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1、第二章酶工程基础,一、酶的基础知识 二、酶催化原理 三、酶催化反应动力学 四、酶的生产,第一节酶的基础知识,一、传统定义 二、习惯归类 三、酶的分类与命名,第一节酶是什么？,一、传统定义： 酶是一类生物催化剂，化学本质是蛋白质，具有下列性质： a)是高分子胶体物质,两性电解质,在电场中泳动。 b) 紫外,热,表面活性剂,重金属,酸、碱使酶失活 c) 酶被蛋白酶水解而失活 d) 酶由蛋白质或蛋白质+小分子（Vb,辅酶等）,二、习惯归类,1 单体酶和寡聚酶 2单纯酶和结合酶 辅助因子 无机离子 有机化合物： 辅基（cofactor） 辅酶（coenzyme） 小分子的有机化合物，耐热，不受蛋白变性
2、剂的破坏； 象底物一样参与反应，并在反应中发生变化； 许多辅酶是B族维生素的衍生物。,3 恒态酶和调节酶,恒态酶（static enzyme）: 构成代谢途径和物质转化体系的基本组成成分，在细胞中的含量相对恒定，其活性仅受反应动力学系统本身的组成因素调节。 调节酶（regulative enzyme）:代谢途径和物质转化体系中起调节作用的关键酶，它们的含量与活性常因机体的机能状况而不同。,调节酶按照其活性调节方式又可分为 1) 潜态酶：酶原和共价修饰处于非活性状态的酶。 2) 别构酶：酶结构上除了有能与底物结合、并催化反应的活性中心外，还有能和效应物结合的调节中心。 3) 多酶融合体：指一条多
3、肽链上含有两种或两种以上催化活性的酶，如大肠杆菌天冬氨酸激酶，同时具有高丝氨酸脱氢酶的活性。,4 多酶复合物（multienzyme complex) 或多酶系统multienzyme system） 多种酶组分集合在一起，一般催化连续的多个相关的反应,5 胞内酶、胞外酶,在合成分泌后定位于细胞内发生作用的酶，大多数的酶属于此类。 在合成后分泌到细胞外发生作用的酶，主要为水解酶。,6 酶的多形性与同工酶,酶的多形性 结构、组成和物理化学性质有所不同，但是可以催化相同的反应. 同工酶 存在于同一生物体中，催化相同反应，但结构基因不同、理化性质有所不同的一类酶,三、 酶的命名与分类,1961年国际
4、酶学委员会提出了给酶进行命名和分类。 1961年， 712种， 1964年，870种， 1972年， 1770种， 1975年，1974种， 1978年， 2120种， 1984年，2470种 1990年, 3000种, 1992年，3200种 1997年， 3700种,1961年以前 1. 根据酶作用的底物命名( 淀粉酶，蛋白酶) ； 2. 根据酶催化反应的性质及类型命名( 转氨酶，脱氨酶) 有的酶结合上述两个原则来命名(乳酸脱氢酶 )，或再加酶的来源或性质特点(胰蛋白酶;碱性磷酸酯酶) 习惯命名比较简单，应用历史较长，尽管缺乏系统性，但现在还被人们使用。,（一）习惯命名法,以酶的整体反应为
5、基础，明确标明酶的底物及催化反应的性质。 底物：底物反应类型酶 单底物：底物 + 反应类型 + 酶 D-氨基酸 + 氧化还原 + 酶-D-氨基酸氧化酶 双底物：底物：底物 + 反应类型 + 酶 醇+NAD+氧化还原+酶-醇:NAD+ 氧化还原酶,（二）国际系统命名法,根据酶催化作用类型，把酶分成6大类,（三）国际系统分类法及酶的编号,用四个数字（标码）标记每一种酶 EC-Enzyme Commision EC 1.1.1.1 醇脱氢酶 第一大类， 作用CHOH， 以 NAD+ ，NADP+为受体 编号 酶委员会建议，在发表论文时，论题有关的主要酶在第一次提到时应写出它的标码系统名称、习惯命名和
