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1、1第一章第一章 酶学与酶工程酶学与酶工程第第1节节 酶的基本知识酶的基本知识有人估计：E.coli 约有 3000 种蛋白质，高等真核生物约有 5000 种以上蛋白质， 其中绝大部分是酶，但真正认识的只是极少数，刚开始酶极少，一二个不用命名，编号，都可以认识，也不会混淆。酶一多，会产生一酶多名，或一名多酶，则会引起混淆。1961年国际酶学委员会提出了给酶进行命名和分类。 1961年年， 712种， 1964年年，870种， 1972年年， 1770种， 1975年年，1974种， 1978年年， 2120种， 1984年年，2470种，1990年年, 3000种， 1992年年，3200种，
2、1997年，3700种，1、酶的命名酶的命名1961 年国际酶学委员会（Enzyme Committee, EC）根据酶所催化的反应类型和机理，把酶分成 6 大类：各大类再分亚类，亚亚类酶的命名有两种方法：系统名、惯用名。酶的命名有两种方法：系统名、惯用名。系统名：系统名：包括所有底物的名称和反应类型。惯用名：惯用名：只取一个较重要的底物名称和反应类型。对于催化水解反应的酶一般在酶的名称上省去反应类型。系统命名特点系统命名特点： 1. 表达确切 2. 太繁，使用不便单底物单底物：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双底物：底物：底物 + 反应类型
3、+ 酶醇+NAD+氧化还原+酶-醇:NAD+ 氧化还原酶习惯命名特点习惯命名特点：1.非常简便 2.不精确，容易产生误会， 但人们还是喜欢用1）以底物命名( 淀粉酶，蛋白酶) 2）以反应性质命名( 转氨酶，脱氨酶)乳酸 + NAD+丙酮酸 + NADH + H+ 乳酸：NAD+氧化还原酶乳酸：NAD+氧化还原酶乳酸脱氢酶23）结合以上两者(乳酸脱氢酶 ) 4）或再加酶的来源或性质特点(胰蛋白酶；碱性磷酸酯酶)提示：提示：习惯命名使用中要注意混淆；如激酶，往往指磷酸基团转移的一类酶，水解酶也叫激酶，但无磷酸基团转移(链激酶，尿激酶)用四个数字（标码）标记每一种酶用四个数字（标码）标记每一种酶EC
4、-Enzyme Commision EC 1.1.1.1 醇脱氢酶醇脱氢酶第一大类， 作用CHOH， 以 NAD+ ，NADP+为受体 编号酶委员会建议，发表论文时，论题有关的主要酶在第一次提到时写出它的标码系统名称标码系统名称、习惯命名习惯命名和来源来源，然后再用系统命名系统命名和习惯命名习惯命名叙述。二、酶的分类二、酶的分类1氧化还原酶 2转移酶 3水解酶4裂合酶 5异构酶 6连接酶（合成酶）7核酸酶（催化核酸）酶用于生物催化的概况酶用于生物催化的概况核酸类酶（核酸类酶（R酶）的分类酶）的分类 1982年以来，被发现的核酸类酶越来越多，对它的研究越来越广泛和深入。但对于分类和命名还没有统一
5、的原则和规定。* 根据酶催化反应的类型，可将R酶分为剪切酶，剪接酶和多功能酶等三类。* 根据R酶的结构特点不同，可分为锤头型R酶，发夹型R酶等。* 根据酶催化的底物是其本身RNA分子还是其它分子，可以将R酶分为分子内催化（in cis）和分子间催化（in trans）两类。 其他习惯归类命名：1、单体酶 2、寡聚酶 3、多酶复合体4、同工酶 5、诱导酶单体酶：单体酶：一条多肽链，分子量13,00035,000，不能再解离成更小单位，不需辅助因子，如一些水解酶，往往以无活性状态合成，需要时水解去除部分成活性酶。寡聚酶寡聚酶(多数为寡聚酶多数为寡聚酶)：具相同或不同亚单位组成，以多条肽链组成，一般
