《生物化学第8章酶通论》由会员分享，可在线阅读，更多相关《生物化学第8章酶通论（52页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第8章 酶通论(General Survey of Enzyme)一、酶催化作用的特点一、酶催化作用的特点二、酶的化学本质及其组成二、酶的化学本质及其组成三、酶的命名和分类三、酶的命名和分类四、酶的专一性四、酶的专一性五、酶的活力测定和分离纯化五、酶的活力测定和分离纯化六、六、核酶核酶七、七、抗体酶抗体酶八、八、酶工程简介酶工程简介酶在生物体内的重要性 新新陈陈代代谢谢是是生生命命活活动动的的基基础础，是是生生命命活活动动最最重重要要的的特特征征。而而构构成成新新陈陈代代谢谢的的许许多多复复杂杂而而有有规规律律的的物物质质变变化化和和能能量量变变化化，都都是是在在酶酶（enzyme）催催化化下
2、下进进行行的的。生生物物的的生生长长发发育育、繁繁殖殖、遗遗传传、运运动动、神神经经传传导导等等生生命命活活动动都都与与酶酶的的催催化化过过程程紧紧密密相相关关，可可以以说说，没没有有酶酶的的参参与与，生生命命活活动动一一刻刻也不能进行。也不能进行。酶的化学本质 酶酶是是生生物物机机体体中中产产生生的的、具具有有催催化化作作用用的的生生物物大大分分子子。从从最最早早纯纯化化出出的的酶酶来来看看，其其化化学学本本质质都都是是蛋蛋白白质质，所所以以给给酶酶的的定定义义为为“酶酶是是具有催化活性的蛋白质具有催化活性的蛋白质”。关于酶化学本质的分歧 上上世世纪纪80年年代代初初，Cech和和Altma
3、n分分别别发发现现了了具具有有催催化化活活性性的的RNA，这这引引起起了了对对酶酶定定义义的的分分歧歧。有有人人认认为为，“酶酶是是具具有有催催化化活活性性的的蛋蛋白白质质”，所所以以具具有有催催化化活活性性的的RNA属属于于一一类类新新发发现现的的具具有有催催化化活活性性的的生生物物大大分分子子，应应该该给给它它们们起起一一个个新新的的名名字字。也也有有人人认认为为，“酶酶是是具具有有催催化化活活性性的的生生物物大大分分子子”，具具有有催催化化活活性性的的RNA是是酶酶新新发发现现的的成成员员，以以前前认认为为酶酶的的化化学学本本质质都都是蛋白质的概念是错误的。是蛋白质的概念是错误的。对RN
4、A型催化剂的命名 Cech等等人人取取RNA的的词词头头（ribonucleic acid）和和酶酶的的词词尾尾（enzyme）将将具具有有催催化化活活性性的的RNA命命名名为为“ribozyme”。从从这这个个名名称称来来看看，ribozyme是是和和enzyme并并列列的的一一类类物物质质，而而不不是是属属于于enzyme的的一一类类物物质质。在在英英汉汉生生物物学学词词汇汇（第第二二版版）中中，对对ribozyme的的翻翻译译是是这这样样的的：“核核酶酶，核核糖糖核核酸酸拟拟酶酶，酶酶性性核核糖糖核核酸酸”。ribozyme至至今今还还没没有有一一个个得得到到大大家家公公认认的的准准确确
5、译译名名,目目前前最最常常用用的的是是“核核酶酶”。曾曾经经有有人人提提出出造造一一个个新新字字来来翻翻译译ribozyme，即即“ ”，但没有得到大家的公认。但没有得到大家的公认。 抗体酶 1986年年，Schulz和和Lerner两两个个实实验验室室同同时时报报道道他他们们成成功功地地得得到到了了具具有有酶酶催催化化活活性性的的抗抗体体。这这就就是是抗抗体体酶酶（也也叫叫催催化化性性抗抗体体，catalytic antibody）。抗抗体体酶酶是是用用过过渡渡态态底底物物的的类类似似物物作作为为半半抗抗原原，免免疫疫动物得到的抗体，这种抗体就可能具有酶活力。动物得到的抗体，这种抗体就可能具