6、来源，然后再用系统命名和习惯命名叙述。,水解酶催化底物的加水分解反应。 主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。 例如，脂肪酶(Lipase)催化的脂的水解反应：,(1) 水解酶 hydrolase,氧化-还原酶催化氧化-还原反应。 主要包括脱氢酶(dehydrogenase)和氧化酶(Oxidase)。 如，乳酸(Lactate)脱氢酶催化乳酸的脱氢反应。,(2) 氧化-还原酶 Oxidoreductase,转移酶催化基团转移反应，即将一个底物分子的基团或原子转移到另一个底物的分子上。例如， 谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。,(3) 转移酶 Transferase,裂合酶催化从底物分子中移去一
7、个基团或原子形成双键的反应及其逆反应。 主要包括醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。 例如， 延胡索酸水合酶催化的反应。,(4) 裂合酶 Lyase,异构酶催化各种同分异构体的相互转化，即底物分子内基团或原子的重排过程。例如，6-磷酸葡萄糖异构酶催化的反应。,(5) 异构酶 Isomerase,合成酶，又称为连接酶，能够催化C-C、C-O、C-N 以及C-S 键的形成反应。这类反应必须与ATP分解反应相互偶联。 A + B + ATP + H-O-H =A B + ADP +Pi 例如，丙酮酸羧化酶催化的反应。 丙酮酸 + CO2 草酰乙酸,(6) 合成酶 Ligase or Synthetase,第二
8、节酶的催化原理,一、酶催化反应的特点 二、 酶的结构与作用机制,一、酶催化反应的特点,酶具有催化剂的共性 用量少而催化效率高； 不改变化学反应的平衡点； 参与反应，但在反应前后本身无变化,2 酶催化的特性2.1高效性,以转换数作为标准，来比较其效率 转换数：以每个酶分子每分钟催化底物的分子数（turnover number） -半乳糖苷酶 1.2万 -淀粉酶 110万, 碳酸酐酶 3600万 如2H2O2 - 2H2O + O2 用铁离子， 6 x 10-4 mol/mol.s 血红素， 6 x 10-1 mol/mol.s H2O2 酶，3 6 x 106 mol/mol.s,酶为何有如此惊
9、人的催化能力呢？,酶可极大地降低反应所需的活化能 2H2O2 -2H2O + O2 无: 75.24 千焦耳/mol 钯: 48.94 千焦耳/mol H2O2酶: 8.36千焦耳/mol,E1,E2,E3,无催化剂,有其它催化剂存在,有酶存在,E1、E2、E3表示活化能,总分应自由能变化,初态 （底物）,终态 （产物）,系统的自由能,反应进程,图1-1 酶和其它催化剂降低反应活化能示意图,酶催化是多种催化因素的协同作用 酶与底物的邻近效应、定向效应，扭曲变形和构象变化的催化效应，广义的酸碱催化、共价催化及酶活性中心微环境的影响。,2.2 专一性强 反应专一性 底物专一性 绝对专一性 结构专一
10、性 族的专一性 酶的专一性 键的专一性 光学异构专一性 立体化学专一性 几何异构专一性,立体化学专一性,光学异构专一性：当底物具有旋光异构体时，酶只能催化L型和D型两个对映体中的一个。,立体化学专一性,几何异构专一性：酶能识别顺反异构体。,结构专一性,a.键专一性：酶只要求作用于一定的键，对键两端的基团无要求。 b. 基团专一性(族专一性)：除了对键要求以外，还要求键一侧的基团为特定的基团。 c. 绝对专一性：对唯一的底物催化唯一的反应。,锁钥学说,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钥匙对一把锁一样,解释底物专一性的假说,诱导契合学说,酶表面并没
11、有一种与底物互补的固定形状，而只是由于底物的诱导才形成了互补形状.,2.3 反应条件温和,酶催化反应可在常温常压下进行，而一般的化学反应需在高温、高压、强酸强碱等剧烈条件下进行。,2.4 酶的活性是受调节控制的,酶浓度调节 激素调节 UDP-半乳糖 N-乙酰葡糖胺 N-乙酰乳糖胺+ UDP UDP-半乳糖 D-葡萄糖 乳糖 UDP,共价修饰调节,酶原活化,激活剂和抑制剂调节 反馈调节,二 酶的结构与作用机制,1、酶的结构 2、酶的空间结构与功能的关系 3、作用机制 4、研究酶催化反应机制的方法,1. 酶分子氨基酸残基类别,必需基团,非必需基团R3,R5,R7,活性中心,活性中心外(结构残基)