6、2-4个亚单位组成，分子量35,000以上，往往是代谢中的关键酶，如乳酸脱氢酶。3多酶复合体：多酶复合体：几个酶镶嵌而成的复合物，这些酶催化将底物转化为产物的一系列顺序反应。集不同催化活性于一身。集不同催化活性于一身。1）调节功能，在不同条件时，催化功能不同2）催化多个连续反应的酶活性于一身丙酮酸+CoA+NAD+=乙酰CoA+CO2 +NADH丙酮酸脱氢酶具三种酶活性，有60多条肽链组成，分子量4,600,000丙酮酸脱氢酶系（E.coli）：丙酮酸脱氢酶（E） 、硫辛酰转乙酰酶（E）和二氢硫辛酰脱氢酶（E） 。同工酶：同工酶：存在于生物的同一种属或者同一个体的不同组织，甚至同一组织或者同一
7、细胞催化相同反应，但结构、理化性质、催化特性有所不同的一类酶。诱导酶：诱导酶：当细胞中加入特定诱导物后诱导产生的酶，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。三、酶的组成和结构特点三、酶的组成和结构特点1、酶的化学性质、酶的化学性质1926年J.B.Sumner首次从刀豆制备出脲酶结晶，证明其为蛋白质，并提出酶的本质就是蛋白质的观点。1982年T.Cech发现了第1个有催化活性的天然RNA-ribozyme，以后Altman和Pace等又陆续发现了真正的RNA催化剂。核酶的发现不仅表明酶不一定都是蛋白质，还促进了有关生命起源、生物进化等问题的进一步探讨。2、酶的组
8、成酶的组成酶的催化专一性主要决定于膜蛋白部分。辅因子通常是作为电子、原子或某些化学基团的载体。3、活性部位和必需基团活性部位和必需基团必需基团：必需基团：这些基团若经化学修饰使其改变，则酶的活性丧失。活性部位：活性部位：酶分子中直接与底物结合，并和酶催化作用直接有关的部位酶单纯酶结合酶（全酶）= 酶蛋白 + 辅因子辅因子辅酶与酶蛋白结合得比较松的小分子有机物。辅基与膜蛋白结合得紧密的小分子有机物。 金属激活剂金属离子作为辅助因子。4酶活性中心的特点酶活性中心的特点a. 酶的活性中心只有几个氨基酸组成，多为极性氨基酸。b. 酶的活性中心是一个三维实体结构，活性中心的几个氨基酸残基在一级结构上可能
9、相距很远，甚至位于不同肽链上，通过肽链的盘绕折叠而在空间结构上相互靠近，形成一个能与底物结合并催化底物形成产物的位于酶蛋白分子表面的特化的空间区域。c. 酶的活性中心与底物的结合通过次级键。d. 酶的活性中心具有柔性，可与底物诱导契合发生相互作用。e. 酶的活性中心位于酶分子表面的”空穴“中，为非极性环境。四、酶的作用原理及酶活性调节四、酶的作用原理及酶活性调节(一一)、酶的专一性及活性部位、酶的专一性及活性部位中间产物学说的内容：酶与底物先结合成一个中间产物，然后中间产物分解成产物和游离的酶。E+S ES E+P发展的中间产物学说：酶先与底物结合成酶-底物复合物(ES)，然后转变成过渡态(E
10、S*)，再形成酶-产物复合物(EP)，最后分解释放出酶，并生成产物。E+S ES ES* EP E+P中间产物学说的证据：* 电子显微镜观察到了核酸聚合酶与核酸结合而成的复合物；* 根据酶和底物反应前后的光谱变化，可证明中间产物的存在；* D-氨基酸氧化酶与D-氨基酸结合而成的复合物已被分离、结晶出来。1890年，Emil Fischer提出“锁钥学说” ：底物的结构和酶活性部位的结构非常吻合，就象锁和钥匙一样，这样它们就能紧密结合形成中间产物。必需基团活性部位维持酶的空间结构结合基团催化基团专一性催化性质接触残基：R1、R2、R6、R8、R9、R163 辅助残基：R3、R4、R5、R164、