6、有酶活力。(Abzymes)酯酶的底物、过渡态及过渡态类似物的结构我们把酶催化的反应物称为底物（我们把酶催化的反应物称为底物（substrate）一、酶催化作用的特点酶和一般催化剂的比较 催催化化剂剂能能够够降降低低反反应应所所需需的的活活化化能能，使使得得活活化化态态分分子子的的比比例例提提高高，从从而而促促进进反反应应的的进进行行，提提高高反反应应速速率率。在在没没有有催催化化剂剂存存在在时时，过过氧氧化化氢氢分分解解所所需需的的活活化化能能为为75.4 kJ/mol，用用无无机机物物液液钯钯作作催催化化剂剂时时，所所需需的的活活化化能能降降至至48.9 kJ/mol，而而用用过过氧氧化化
7、氢氢酶酶催催化化时时，活活化化能能降降至至8.4 kJ/mol。 催化过程与非催化过程自由能的变化Progress of reaction催化过程与非催化过程自由能的变化酶的催化效率酶酶速率增加的倍数速率增加的倍数亲环蛋白亲环蛋白10 5碳酸酐酶碳酸酐酶10 7丙糖磷酸异构酶丙糖磷酸异构酶10 9羧肽酶羧肽酶A10 11葡糖磷酸变位酶葡糖磷酸变位酶10 12琥珀酰琥珀酰CoA转移酶转移酶10 13脲酶脲酶10 14乳清苷酸脱羧酶乳清苷酸脱羧酶10 17酶作为生物催化剂的特点酶易失活酶易失活酶具有很高的催化效率酶具有很高的催化效率 酶具有高度的专一性酶具有高度的专一性酶活性受到调节和控制酶活性受
8、到调节和控制 二、酶的化学本质及其组成酶的化学组成 有有些些酶酶仅仅由由蛋蛋白白质质组组成成，也也有有些些酶酶除除了了蛋蛋白白质质外外，还还有有其其它它成成分分，后后者者称称为为缀缀合合蛋蛋白白质质。对对于于属属缀缀合合蛋蛋白白质质的的酶酶来来说说，其其蛋蛋白白质质部部分分称称为为脱脱辅辅酶酶（apoenzyme），与与其其结结合合的的非非蛋蛋白白质质成成分分称称为为辅辅因因 子子 （ cofactor） ， 二二 者者 结结 合合 后后 称称 为为 全全 酶酶（holoenzyme）。对对于于需需要要辅辅因因子子的的酶酶来来说说，仅仅脱脱辅辅酶酶是是没没有有活活性性的的，单单独独的的辅辅因因
9、子子一一般般也也没没有有活活性性（有少数辅因子有弱的催化活性）。（有少数辅因子有弱的催化活性）。 辅因子 辅因子可分为三类：辅因子可分为三类： 辅辅基基：小小分分子子有有机机化化合合物物，与与酶酶蛋蛋白白以以共共价价键结合，不能通过透析除去。键结合，不能通过透析除去。 辅辅酶酶：小小分分子子有有机机化化合合物物，与与酶酶蛋蛋白白以以非非共共价键结合，可以通过透析除去。价键结合，可以通过透析除去。 金金属属离离子子：这这里里说说的的金金属属离离子子是是指指单单独独存存在在的的金金属属离离子子，有有些些辅辅基基中中也也含含有有金金属属离离子子，如如血血红素。红素。 不不同同的的脱脱辅辅酶酶需需要要
10、的的辅辅因因子子不不同同，含含有有不不同同类型辅因子的全酶催化反应的类型不同。类型辅因子的全酶催化反应的类型不同。单体酶、寡聚酶、多酶复合体 单单体体酶酶（monomeric enzyme）一一般般是是由由一一条条肽肽链链组组成成，但但有有些些单单体体酶酶由由多多条条肽肽链链组组成成，链链间间有有二二硫硫键键连连接接。单单体体酶酶种种类类较较少少，水水解解酶酶都都是单体酶。是单体酶。寡寡聚聚酶酶（oligomeric enyme）是是多多亚亚基基组组成成的的，亚亚基基之之间间靠靠次次级级键键结结合合。可可以以是是同同多多聚聚酶酶，也也可以是杂多聚酶。可以是杂多聚酶。 多多酶酶复复合合体体（mu
