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第二章 酶
生物化学
上册：
生物大分子
第一章
蛋白质
第二章
酶
第三章
糖类
第四章
脂类
第五章
核酸
下册：
生化代谢
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第一节 概述
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第一节知识结构
概述
一、酶的研究
和应用历史二、什么是酶？
三、酶的分类
和命名
四、酶活和
酶的比活
一、酶的研究和应用历史
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1、中国对酶的长期的生产和应用历史 中国从公元前两千年左右，已能造酒
酒曲酿酒是中国酿酒的精华所在用发霉的谷物，制成酒曲，霉菌中所含的酶将谷物原料发酵
酒曲
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加曲
入窖发酵
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目前酿酒，制造醋，酱油，制酱还是传统工艺为主
清徐老陈醋是以当地种植的红高粱为主要原料，以各种皮糠为辅料，以红心大曲为发酵剂
山西陈醋的发酵
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湖南大学生物学院江津酱油发酵过程
江津酱油采用优质黄豆、小麦为主要原料2、酶研究的四个诺贝尔化学奖 1857巴斯德提出
酒精发酵是酵母细胞活动的结果但是认为酶必须在活细胞内才有活性
所用是巴黎酵母
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（1）1911年诺贝尔化学奖 由Buchner兄弟获得 1897年，德国化学家
Eduard Buchner 和Hans Buchner发现慕尼黑酵母提取物可以使蔗糖发酵产生乙醇 推翻了巴斯德之前的认为的只有活细胞才能发酵的理论
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（2）1949年和1989 诺贝尔化学奖酶的化学本质研究 1949年 Sumner和
Northrop共同分享诺贝尔化学奖 1926年 Sumner首次从刀豆中提出脲酶结晶，并证明具有蛋白质性质
30年代，美国生化学家Northrop又分离出结晶的胃蛋白酶、胰蛋白酶及胰凝乳蛋白酶，证明酶的化学本质是蛋白质
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1989 Cech和Altman分享 80年代各自独立发现RNA具有生物催化功能
打破了酶是蛋白质的传统观念
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（3）1997年 诺贝尔化学奖 酶作用的分子机制
授给Boyer和Walker 阐明了ATP合酶的作用机制
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1963年，碱性蛋白酶 主要产生菌是某些芽孢杆菌 是洗涤剂用酶的突破
3、酶制剂的广泛利用
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纤维素酶 磨 洗 牛 仔 服
酶代替浮石，磨洗的牛仔布更耐穿，而且这一过程节约大量的水
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木 瓜 蛋白酶
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木瓜蛋白酶能有效地分解蛋白质，去除老化角质，它可以完全代替果酸在化妆品中的作用，却没有果酸的容易引起皮肤过敏的可能
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用于治疗疾病酶制剂可以用做药品 溶菌酶可以用来分解病原菌的细
胞壁，具有明显的抗菌和消炎作用。
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二、什么是酶
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1、酶的化学本质：高分子生物催化剂
（1）大多数酶是蛋白质是不是所有的蛋白质都是酶？
经过酸碱水解后最终产物是氨基酸
乙醇脱氢酶
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酶具有蛋白质的特性如两性解离、胶体性质、加热使酶变性颜色反应等，可以被蛋白酶水解而丧失活
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核酶Ribozyme ： 可以设计出各种人工核酶，用作抗病毒和抗肿瘤的防治药物
（2）核酶的化学本质是RNA 提出了生命起源的新概念，RNA的出现可能早于蛋白质和DNA，是生命起源中首先出现的生物大分子
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……
克隆酶、遗传修饰酶蛋白质工程新酶
酶是一种高
分子的生物
催化剂
（Biocatalyst）
蛋白质类
(天然酶、生物工程酶)
核酸类
模拟生物催化剂
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2、酶具有无机催化剂的共性