11、R165 结构残基：R10、R162、R169 非贡献残基：其它酶(E)底物（S）51958年，Koshland提出“诱导契合学说”：酶活性部位的结构与底物的结构并不特别吻合，但活性部位具有一定的柔性，当底物与酶接近时，可以诱导酶活性中心的构象发生改变，使之成为能与底物分子密切结合的构象 。(2)、降低反应活化能、降低反应活化能反应活化能：酶降低活化能的方式（形成 ES，经历与一般反应不同的途径）如过氧化氢分解，无催化剂时的活化能为 75.31KJ/mol，胶态铂催化为 46.02KJ/mol，而过氧化氢酶催化为 20.92KJ/mol。活化能的降低提高了酶的催化效率。(三三)、 影响酶高催化
12、效率（降低活化能）的有关因素：影响酶高催化效率（降低活化能）的有关因素： 1. 邻近与定向：邻近与定向：底物有聚集在活性中心的趋势，经实验证明活性中心的底物浓度是溶液中其他部位的6000倍；底物与活性中心是定向结合。邻近与定向的结果：使酶活性部位的底物浓度大大提高。2. 底物敏感键扭曲变形：这种效应是说底物与酶结合以后，其电子云要发生重排，产生电子张力，使敏感键更加敏感，更易反应。3. 酸碱催化：酸碱催化： 狭义酸碱：酸 H+ 碱 OH广义酸碱：酸 能释放质子的化合物 碱 能接受质子的化合物在这些基团中，咪唑基是最重要的酸碱催化基团，在这些基团中，咪唑基是最重要的酸碱催化基团，这是因为它在pH
13、时的酸碱强度大，因为其pKa为6.0，即在生理条件下，一半为酸，一半为碱，第二是释放质子的速度快，其质子结合的半衰期只有10-10秒。4. 共价催化：共价催化：是指酶在催化过程中，酶与底物形成共价中间复合体的催化方式。 如酯酶催化酯的水解就是如此。酶分子上可以形成这种复合体的基团有两类，即亲核基团和亲电基团。亲核基团有组氨酸的咪唑基、半胱氨酸的硫氢基、丝氨酸的羟基，另外还有一些辅助因子， 如TPP、CoA等。亲电基团有金属离子、NH3+等底物中的亲电基团包括磷酰基、酰基和糖基。5. 疏水微环境：酶在催化过程中，其活性中心为疏水环境，在这种环境中，电荷之间的作用力远远大于高电介环境，大大加强了酶
14、的催化基团与底物分子间的作用力，因而有利于降低反应活化能。有机物的电介常数为 7-10，而水的电介常数为80。影响酶的催化作用：影响酶的催化作用： a. 广义的酸碱催化 b. 共价催化 c. 邻近效应及定向效应 6d. 变形或张力 e. 酶的活性中心为疏水区域酶催化反应机理举例溶菌酶（E .C. 3. 2. 1. 17. Lysozyme）结构特性：129 个氨基酸， Mr 14.6 kD, 四对-S-S-键活性中心： Glu35 和 Asp52水解功能： 催化某些细菌细胞壁多糖的水解。N-乙酰氨基葡萄糖（NAG）和 N 乙酰氨基葡萄糖乳酸（NAM）组成的共聚物-是细菌细胞壁的主要成分。生物体
15、内的存在：鸡蛋清和动物的眼泪中专一性专门水解 NAMc1 和 NAG c4 之间的 -1,4 糖苷键（A-B-C-D-E-F）最适底物： NAG 和 NAM 交替的 6 糖。催化机理：广义酸碱催化，糖从稳定的椅式结构变成不稳定的半椅式结构2. 胰凝乳蛋白酶（E.C. 3. 4 .4. 5 , chymotrypsin）结构特性：241 个氨基酸，三条多肽链， Mr 25 kD， 分子间二对-S-S-键，分子内二对二硫键。活性中心： Ser 195, His57, Asp102水解功能： 水解肽键断裂。专一性： 对芳香性和较大疏水基团氨基酸有专一性水解。 催化机理：靠三个氨基酸 Ser 195，His57， Asp102 之间构成的电荷传递体系（催化三联体） ，起到酸碱催化和亲和催化，使肽键断裂。第第2节节 酶作为催化剂的显著特点酶作为催化剂的显著特点催化剂（catalyst）：是一类能改变反应速度，但不能改变反应的性质、反应方向和反应平衡点，而且本身在反应前后不发生变化的外在因素。酶与一般的化学催化剂的区别酶与一般的化学催化剂的区别* 更高的催化效率更高的催化效率 酶催化的反应速率是相应的无催化反应速率的108
