛋白上的 His119互相靠近，恢复了原来活性中心的空间构象。
(二)必需基团
酶活性中心的一些化学 基团为酶发挥催化作用 所必需，故称为必需基 团。 在酶活性中心以外的区 域，也有不和底物直接 作用的必需基团，称为 活性中心外的必需基团。 这些基团与维持整个酶 分子的空间构象有关， 间接地对酶的催化活性 发挥作用。
Koshland将酶分子中的氨基酸残基或其侧 链基团分成四类：
第三节 酶催化作用的基本理论
有过各种酶催化学说。早期学说的中心思想是 底物的活化，到⒛世纪60年代，随着新技术的 发展，从而亦考虑到在催化反应中，酶本身功 能基团的作用。 酶在进行催化反应时，首先和底物形成ES络合 物，这样分子间的催化反应就变为分子内的催 化反应。
一、酶－底物复合物
酶与底物结合形成中间复合物（或称中间 络合物）。 复合物的形成是专一性决定的过程，也是 变分子间反应为分子内反应的过程，同时 又是诱导契合过程。由于中问复合物的形 成，酶和底物的结构都将发生有利于催化 反应进行的变化。
天冬氨酸转氨酶用温和的琥珀酸的方法使四级结构解离时，分离得 到的亚基仍各自保持催化功能；当用强烈的条件如酸、碱、表面活 性剂等破坏其四级结构时，关的具有四级结构的酶：其组成亚基中，有 的亚基具有调节中心（激活中心和/或抑制中心），使酶的 活性受到激活或者抑制，调节酶反应的速度和代谢过程。
1. 接触残基(contact residues) 如R1、R2、R6、R8、R9、R163、R164和R165。和底物直接接触, 参与底物的化学转变，是活性中心的主要组成部分。这些残基 中的一个或几个原子与底物分子的一个或多原子接触的距离都 是一键距离(即0.15~0.2nm)之内。 2. 辅助残基(auxiliary residues) 如R4，虽未直接与底物接触，但在使酶与底物相互结合以 及在辅助接触残基发挥作用上起着一定的作用。辅助残基也是 活性中心一个不可缺少的组成部分。 接触和辅助残基组成酶的活性中心。 接触残基的侧链中，有的可能担负和底物结合的作用, 称为 结合基团；有的可能参与使底物转变成产物的催化作用，称 为催化基团。 结合基团也可参与催化作用 辅助残基，因不与底物接触， 只能参与辅助催化基团的作 用，如质子的供给或接受等。
四、酶的四级结构与催化功能的关系
具有四级结构的酶，按其功能可分为两类：一类与催化作 用有关，另一类与代谢调节关系密切。
只与催化作用有关的具有四级结构的酶：由数个相同的亚 基组成，每个亚基都有一个活性中心。四级结构完整时， 酶的催化功能才会充分发挥出来。当四级结构被破坏时， 亚基被分离，若采用的分离方法适当，被分离的亚基仍保 留着各自的催化功能。
第二节 酶的结构与功能
酶蛋白的结构,包括一级结构和高级结构,与 酶的催化功能密切相关，结构的改变会引 起酶催化作用的改变或者丧失。 研究酶结构与功能的关系是酶学的核心课 题。
一、酶的活性中心
（一）活性中心
酶蛋白上只有少数氨基酸残基参与酶对底物的结合和 催化，这些相关氨基酸残基在空间上比较靠近，形成 一个与酶显示活性直接有关的区域（在酶分子表面上 具有三维结构的特定区域）,称为酶的活性中心，又称 活性部位(active site）。 构成活性中心的化学基团实际上就是酶蛋白氨基酸残 基的侧链，有时尚包括肽链末端的氨基酸。 胰凝乳蛋白酶活性中心含有Ile16、His57、Asp102、 Asp194、ser195。在酶原形式时它们分散在一条肽链上, 但酶原经激活后，形成A、B、C三条肽链。前3个残基 在B链,后2个在C链。依靠肽链的折叠，包括肽链间的二 硫键，使这些互相远离的基团靠近。
进一步用探测活性中心构象的方法来研究(如3-磷酸甘 油醛脱氢酶活性中心的巯基被羧甲基化后再经激发光 照，可在活性中心生成具有荧光的NAD共价结合物， 可通过荧光改变来探测活性中心的构象变化)，结果发 现，活性中心的构象的改变先于酶分子整体的构象改 变，而且与活力丧失几乎同步。 即：酶的活性中心的空间结构相对酶分子整体而言， 处于分子中一个挠性的局部区域，是由较弱的化学键 维持其空间结构，对各种变性因素较为敏感。 低浓度的变性剂在一定条件有时反而使酶激活，也可 证明活性中心的可塑性。
3.范德华力
一种非专一性的相互作用力，比离子键和氢键都弱。 酶与底物之间的有效范德华引力作用,，只有在它们相互之间处于 立体互补的情况下才能发生作用。在酶和底物的结合过程中，许 多原子基团间的范德华引力的总和将会产生相当大的作用。
二、酶的催化作用本质
酶和一般催化剂的共性