（1）酶可以加快反应速度，为什么？催化剂降低反应所需的活化能只有那些具有较高能量处于活化状态的分子才容易相互碰撞发生化学反应
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可以看到酶存在下的反应活化能要比无催化剂时反应的活化能低
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过氧化氢的分解反应无催化剂 活化能是75.4KJ/mol液态钯催化剂 48.9KJ/mol过氧化氢酶 8.4KJ/mol
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（2）酶参与反应前后是否会发生数量和质量变化？反应前后都不发生数量和质量变化不改变反应的平衡点从热力学上看,只能催化热力学上允许进行的反应
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3、酶与无机催化剂的不同之3、酶与无机催化剂的不同、
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案例2：为什么人类很难战胜细菌？ 细菌内酶催化的高效性使得它们具有很短的繁殖周期，细菌进化一周相当于人类进化一千年
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NH2
C＝O＋H2O
NH2
CO2+2NH3
脲酶
或Fe粉
脲酶的催化效率比Fe粉高1015倍
（1）酶催化反应具有极高的催化效率
不加催化剂相比可提高108～1020倍，与加普通催化剂相比可提高107～1013倍
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（2）酶催化反应具有高度的专一性（特异性)
酶所作用的某一类或某种特定的物质，称为是酶的底物 substrate（S）酶所作用的某一类或某种特定的物质，称为是酶的底物 substrate（S）
酶对催化的反应和反应物有严格的选择性，这种性质称为酶的专一性酶对催化的反应和反应物有严格的选择性，这种性质称为酶的专一性
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①结构专一性酶对所催化的分子化学结构的特殊要求和选择
绝对专一性：有些酶只作用于一种底物，催化一个反应，而不作用于
任何其它物质
相对专 性 这类酶对结构相近的一
专 性
相对专一性：这类酶对结构相近的一类底物都有作用包括键专一性和基团
专一性
L-氨基酸氧化酶只能催化L-氨基酸氧化，而对D-氨基酸无作用
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②②立体异构专一性：酶除了对底物分子的化学结构有要求外，对其立体异构也有一定的要求
光 专
中
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
顺反异构专一性：酶只作用于其中的一种顺式或反式构型
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酶专一性分类酶的专一性
结构专一性
绝对专一性 相对专一性
键专一性
基团专一性
立体异构专一性
旋光异构专一性
顺反异构专一性
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习题： 1、酶催化反应的实质在于降低反应
的（ ），使底物分子在较低的能量状态下达到（ ）态，从而使反应速度加快。
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2、试指出下列每种酶具有哪种类型的专一性。 (1)脲酶(只催化尿素NH2CONH2的水解，但不能作用于NH2CONHCH3)
(2)β-D-葡萄糖苷酶(只作用β-D-葡萄糖形成的各种糖苷，但不能作用于其他的糖苷，例如果糖苷)
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(3)酯酶(作用于R1COOR2的水解反应) (4)L-AA氧化酶(只作用于L-AA，而不能作用于D-AA)(5)反丁烯二酸水合酶[只作用于反丁烯二酸(延胡索酸)，而不能作用于顺丁烯二酸 (马来酸)]
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工业上需要几百个大气压，500度高温才可以大规模的进行氮肥生产
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根瘤菌中固氮酶需要什么样反应条件？（与工业氮肥生产相比） 生物固氮在植物中由固氮酶完成，每年从大气中固氮 1亿吨
27度和中性PH条件下进行
根瘤菌寄生于大豆的根中所形成的根瘤 李新梅
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反应条件温和
易失活
可以调节其活性•反馈，抑制剂和激活剂，激素调节酶的活性•别构调节
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很多酶离不开辅酶、辅基、金属离子
可以调节其活性
NAD来自于维生素PP，是很多脱氢酶的辅酶
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5、什么是酶？
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学习小结
生物分子 功能 结构
1、酶（1）什么是酶？（2）酶的化学本质？
催化生物化学反应，降低反应的活化能（1）是否改变反应平衡点？（2）反应前后数量和质量是否改变？
