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1、第八章 生物催化简介n本章主要内容：n酶催化作用本质及特点 ；n酶的固定化方法 。概述n生物催化-利用酶或有机体（细胞等）为催化剂实现化学转化的过程-又称生物转化。n生物体内存在两类生物催化剂，一类是以蛋白质为主要成分的生物催化剂称为酶，另一类是以核糖核酸为主要成分的生物催化剂称为核酶。前者主要催化生物体内糖、蛋白质、核酸和脂类等物质的合成与分解代谢，后者则主要催化核糖核酸的剪接反应。本章主要介绍第一类生物催化剂。n迄今为止，人们已发现和鉴定出2000多种酶，其中有200多种己得到了结晶。n酶催化反应具有高效性和立体选择性。n酶的本质是蛋白质，酶的催化活性主要依赖于它特殊的高级结构活性中心。酶
2、的分类n1961年 国 际 酶 学 委 员 会 International Enzyme Commission, EC 提出了酶的系统分类法。该系统按酶催化反应的类型将酶分成六个大类，分别用EC l，2，3，4，5，6编号表示 。n1氧化还原酶(oxidoreductase, EC l. x. x. x) n2转移酶(transferase, EC 2. X. X. X. ) n3水解酶(hydrolase, EC 3. X. X. X. ) n4裂合酶(1yase, EC 4. X. X. X. )n5异构酶( isomerase, EC 5. X. X. X. ) n6连接酶(ligase
3、, EC 6. X. X. X. ) 酶的命名法 - 习惯命名法n习惯命名法：n一般采用底物加反应类型而命名，如乳酸脱氢酶、磷酸己糖异构酶。n水解酶类则只用底物名，可省去反应类型，如蛋白酶、核酸酶、蔗糖酶等。n由于酶来源的多样性，有时在底物名前冠以酶的来源，如胃蛋白酶、胰蛋白酶等。 酶的命名法 -系统命名法n酶的习惯命名比较混乱，为改变这种状况1961年国际酶学委员会给酶规定了系统名。n系统名是由酶催化的底物名称加上该酶催化反应的性质组成。如果是双底物反应，则两个底物都要列出，中间用一个“：”冒号分开。例如生物催化中常用的脂肪酶是一个习惯名，它催化甘油三酯的水解反应，因此它的系统名是甘油三酯
4、：水水解酶，若底物之一为水可略去不写，故脂肪酶的系统名为甘油三酯水解酶。 酶的结构 n酶的分子结构是酶催化功能的物质基础，酶催化反应的高效性和特异性是酶分子结构所决定的。酶的催化活性不仅与酶分子的一级结构有关，还与酶的高级结构紧密相关。 n酶有一级结构 ；n酶有高级结构。酶的一级结构 n酶蛋白是由20种氨基酸残基组成的生物大分子。氨基酸间通过脱水形成酰胺键，在蛋白质化学中又称肽键。肽键将氨基酸连接形成长链聚合物称为多肽链，链中的氨基酸称为残基。n不同的蛋白质具有不同的氨基酸组成和排列顺序。n蛋白质多肽链中氨基酸残基的组成和排列顺序称为蛋白质的一级结构 酶的高级结构n酶蛋白在一级结构的基础上进一
5、步盘旋折叠，形成具有催化活性的空间结构，又称高级结构，它是酶发挥生物催化功能的基础。n酶的空间结构主要包括：n二级结构；n三级结构；n四级结构。 酶的二级结构 n蛋白质一级结构主链骨架上原子(不涉及侧链原子)在空间的排列称为二级结构。n二级结构主要有：n螺旋和 -折叠两种主要的构象形式。n氢键是维持二级结构稳定的主要作用力。 酶的三级结构n三级结构是指蛋白质多肽链上所有原子的空间排列，也即单链多肽蛋白质的立体构象。n稳定蛋白质三级结构的主要作用力有氢键、盐键、疏水键和二硫键等。n酶蛋白中每条完整的肽链被称为亚基。酶的四级结构n四级结构是指多亚基蛋白质的空间立体构象，涉及具有三级结构的亚基间相互
