课件-8第八章酶通论

第八章

酶

通

论酶学部分酶，其化学本质是什么？酶作为生物催化剂有何特点？酶专一性？如何解释酶的专一性？酶的活性中心？有何特点？酶如何分类？命名？酶工程？酶工程的目的？如何开展酶工程？本章内容提要公元前21世纪夏朝酿酒，12BC酿造酱油（蛋白酶），饴糖（淀粉酶），公元初用曲治疗消化不良；1833年Payen和Persoz从麦芽提取液中 出粗酶，酶的发现者；1835-1838年，Berzelius提出催化作用的概念；1857

巴斯德提出 发酵是酵母细胞活动的结果；1897 Buchner兄弟证明了不含酵母细胞的提取液也能使糖发酵，1911酶：细胞化学奖；的，在机体内行使催化功能的生物催化剂。一、酶概念和化学本质1894年，

提出“锁钥学说”，用来解释酶的作用机理；1903年，Herri提出酶作用的中间复合物学说；1913米氏学说建立；Leonor

Michaelis

(1875-1949)Maud

Menten

(1879-1960)J.B.SumnerSumner,

J.

B.

(1926)

“

Theisolation

and

crystallization

of

theenzyme

urease”

J.

Biol.

Chem.69:435-441.Urease

crystals

(

X

728)酶的化学本质大多数酶是蛋白质1926年结晶，并Sumner实现脲酶的酶是蛋白质Northrop,

J.

H.

(1930)“Crystallin

pepsin,

1:Isolation

and

tests

ofpurity”

J.

Gen

.

Physiol.13:739-766.Pepsin

crystals

(X90)Northrop,1930)J.H.Northrop1930年Northrop等得到了胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶的结晶，并进一步证明了酶是蛋白质。The

Nobel

Prize

in

Chemistry

1946“

forhis

discoverythat

enzymescan

becrystallized""for

their

preparation

of

enzymes

andproteins

in

a

pure

form"James

BatcSumner1/2

of

the

prizeCornell

UniversityIthaca,

NY,

USAerJohn

HowardNorthrop1/4

of

the

prizeRockefeller

Institute

for

MedicalResearchPrinceton,

NJ,USA1891-1987Wendell

MeredithStanley1/4

of

the

prizeRockefeller

Institute

for

MedicalResearchPrinceton,

NJ,

USA1904-19711887-1955某些RNA有催化活性20世纪80年代发现某些RNA有催化活性，还有一些抗体也有催化活性，甚至有些DNA也有催化活性，使酶是蛋白质的传统概念受到很大冲击。1982年

T.

Cech等人发现四膜虫的rRNA前体能在完全没有蛋白质的情况下进行自我加工，发现RNA有催化活性Thomas

Cech

University

ofColorado

at

Boulder,

USACell

vol

31,

147～157，1982.1983年

S.Altman等研究RNaseP（由20%蛋白质和80%的RNA组成），发现RNaseP中的RNA可催化E.colitRNA的前体加工。Sci.

Amer.

Vol

255,

64～75，1986.Sidney

AltmanYale

University

New

,

Haven,

CT,

USACech和Altman各自独立地发现了RNA的催化活性，并命名这一类酶为ribozyme（核酶），二人共同获

化学奖。抗体酶（abzyme）抗体：与抗原特异结合的免疫球蛋白。抗体酶：指具有催化功能的抗体分子，在抗体分子的可变区（即肽链的N端）是识别抗原的活性区域，这部分区域被赋予了酶的属性。1986年

Schultz和Lerner两个

同时在Science上，

他们成功地得到了具有催化活性的抗体。有些DNA也有催化活性1995年Cuenoud等发现有些DNA分子亦具有催化活性。1995,

375:

