一酶的本質(zhì)二催化特點(diǎn)

1、第二章酶工程基礎(chǔ)一、酶的基礎(chǔ)知識(shí)二、酶催化原理三、酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)四、酶的生產(chǎn)第一節(jié)酶的基礎(chǔ)知識(shí)一、傳統(tǒng)定義二、習(xí)慣歸類三、酶的分類與命名第一節(jié)酶是什么？一、傳統(tǒng)定義：酶是一類生物催化劑，化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)，具有下列性質(zhì)：a)是高分子膠體物質(zhì),兩性電解質(zhì),在電場(chǎng)中泳動(dòng)。 b) 紫外,熱,表面活性劑,重金屬,酸、堿使酶失活 c) 酶被蛋白酶水解而失活d) 酶由蛋白質(zhì)或蛋白質(zhì)+小分子（Vb,輔酶等） 二、習(xí)慣歸類1 單體酶和寡聚酶2單純酶和結(jié)合酶v輔助因子無(wú)機(jī)離子 有機(jī)化合物： 輔基（cofactor） 輔酶（coenzyme）v小分子的有機(jī)化合物，耐熱，不受蛋白變性劑的破壞；v象底物一樣參與反應(yīng)，

2、并在反應(yīng)中發(fā)生變化；v許多輔酶是B族維生素的衍生物。 3 恒態(tài)酶和調(diào)節(jié)酶 v恒態(tài)酶（static enzyme）: 構(gòu)成代謝途徑和物質(zhì)轉(zhuǎn)化體系的基本組成成分，在細(xì)胞中的含量相對(duì)恒定，其活性僅受反應(yīng)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)本身的組成因素調(diào)節(jié)。v調(diào)節(jié)酶（regulative enzyme）:代謝途徑和物質(zhì)轉(zhuǎn)化體系中起調(diào)節(jié)作用的關(guān)鍵酶，它們的含量與活性常因機(jī)體的機(jī)能狀況而不同。 v調(diào)節(jié)酶按照其活性調(diào)節(jié)方式又可分為1) 潛態(tài)酶：酶原和共價(jià)修飾處于非活性狀態(tài)的酶。2) 別構(gòu)酶：酶結(jié)構(gòu)上除了有能與底物結(jié)合、并催化反應(yīng)的活性中心外，還有能和效應(yīng)物結(jié)合的調(diào)節(jié)中心。3) 多酶融合體：指一條多肽鏈上含有兩種或兩種以上催化活性的

3、酶，如大腸桿菌天冬氨酸激酶，同時(shí)具有高絲氨酸脫氫酶的活性。4 多酶復(fù)合物（multienzyme complex) 或多酶系統(tǒng)multienzyme system）多種酶組分集合在一起，一般催化連續(xù)的多個(gè)相關(guān)的反應(yīng) 5 胞內(nèi)酶、胞外酶v在合成分泌后定位于細(xì)胞內(nèi)發(fā)生作用的酶，大多數(shù)的酶屬于此類。v在合成后分泌到細(xì)胞外發(fā)生作用的酶，主要為水解酶。6 酶的多形性與同工酶v酶的多形性多形性 結(jié)構(gòu)、組成和物理化學(xué)性質(zhì)有所不同，但是可以催化相同的反應(yīng).v 同工酶同工酶 存在于同一生物體中，催化相同反應(yīng)，但結(jié)構(gòu)基因不同、理化性質(zhì)有所不同的一類酶三、 酶的命名與分類1961年國(guó)際酶學(xué)委員會(huì)提出了給酶進(jìn)行命名和

4、分類。 1961年年， 712種， 1964年年，870種， 1972年年， 1770種， 1975年年，1974種， 1978年年， 2120種， 1984年年，2470種 1990年年, 3000種, 1992年年，3200種 1997年， 3700種1961年以前1. 根據(jù)酶作用的底物命名( 淀粉酶，蛋白酶) ；2. 根據(jù)酶催化反應(yīng)的性質(zhì)及類型命名( 轉(zhuǎn)氨酶，脫氨酶) v有的酶結(jié)合上述兩個(gè)原則來(lái)命名(乳酸脫氫酶 )，或再加酶的來(lái)源或性質(zhì)特點(diǎn)(胰蛋白酶;堿性磷酸酯酶)v 習(xí)慣命名比較簡(jiǎn)單，應(yīng)用歷史較長(zhǎng)，盡管缺乏系統(tǒng)性，但現(xiàn)在還被人們使用。以酶的整體反應(yīng)為基礎(chǔ)，明確標(biāo)明酶的底物及催化反應(yīng)的性

