五章节酶主章节人曹劲松讲解学习

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1、第五章 酶主讲人：曹劲松,本章共分十一节，主要内容包括：,酶的分类与命名（2） 酶的性质（1、3） 酶催化的影响因素（4） 酶的作用原理（5） 酶的几个重要概念（6、7、8） 酶工程的基本内涵（9） 酶的分离提纯及活力测定（10） 酶在食品工业中的应用（11）,酶的分类,1961年国际生化协会酶命名委员会根据酶所催化的反应类型将酶分为六大类，即氧化还原酶类、转移酶类、水解酶类、裂解酶类、异构酶类和合成酶类，分别用1、2、3、4、5、6的编号来表示，再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，每个亚类可再分若干个亚-亚类，仍用1、2、3、编号。故每一个酶的分类编号由用“”隔开的四

2、个数字组成。编号之前是酶学委员会的缩写EC。酶编号的前三个数字表明酶的特性：反应性质、反应物（或底物）性质、键的类型，第四个数字则是酶在亚-亚类中的顺序号。,EC 1. 1. 1. 27 大类 亚类 亚亚类 序号,如乙醇脱氢酶,1、氧化还原酶类 即催化生物氧化还原反应的酶，如脱氢酶、氧化酶、过氧化物酶、羟化酶以及加氧酶类。 2、转移酶类 催化不同物质分子间某种基团的交换或转移的酶，如转甲基酶、转氨基酶、已糖激酶、磷酸化酶等。 3、水解酶类 利用水使共价键分裂的酶，如淀粉酶、蛋白酶、酯酶等。,酶的命名,（1）国际系统命名法 在系统命名法中，一种酶只可能有一个名称和一个编号。在科技文献中，一般使用

3、酶的系统名称。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： 系统名称:丙氨酸：-酮戊二酸氨基转移酶 它所催化的反应: 谷氨酸 + 丙酮酸 -酮戊二酸 + 丙氨酸 但因某些系统名称太长，为方便起见，有时仍用酶的习惯名称。,(2) 习惯命名法: A.根据作用底物来命名，如淀粉酶、蛋白酶等。 B.根据所催化的反应的类型命名，如脱氢酶、转移酶等。 C.两个原则结合起来命名，例如丙酮酸脱羧酶等。 D.根据酶的来源或其它特点来命名，如胃蛋白酶、胰蛋白酶等。 这在一定程度上造成很多酶有多种名称的情况。,酶的性质,酶的化学本质 酶的催化功能 酶的催化作用的特点 影响酶反应速率的因素,分析酶的化

4、学组成，发现它们主要是蛋白性成分。 根据其化学组成可将酶分为：,简单蛋白酶 即那些只需要其蛋白质部分就具有催化功能的酶。,复合蛋白酶 即那些发挥其催化活性还需要有非蛋白成分协助的酶， 也称“结合蛋白质酶”。,复合蛋白酶的非蛋白成分称为辅因子或辅基，一些金属酶 需要Mg2+、Fe2+ 、Zn2+等金属作辅基。其它一些酶则需要小 分子有机化合物如B族维生素作为辅因子，称为辅酶。酶的蛋 白质部分称酶蛋白，酶蛋白与其辅因子一起合称为全酶。,根据组成酶蛋白分子的肽链数量及其组装特点， 又可将酶分为三类：,单体酶 单体酶只有一条多肽链，属于这一类的酶很少，一般都 是催化水解的酶，分子量在13 00035

5、000之间，如溶菌 酶、胰蛋白酶等,寡聚酶 寡聚酶由几个甚至几十个亚基组成，这些亚基可以是相 同的多肽链，也可以是不同的多肽链。亚基之间不是共价 结合，彼此很容易分开。,多酶体系 多酶体系是由几种酶彼此嵌合形成的复合体。它有利 于一系列反应的连续进行。如脂肪酸合成酶体系、呼 吸链酶系等。,综上所述，关于酶的化学本质：,酶是蛋白质，由氨基酸组成。 既然是蛋白质，酶：有两性电解质性质；受某些物化因素影响而变性，容易发生构象变化而丧失酶活；水溶液具有胶体的性质。,催化性质,酶是生物催化剂，与无机催化剂相比，二者有共性： 1、用量少而催化效率高 2、不改变化学反应的平衡点 3、可降低反应的活化能 酶之