611-614

Nature酶的化学本质是蛋白质、核酸等生物分子二、酶的性质和特点㈠酶和一般催化剂的共性酶是生物催化剂生物体内一切生化反应都需要酶的催化才能进行！性能远远超过人造催化剂。催化剂的共性是什么？①机理：降低反应活化能，提高反应速度，不改变平衡点②只起催化作用，本身不消耗；基态过渡态活化能㈡酶作为生物催化剂的性质和特点⒈生物大分子除极个别RNA为催化自身反应的酶外，其余所有的酶都是蛋白质，酶易失活，变性因素：碱、酸、

、高温、压力。㈡酶作为生物催化剂的性质和特点⒉酶具有很高的催化效率反应速度是无酶催化或普通人造催化剂催化反应速度的106~1016倍；且无副反应3、催化具有高度的专一性结构专一性和

专一性⑴

结构专一性①

绝对专一性：只作用于单一物质，对其它底物不起作用，如脲酶、生物素羧化酶、转酰基酶等。㈡酶作为生物催化剂的性质和特点②

相对专一性：单一类物质，A、族专一性（基团专一性）B、键专一性，只要求作用于一定的键，而对键两端的基团并无严格的要求，这类酶对底物的要求最低。OCH2OHOHHOOH葡萄糖苷O

R酯酶催化酯键的水解，而

对底物R-CO-OR'中的R及R'基团都无严格的要求能催化甘油脂类，简单脂类，丙酰，丁酰胆碱，乙酰胆碱3、催化具有高度的专一性⑵

专一性，单一物质单一

构型①旋光异构专一性：蛋白酶，只对L-氨基酸作用②几何异构专一性，只对几何异构体中的一种起作用，如延胡索酸酶，顺反异构。L

氨基酸酮酸+NH

3

+H2

O2L

氨基酸氧化酶H2

O

+

O2㈡酶作为生物催化剂的性质和特点HOOCCHHCC

O

O

H延胡索酸延胡索酸酶CH

2

COOHHO

C

H

C

O

O

H苹果酸③能区分有机化学看来是等同的对称分子甘油激酶催化甘油生成甘油-

1磷酸，与前手性分子异构相关。㈡酶作为生物催化剂的性质和特点专一性一种酶只能对一种

异构体（旋光异构、几何异构和前手性物质）起催化作用。结构专一性绝对专一性一种酶只能催化一种底物。如6-磷酸葡萄糖磷酸酯酶。结构专一性相对专一性键专一性一种酶只作用于一定的化学键，对键两侧的基团无要求。如酯酶。基团专一性不仅要求底物具有一定的化学键，还对键某一侧的基团有选择性。如磷酸单酯酶。①

锁与1894年，学说提出，认为整个酶分子的天然构象是具有刚性结构的，酶表面具有特定的形状，酶与底物的结合如同一把 对一把锁一样，但无法解释可逆反应。⑶酶作用专一性的解释②“三点结合”认为酶与底物的结合处至少有三个点，而且只有一种情况是完全结合的形式。只有这种情况下，不对称催化作用才能实现。伯克利分校Koshland

JR提出“四点着陆”⑶酶作用专一性的解释③

诱导契合学说该学说认为酶表面并没有一种与底物互补的固定形状，二者接近时酶蛋白受底物分子的诱导其构象发生有利于底物结合的构象变化，酶与底物在此基础上互补楔合进行反应⑶酶作用专一性的解释酶与底物相互诱导变形酶与底物靠近