5、質(zhì)。 底物：底物反應(yīng)類型酶單底物單底物：底物 + 反應(yīng)類型 + 酶 D-氨基酸 + 氧化還原 + 酶-D-氨基酸氧化酶雙底物雙底物：底物：底物 + 反應(yīng)類型 + 酶醇+NAD+氧化還原+酶-醇:NAD+ 氧化還原酶 根據(jù)酶催化作用類型根據(jù)酶催化作用類型，把酶分成6大類 類型種類催化作用類型氧化還原酶類 570種RH + R (O2)=R + RH( H2 O)轉(zhuǎn)移酶類 490種RG + R=R + RG水解酶類 560種RR + H2O=RH + ROH裂合酶類（解合酶類） 240種 RR=R + R異構(gòu)酶類 85種R=R合成酶類（連接酶類） 80種 R+R+ATP=RR+ADP (AMP)

6、+Pi(PPi) （三）國(guó)際系統(tǒng)分類法及酶的編號(hào)（三）國(guó)際系統(tǒng)分類法及酶的編號(hào)用四個(gè)數(shù)字（標(biāo)碼）標(biāo)記每一種酶用四個(gè)數(shù)字（標(biāo)碼）標(biāo)記每一種酶EC-Enzyme Commision EC 1.1.1.1 醇脫氫酶醇脫氫酶 第一大類第一大類， 作用CHOH， 以以 NAD+ ，NADP+為受體為受體 編號(hào) 酶委員會(huì)建議，在發(fā)表論文時(shí)，論題有關(guān)的主要酶在第一次提到時(shí)應(yīng)寫(xiě)出它的標(biāo)碼系統(tǒng)名稱標(biāo)碼系統(tǒng)名稱、習(xí)慣命名習(xí)慣命名和來(lái)源來(lái)源，然后再用系統(tǒng)命名系統(tǒng)命名和習(xí)慣命名習(xí)慣命名敘述。v水解酶催化底物的加水分解反應(yīng)。水解酶催化底物的加水分解反應(yīng)。v主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。主要包括淀粉酶、蛋白酶、

7、核酸酶及脂酶等。v例如，脂肪酶例如，脂肪酶(Lipase)(Lipase)催化的脂的水解反應(yīng)：催化的脂的水解反應(yīng)：(1) (1) 水解酶水解酶 hydrolasehydrolaseH2OCOOCH2CH3RRCOOHCH3CH2OHv氧化氧化- -還原酶催化氧化還原酶催化氧化- -還原反應(yīng)。還原反應(yīng)。v主要包括脫氫酶主要包括脫氫酶(dehydrogenase)(dehydrogenase)和氧化酶和氧化酶(Oxidase)(Oxidase)。v如，乳酸如，乳酸(Lactate)(Lactate)脫氫酶催化乳酸的脫氫反應(yīng)。脫氫酶催化乳酸的脫氫反應(yīng)。(2) (2) 氧化氧化- -還原酶還原酶 Ox

8、idoreductaseOxidoreductaseCH3CHCOOHOHNAD+H+CH3CCOOHONADHv轉(zhuǎn)移酶催化基團(tuán)轉(zhuǎn)移反應(yīng)，即將一個(gè)底物分子轉(zhuǎn)移酶催化基團(tuán)轉(zhuǎn)移反應(yīng)，即將一個(gè)底物分子的基團(tuán)或原子轉(zhuǎn)移到另一個(gè)底物的分子上。的基團(tuán)或原子轉(zhuǎn)移到另一個(gè)底物的分子上。例如，例如， 谷丙轉(zhuǎn)氨酶催化的氨基轉(zhuǎn)移反應(yīng)。谷丙轉(zhuǎn)氨酶催化的氨基轉(zhuǎn)移反應(yīng)。(3) (3) 轉(zhuǎn)移酶轉(zhuǎn)移酶 TransferaseTransferaseCH3CHCOOHNH2HOOCCH2CH2CCOOHOHOOCCH2CH2CHCOOHNH2CH3CCOOHOv裂合酶催化從底物分子中移去一個(gè)基團(tuán)或裂合酶催化從底物分子中移去一個(gè)基

9、團(tuán)或原子形成雙鍵的反應(yīng)及其逆反應(yīng)。原子形成雙鍵的反應(yīng)及其逆反應(yīng)。v主要包括醛縮酶、水化酶及脫氨酶等。主要包括醛縮酶、水化酶及脫氨酶等。v例如，例如， 延胡索酸水合酶催化的反應(yīng)。延胡索酸水合酶催化的反應(yīng)。(4) (4) 裂合酶裂合酶 LyaseLyaseHOOCCH=CHCOOHH2OHOOCCH2CHCOOHOHv異構(gòu)酶催化各種同分異構(gòu)體的相互轉(zhuǎn)化，異構(gòu)酶催化各種同分異構(gòu)體的相互轉(zhuǎn)化，即底物分子內(nèi)基團(tuán)或原子的重排過(guò)程。即底物分子內(nèi)基團(tuán)或原子的重排過(guò)程。例如，例如，6-磷酸葡萄糖異構(gòu)酶催化的反應(yīng)。磷酸葡萄糖異構(gòu)酶催化的反應(yīng)。(5) (5) 異構(gòu)酶異構(gòu)酶 IsomeraseIsomeraseOCH

