生物化学合工大第三章酶

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1、第三章 酶,第一节 酶通论 第二节 酶促反应动力学 第三节 酶的作用机制 第四节 酶的活性调节,第一节 酶通论,一、酶的研究历史 1857巴斯德提出酒精发酵是酵母细胞活动的结果。 1分子Glc2分子乙醇+2分子CO2 从Glc开始，经过12种酶催化，12步反应，生成乙醇。 1897Buchner兄弟证明发酵与细胞的活动无关，不含细胞的酵母汁也能进行乙醇发酵。,1913Michaelis和Menten提出米氏学说酶促动力学原理。,1926Sumner首次从刀豆中提出脲酶结晶，并证明具有蛋白质性质。 1930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

2、。,J.B.Sumner,J.H.Northrop,1969 化学合成核糖核酸酶。 1967-1970 从E.coli 中发现第I、第II类限制性 核酸内切酶。,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。,某些RNA有催化活性（ ribozyme，核酶）,1982年美国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 of Colorado at Boulder, USA,1983年美国S.Altman

3、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. coli tRNA的前体加工。,Sidney Altman Yale University New Haven, CT, USA,Cech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），2人共同获1989年诺贝尔化学奖。,1Cell vol 31, 147157，1982年。,2Sci. Amer. Vol 255, 6475，1986。,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

4、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年美国Schultz和Lerner两个实验室同时在Science上发表论文，报道他们成功地运用单克隆抗体技术制备了具有酶活性的抗体（catalytic antibody）。,有些DNA也有催化活性（脱氧核酶，Deoxyribozyme ）,1995年Cuenoud等发现有些DNA分子亦具有催化活性。,酶及生物催化剂概念的发展,克隆酶、遗传修饰酶蛋白质工程新酶,蛋白质类： Enzyme,(天然酶、生物工程酶),核酸类：Ribozyme ; Deoxyribozyme,模拟生物催化剂,二、酶的概念,酶是一类由活性细胞产生的具有

5、催化作用和高度专一性的特殊蛋白质或核酸。简单说，酶是一类由活性细胞产生的生物催化剂。,三、酶作为生物催化剂的特点,1高效性 2专一性 3反应条件温和 4. 酶的催化活性可调节控制,酶的催化效率比化学催化剂高107 -1013 倍，比非催化反应高108 -1020 倍。 例如：过氧化氢分解 2H2O2 2H2O + O2 用Fe+ 催化，效率为610-4 mol/molS，而用过氧化氢酶催化，效率为6 106 mol/molS。 用-淀粉酶催化淀粉水解，1克结晶酶在65C条件下可催化2吨淀粉水解。,1高效性,转换数（turnover number, TN or kcat）:,每秒钟或每分钟，每个

6、酶分子转换底物的分子数，或每秒钟或每分钟每摩尔酶转换底物的摩尔数。,即酶只能对特定的一种或一类底物起作用，这种 专一性是由酶蛋白的立体结构所决定的。可分为： 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。 立体异构专一性：这类酶不能辨别底物不同的立体异构 体，只对其中的某一种构型起作用，而 不催化其他异构体。包括光学专一性 和几何异构专一性。,2专一性,基团(group)专一性。如-葡萄糖苷酶，催化由-葡萄糖所构成的糖苷水解，但对于糖苷的另一端没有严格要求。 键(Bond)专一性。如酯

7、酶催化酯的水解，对于酯两端的基团没有严格的要求。,相对专一性,酶促反应一般在常温、常压、中性pH 条件下进行。 高温或其它苛刻的物理或化学条件，将引起酶的失活。,3反应条件温和,4.酶的催化活性可调节控制,如抑制剂调节、共价修饰调节、反馈调节、酶原激活及激素控制等。,某些酶催化活力与辅酶、辅基及金属离子有关。,（一）根据酶的化学组成分类： 1 单纯酶：只含有蛋白质成分，如：脲酶、溶菌 酶、淀粉酶、脂肪酶、核糖核酸酶等。 2 结合酶：含有蛋白成分（酶蛋白）决定酶的专一性 和非蛋白成分（辅助因子）传递电子、原子或某 些化学基团（决定反应类型）。,四、酶的分类,全酶 = 酶蛋白 + 辅助因子,辅助因

8、子,与酶蛋白结合比较疏松的小分子有机物。,与酶蛋白结合紧密的小分子有机物。,金属离子作为辅助因子。,金属离子,辅酶,辅基,酶蛋白和辅助因子单独存在均无催化活性，只有二者结合为全酶才有催化活性。,参与的酶促反应主要为氧化-还原反应或基团转移反应。 大多数辅酶的前体主要是水溶性 B 族维生素。许多维生素的生理功能与辅酶的作用密切相关。,辅酶在酶促反应中的作用特点,辅酶在催化反应过程中，直接参加了反应。 每一种辅酶都具有特殊的功能，可以特定地催某一类型的反应。 同一种辅酶可以和多种不同的酶蛋白结合形成不同的全酶。 一般来说，全酶中的辅酶决定了酶所催化的类型（反应专一性），而酶蛋白则决定了所催化的底物