酶具有活性中心
酶与无机催化剂相比有什么不同？
酶的专一性如何分类？
案例：为什么大多数中国人喝酒会脸红？
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1、乙醇主要在肝脏内代谢 关键酶 乙醇脱氢酶（alcohol dehydrogenase, ADH）
乙醛脱氢酶（aldehyde dehydrogenase, ALDH）
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2、饮酒后脸红主要是由于血液中乙醛浓度升高乙醛可刺激肾上腺素，去甲肾上腺素的分泌 引起面部潮红、皮温升高、心率加快等症状，甚至皮肤瘙痒
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因此大部分中国人喝酒脸红是大量乙醛累积造成的！
因为大部分中国人乙醇代谢途径酶是特殊的乙醇脱氢酶活性高 70%中国人乙醛脱氢酶活性低 50%中国人
80%亚裔黄种人容易乙醛中毒 对于一个50kg左右人来说，大约喝不到一两半的二锅头就会出现脸红状态
95%白种人不容易脸红，但是容易对乙醇上瘾和中毒 乙醇分解慢 乙醇脱氢酶活性低 乙醛脱氢酶活性高
2、为什么多数中国人乙醇脱氢酶活性高
大多数中国人有活性高的乙醇脱氢酶（ADH2）这种基因仅存在于中、日、韩等东亚人群中间2011年复旦大学李辉教授率领的课题组对比了包括新石器时代、汉代、唐朝等时期的古人类DNA和现代人DNA
发现一种东亚人特有的活性高的乙醇脱氢酶基因它有助于加快乙醇分解速度，约是正常的13倍
同时能够分解与乙醇结构类似的毒素
这种基因变化过程出现于2800年前的中国，因此戏称为杜康基因
3、两种基因变异的优缺点
（1）减少酒精中毒发生 由于杜康基因的解毒作用，使得大多数中国人能够减少酒精中毒的情况
减少了乙醇对身体的危害
而欧洲人和美洲的印第安人相比于中国人，酒精中毒的发生率要高出许多
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（2）不会嗜酒 那些喝酒容易“上脸”的人，对喝酒不会感到有快感
大量的乙醛干扰肝脏的正常功能，您的消化系统就有不舒服的感觉
他们也就不会主动去喝酒，也会比较容易生存下来并继续扩大，这些人在现代占大多数
（3）造成中国人肝癌的发病率高 中国人肝癌发病率高 据悉，肝癌在我国恶性肿瘤死亡率位居第二，仅次于肺癌，但死亡人数却是世界最多的
在美国出生的中国人，肝癌发病率要比美国白人高，以倍数来计算的
乙醛刺激脂肪合成，可使肝细胞反复发生脂肪变性、坏死和再生，最终导致肝硬化
也就是说，中国人（严格地说亚裔黄种人）携带者与喝酒有关的突变基因也是导致肝癌的原因之一
4、为什么大多数中国人有杜康基因？
杜康基因在2800年前才开始出现，正是中国农业突飞猛进时期，充足的粮食生产使得家家户户都有了余粮，粮食储存成为难题。
当时不可能有粮食储存的检测技术，粮食储存不当发霉，真菌的分解不仅产生了乙醇，还产生了类似结构的毒素，而当时的人群因为不知情，还在不断食用
于是，具有杜康基因的人能够分解与乙醇结构类似的毒素，存活下来
缺少这一基因的人则会食物中毒，产生了一轮又一轮自然淘汰
现代社会中存在于大约70%的汉族人群体内
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为什么欧洲人和美洲的印第安人没有杜康基因？ 在欧洲和美洲的印第安人群中，携带
这一类型变异的乙醇脱氢酶基因的人口比例非常低 根据历史追溯也能够发现，直到中世纪，欧洲人群的食物来源于狩猎还很重要，粮食并没有进入丰产富余的阶段，他们还没来得及进化出杜康基因类似基因
5、基因影响了东西方的酒文化
中国酒文化是要有下酒菜
很少有酗酒
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西方酒文化是不需要下酒菜，因为乙醇分解慢，更容易获得欣快感，也更容易上瘾
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三、酶的分类，编号和命名
案例：亚洲人具有的活性低乙醛脱氢酶——ALDH2*2
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1、乙醛脱氢酶ALDH2位于肝脏细胞的线粒体内位于12号染色体正常的等位基因记为ALDH2*1突变的等位基因记为ALDH2*2，产生的乙醛脱氢酶催化活性基本丧失
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ALDH2*2在人类各族群中的分布是不同的，它基本全部出现在亚洲人上 研究显示中国人ALDH2*2的频率为18%，其中广东汉族最高（31%），武汉汉族12%，洛阳人15%，上海人25%，台湾人30%
朝鲜人16%，日本人27%，泰国人4% 藏人/蒙古人/菲律宾人/马来人/台湾原住民1-10%
白人~0%，黑人~0%
2、为什么ALDH2*2失去催化活性？ （1）ALDH需要NAD+辅酶来辅助
传递氢
（2） NAD+来自维生素烟酸（B3）
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烟酸在体内会转化为烟酰胺
NAD+ 即烟酰胺腺嘌呤二核苷酸
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NAD+还原形式 为NADH C-4是反应中心，能接受或给出氢
负离子（H-：一个质子同两个电子）
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烟酰胺通过NAD+和NADH之间的相互转换，为脱氢酶传递氢