12、R10,R162,R169,接触残基,辅助残基R4,结合底物作用(结合基团) R1,R2,R6,R8,R9,R164,R165,催化作用(催化基团) R163,2. 酶的活性中心(active center).,酶分子上与催化活性直接相关的少数氨基酸残基组成的催化区域,结合部位 Binding site 酶分子中与底物结合的部位或区域 结合部位决定酶的专一性,活性中心,酶分子中促使底物发生化学变化的部位 催化部位决定酶所催化反应的性质。,活性中心催化部位 catalytic site,组成酶活性中心的重要化学基团,酶活性中心有7种氨基酸残基参加的频率最高，它们是Ser、His、Cys、Tyr、
13、Asp、Glu、Lys。,2、酶的空间结构与功能的关系,1)一级结构 酶分子中氨基酸的排列顺序 2)二级结构 多肽链主链原子的局部空间排列 3)三级结构 由二级结构形成的紧密球状结构 4)四级结构 各亚基在寡聚酶中的空间排布及其相互作用,酶的空间结构与功能的关系,一级结构决定空间结构 决定酶的空间结构的因素: 内因:侧链间的相互作用(疏水键,氢键,离子键,二硫键, 范德华力) 外因:酶所处的环境因子(溶剂,pH,温度,离子强度) 疯牛病蛋白 分子伴侣,酶的高级结构与功能的关系,活性中心(His12,His119). 用枯草杆菌蛋白酶处理,得到S肽(N端的20肽)和S蛋白(C端104肽) . S
14、肽和S蛋白单独存在均无活性. pH7,两者1:1混合,通过氢键及疏水键联结,酶活恢复.,酶活性中心的各基团在空间构象上的相对位置对酶表现活力至关重要。,3、酶催化作用机制,3.1 反应物的邻近效应（proximity）和定向效应（orientation） 邻近效应；底物与底物之间、酶的催化基团与底物之间结合于同一分子，从而使反应速率大大增加。 定向效应：酶的催化基团与底物的反应基团之间的正确取向产生的效应。,K1/K2达到24,3.2 底物的形变(distortion)和诱导契合 (induced fit) 酶中某些基团或离子可以使底物分子产生“电子张力”，底物分子发生形变，接近过渡态，降低了
15、反应活化能。,3.3 酸碱催化(acid-base catalysis) 通过瞬时向反应物提供质子或从反应物接受质子以稳定过渡态，加速反应的一类催化机制。,The active sites of some enzymes contain amino acid functional groups, such as those shown here, that can participate in the catalytic process as proton donors or proton acceptors,酶分子中可以作为广义酸、碱的基团,His 是酶的酸碱催化作用中最活泼的一个催化功能团
16、。,广义酸基团 广义碱基团 （质子供体） （质子受体）,3.4 共价催化(covalent catalysis) 亲核催化(nucleophilic catalysis)和亲电子催化(electrophilic catalysis)。 亲核催化剂(亲电子催化剂)能放出电子(汲取电子)并作用于底 物的缺电子中心(负电中心)，迅速形成不稳定的共价中间复合物，降低反应活化能。,3.5 金属离子催化 （1）通过结合底物为反应定向； （2）通过可逆改变金属离子的氧化态调节氧化还原应； （3）通过静电稳定或屏蔽负电荷。 3.6 活性部位微环境的影响,酶催化反应机制的实例 胰凝乳蛋白酶（chymotrypsin） 选择裂解芳香族氨基酸如Phe、Tyr羧基侧链。 其活性中心由S