6、所以具有催化能力，主要在于它们具有一个所谓的“活性部位”。正是由于有这种结构才使之具备上述催化生物化学反应的功能。,酶的活性部位,又称“活性中心”。指酶蛋白上对于催化底物发生反应具有关键作用的区域。 进一步说，活性部位本质上是蛋白质多肽链上原本相距较远的一系列氨基酸残基经由折叠而形成的特定区域。在这个区域内，特定的、对于催化反应具有贡献的氨基酸残基的侧链基团的空间配置恰到好处，有助于酶与底物的结合，有助于底物的转变。,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；,* AF为底物多糖链的糖基，位于酶的活性中心形成的裂隙

7、中。,酶催化作用的特点,但酶的化学本质是蛋白质，又在生物体内作用，因此酶的作用又有特性： 1、高效率； 2、酶的作用具有高度的专一性； 3、酶易失活，从而丧失原有催化活力； 4、酶活力可调节控制； 5、酶的催化活力可能与辅酶、辅基和金属离子有关。,专一性,绝对专一性：除一种底物以外，其它任何物质它都不起 催化作用。,相对专一性,立体专一性 ：只能对一种立体异构体起催化作用，对其 对体则全无作用。,基团专一性：除了要求A和B之间的键合适外，还对其所作用键两端的基团具有不同的专一性 。,键专一性：只要求底物分子上有适合的 化学键就可以起催化作用 。,这种专一性催化作用，对于其在食品、化工领域的应用

8、具有重要实践意义。,影响因素,一、底物浓度的影响,1、在酶浓度，pH，温度等条件 不变的情况下研究底物浓度和 反应速度的关系。如右图所示：,RNase-底物复合物,2、米氏方程,1913年，德国化学家Michaelis和Menten根据中间产物学 说对酶促反应的动力学进行研究，基于平衡假设推导出了表 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，式中Km称为米氏常数。,后来，其他学者进一步根据所谓恒态假说，即假设酶催化 反应过程中ES浓度基本保持恒定不变，推导出修正后的 米氏方程，形式上与上述公式完全相同。它体现了各种因 素对于酶促反应速度的综合影响。,当 V1/2 Vm时，则

9、KmS关于米氏常数Km，它实际上是反应速度达到酶催化反应速度最大值的一半时所需的底物浓度。因此，米氏常数是有单位的。请大家思考：一种酶的Km数值越大意味着什么？,二、酶浓度的影响,在一定条件下酶反应的速度与酶的浓度成正比。因为 酶催化反应时，首先要与底物形成所谓中间物，即酶底物复 合物ES。当底物浓度大大超过酶浓度时，反应达到最大 速度Vm，如果此时增加酶的浓度，可增加反应速度，酶反应 速度与酶浓度成正比关系。,三、温度的影响,温度对酶反应的影响是双重的： （1）随着温度的增加，反应速 度也增加，直至最大速度为止。 （2）随温度升高而使酶逐步变性。 故酶总有一个最适反应温度，在这个温度时，酶的

10、活力最高。 在10-80常温范围内，酶活力随着反应温度的变化趋势一般可表示如右图。,四、pH的影响,在一定的pH下, 酶具有最大的催化活性，通常称此pH为最适pH。但是需指出，所谓“最适pH”实际上是一个操作参数。,在不同pH时活性发生变化的原因主要在于： （1）pH能影响酶分子结构的稳定性。 （2）pH能影响酶分子的解离状态 。,五、酶原的激活和激活剂,有的酶在分泌时是无活性的酶原，需要经某种酶或酸 将其分子作适当的改变或切去一部分才能呈现活性。这种 激活过程又称酶原致活作用或酶原激活作用。 凡是能提高酶活性的物质，都称为激活剂。 酶的激活剂多为无机离子或简单有机化合物。,六、酶的抑制作用和

11、抑制剂,非专一性不可逆抑制 不可逆抑制 专一性不可逆抑制,竞争性抑制 可逆抑制 非竞争性抑制 反竞争性抑制,竞争性抑制,定义 抑制剂与底物的结构相似，能与底物竞争酶的活性中心，从而阻碍酶底物复合物的形成，使酶的活性降低。这种抑制作用称为竞争性抑制作用。,请大家思考：如果酶催化反应体系中存在某种竞争性抑制剂，那么你所测定得到的米氏常数将发生什么样的变化？,竞争性抑制曲线,表5-3 各种抑制作用的比较（参阅课本） 它列出了不同情况下的酶反应动力学方程式，以及相比于不存在抑制因素的条件下其Km和Vm的变化情况。,酶的催化反应机制,酶专一性的机制 酶催化的常见机制,酶专一性的机制,锁钥学说(lock