乙醛脱氢酶的辅酶是NAD+ 乙醛脱氢酶
ALDH2*1活性中心两个结合部位
分别结合乙醛和NAD+
活性中心487残基的谷氨酸与NAD+结合
突变的乙醛脱氢酶ALDH2*2
活性中心487残基的谷氨酸突变为赖氨酸
赖氨酸是带正电的，而NAD+ 也是带正电的，造成活性中心难以结合NAD+ ，催化效率下降催化效率只有ALDH2*1的8%
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密码子表
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很多流行病学研究已经证实, 携带ALDH 2* 2等位基因的亚洲人因酗酒引发消化道癌症的几率明显较大: 胃癌、结肠癌、肺癌为3~ 10 倍; 咽癌、食道癌为11~ 15倍
而食道癌、咽癌和肺癌同时发病的几率增加了50倍
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如果喝50度的白酒，男性不可以每天饮用超过100毫升（2两），女性不能超过50毫升（1两）
一次大量酗酒，同样可能造成酒精肝
（一）按化学成分分类
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胃蛋白酶和乙醛脱氢酶在化学成分上最大不同在哪里？
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从化学成分上分为单纯酶和结合酶
1、单纯酶：只由蛋白质组成，如脲酶、淀粉酶、蛋白酶
2.结合酶
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（1）结合酶为缀合蛋白=脱辅酶+辅因子对热稳定的非蛋白小分子物质，称辅因子即cofactor辅因子对酶催化的反应传递电子，原子或某些化学基团
例如叶酸（B9）是一碳单位转移酶系的辅酶
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起着一碳单位传递体的作用
主要用于参与核酸合成和氨基酸代谢
孕妇缺乏容易导致胎儿的神经管畸形
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叶酸的结构
2-氨基-4-羟基-6-甲基蝶啶 对氨基苯甲酸 谷氨酸
蝶酸
叶酸（蝶酰谷氨酸）
一碳单位是指具有一个碳原子的基团
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•与酶蛋白结合疏松的小分子有机物，用透析法可以除去
•往往是由维生素参与形成的小分子有机物
•所有的水溶性族维生素都是辅酶或辅酶前体
辅酶：
辅因子：根据结合的牢固程度不同
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•与酶蛋白以共价键紧密结合，用透析的方法不能除去
•需要经过一定的化学处理才能与蛋白分开
•如细胞色素氧化酶与铁卟啉辅基
辅基：
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案例：安陵容为何吃杏仁而死？
1、《甄嬛传》电视剧中安陵容吃杏仁而死 剧里实际上是美国大杏仁即扁桃仁，没有毒性
杏仁应该更近于心形，比较小
实际作者设计的是安陵容吃苦杏仁而死
甄嬛传中安陵容所吃的杏仁
苦杏仁
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扁桃仁
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2、杏仁越苦，毒性越大，一般生吃数粒就可以出现中毒症状从生吃苦杏仁到出现中毒症状的潜伏期一般为2-9个小时，甚至更长
中毒的轻重主要与摄入量的多少以及年龄有关轻者仅有恶心、呕吐、全身不适、疲乏无力、头痛头晕、倦睡或烦躁等。
中毒严重者多死于呼吸衰竭。
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3、苦杏仁属于含氰甙果仁，包括杏，桃、枇杷、樱桃的核仁都含有毒性物质——苦杏仁甙和苦杏仁甙酶
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苦杏仁甙分解的氢氰酸抑制了线粒体内膜上呼吸链的细胞色素氧化酶的活性
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复合物IV即细胞色素氧化酶
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氢氰酸阻碍了结合细胞色素氧化酶与卟啉铁辅基结合，阻断线粒体对氧的利用
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（二）将酶按照酶催化的有机化学反应类型分类
乙醇脱氢酶催化反应属于什么类型？ 氧化还原反应
乳酸脱氢酶
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1、国际酶学委员会根据酶所催化反应的类型，把酶分为６大类：1-氧化还原酶类2-转移酶类3-水解酶类4-裂合酶类5-异构酶类6-连接酶类
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生命科学与技术研究院
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生命科学与技术研究院
丙氨酸转氨酶属于哪一类？
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胃蛋白酶催化的是哪一类反应?