6、作用和空间排列。n稳定四级结构的主要作用力是肽链间的非共价作用，如氢键、盐键、疏水键等。 酶的空间结构研究 n借助x射线晶体衍射法，已测定了多个酶的立体空间结构。酶在晶体中的立体构象与溶液中的立体构象会有所区别。n核磁共振 (NMR)技术己用于溶液中酶蛋白空间结构的研究，这种技术能更好地反映酶在溶液中的空间构象。n由于酶晶体晶格内有相当量的水，因此，x射线晶体衍射法测定的酶立体结构和溶液中的酶空间结构很相似，这两种技术的使用将会加速酶空间结构的研究。n 酶是一种复杂的生物大分子n多数酶是由多亚基所组成，亚基数目可以从2个直到60个以上，例如丙酮酸脱氢酶就是由60个亚基组成的多酶复合体。由多亚基
7、组成的酶，在亚基解离后一般不再表现活性，亚基间重组后又表现出活性。但也有少数酶解离后，亚基仍表现有一定的酶活性。n此外，有些酶分子中还连接有糖或脂，例如菠萝蛋白酶是糖蛋白；与生物膜结合的酶则往往是脂蛋白。酶的催化作用n酶催化作用的特点：n酶作为一种特殊的催化剂，除具有一般催化剂的共性(如反应前后酶本身没有量的改变；只加速反应而不改变反应平衡等)外尚有其独有的特点。 n1、有极高的催化效率 ；n2、有高度的专一性 (选择性) ；n3、要求温和的反应条件 ；n4、酶活性的调节机制复杂 。酶有极高的催化效率n酶的催化效率相对其它无机或有机催化剂要高106一1013倍。例如过氧化氢分解反应n用Fe2+
8、催化，效率为610-4 mol(mols)，用过氧化氢酶催化，效率为6106 mol(mols)，可见，酶比Fe2+催化效率要高出1010倍。 酶有高度的专一性 (选择性) n酶的专一性：是指酶对它所作用的底物有严格的选择性，一种酶只能催化某一类，甚至只与某一种物质起化学变化。如糖苷键、酯键、肽键等都能被酸碱催化而水解，但水解这些化学键的酶却各不相同，即它们分别需要在具有一定专一性的酶作用下才能被水解。n酶的专一性又可分为以下几种类型：n(1) 底物专一性；n(2) 反应专一性；n(3)立体化学专一性 。底物专一性 n一种酶只能催化一种底物使之发生特定的反应，如尿酶只能催化尿素水解，反应式为n
9、而不能催化尿素以外的任何物质(包括结构与尿素非常相似的甲基尿素)发生水解，也不能使尿素发生水解以外的其它反应。 反应专一性 n有些酶的专一性程度较低，对具有相同化学键或基团的底物都能进行某种类型的反应。n如酯酶催化酯键的水解，但对底物RCOOR中的R及R基团却没有严格的要求。 立体化学专一性 n有些酶对底物的构象有特殊要求，往往只能催化底物的一种立体化学结构体。例如，山乳酸脱氢酶只能催L-乳酸氧化，对D-乳酸不起作用。又如，反丁烯二酸酶仅作用于反丁烯二酸，而不能作用于顺丁烯二酸。n由于酶反应具有严格的专一性，所以它的催化反应产物比较单一，副产物少，从而有利于产品分离。n酶作用上的专一性，从根本
10、上保证了生物体内为数众多的各种各样的化学反应能有条不紊的协调进行。 酶反应要求温和的条件 n酶由生物体产生，其本身又是蛋白质，只能在常温、常压、接近中性的pH值条件下发挥作用。因此，酶作为工业催化剂，不用耐高温、高压的设备，也不需要耐强酸、强碱的容器。n例如，用盐酸水解淀粉生产葡萄糖时，需在0.15MPa和140的操作条件下进行，需要耐酸耐碱的设备，若用-淀粉酶和糖化酶，则可用一般设备在常压下进行。因此，可降低能量消耗，减轻设备腐蚀，对设备的材质及制造要求大大降低。 酶活性的调节机制复杂 n 酶活性在体内受到多方面因素的调节和控制，生物体内酶和酶之间、酶和其他蛋白质之间都存在相互作用，机体通过
11、调节酶的活性和酶量，控制代谢速度，以满足生命的各种需要和适应环境的变化。n酶的调控方式，包括抑制剂调节、反馈调节、酶原激活及激素控制等。n工业化过程需视具体反应情况加以调控，以期获得最佳的转化效果。 酶催化作用机制 n使活化分子增多有两种可能的途径：一是向反应物系加入一定的能量(如光、热等)使其活化；一是加入适当的催化剂，降低反应活化能。n酶的催化作用的实质就是他能降低化学反应的活化能，使反应在较低能量水平进行，从而加速了化学反应 。一些反应的活化能比较 n与一般催化剂比较，酶可使反应的能阈降得更低，所需活化能大为减少。反应速度与活化能为指数函数关系，即活化能的降低对反应速度的增加影响很大，故