11、ltienzyme complex）是是由由几几种种酶酶靠靠非非共共价价键键按按一一定定的的方方式式结结合合而而成成，它它可可以催化连续的几个反应，相当于一条生产线。以催化连续的几个反应，相当于一条生产线。 三、酶的命名和分类 习习惯惯命命名名法法一一般般是是以以酶酶作作用用的的底底物物加加反反应应类类型型来来命命名名，如如催催化化淀淀粉粉水水解解的的酶酶叫叫淀淀粉粉酶酶（对对催催化化水水解解反反应应的的酶酶，水水解解两两字字省省略略），催催化化琥琥珀珀酸酸脱脱氢氢反反应应的的酶酶叫叫琥琥珀珀酸酸脱脱氢氢酶酶，催催化化葡葡萄萄糖糖氧氧化化反反应应的的酶酶叫叫葡葡萄萄糖糖氧氧化化酶酶等等。但但也
12、也有有一一些些酶酶的的名名称称前前面面加加上上了了来来源源，如如胃胃蛋蛋白白酶酶、木木瓜瓜蛋蛋白白酶酶、牛牛胰胰核核糖糖核核酸酸酶酶等等。还还有有一一些些酶酶从从名名称称上上根根本本看看不不出出是是干干什什么么的的，如如触触酶酶（过过氧氧化化氢氢酶酶 catalase）、漆漆酶酶（一一种种含含铜铜的的氧氧化化酶酶 laccase）、转转化化酶酶（蔗蔗糖糖酶酶 invertase）等等。习习惯惯名名为为人们所熟悉，经常使用，但不够严谨科学。人们所熟悉，经常使用，但不够严谨科学。 ( (习惯命名法习惯命名法) ) 酶的命名和分类 以以反反应应物物（如如果果有有两两种种反反应应物物，中中间间以以“
13、“ ：”隔开）加反应性质命名。如：隔开）加反应性质命名。如：乙醇：乙醇：NAD氧化还原酶（习惯命名为乙醇脱氢酶）氧化还原酶（习惯命名为乙醇脱氢酶）脂肪水解酶（水省略）脂肪水解酶（水省略） （习惯命名为脂肪酶）（习惯命名为脂肪酶）( (国际系统命名法国际系统命名法) )国际系统分类法及酶的编号 编编号号以以EC（Enzyme Commission）开开始始，后后面面跟跟4个个数数字字。第第1个个数数字字表表示示酶酶属属于于哪哪一一大大类类，酶酶学学委委员员会会根根据据酶酶反反应应的的类类型型，把把酶酶分分为为6大大类类，即即氧氧化化还还原原酶酶类类、转转移移酶酶类类、水水解解酶酶类类、裂裂合合酶
14、酶类类、异异构构酶酶类类、连连接接酶酶类类（也也叫叫合合成成酶酶类类），分分别别以以1,2,3,4,5,6编编号号。第第2个个数数字字表表示示酶酶属属于于该该大大类类的的哪哪一一小小类类，小小类类是是根根据据反反应应的的基基团团或或键键而而定定的的。第第3个个数数字字对对酶酶进进一一步步分分类类，根根据据反反应应物物种种类类而而分分。第第4个数字是在前个数字是在前3个数字相同时的顺序编号。个数字相同时的顺序编号。 氧化还原酶类（EC1）（oxido-reductases） 氧氧化化还还原原酶酶类类是是催催化化氧氧化化还还原原反反应应的的酶酶，其其中有氧化酶和脱氢酶两类主要的酶。中有氧化酶和脱氢