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葡萄糖氧化酶属于哪一类
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丙氨酸消旋酶属于哪一类 葡萄糖异构酶属于哪一类
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吸附到离子交换树脂上，或者包埋在明胶中，制成的固定化葡萄糖异构酶
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乙醇脱氢酶 EC1.1.1.1 乳酸脱氢酶 EC1.1.1.27
第一个数字表示大类： 氧化还原酶 第二个数字亚类，表示作用于供体的
CHOH
（三）酶的编号
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第三个数字亚亚类，表示受体的编号： 1.1.1 以NAD+或NADP+ 1.1.3以O2为受体
第四个数字表示该酶在亚亚类中的排号
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（四）酶的命名 每一个酶都有一个习惯命名和系统
命名脲酶、淀粉酶、蛋白酶名字是如何命名的？
琥珀酸脱氢酶、谷丙转氨酶名字是如何命名的？
胃蛋白酶、木瓜蛋白酶名字是如何命名的？ 李新梅
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1.习惯命名法更为常用根据其底物，来源，催化反应来命名
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2.国际系统命名法 底物1：底物2 反应类型 如 ： 系统名称 习惯命名 琥珀酸：FAD 氧化还原酶 琥珀酸脱氢酶 乙醇：NAD+氧化还原酶 乙醇脱氢酶
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学习小结
1、NAD+来源于哪一种维生素？具有什么作用？全称是什么？ 2、酶按化学成分如何分类？ 3、结合酶中的辅因子具有什么作用？ 4、辅基和辅酶有什么区别？ 5、按照酶所催化的化学反应分成哪
几类？李新梅
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习题
1、下列哪一项叙述是正确的（ ） A.所有的辅酶都是维生素 B.所有的水溶性维生素都可作为辅酶或辅酶的前体
C.所有的辅酶都含有维生素 D.前列腺素是由脂溶性维生素衍生而来
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2、结合酶由_________和_____组成，在催化反应时，二者所起的作用不同，其中_________决定酶的专一性和高效率，______起传递电子、原子或化学基团的作用。
四、酶活和酶的比活
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案例：某公司出售的淀粉酶
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产品说明经枯草芽孢杆菌深层发酵提取得到该酶被广泛用于啤酒，酒精，味精，饲料，纺织和印染
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能水解淀粉，糖原内部的糖苷键，产生短链的糊精和寡聚糖，使胶装淀粉糊的粘度迅速下降，即“液化”
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淀粉酶活力为3000u/g 该酶活力定义1u酶催化淀粉分解的反应速度为1mg/min即在70度，pH6.0条件下，
1min内液化1mg淀粉所需要的酶量
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表示酶催化化学反应的能力用酶催化化学反应速度表示指单位时间(秒、分、小时)内反应物的减少量或产物的增加量
1、什么是酶活？
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一般测定酶活时测酶促反应的初速度即底物浓度变化为起始浓度5%之内测定的反应速度此时底物浓度要保证远远大于酶浓度
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2、酶活的惯用单位
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惯用单位用U表示，active unit根据不同条件规定指单位时间(秒、分、小时)内反应物的减少量或产物的增加量
实际工作中，每一种酶的测活方法不同，对酶单位分别有一个明确的定义