12、and key theory) 诱导契合学说(induced-fit hypothesis),酶高效催化的常见机制,1、 邻近与定向效应； 2、 诱导契合与底物扭曲变形； 3、 共价催化； 4、 酸碱催化； 5、 微环境效应。,多酶体系 调节酶 同工酶 诱导酶 抗体酶 核糖酶,酶的几个重要概念,细胞中的许多酶常常是在一个连续的反应链中起作用， 即前一个反应的产物是后一个反应的底物，在完整细胞内 的某一代谢过程中，由几个酶形成的反应体系，称为多酶 体系。,如果体系中几种酶彼此有机地组合在一起。精巧地镶嵌 成一定的结构，即形成多酶复合体。这种结构既能提高反应 途径的效率，又能增强调控的准确性。,多

13、酶体系,调节酶,一、别构酶 酶分子的非催化部位与某些化合物可逆地非共价结合后导致酶分子发生构象改变，进而改变酶的活性状态，称为酶的别构调节(allosteric regulation)，具有这种调节作用的酶称别构酶(allosteric enzyme)。别构酶促反应底物浓度和反应速度的关系不符合米氏方程，呈S型曲线。 凡能使酶分子发生别构作用的物质称为效应物，如因别构导致酶活性增加的物质称为正效应物(positive effector)或别构激活剂，反之称负效应物(negative effector)或别构抑制剂。,别构酶与米氏酶的动力学曲线比较,二、共价调节酶 某些酶可以通过其它酶对其多肽链

14、上某些基团进行可逆的共价修饰，使其处于活性与非活性的互变状态，从而调节酶活性。这类酶称为共价修饰酶。目前发现有数百种酶被翻译后都要进行共价修饰，其中一部分处于分支代谢途径，成为对代谢流量起调节作用的关键酶或限速酶,同工酶,同功酶是指能催化同一种化学反应，但其酶蛋白本身的分子结构组成却有所不同的一组酶。 乳酸脱氢酶是研究的最多的同工酶。,诱导酶,结构酶 细胞内结构酶是指细胞中天然存在的酶，它的含 量较为稳定，受外界的影响很小。如糖代谢酶系、 呼吸酶系等。 诱导酶 是指当细胞中加入特定诱导物后诱导产生的酶， 它的含量在诱导物存在下显著增高，这种诱导物往往 是该酶底物的类似物或底物本身。很多酶制剂生

15、产中 利用了这种原理。,抗体酶,抗体酶（abzyme）又称催化抗（catalyticantibody）,是指通过一系列化学与生物技术方法制备出的具有催化活性的抗体，它除了具有相应免疫学特性，还类似于酶，能催化某种反应。 抗体与酶相似，都是蛋白质分子，酶与底物的结合及抗体与抗原的结合都是高度专一性的，但这两种结合的基本区别在于酶与高能的过渡态分子相结合，而抗体结合的是基态分子抗原。,B.酯的羧基碳原子受到亲核攻击形成四面体过渡态,C.设计的磷酸酯类似物,作为抗原去免疫实验动物,磷酸酯类似物(半抗原),对酯水解反应有催化作用的单克隆抗体,免疫,免疫反应,诱导法制备具有酯酶活性的抗体,动物免疫接种,

16、核糖酶,研究发现：有些RNA分子也可具有类似酶的高效催化活性。 例如L19RNA，它是原生动物四膜虫26S rRNA前体经自身拼接所释放出的内含子的缩短形式。在一定条件下能够以高度专一性的方式去催化寡聚核糖苷底物的切割与连接。五聚胞苷酸能被L19RNA转化成或长或短的聚合物。 因此，L19RNA是既有核糖核酸酶活性，又有RNA聚合酶活性的生物分子，可以看作是酶了。 但是，一般仍然可以认为酶具有蛋白质的化学本质。,酶工程,化学酶工程,天然酶,固定化酶,化学修饰酶,人工模拟酶,生物酶工程,克隆酶,突变酶,新酶,将酶学和工程学相结合，产生了酶工程(enzyme engineering) 这样一个新的领域。它主要研究酶的生产、纯化、固定化技术、 酶分子结构的修饰和改造以及在工农业、医药卫生和理论研究等 方面的应用。,固定化酶,将水