15、酶两类主要的酶。（1）氧氧化化酶酶类类催催化化O2氧氧化化底底物物的的反反应应，生生成成H2O2或或H2O。 AH2 + O2 A + H2O2 2AH2 + O2 2A + 2H2O（2）脱脱氢氢酶酶类类需需要要辅辅酶酶（NAD+）或或辅辅酶酶（NADP+）作作为为受受氢氢体体，催催化化底底物物氧氧化化脱脱氢氢反反应。应。 AH2 + NAD(P)+ A + NAD(P)H + H+转移酶类（EC2）（transferases） 转转移移酶酶类类催催化化基基团团从从一一个个底底物物上上转转到到另另一一个个底物上的反应。底物上的反应。 AX + B A + BX水解酶类（EC3） 水解酶类催化
16、水解反应。水解酶类催化水解反应。 A-B + H2O A-OH + BH（hydrolases）裂合酶类（EC4） 裂裂合合酶酶类类催催化化从从底底物物上上移移去去一一个个基基团团，而而留留下双键的反应或其逆反应。下双键的反应或其逆反应。 A-B A + B （lyases）异构酶类（EC5） 异异构构酶酶类类催催化化各各种种同同分分异异构构体体之之间间的的转转变变。此此类类酶酶包包括括消消旋旋酶酶、差差向向异异构构酶酶、顺顺反反异异构构酶酶、分分子子内内氧氧化化还还原原酶酶、分分子子内内转转移移酶酶和和分分子子内内裂裂解解酶等。酶等。 A B（isomerases）连接酶类（EC6） 连连接
17、接酶酶类类催催化化一一切切必必须须与与ATP分分解解相相偶偶联联，并由两种物质（双分子）合成一种物质的反应。并由两种物质（双分子）合成一种物质的反应。 A + B + ATP A-B + ADP +Pi 或或 A + B + ATP A-B + AMP +PPi（ligases 或或 synthatases） 一一个个反反应应必必须须与与另另一一个个反反应应同同时时进进行行，这这种种情情况况叫叫做做一一个个反反应应偶偶联联另另一一个个反反应应。偶偶联联反反应应式式也也可可以写成以写成四、酶的专一性1.1.结构专一性结构专一性 （1 1）绝对专一性）绝对专一性 （2 2）相对专一性）相对专一性
18、族专一性或基团专一性族专一性或基团专一性 键专一性键专一性2.2.立体异构专一性立体异构专一性 （1 1）旋光异构专一性）旋光异构专一性 （2 2）几何异构专一性）几何异构专一性 （酶的专一性由蛋白质部分决定）（酶的专一性由蛋白质部分决定）相对专一性族专一性或基团专一性：族专一性或基团专一性： 它它们们只只对对反反应应键键一一侧侧的的基基团团有有严严格格要要求求，而而对对反反应应键键的的另另一一侧侧基基团团没没有有要要求求，如如-D-葡葡萄萄糖糖苷苷酶酶水水解解葡萄糖的葡萄糖的糖苷键，而不管糖苷配基是什么。糖苷键，而不管糖苷配基是什么。键专一性：键专一性： 它它们们只只对对反反应应的的键键有有
19、要要求求，对对键键两两侧侧的的基基团团都都没没有有要要求求，如如酯酯酶酶催催化化酯酯键键的的水水解解，而而不不管管是是乙乙酸酸乙乙酯酯还是丙酸甲酯。还是丙酸甲酯。 蛋白酶的专一性 各种蛋白酶都有自己的专一性，有些蛋白酶只各种蛋白酶都有自己的专一性，有些蛋白酶只要求肽键一侧的氨基酸残基种类，如胰蛋白酶要求要求肽键一侧的氨基酸残基种类，如胰蛋白酶要求肽键的羧基侧是碱性氨基酸残基；有些蛋白酶对肽肽键的羧基侧是碱性氨基酸残基；有些蛋白酶对肽键两侧的氨基酸残基都有要求，如凝血酶只水解键两侧的氨基酸残基都有要求，如凝血酶只水解Arg-Gly。 各种蛋白酶的专一性R1R1、R2R2：芳芳香香氨氨基基酸酸及及