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例如限制性核酸内切酶用粘度法测活性：定义为30℃， 1分钟，使底物
DNA溶液的比粘度下降25%的酶量为1个酶单位
反应速度 比粘度下降 25%/分钟=1U
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习题：淀粉酶的酶活是指1 g可溶性淀粉，在
1h内液化所需的酶量即1U=1g/h取0.5mg淀粉酶与2%的可溶性淀粉 20ml反应，pH6.0，10分钟完全液化，求1g淀粉酶的酶活力 0.5mg 淀粉酶催化反应速度？（20ml 2%） 10min=0.04g/min
0.04g/min=2.4g/h=2.4u 2.4u 0.5mg=4.8u/mg 1g淀粉酶活力为4800u
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案例6：某公司出售的天冬酰胺酶（门冬酰胺酶）10000IU/瓶 3、酶的国际单位（IU）
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IU是指测量的最适条件（指最适pH、温度等）下，1分钟内能引起1微摩尔底物转化的酶量 1mol/min= 1IU即反应速度为1mol/min时，酶催化能力就是1IU
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案例：某公司出售的超氧化物歧化酶（SOD）
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酶的比活是指每毫克酶蛋白所具有的酶活力单位
比活 = U /mg蛋白酶的浓度是IU/UL或IU/mL
4、比活表示酶的纯度
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意义：随着酶纯化的进行，酶的总活力单位数（溶液或组织提取液中总的酶单位数）下降，但比活会越来越高
比活是酶纯化程度的指标比活力越大，酶的纯度越高。
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习题：某酶A有2ml时，含脂肪10mg，糖20mg，蛋白25mg，其酶活性与10mg酶B的活力相当，已知每克酶B的酶活力为2000u，问酶A的比活为多少？–10mg酶B的总活力如何计算？
•酶B的比活？•2000u 1000mg=2u/mg•10mg酶B的总活为：2u/mg 10mg20u
–即2ml酶A的总酶活力为20u–酶A的比活？–20u 25mg=0.8u/mg
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举例：一个酶的分离纯化分为4 步。步骤 1 2 3 4总活力U 6 4 3 2总蛋白质mg 20 10 5 2比活力U/mg 6/20 4/10 3/5 2/2
酶的提纯过程中，总蛋白减少，总活力减少，比活力增高。
5、酶纯化结果判断
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比活力是否提高：纯化倍数 = 每次比活力/第一次比活力
总活力还有多少回收率 = 每次总活力/第一次总活力
好的纯化方法应当有较大的纯化倍数和较高的回收率
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湖南大学生物学院
学习小结
1、什么是酶活？ 2、表示酶活的有哪些单位 3、什么是酶的比活？有什么意义？ 4、判断一个酶提取纯化步骤的优劣 主
要是根据什么？
李新梅
湖南大学生物学院
酶反应速度可用单位时间内（ ）或（）表示
酶活性的国际单位（I.U.）定义为在最适条件下，将底物转化为产物的速度为______的酶量。
判断：测定酶活力时，底物浓度不必大于酶浓度（ ）
习题
李新梅
湖南大学生物学院
酶的比活力是指（ ） A. 以某种酶的活力作为1来表示其他酶的相对活力 B. 每毫克蛋白的酶活力单位数
C. 任何纯酶的活力与其粗酶的活力比D. 每毫升反应混合液的活力单位
E. 一种酶与另一种酶的活力比
李新梅
湖南大学生物学院
判断：[ ]酶活力的测定实际上就是酶的定量测定
测定酶活力时要求在特定的温度和 条件下，而且酶浓度必须底物浓度
李新梅
湖南大学生物学院
从组织中提取酶时，最理想的结果是： A、蛋白产量最高 B、转换系数最高 C、酶活力单位数值很大 D、比活力最高
2014-12-9
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李新梅
湖南大学生物学院
催化焦磷酸水解的酶的分子量为120 000 ,由六个相同的亚基组成，纯酶的比活力为3600U/mg酶，它的一个活力单位（U）规定为：15分钟内在37℃标准条件下水解10微摩尔焦磷酸的酶量。
求：（1）每mg酶在每秒钟 内水解多少摩尔底物
（2）每mg酶中有多少摩尔的活性中心？（假设每个亚基上有一个活性中心）