10、2OHOHOHOHOHOCH2OHCH2OHOHOHOHv合成酶，又稱為連接酶，能夠催化合成酶，又稱為連接酶，能夠催化C-CC-C、C-OC-O、C-N C-N 以及以及C-S C-S 鍵的形成反應(yīng)。這類反應(yīng)必須與鍵的形成反應(yīng)。這類反應(yīng)必須與ATPATP分解反應(yīng)相互偶聯(lián)。分解反應(yīng)相互偶聯(lián)。vA + B + ATP + H-O-H =A A + B + ATP + H-O-H =A B + ADP +Pi B + ADP +Pi v例如，丙酮酸羧化酶催化的反應(yīng)。例如，丙酮酸羧化酶催化的反應(yīng)。 丙酮酸丙酮酸 + CO + CO2 2 草酰乙酸草酰乙酸(6) (6) 合成酶合成酶 Ligase or

11、 SynthetaseLigase or Synthetase第二節(jié)酶的催化原理一、酶催化反應(yīng)的特點(diǎn)二、 酶的結(jié)構(gòu)與作用機(jī)制一、酶催化反應(yīng)的特點(diǎn)酶具有催化劑的共性酶具有催化劑的共性v用量少而催化效率高；v不改變化學(xué)反應(yīng)的平衡點(diǎn)；v參與反應(yīng)，但在反應(yīng)前后本身無(wú)變化 2 酶催化的特性2.1高效性高效性v以轉(zhuǎn)換數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)，來(lái)比較其效率 轉(zhuǎn)換數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)：以每個(gè)酶分子每分鐘催化底物的分子數(shù)（turnover number） -半乳糖苷酶半乳糖苷酶 1.21.2萬(wàn)萬(wàn) -淀粉酶淀粉酶 110110萬(wàn)萬(wàn), , 碳酸酐酶碳酸酐酶 36003600萬(wàn)萬(wàn) 如2H2O2 - 2H2O + O2 用鐵離子， 6 x 10

12、-4 mol/mol.s 血紅素， 6 x 10-1 mol/mol.s H2O2 酶，3 6 x 106 mol/mol.s酶為何有如此驚人的催化能力呢？v酶可極大地降低反應(yīng)所需的活化能v2H2O2 -2H2O + O2 無(wú): 75.24 千焦耳/mol 鈀: 48.94 千焦耳/mol H2O2酶: 8.36千焦耳/molE1E2E3無(wú)催化劑有其它催化劑存在有酶存在E1、E2、E3表示活化能總分應(yīng)自由能變化 初態(tài) （底物） 終態(tài) （產(chǎn)物）系統(tǒng)的自由能反應(yīng)進(jìn)程圖1-1 酶和其它催化劑降低反應(yīng)活化能示意圖酶催化是多種催化因素的協(xié)同作用v酶與底物的鄰近效應(yīng)、定向效應(yīng)，扭曲變形和構(gòu)象變化的催化效應(yīng)

13、，廣義的酸堿催化、共價(jià)催化及酶活性中心微環(huán)境的影響。2.2 專一性強(qiáng)專一性強(qiáng)反應(yīng)專一性反應(yīng)專一性底物專一性底物專一性 絕對(duì)專一性 結(jié)構(gòu)專一性 族的專一性酶的專一性 鍵的專一性 光學(xué)異構(gòu)專一性 立體化學(xué)專一性 幾何異構(gòu)專一性立體化學(xué)專一性v光學(xué)異構(gòu)專一性光學(xué)異構(gòu)專一性：當(dāng)?shù)孜锞哂行猱悩?gòu)體時(shí)，酶只能催化L型和D型兩個(gè)對(duì)映體中的一個(gè)。 立體化學(xué)專一性v幾何異構(gòu)專一性幾何異構(gòu)專一性：酶能識(shí)別順?lè)串悩?gòu)體。 結(jié)構(gòu)專一性a.鍵專一性鍵專一性：酶只要求作用于一定的鍵，對(duì)鍵兩端的基團(tuán)無(wú)要求。b. 基團(tuán)專一性基團(tuán)專一性(族專一性)：除了對(duì)鍵要求以外，還要求鍵一側(cè)的基團(tuán)為特定的基團(tuán)。c. 絕對(duì)專一性絕對(duì)專一性：對(duì)

