第二章 酶与辅酶 P319 8章 酶是研究生命科学的基础，生命体系中几乎所有化学反应都是在酶催化下进行的。酶又是生命化学和化学的重要结合点。 酶化学内容： 1. 酶作用机制，酶的抑制剂和激活剂，并由此设计和制造医药、农药。 2. 人工模拟酶：用小分子（有机）化合物模拟酶的活性部位，模拟酶的作用方式。 3. 以酶为工具进行化学反应，如不对称合成。 4. 利用免疫系统制备有预定活性的催化抗体即抗体酶。 5. 化学酶工程：将酶学与化学工程技术相结合，在工业上使用酶和固定化酶。 §2. 1 酶催化作用特点： （一）酶是催化剂：降低酶促反应活化能。 （二）酶是生物催化剂： 反应条件温和，常温常压，中性PH，酶易失活。 酶具有很高催化效率，比非催化反应一般可提高108~1020倍。 酶具有高度专一性： 反应专一性：催化一种或一类反应。 底物专一性：只作用一种或一类物质。 酶活性受调节控制： 调节酶的浓度： 诱导或抑制酶的合成，如消化乳糖的三种酶的产生受乳糖操纵子控制。 激素调节： 激素通过与细胞膜或细胞内的受体相结合而调节酶的活性。 如乳糖合成酶是由两个亚基组成，一个催化亚基，一个调节亚基，催化半乳糖和葡萄糖生成乳糖。平时催化亚基单独存在，只催化半乳糖与蛋白质反应合成糖蛋白；但当动物分娩后，激素急剧增加，调节亚基大量产生，与催化亚基一起构成二聚体的乳糖合成酶，改变催化亚基专一性，催化半乳糖和葡萄糖反应生成乳糖。 反馈抑制调节： 许多物质合成是由一连串反应组成的，催化此物质生成的第一步的酶可为它们的终端产物所抑制。 P323 图8-2。 如由Thr合成Ile经过5步，当终产物Ile浓度达足够水平，催化第1步反应的苏氨酸脱氨酶被抑制；当Ile浓度下降后，酶的抑制解除。 抑制剂、激活剂调节： 酶的抑制剂、激活剂的研究是药物研究的基础。磺胺药可抑制四氢叶酸合成所需酶，进而抑制核酸和蛋白质的合成，故可杀菌。 酶原的激活： 凝血酶、消化酶等酶先以一个无活性的前体形式（酶原）被合成，然后在一个生理上合适的时间和地点被活化成酶，才具有催化活性。 共价修饰： 酶被共价修饰后，活性被调节，如在激酶催化下酶被磷酸化而表现出催化活性；磷酸基团水解，活性又可逆转。 别构调控： 别构酶通过效应物来对酶活性进行调控。 §2. 2 酶的化学本质及其组成： 酶是蛋白质： 水解最终产物为氨基酸，并具有蛋白质各种性质。 酶的分类： 由化学组成不同分为单纯蛋白质和缀合蛋白质。缀合蛋白质除蛋白质外还要结合一些非蛋白质小分子或金属离子才表现出酶的活性，由蛋白质部分（称为脱辅酶或酶蛋白）和非蛋白部分（称为辅因子或辅助因子）两部分组成，两者结合的复合物称为全酶。 全酶 = 脱辅酶 + 辅因子 P324 表8-4 列出可作辅因子的金属离子，P325 表8-5 列出辅酶和辅基（总称辅助因子）。 辅酶：与脱辅酶结合比较松弛的小分子有机物，经透析可除去。 辅基：与共价键和脱辅酶结合，透析法不可除去。 辅酶和辅基无严格界限。 单体酶、寡聚酶和多酶复合物： 单体酶：一般由一条肽链或多肽链组成的酶，多为水解酶。如溶菌酶（一条肽链），胰凝乳蛋白酶（三条肽链）。 寡聚酶：由两个或两个以上的亚基组成的酶，许多为调控酶。P325表8-6，P326表8-7。 多酶复合体：由几种酶靠非共价键彼此嵌合而成，所有反应依次连接。催化一系列反应连续进行，如糖代谢中丙酮酸脱氢酶复合体，由60个亚基、三种酶组成。 §2.3 酶的命名和分类： 习惯命名法： 根据酶作用的底物命名： 如 淀粉酶：催化水解淀粉； 蛋白酶：水解蛋白。 有时加上酶的来源：如胃蛋白酶，胰蛋白酶。 根据酶催化反应的性质及类型命名： 如 水解酶、转移酶和氧化酶。 有时由上述两原则结合起来命名： 如 琥珀酸脱氢酶。 习惯命名简单，但缺乏系统性，不严格，现仍在使用。 