9、类型（底物专一性）。,（二）根据酶蛋白结构特点分类,单体酶：由一条或多条共价相连的肽链组成的酶分子。一般为水解酶。 寡聚酶：由两条或多条肽链组成的酶分子。为大多数酶。 多酶复合体：由多种酶彼此镶嵌成的复合体, 它们相互配合依次进行，催化连续的 一系列相关反应。丙酮酸脱氢酶复合体。 多功能酶：一条多肽链上含有两种或两种以上催化活性的酶，往往是基因融合的产物。脂肪酸合成酶。,五、酶的命名,（1）习惯命名方法 1.根据作用底物来命名，如淀粉酶、蛋白酶等。 2.根据所催化的反应的类型命名，如脱氢酶、转移酶等。 3.两个原则结合起来命名，如丙酮酸脱羧酶等。 4.根据酶的来源或其它特点来命名，如胃蛋白酶、

10、胰蛋白酶等。,(2)国际系统命名法 系统名称包括底物名称、构型、反应性质。 例如： 酶催化的反应: 谷氨酸 + 丙酮酸 -酮戊二酸 + 丙氨酸 习惯名称:谷丙转氨酶 系统名称:丙氨酸：-酮戊二酸氨基转移酶,(3)酶的国际分类法及编号 国际酶学委员会根据酶催化的反应类型，将酶分为六大类，分别用1、2、3、4、5、6的编号来表示。,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。,1 氧化-还原酶 Oxidoreductase,AH2 + B（O2）,+ BH2（H2O2，H2O）,A,

11、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。,2 转移酶 Transferase,AX + B,A +BX,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：,3 水解酶 hydrolase,AOH+BH,AB + H2O,裂合酶催化从底物分子中移去一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

12、程。 例如，6-磷酸葡萄糖异构酶催化的反应。,5 异构酶 Isomerase,常见的有消旋和变旋、醛酮异构、顺反异构和变位酶类。,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 + H2O =AB + ADP +Pi 例如，丙酮酸羧化酶催化的反应: 丙酮酸 + CO2 + ATP + H2O 草酰乙酸+ ADP +Pi,6 合成酶 Ligase or Synthetase,核酶是唯一的非蛋白酶。它是一类特殊的RNA，能够催化RNA分子中的磷酸酯键的水解及其逆反应。,7 核酶（催化核酸） ribozy

13、me,每个酶都有一个有四个数字组成的编号,六、酶活力的测定,1.酶活力:又称为酶活性，指酶催化一定化学反应的能力。通常以在一定条件下酶所催化的化学反应(初)速度来表示。 因此酶活力可用单位时间内底物的减少量或产物的增加量表示，单位为浓度/单位时间。,研究酶促反应速度，以酶促反应的初速度为准（底物消耗低于5%）。,酶促反应的速度曲线,2.酶活力测定的基本原理,一般对酶的测定不是直接测定其酶蛋白浓度, 而是测定其催化化学反应的能力。这是基于 在最优化条件下(最适温度、最适pH、最适缓冲液等)， 当底物足够（过量， SE ） ， 在酶促反应的初始阶段， 酶促反应的速度（初速度）与酶的浓度成正比 （即

14、V=KE）。故酶活力测定的是化学反应速度， 一定条件下可代表酶活性分子浓度。,3.酶活力的表示方法,(1)酶活力单位U （Unit）：是衡量酶活力大小的计量单位,又称酶单位，规定条件（最适条件）下一定时间内催化完成一定化学反应量所需的酶量。 根据不同情况有几种酶活力单位： 国际单位IU：1961年，在最适条件下每分钟转化1mol 底物所需要的酶量为一个酶活力单位。 即1IU= 1mol/min 国际单位Kat：1972年，指在最适条件下1秒钟内转化1mol 底物所需的酶量。 即 1 Kat=1mol/s Kat和IU的换算关系：1 Kat=6107 IU， 1 IU =16.67n Kat,习

15、惯单位: 在实际使用中,不同酶有各自的规定,如: 糖化酶活力单位:在规定条件下,每小时转化可溶性淀粉 产生1mg还原糖(以葡萄糖计)所需的酶量为1个酶单位。 蛋白酶活力单位：规定条件下，每分钟分解底物酪蛋白 产生1g酪氨酸所需的酶量。,(2)比活力（specific activity） 酶的比活力（比活性）：每单位（一般是mg）蛋白质中 的酶活力单位数（酶单位/mg蛋白）。 实际应用中也用每单位制剂中含有的酶活力数表示（如：酶 单位/mL（液体制剂），酶单位/g（固体制剂）， 对同一种酶来讲，比活力愈高则表示酶的纯度越高（含杂质 越少），所以比活力是评价酶纯度高低的一个指标。,在评价纯化酶的操

16、作方法是优劣时，要同时考虑两个概念： 纯化倍数与回收率 纯化倍数=某纯化操作后的比活力/第一步操作后的比活力 回收率=某纯化操作后的总活力/第一步操作后的总活力 ,总活力单位体积的酶活力(U/ml)分离溶液总体积(ml),第二节 酶促反应动力学,酶促反应动力学是研究酶促反应的速度以及影响酶反应速度的各种因素的科学。 影响酶反应速度的因素有： 底物浓度、酶浓度、温度、pH值、激活剂、抑制剂等。,在低底物浓度时, 反应速度与底物浓度成正比，为一级反应。 底物浓度增大与速度的增加不成正比,为混合级反应. 当底物浓度达到一定值，几乎所有的酶都与底物结合后，反应速度达到最大值（V max），此时再增加底物浓度，反应速度不再增加，表现为零级反应。,一、 底物浓度对酶促反应速度的影响,(一)V-S曲线,底物浓度对酶促反应初速度的影响,V 初,V max,1913年，德国化学家Michaelis和Menten根据中间产物学说对酶促反应