定向契合形成中间产物产物脱离1.靠近定向靠近电性吸引、

疏水作用定向底物酶2.诱导契合诱导互补性结构变化活性中心催化基团

进行催化契合能否契合专一性的由来3.产物脱离酶复原－催化剂⒋

反应条件温和，且

可调节调节会产生浪费表达常温、常压、中性，可调，如果没有（物、能）、产废⑴调节酶的浓度，同工酶浓度和活性、⑵通过激素调节酶的活性⑶

反馈调节酶的活性如Thr

Ile⑷抑制剂和激活剂对酶活性的调节⑸其他如：别构调节、酶原激活、酶的可逆共价修饰㈡酶作为生物催化剂的性质和特点5.酶具有活性部位⑴概念：三维结构上比较接近的少数特异的氨基酸残基和辅助因子参与底物的结合与催化作用，这一与酶直接相关的区域称酶的活性部位。结合部位：专一性结合部位催化部位亲核性基团：Ser的羟基，Cys的巯基和His的咪唑基。酸碱性基团：Asp和Glu的羧基，Lys的氨基，Tyr的酚羟基，His的咪唑基和Cys的巯基等。对需要辅酶的酶分子，辅酶或其一部分就是活性中心的组成部分催化部位的必需基团⑵

特点①

活性部位在酶分子的总体中只占相当小的部分（1%～2%）②酶的活性部位是一个三维实体③酶的活性部位是位于酶分子表面的一个裂隙内④酶的活性部位并不是和底物的形状互补的⑤酶活性部位具有柔性⑥底物通过次级键结合到酶上6、

催化 与辅助因子有关很多酶都是结合蛋白结合酶（又称全酶）=脱辅酶+辅助因子辅酶：本身无催化作用，对电子、原子或某些化学基团起传递作用，松弛结合用透析可以除去，如：维生素、NAD、FAD等辅基：结合紧密或以共价键和酶蛋白牢固结合透析不能去除，如金属离子、细胞色素氧化酶与铁卟啉辅基结合牢固为什么要与辅助因子结合呢？

弥补氨基酸基团催化强度的不足㈡酶作为生物催化剂的性质和特点辅助因子①

改变并稳定活性中心或改变底物化学键稳定性（底物—酶的催化对象）多肽链＋金属离子（铁、镍、铜等）＋Zn离子什么氨基酸侧链？酸性、碱性－SH稳定活性中心吸附羧氧原子使肽键失稳②协助活性中心基团或电子快速转移（进出）见第十一章维生素酶的催化功能由酶蛋白决定NADPH—脱氢酶的辅酶㈠酶的分类⒈按化学组成分（简单蛋白、结合蛋白）简单酶（单纯酶）与结合酶（含有辅基或辅酶）⒉以蛋白质结构分类单体酶：酶由一个亚基组成寡聚酶：酶为寡聚蛋白多酶复合体：几个独立的酶组合起来形成复合体，催化一 个系列反应三、酶的分类与命名⒊根据催化的反应类型：大体分六大类⑴氧化还原酶（脱氢酶与氧化酶）①脱氢酶②氧化酶⑵转移酶⑶水解酶⑷裂解酶⑸异构酶⑹

酶AH2

+B（辅酶）←→

A+BH2BH2

+

1/2

O2

←→

B+H2OAX＋B

←→

A＋BXAB

＋H2O

←→

AOH＋BHA

←→ B

+

CA

←→

BA+B+ATP

←→C＋ADPATP起提供能量活化反应分子的作用命名依据底物来命名（绝大多数酶）：蛋白酶、淀粉酶依据催化反应的性质命名：水解酶、转氨酶结合上述两个原则命名：琥珀酸脱氢酶。有时加上酶的来源:胃蛋白酶、牛胰凝乳蛋白酶㈡酶

名国际系统命名法1961年国际酶学

（enzyme

commission）提出的酶

名和分类方法。基本原则：明确标明酶的底物及催化反应的性质（底物为水时可略去不写）系统名称包括底物名称、构型、反应性质，最后加一个酶字。例如：名称:谷丙转氨酶系统名称:丙氨酸：-酮戊二酸氨基转移酶酶催化的反应:谷氨酸