国际系统命名法： 以酶所催化的整体反应为基础，并明确表明酶的底物及催化反应性质。P327表8-8。 如 乙醇：NAD+氧化还原酶。 底物：乙醇、NAD+，中间用冒号隔开。 催化反应：氧化还原，乙醇 + NAD+ 乙醛 + NADH。 若底物之一是水，可将水略去不写，如脂肪：水解酶。 国际系统分类法及酶的编号： 由酶所催化反应的类型将酶分为六大类。 由底物中被作用的基团或键的特点，将每一大类又分为若干亚类，每一亚类又分为亚亚类，第四个数字为排号。由此每个酶的编号由四位数字组成，编号前冠以EC，数字用“.”隔开，如谷丙转氨酶编号为：EC 2.6.1.2.。 P327 表8-9 酶的分类，指明了酶的编号，系统名称、习惯名称及所催化的反应。 六大类酶介绍： 氧化还原酶 （Oxido-reductases）： 氧化酶：催化底物脱氢并氧化生成H2O2或H2O。 脱氢酶：直接从底物上脱氢。 氧合酶：如催化甲烷氧合生成甲醇。 过氧化物酶：如超氧化歧化酶SOD。 转移酶（Transferases）： 将一种分子的某一基团转移到另一种分子上。 通式：A.X + B A + B.X 如转氨酶，转酮醛基酶，转糖苷基酶等。 水解酶（Hydrolases）： 通式：AB + HOH AOH + BH 催化水解酯键，如脂肪酶、核酸酶；水解糖苷键，如淀粉酶、溶菌酶；水解肽键，如蛋白酶。 裂合酶（Lyases）： 催化从底物移去一个基团而形成双键的反应或其逆反应。 通式：A.B A + B 如脱羧酶，断C-C键，生成CO2；碳酸酐酶，断C-O键，生成CO2。 异构酶（Isomerases）： 催化各种同分异构体之间相互转变，使分子发生重排。 通式：A B 如消旋酶，差向异构酶、顺反异构酶等。 连接酶（Ligases）： 催化有ATP参加的合成反应，能量由ATP供给。 通式：A + B + ATP AB + ADP（AMP）+ Pi（PPi） 在科学文献中，应先给出酶的系统名称和编号，下面文中为方便仍可用习惯命名。 §2.4 酶的专一性： 结构专一性：对底物要求严格。 绝对专一性：只作用一种底物，如脲酶水解尿素。 相对专一性：作用于一类结构相近的底物。 族专一性或基团专一性：对作用键的两端基团，一端要求严格，对另一端要求不严格。如 α-D-葡萄糖苷酶，要求糖苷键一端为葡萄糖，另一端可为果糖（如蔗糖），或葡萄糖（如麦芽糖）。 键专一性：只作用一定的键，对键两端基团无严格要求。如脂酶，蛋白酶。 立体异构专一性： 旋光异构专一性：如只作用L-氨基酸，可用于氨基酸的拆分。 几何异构专一性：如琥珀酸脱氢酶只生成反丁烯二酸。 潜手性识别：对潜手性分子上的原子有识别性，如酵母醇脱氢酶，只作用尼克酰胺环的C4上的HA。 酶作用专一性假说： 锁与钥匙学说： 酶与底物为锁与钥匙的关系，见P334 图8-5。但“刚性模板”无法解释反应物和底物均为酶的底物。 诱导契合假说： 酶与底物分子接近时，酶蛋白受底物分子诱导其构象发生有利于与底物结合的变化，酶与底物在此基础上互补契合，并进行反应，如P335 图8-6所示。 酶与底物结合时有显著构象变化，已为X-衍射所证实。酶构象改变，底物构象也发生变化，形成过渡态，由此引出过渡态学说。底物和酶先结合成中间复合物，底物被活化成过渡态。在酶促反应中，已获得大量底物过渡态，并由此推导出许多过渡态类似物作为设计农药、医药、抗体酶的依据。 农药：如乙酰胆碱酯酶水解神经传导递质—乙酰胆碱的酯键，乙酰胆碱水解时的过渡态为四面体，其过渡态类似物为磷酸酯，由此设计能抑制乙酰胆碱酯酶的化合物，即可成为有机磷农药和有机磷毒气。 医药：过渡态类似物已成为当前设计新杀菌剂和药物的重要依据，过度态类似物往往是酶的抑制剂。 