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1、酶工程复习提纲第二章 酶的定义、组成、特征及分类 一、从化化学本质上讲酶到底是一种什么物质？二、一般催化剂的特性：1.只能进行热力学上允许进行的反应；2.可以缩短化学反应到达平衡的时间，而不改变反应的平衡点；3.通过降低活化能加快化学反应速度。4.它本身的数量和化学性质在化学反应后不发生改变。三、酶作为催化剂的显著特点：高效、专一、温和、可调节四、酶的分类(一)、酶的组成分类单纯酶:它们的组成为单一的蛋白质。 结合酶（全酶）: 蛋白质（酶蛋白）+辅因子酶蛋白决定反应的特异性，辅因子决定反应的类型与性质。辅因子： 辅酶：与酶蛋白结合疏松，可用透析或超滤的方法除去的辅因子。 辅基：与酶蛋白结合紧密
2、，不能可用透析或超滤的方法除去的辅因子。(二)、酶的结构分类(1)、单体酶(monomeric enzyme) :仅具有三级结构的酶，即只由一条肽链组成的酶。 (2)、寡聚酶(oligomeric enzyme)：两个或两个以上的相同或不同亚基以共价键方式连接而形成的酶。 (3)、多酶复合体(多酶体系，multienzyme system):由几种功能不同的酶聚合在一起，分工合作。共同催化一个生化反应过程。 (4)、多功能酶(multifunctional enzyme)：一些多酶体系在进化的过程中由于基因融合，致使多种不同催化功能存在于一条多肽链上，这种一条肽链具有多种催化功能的酶叫多功能酶
3、。（三）、酶的功能组成酶的活性中心 酶的活性中心：与底物结合并进行催化反应的特殊的必需基团。 结合基团：决定酶的专一性活性中心内的必需基团必需基团： 催化基团：决定酶的催化性质活性中心外的必需基团：维持酶的空间结构和催化功能所必需的基团五、酶的专一性;第三章 酶的作用机理一、酶作用专一性的机制(一)“三点结合”的催化理论三点结合”的催化理论认为酶与底物的结合处至少有三个点，只有当三点完全结合的情况下。催化作用才能实现，酶促反应才能进行。（二）锁钥学说锁钥学说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钥匙对一把锁一样，那把钥匙开那把锁。也就是说，只有当
4、底物的形状与酶的活性中心的构象完全匹配时，酶与底物才能结合，催化反应才能进行。(三)诱导嵌合学说(Induced fit model）酶活性中心的结构有一定的灵活性，当底物（激活剂或抑制剂）与酶分子结合时，在底物的诱导下，酶蛋白的构象发生了有利于与底物结合的变化，使反应所需的催化基团和结合基团正确地排列和定向，这样酶与底物才能很好地结合，酶促反应才得以进行。二、酶高效催化的机制 (一)、酶为什么能催化化学反应、分子发生化学反应的必要条件：活化能和能障在化学反应体系中，并不是所有的分子都能参加化学反应，只有那些所含能量达到或超过一定限度（平均能量）的分子才能参与反应。这些能参与反应的分子称为活化
5、分子，由常态分子转变为活化分子所需的能量称为活化能。活化分子含有的能参与化学反应的最低限度的能量称为化学反应的能阈或能障。因此，只有那些所含能量大于能障的分子才能参与化学反应。在一个化学反应体系中，活化分子越多，反应就越快。所以，设法增加活化分子数，就能加速化学反应。、增加活化能（活化分子）的途径增加活化分子有两种可能的途径：一是加热或光照射增加能量，使一部分分子获得能量而活化，直接增加活化分子数目，以加速化学反应的进行。另一种途径是降低活化能的阈值，间接增加活化分子数目。催化剂的作用就是降低反应的活化能。酶是如何降低化学反应的活化能的呢？（二）、有关酶高效率机理的假说 1、中间产物学说中间产