20、其其它它疏疏水水氨氨基基酸的侧链基团酸的侧链基团R3R3： AlaAla、 GlyGly、SerSer等等短短脂脂肪肪链链氨氨基酸基酸R4R4：碱性氨基酸：碱性氨基酸凝血酶的专一性Arg Gly旋光异构专一性 L-氨基酸氧化酶不能催化氨基酸氧化酶不能催化D-氨基酸氨基酸氧化脱氨。氧化脱氨。几何异构专一性 有有些些酶酶的的底底物物没没有有异异构构体体，但但反反应应的的产产物物可可以以是是异构体，实际反应的产物只是两种异构体中的一种。异构体，实际反应的产物只是两种异构体中的一种。特殊的立体化学专一性 酶酶的的立立体体化化学学专专一一性性还还表表现现在在能能区区分分从从有有机机化化学学的的观观点点来
21、来看看属属于于对对称称分分子子中中的的两两个个相相等等的的基基团团，只只催催化化其其中中的的一一个个反反应应，而而不不催催化化另另一一个个反反应应。例例如如，一一端端由由14C标标记记的的甘甘油油，在在甘甘油油激激酶酶的的催催化化下下可可以以与与ATP反反应应，仅仅产产生生一一种种标标记记产产物物，甘甘油油-1-磷磷酸酸。酵酵母母醇醇脱脱氢氢酶酶在在催催化化反反应应时时，辅辅酶尼克酰胺环酶尼克酰胺环C4上只有一侧可以加氢或脱氢。上只有一侧可以加氢或脱氢。 甘油激酶催化反应产物的专一性甘油激酶甘油激酶辅酶NAD还原加氢的立体异构专一性“锁与钥匙” 假说（lock and key） 该该假假说说认
22、认为为，酶酶的的活活性性部部位位是是刚刚性性的的，其其形形状状刚刚好好能能与与底底物物吻吻合合，非非底底物物因因形形状状不不吻吻合合，所所以以不不能与酶结合。能与酶结合。 此此假假说说不不能能解解释释酶酶能能够够催催化化逆逆反反应应，以以及及有有些些酶可以催化多种底物反应。酶可以催化多种底物反应。 “锁与钥匙” 示意图“诱导契合” 假说 （induced-fit） 该该假假说说认认为为酶酶的的活活性性中中心心在在与与底底物物结结合合时时会会发发生生构构象象的的变变化化，活活性性中中心心在在底底物物的的诱诱导导下下，采采取取了了与与底底物物形形状状吻吻合合的的构构象象。此此假假说说现现已已得得到
23、到公公认。认。 “诱导契合” 示意图 专一性专一性底物底物非专一非专一性底物性底物非专一非专一性底物性底物五、酶的活力测定和分离纯化酶活力 酶的定量是以其酶的定量是以其催化能力的大小来衡量催化能力的大小来衡量的，的，称为酶活力称为酶活力( (或酶活性或酶活性) )。 在酶催化反应过程中，底物的量逐渐减少，在酶催化反应过程中，底物的量逐渐减少，产物的量逐渐增加，通过检测单位时间底物的减产物的量逐渐增加，通过检测单位时间底物的减少量或产物的增加量，可以测出酶催化能力的大少量或产物的增加量，可以测出酶催化能力的大小，也就是酶活力的大小。小，也就是酶活力的大小。 酶活力的指标 由于底物的初始量往往较大
24、，在短时间内底物由于底物的初始量往往较大，在短时间内底物浓度变化的相对值很小，不容易准确测定。而产物浓度变化的相对值很小，不容易准确测定。而产物是从无到有，在短时间内产物浓度变化的相对值很是从无到有，在短时间内产物浓度变化的相对值很大，所以常以大，所以常以单位时间产物浓度的增加单位时间产物浓度的增加作为衡量酶作为衡量酶活力的指标。活力的指标。 酶活力测定对反应时间的要求 在在试试管管反反应应中中，随随着着酶酶反反应应的的进进行行，产产物物浓浓度度逐逐渐渐增增加加，底底物物浓浓度度逐逐渐渐减减少少，逆逆反反应应逐逐渐渐增增强强；酶酶由由于于变变性性，活活力力也也会会逐逐渐渐下下降降；反反应应条条