抗体酶：利用哺乳动物的免疫体系的选择性和多变性，经过特定的抗原结构的设计和诱导，制备具有预定催化活性的蛋白分子，即抗体酶，又称催化抗体。 由反应机制确定底物反应过渡态，由反应过渡态设计过渡态类似物。以过渡态类似物为抗原，诱导哺乳动物的免疫系统产生抗体，经大量筛选后找出具有催化反应活性的抗体分子，经单克隆抗体制备抗体酶。目前已有能催化20多种、40多个化学反应的抗体酶被制备，包括酶促反应六大类型，还可催化生物体内酶所不能催化反应，如Diels-Alder反应。 §2.5 酶的活力测定： 在分离纯化酶的过程中，在酶存放后及使用前都需测酶活力。通过酶活力测定进行酶促反应动力学研究，进行酶抑制剂、激活剂（医药、农药）的研究。 酶活力：指酶催化某一化学反应的能力，酶活力大小可用在一定条件下所催化的某一化学反应的反应速率来表示。 研究酶反应速度应以反应初速度为准，因为随时间延长、底物浓度下降和酶部分失活等，酶促反应速度下降。一般在底物变化量5%以内，反应速度保持不变，为反应初速度。 酶的活力单位： 酶单位（U）：在一定条件下，一定时间内将一定量的底物转化为产物所需的酶量。 酶国际单位（IU）：在最适反应条件（温度250C，最适PH，最适底物浓度）下，每分钟催化1μmol底物转化为产物所需的酶量定为一个酶活力单位（1961年订立），1IU = 1μmol/min。 酶活力国际单位，即Katal（简称Kat）单位。在最适条件下，每秒钟能催化1mol底物转化为产物所需的酶量，定为1Kat单位。 1 Kat = 1 mol.s-1 = 60 × 106 IU （1972年定）。 酶活力习惯沿用单位：每小时催化1g或1mL底物所需要的酶量。表示不够严格，但方便。 酶的比活力： 每mg酶蛋白所具有的酶活力单位数。对同一种酶，比活力越大，酶的纯度越高，一般用U/mg蛋白表示；对酶制剂为U/g酶制剂或U/mL酶制剂（表示酶含量）。 比活力大小表示单位蛋白质的催化能力。 酶活力测定方法： 分光光度法：底物和产物在紫外或可见光部分光吸收不同。 荧光法：灵敏度高。 同位素法：灵敏度极高，用3H、14C、32P、131I等标记化合物。 §2．6 酶工程简介： P344 研究酶制剂在工业大规模生产及应用，分为化学酶工程和生物酶工程。 天然酶已被广泛应用： 加酶洗衣粉（蛋白酶），食品饮料防腐（溶菌酶），纺织布褪浆（淀粉酶），皮革软化脱毛（蛋白酶），澄清果汁（果胶酶）等；医疗上用L-门冬酰胺酶抗肿瘤，脲酶治尿毒症等。 化学修饰酶： 对酶分子进行化学修饰，改善酶的性能。如抗白血病药物L-门冬酰胺酶游离氨基用HNO2脱氨基或酰化，可使酶稳定性有很大提高；用葡聚糖修饰超氧化歧化酶SOD，可使其半衰期几十倍增长，抗原性消失，耐热性提高。 固定化酶： 将水溶性酶用物理或化学方法处理，使之成为不溶于水，但仍具有酶活性的制剂称为固定化酶。 吸附法：将酶蛋白吸附在不溶性载体上，如活性炭，硅胶，分子筛，微孔玻璃，纤维素和离子交换树脂上。 如用葡萄糖淀粉酶和葡萄糖异构酶制备的固定化酶已大规模用于从淀粉经葡萄糖制备果糖，用于替代蔗糖。 共价偶联法：将酶蛋白上的非必需侧链基团与载体上的基团通过化学反应形成共价键结合。载体可用天然和合成高分子聚合物，将载体官能团活化连接上间隔臂后，再在温和条件下与酶偶联，间隔臂使酶分子与载体骨架有一定距离，使底物与酶易接近。 交联法：用双功能试剂，如戊二醛等将酶分子交联成网状结构，成为不溶性酶。 常与吸附法或包埋法结合使用。 包埋法：将酶包裹在凝胶的细微格子中或被半透性聚合膜所包围。小分子底物和产物可自由通过，而酶固定其中。 包埋法还可包埋固定化细胞、细胞器、菌体等。 人工模拟酶： 根据酶的结构、功能以及催化机制，用化学合成法合成具有酶催化活性的人工酶制剂。如环糊精模拟酶，见P347 图8-17。 有的模拟酶作用方式，有的模拟酶的活性中心。