用量少而催化效率高； 它能够改变化学反应的速度，但是不能改变化 学反应平衡。酶本身在反应前后也不发生变化。 酶能够稳定底物形成的过渡状态，降低反应的 活化能，从而加速反应的进行。
(二)酶与底物形成复合物的作用力
酶与底物的结合与稳定酶分子的三维结构的力是相同的。 1.离子键
底物分子上的电荷和酶分子上相反电荷之间的作用, 离子键受溶剂、盐浓度、酶活性部位的微环境以及酶活性部位的 侧链基团等因素的影响。
2.氢键
底物和酶结合的一种重要的相互作用力。 酶分子可以在主链与侧链之间以及某些侧链之间形成氢键。氢键 在水中仍然可以保持，但强度减弱。在酸、碱液中氢键不存在。 在高温或各种变性剂的作用下，氢键会被破坏。
大分子底物和酶的复合物可用电子显微镜直接观 察
DNA聚合酶与DNA的复合物。即使小分子底物也可用 X射线衍射法获得酶-底物复合物的信息，如羧肽酶A是 通过哪些残基和底物甘氨酰-L-酪氨酸结合的以及溶菌 酶的最小六糖底物是怎样“躺”在酶分子表面的狭长 凹穴中，目前都已研究清楚。
有些双底物的酶可在只有一种底物的情况下加以 提纯或结晶，如3一磷酸甘油醛脱氢酶需要加入一 定量的NAD+才能结晶，这也是酶一底物复合物的 直接证据。 现已充分证明:底物是通过酶的活性中心和酶结合 的。
（一）酶一底物复合物存在的证据
光谱技术是证明ES复合物存在的有效手段。
醇脱氢酶（ADH）的底物NADH在游离状态下， 于340nm处有一吸收峰，但加入ADH后,吸收 峰移向328nm，再加入巯基试剂对氯汞苯甲酸 又使吸收峰回到340nm，证明NADH和ADH的 结合是通过ADH的巯基介导的。 催化丝氨酸和吲哚合成色氨酸的色氨酸合成酶 含有磷酸吡哆醛辅基，后者能在激发下发出荧 光。当单加入丝氨酸而尚无吲哚时, 其荧光强度 显著增加，再加入吲哚，就使荧光淬灭，低于 单独酶的荧光，这就证明酶-丝氨酸复合物和酶 -丝氨酸-吲哚复合物的存在。
在酶的活性中心外, 不参与酶的催化功能，对酶活性的显示 不起作用。如图中的R3、R5、R7以及图中未列入的一些残基, 这些残基可以被取代， 甚至把它们去掉也不会对酶的构象 和功能产生重大改变。
二、酶的一级结构与催化功能的关系
一级结构是酶的基本化学结构，是催化功 能的基础。一级结构的改变将使酶的催化 功能发生相应的改变。
酶蛋白的变性有时是可逆的。当某些化学 变性剂去除后，酶可以恢复原有的空间构 象，并恢复酶活力。
牛胰核糖核酸酶经尿素及β-巯基乙醇处理后发 生变性，当透析去除变性剂后，酶可自动折叠 成具有催化活性的原始形式。
2.活性中心的挠性 近年来的研究证明：酶蛋白活力的变化和变 性时空间构象的改变并不是同步的。
在大多数蛋白激酶中，两个不同功能的区结构域一般 都存在于一条肽链中，形成催化结构域和调节结构域， 如cGMP依赖的蛋白激酶G(PKG)，钙-甘油二酶(佛波酯) 一磷脂依赖的蛋白激酶C(PKC)以及具有酪氨酸蛋白激酶 活性的表皮生长因子受体，其调节结构域都位于N侧， 催化结构域位于C侧。
有一些多功能酶，其不同酶活力来自不同的结构域， 如大肠杆菌亮氨酰-tRNA合成酶的C端切去6000分子量 的片段后丧失了tRNA氨酰化的活性，而但保留氨基酸 活化和ATP-焦磷酸交换的活性。 已发现与凝血及纤维蛋白溶解有关的蛋白酶由6种不 同的结构域以不同的组合方式装配而成，包括:γ一羧 基谷氨酸域、表皮生长因子域、三环(kringle)结构域、 指(finger)结构域和接触因子(CF)域以及类胰蛋白酶的催 化域。 不同蛋白酶中的相同结构域则往往有相同或类似的功 能。可以把结构域看成是酶蛋白中的一个功能单位。 对结构域的研究正方兴未艾，将来有可能利用不同的 结构域用DNA重组技术组装成新的人工酶蛋白。
3.酶分子的结构域
结构域(domain)是指蛋白质肽链中一段较独立的具 有完整、致密立体结构的区域，一般由40~400个 氨基酸残基组成。 大多数酶都有一个以上的结构域，如弹性蛋白酶 两个十分类似的结构域，而木瓜蛋白酶则有两个 很不一样的结构域。结构域在蛋白质肽链的折叠 和变构调节等现象中具有重要作用。 不同的结构域常有不同的功能。
用紫外分光差光谱、荧光光谱、圆二色光谱、 光散射和内埋巯基暴露等手段研究肌酸激酶、 核糖核酸酶、乳酸脱氢酶及3一磷酸甘油醛脱氢 酶等在盐酸胍和尿素溶液中变性不同时间的构 象变化(即肽链去折叠的过程)，同时测定酶活力 的下降，发现：酶活力的丧失往往先于上述常 规手段所测出的酶分子的整体构象变化。 热变性实验同样证明，酶活性丧失在前，整体 构象变化在后。