6、物学说是目前较公认的解释酶作用机理的理论。这个理论认为：在酶促反应中，底物先与酶结合，形成不稳定的中间产物ES复合物，然后再分解释放出酶与产物。ES的形成，改变了原来反应的途径。酶的活性中心与底物分子通过短程非共价键(如氢键,离子键和疏水键等)的作用，形成ES复合物，使底物的价键状态发生形变或极化，从而激活底物分子和降低过渡态活化能，使底物的活化能大大降低，结果使反应加速。 2.趋近效应(approximation)和定向效应(orientation)通常底物浓度与化学反应速度成正比。若在反应系统的某一局部区域，底物浓度增高，则反应速度也随之提高。趋近效应指由于活性中心的立体结构和相关基团的诱
7、导和定向作用，使底物分子中参与反应的基团相互接近，底物在酶活性中心的有效浓度大大增加，并被严格定向定位，从而降低了进入过渡态所需的活化能。使酶促反应具有高效率。酶的活性中心部位，一般都含有多个起催化作用的基团，这些基团在空间有特殊的排列和取向，可以对底物价键的形变和极化及调整底物基团的位置等起到协同作用，从而使底物达到最佳反应状态。3、张力作用(distortion or strain)底物的结合可诱导酶分子构象发生变化，比底物大得多的酶分子的三、四级结构的变化，也可对底物产生张力作用，使底物扭曲，促进ES进入活性状态。4、酸碱催化 (acid-base catalysis)酸和碱是有机反应中
8、用途最广和最普遍的催化剂。酸-碱催化可分为狭义的酸-碱催化和广义的酸-碱催化。酶参与的酸-碱催化反应一般都是广义的酸碱催化方式。广义酸碱催化是指通过质子酸提供部分质子,或是通过质子碱接受部分质子的作用，达到降低反应活化能的过程。酶的活性中心具有某些氨基酸残基的R基团，这些基团往往是良好的质子供体或受体，在水溶液中这些广义的酸性基团或广义的碱性基团对许多化学反应是有力的催化剂。如氨基、羧基、巯基、酚羟基及咪唑基等。影响酸碱催化反应速度的因素有两个：第一个因素是酸碱的强度。第二个因素是这些功能基供出质子或接受质子的速度。共价催化：催化剂通过与底物形成反应活性很高的共价过渡产物，使反应活化能降低，从
9、而提高反应速度的过程，称为共价催化。某些酶与底物结合形成一个反应活性很高的共价中间产物，这个中间产物以较大的机率，转变为过渡态，因此反应的活化能大大降低，底物可以越过较低的能障而形成产物。5、共价催化作用可分为亲核催化作用和亲电子催化作用两大类。 亲核催化作用：亲核催化是指具有一个非共用电子对的基团或原子，攻击缺少电子具有部分正电性的原子，并利用非共用电子对形成共价键催化反应。酶分子中具有催化功能的亲核基团主要是：组氨酸的咪唑基、丝氨酸的羟基、半胱氨酸的巯基。此外，许多辅酶也具有亲核中心。酶中参与共价催化的基团主要包括 His 的咪唑基，Cys 的硫基，Asp 的羧基，Ser 的羟基等。 亲电
10、子催化作用：在亲电子催化作用中，催化剂和底物的作用与亲核催化相反，就是说，亲电子催化剂缺少电子，从底物中吸取一个电子对形成共价键催化反应。酶分子亲电子的基团有亲核碱基被质子化的共轭酸，如NH3+。在酶的亲电子催化过程中，有时其必需的亲电子物质不是上述的共轭酸，而是由酶中非蛋白组成的辅因子提供，其中金属阳离子是很重要的一类。6、金属离子催化作用（1）、提高水的亲核性能：金属离子可以和水分子的OH-结合，使水显示出更大的亲核催化性能。 （2）、电荷屏蔽作用（3）、电子传递中间体 第四章 影响酶促反应速度的因素一、底物浓度对酶反应速度的影响 （一）、单底物反应 1、米氏方程 底物浓度较低时，增加底物