+

酸

-酮戊二酸 +

丙氨酸★

★

国际系统分类法及

（EC

）⑴

按反应性质分六大类，用1、2、3、4、5、6表示(

氧转水

裂异连)。⑵

根据底物中被作用的基团或键的特点，将每一大类分为若干个亚类，

用1、2、3

。⑶

每个亚类又可分为若干个亚一亚类，用

1、2、3表示。每一个酶的

由4个数字组成，中间以“·”隔开。第一个数字表示大类，第二个数字表示亚类，第三个表示亚-亚类，第四个数字表示在亚-亚中的

。Enzyme

Handbook，Thomas

EBarman编，Vol

I,Vol

II

1969年。EnzymeHandbook，Thomas

E.Barman编Supplement

I,1974年。乙醇脱氢酶EC1.1.1.1

，乳酸脱氢酶EC1.1.1.27，苹果酸脱氢酶EC1.1.1.37第一个数字表示大类：氧化还原第二个数字表示反应基团：醇基第三个数字表示电子受体：NAD+或NADP+第四个数字表示此酶底物：乙醇，乳酸，苹果酸。真核生物细胞质中真核生物线粒体中国际分类的盲区：忽略了酶的物种差异和组织差异SOD：EC1.15.1.1，只有一个名称和三类不同的SODCuZn-SODMn-SODFe-SOD同是CuZn-SOD，来自牛红细胞与猪红细胞的，其一级结构也有很大不同。★

在 一个具体的酶时，应对它的来源与名称一并加以说明。International

Union

of

Biochemistry

andMolecular

Biology

(IUBMB)查找酶的编码四、酶的应用和发展酶的应用研究酶的基础研究更有效、更经济地进行酶的生产与应用工程、分子生物学成果用于酶的应用，进一步开发固定化酶技术与酶反应器深入地揭示酶和生命活动的关系阐明酶在代谢调节中的作用，催化与调节机制酶学酶分子生物学酶工程酶工程简介酶工程的主要研究内容有：自然酶的进一步开发和大规模应用，通过化学的和遗传学的修饰，进一步探求酶的结构与功能的关系;酶的修饰和改性，大力改善工业、农业、医学和科研用酶制剂的热稳定性、对氧的稳定性、对重金属的稳定性、对pH的稳定性，提高催化效率;改变反应的最适pH值等。研究设计制造优质的超自然酶;研制模拟酶催化功能的催化剂。目的是获得高、高稳定性及高应用潜力的酶从解决问题段来看，可以概括为化学和生物学两个大类型，分别称为化学酶工程和生物酶工程，㈠化学酶工程化学酶工程亦可称初级酶工程（primary

enzyme

engineering）指自然酶、化学修饰酶、固定化酶和人工酶的研究和应用，它主要是由酶学与化学工程技术相互渗透和结合而形成的1、天然酶的开发应用目前己经发现和鉴定的酶，约有3000多种，小批量生产的商品酶约有800多种，大规模生产和应用的酶仅约20~30种。自然酶的来源是微生物、动物和植物，其中以微生物为主，动植物来源的酶次之，工业酶制剂更是以微生物来源为主。目前遗传工程中研究过的各种限制性核酸内切酶、连接酶等已超过1000种，绝大多数都来源于原核细胞。海洋酶工程2、化学修饰酶在酶工程中，酶的化学修饰，其目的主要在于加强酶的稳定性;对于医学上的治疗用酶，还有一个目的，是降低或消除酶分子的免疫原性。在基础酶学研究中，化学修饰法是探讨酶活性中心性质的重要。从应用角度考虑，常用功能基团修饰、交联反应和大分子修饰作用三种途径对酶蛋白进行化学修饰，以改善其性能。3、固定化酶1971年第一届国际酶工程会议上，正式建议采用固定化酶(immobilizedenzyme)这一名称。固定化酶，是指经物理或化学方法处理，使酶变成不易随水流失即运动受到限制，而又能发挥催化作用的酶制剂。酶的固定化方法，多种多样，但主要有四大类:吸附法、载体偶联法、交联法和包理法。4、人工模拟酶所谓人工酶(artificialenzyme)是指模拟酶的催化功能，用化学方法的一类有机催化剂。这类催化剂的研制，近十年来吸引了许多化学家、化学工程师和生化工程师，现已用年法和全法制成一些人工酶。㈡生物酶