12、酶的催化效率比普通催化剂高得多，同时能够在温和的条件下充分地发挥其催化功能。 酶的固定化 n酶的固定化:把原来游离的水溶性酶限制或固定于某一局部空间或固体裁体上。酶固定化后，既不会流失，也不会污染产品。固定化酶在经过过滤或离心分离后，可以长期重复使用，而且酶的稳定性也得到提高。n在实际应用中固定化酶可以装在反应器内使生产以连续化方式进行，有利于生产的自动化、连续化和生产率的提高。 固定化酶的稳定性酶的固定化应尽量避免酶高级结构破坏n酶的催化活性主要依赖于它特殊的高级结构活性中心。当高级结构发生变化时酶的催化活性、底物的特异性都可能发生改变，因此，在制备固定化酶时应尽量避免那些可能导致酶蛋白高级
13、结构破坏的因素。n由于蛋白的高级结构是凭借氢键、疏水键等相互作用较弱的非共价键维持的，所以固定化时应采取尽可能温和的条件。 酶的固定化方法n酶的固定化方法主要有:n载体结合法：是一种将酶结合在非水溶性载体上的方法，载体结合法可分为物理吸附法、离子吸附法和共价结合法。n包埋法 ：将酶包裹在有限空间（如凝胶格子或半透膜微胶囊）内的方法。 n交联法：是借助于双功能或多功能试剂与酶分子中的氨基或羧基发生反应，使酶蛋白分子之间发生交联，结成网状结构而制成固定化酶。 载体结合法-物理吸附法和离子吸附法n物理吸附法：是将酶吸附在水不溶性载体上。常用载体：活性碳、硅胶、氧化铝、多孔玻璃等。物理吸附法固定化酶，
14、酶活性损失少，但酶与载体的结合力相当弱，酶容易脱落，实用价值很少。n离子吸附法：是利用电性作用将酶与含有离子交换基团的水不溶性载体相结合，如，氨基酰化酶在pH=7.0的磷酸盐溶液中，于37oC条件下，与DEAE-葡聚糖发生离子结合反应，制得固定化氨基酰化酶。此法条件温和，酶活性损失少，酶与载体的结合力较物理吸附法牢固。 载体结合法-共价结合法n共价结合法：是利用酶蛋白质分子上的非必需基团和活化的载体表面上的反应基团之间形成共价键，而将酶固定在载体上。n如酶蛋白质分子上的氨基能够与含有酸酐、酰化基团等的聚合物发生偶联，从而使酶固定。此法酶与载体结合牢固。n由于化学共价结合时反应剧烈，常引起酶蛋白
15、的高级结构发生变化，一般活性有所降低。 包埋法n将酶包裹在有限空间（如凝胶格子或半透膜微胶囊）内的方法。酶被包埋后不会扩散到周围介质中去，而底物和产物却能自由扩散。包埋法固定酶的条件较温和，酶分子仅仅是被包埋起来，而与载体不发生结合或化学反应，故酶活力回收率较高。此法对大分子底物和产物不适宜，因为它们不能通过高织物网架扩散。 n根据包埋形式不同，包埋法可分为格子型和微胶囊型两种。 格子型酶包埋n格子型是将酶包埋在聚合物的凝胶格子中。最常用的凝胶是聚丙烯酰胺凝胶。制备时，在含酶的水溶液中，加入一定比例的单体丙烯酰胺和交联剂N-N- 亚甲双丙烯酰胺，然后在催化剂和引发剂等的作用下进行聚合，酶被包埋在聚合物凝胶格子中 微胶囊型固定化酶n 微胶囊型固定化酶是将酶分子液滴包埋于半透性高聚物薄膜内。n制备方法有多种，常用的界面聚合法过程是：将合酶的亲水性单体乳化分散在水不溶性的有机溶剂中，再加入溶于有机溶剂的疏水性单体，在油水两相界面上发生聚合反应后，形成高分子聚合物薄膜，将酶包裹在形成的胶囊之中。 酶交联固定化方法n交联法：是借助于双功能或多功能试剂与酶分子中的氨基或羧基发生反应，使酶蛋白分子之间发生交联，结成网状结构而制成固定化酶，最常用的交联试剂是戊二醛。n使用戊二醛的酶交联固定化反应式如下