11、浓度可加快酶促反应速度。当底物饱和时，酶促反应速度不会再随底物浓度的增加而加快。底物浓度与酶促反应速度的关系通常用米氏方程来表示： 2、米氏常数的定义米氏常数是酶促反应速度达到最大反应速度的一半时的底物浓度。 Km是一个物理常数。 米氏常数的单位是mM。3、米氏常数的意义 （1）Km是酶的一个特征性常数，只与酶的性质有关，与酶的浓度无关。 （2）如酶能催化几种不同的底物，对每种底物都有一个特定的Km值，其中Km值最小的称该酶的最适底物。 （3）Km除了与底物类别有关，还与pH、温度有关。 （4）Km表示酶和底物的亲和力。 Km越大，表示和底物的亲和力越小。判断代谢反应的方向、途径和限速步骤等。
12、 二、酶的抑制作用和抑制作用动力学 （一）、什么是抑制作用（inhibition）? 某些物质使酶活力下降的作用叫抑制作用，这些使酶活力下降的物质，称为抑制剂（Inhibitor, I)（二）、抑制作用的种类 1、不可逆抑制（irreversible inhibition）：抑制剂与酶的必需基团以共价键结合，不能用稀释或透析去除抑制剂使得酶活力恢复。 2、可逆抑制作用(reversible inhibition)及其动力学（1）竞争性抑制作用（competitive inhibition） 定义：抑制剂与底物竞争酶的活性结合部位竞争性抑制作用的特点：Km增加、Vmax不变（2）非竞争性抑制作用
13、（noncompetitive inhibition） 定义： I与S同时结合到酶的不同部位上 特点：Km不变、Vmax降低（3）反竞争性抑制作用（uncompetitive inhibition）定义：只有酶和底物结合之后，抑制剂才与酶和底物的 复合物结合。特点：Km降低、Vmax降低（三）一些重要的抑制剂及其实际意义 有机磷化合物 ：有机磷化合物能抑制某些蛋白酶及酯酶的活力，特别是强烈抑制胆碱酯酶。 巯基酶抑制剂 ：A、烷化剂：B、有机汞、有机砷化合物 重金属抑制剂 ：Ag+、Cu2+、Hg2+、Pb2+等金属盐能使大多数酶失活。 第五章 核酶和抗体酶一、核酶的发现1982年Cech等发现
14、四膜虫细胞大核期间26SrRNA前体具有自我剪接功能，并于1986年证明其内含子L-19IVS具有多种催化功能。1995年Cuenoud等发现有些DNA分子亦具有催化活性。称之为脱氧核酶。 二、核酶作用的特点 1、化学本质：RNA 2、底物：RNA 3、反应特异性(专一性）碱基 4、催化效率 低 5、核酶是一种金属依赖酶。金属离子起以下的作用： （1）、特异的结构作用，或参与活性部位的化学过程 （2）、促进RNA的总体折叠 （3）、二价金属离子（如Mg 2+ ）与底物活性部位直接相互作用，参与过渡中间复合物的形成三、核酶的应用1、核酶抗肝炎病毒的研究 目前人们已进行了核酶抗甲型肝炎病毒（HAV
15、)、乙型肝炎病毒（ HBV）、丙型肝炎病毒（ HCV）以及HDV作用的研究。人工设计核酶多为锤头状结构，少部分是采用发夹状核酶。 2、抗人类免疫缺陷病毒型（HIV- )。核酶免疫源性低，很少引起免疫反应。 1998年，美国加利福尼亚大学Wong-Staal等利用发夹核酶抑制HIV- 基因表达，并率先进入临床期。 3、抗肿瘤治疗 核酶能在特定位点准确有效地识别和切割肿瘤细胞的mRNA,抑制肿瘤基因的表达，达到治疗肿瘤的目的。4、抑制疾病基因的表达和基因治疗 通过识别特定位点而抑制目标基因的表达，抑制效率高，专一性强。针对锤头核酶而言，催化结构域小，既可作为转基因表达产物，也可以直接以人工合成的寡核苷酸形式在