25、件件也也会会逐逐渐渐偏偏离离最最适适条条件件。因因此此，随随着着时时间间的的推推移移，反反应应速速率率会会逐逐渐渐下下降降。若若经经过过较较长长时时间间的的酶酶反反应应再再测测定定产产物物的的增增加加量量，单单位位时时间间的的产产物物增增加加量量就就会会减减少少；而而只只经经过过短短时时间间的的反反应应就就测测定定产产物物的的增增加加量量，单单位位时时间间的的产产物物增增加加量量就就较较高高。后后者者才才能能反反应应出出酶酶活活力力的的实际水平。实际水平。酶活力测定对反应时间的要求 测测定定酶酶活活力力时时，应应测测定定其其初初速速率率。但但反反应应的的时时间间又又不不能能太太短短，时时间间太
26、太短短产产物物积积累累量量太太少少，达达不不到到检检测测灵灵敏敏度度所所要要求求的的量量。因因此此，一一般般要要求求在在底底物物的的转转化化率率不不超超过过5%的的时时间间内内测测定定反反应应的的产产物物量量，产产物的积累量应能够较准确地测量出来。物的积累量应能够较准确地测量出来。酶的活力单位 酶酶的的活活力力单单位位有有多多种种定定义义，其其共共同同的的定定义义是是：在在一一定定条条件件下下，单单位位时时间间内内将将一一定定量量的的底底物物转转化化成成产产物物所所需需的的酶酶量量为为一一个个单单位位。这这样样，对对于于一一个个酶酶制制剂剂来来说说，就就可可以以用用每每ml或或每每mg酶酶制制
27、剂剂含含有有多多少少单单位的酶来表示其酶浓度或酶含量（位的酶来表示其酶浓度或酶含量（U/ml or U/mg）。）。 酶活力的国际单位国际单位（国际单位（IU）的定义：）的定义： 在在最最适适反反应应条条件件（温温度度25）下下，每每分分钟钟内内催催化化1mol底底物物转转化化为为产产物物所所需需的的酶酶量量为为一一个个活力单位，即活力单位，即1 IU = 1mol/min。酶活力的实用单位 在在实实际际工工作作中中，人人们们还还是是习习惯惯用用一一些些与与国国际际单单位位不不同同的的单单位位来来表表示示酶酶活活力力。实实际际上上，有有些些酶酶活活力力无无法法用用国国际际单单位位来来表表示示。
28、如如-淀淀粉粉酶酶的的活活力力单单位位为为每每小小时时催催化化1g可可溶溶性性淀淀粉粉液液化化所所需需要要的的酶酶量量，也也有有用用每每小小时时催催化化1ml 2%的的可可溶溶性性淀淀粉粉液液化化所所需需要要的的酶酶量为量为1个单位的。个单位的。 一种大的酶活力单位 1972年年，为为了了方方便便工工业业上上使使用用，国国际际酶酶学学委委员员会会又又推推荐荐了了一一个个大大的的酶酶活活力力单单位位，即即Katal，规规定定为为：在在最最适适条条件件下下，每每秒秒钟钟催催化化1mol底底物物转转化化为产物所需的酶量为为产物所需的酶量为1Katal。1Kat = 6010 6 IU酶的比活力 酶酶
29、的的比比活活力力用用每每mg蛋蛋白白质质所所含含的的酶酶活活力力单单位位数数表表示示，即即U/mg protein。比比活活力力是是衡衡量量酶酶纯纯度度的的指标。指标。 “有有时时用用每每g g酶酶制制剂剂或或每每ml酶酶制制剂剂含含有有多多少少个个活活力力单单位位来来表表示示（U/g或或U/ml）（比比活活力力）”（见见教教材材P336）。此此话话有有误误，U/g或或U/ml只只能能称称为为酶酶含含量或酶浓度，而不是比活力。量或酶浓度，而不是比活力。 酶活力的测定方法 分光光度法分光光度法荧光法荧光法同位素法同位素法电化学法电化学法 酶的分离和纯化 按按分分离离纯纯化化蛋蛋白白质质的的方方法法进进行行，中中间间每每一一步都要测定酶活力和蛋白质含量。步都要测定酶活力和蛋白质含量。