14、唯一的底物催化唯一的反應(yīng)。 鎖鑰學(xué)說(shuō)鎖鑰學(xué)說(shuō)v整個(gè)酶分子的天然構(gòu)象是具有剛性結(jié)構(gòu)的，酶表面具有特定的形狀。酶與底物的結(jié)合如同一把鑰匙對(duì)一把鎖一樣解釋底物專一性的假說(shuō)解釋底物專一性的假說(shuō) 誘導(dǎo)契合學(xué)說(shuō)誘導(dǎo)契合學(xué)說(shuō)v酶表面并沒(méi)有一種與底物互補(bǔ)的固定形狀，而只是由于底物的誘導(dǎo)才形成了互補(bǔ)形狀.2.3 反應(yīng)條件溫和v酶催化反應(yīng)可在常溫常壓下進(jìn)行，而一般的化學(xué)反應(yīng)需在高溫、高壓、強(qiáng)酸強(qiáng)堿等劇烈條件下進(jìn)行。2.4 酶的活性是受調(diào)節(jié)控制的 v酶濃度調(diào)節(jié) v激素調(diào)節(jié)UDP-半乳糖 N-乙酰葡糖胺 N-乙酰乳糖胺+ UDP UDP-半乳糖 D-葡萄糖 乳糖 UDP共價(jià)修飾調(diào)節(jié)酶原活化 v激活劑和抑制劑調(diào)節(jié) v反

15、饋調(diào)節(jié) 二 酶的結(jié)構(gòu)與作用機(jī)制1、酶的結(jié)構(gòu)、酶的結(jié)構(gòu)2、酶的空間結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系、酶的空間結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系3、作用機(jī)制、作用機(jī)制4、研究酶催化反應(yīng)機(jī)制的方法、研究酶催化反應(yīng)機(jī)制的方法1. 酶分子氨基酸殘基類別必需基團(tuán)非必需基團(tuán)R3,R5,R7活性中心活性中心外(結(jié)構(gòu)殘基) R10,R162,R169接觸殘基輔助殘基R4結(jié)合底物作用(結(jié)合基團(tuán)) R1,R2,R6,R8,R9,R164,R165催化作用(催化基團(tuán)) R1632. 酶的活性中心(active center).v酶分子上與催化活性直接相關(guān)的少數(shù)氨基酸殘基組成的催化區(qū)域v結(jié)合部位結(jié)合部位 Binding siteBinding site

16、v酶分子中與底物結(jié)合的部位或酶分子中與底物結(jié)合的部位或區(qū)域區(qū)域v結(jié)合部位決定酶的專一性結(jié)合部位決定酶的專一性活性中心活性中心v酶分子中促使底物發(fā)生化學(xué)酶分子中促使底物發(fā)生化學(xué)變化的部位變化的部位v催化部位決定酶所催化反應(yīng)催化部位決定酶所催化反應(yīng)的性質(zhì)。的性質(zhì)?；钚灾行拇呋课换钚灾行拇呋课?catalytic sitecatalytic site組成酶活性中心的重要化學(xué)基團(tuán)組成酶活性中心的重要化學(xué)基團(tuán) v酶活性中心有7種氨基酸殘基參加的頻率最高，它們是Ser、His、Cys、Tyr、Asp、Glu、Lys。酶活性中心附近的氨基酸順序胰蛋白酶（牛） Asp-Ser-Cys-Gln-Gly-As

17、p-*Ser-Gly-Gly-Pro-Val-Val-Cys-Ser-Gly-Lys胰凝乳蛋白酶（牛）Ser-Ser-Cys-Met-Gly-Asp-*Ser-Gly-Gly-Pro-Leu-Val-Cys-Lys-Lys-Asn彈性蛋白酶（豬）Ser-Gly-Cys-Gln-Gly-Asp-*Ser-Gly-Gly-Pro-Leu-His-Cys-Leu-Val-Asn凝血酶（牛）Asp-Ala-Cys-Glu-Gly-Asp-*Ser-Gly-Gly-Pro-Phe-Val-Met-Lys-Ser-Pro蛋白酶（S. griseus）Thr-Cys-Glu-Gly-Asp-*Ser-Gly

18、-Gly-Pro-Met-Phe2、酶的空間結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系、酶的空間結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系1)一級(jí)結(jié)構(gòu) 酶分子中氨基酸的排列順序2)二級(jí)結(jié)構(gòu) 多肽鏈主鏈原子的局部空間排列3)三級(jí)結(jié)構(gòu) 由二級(jí)結(jié)構(gòu)形成的緊密球狀結(jié)構(gòu)4)四級(jí)結(jié)構(gòu) 各亞基在寡聚酶中的空間排布及其相互作用酶的空間結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系酶的空間結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系 一級(jí)結(jié)構(gòu)決定空間結(jié)構(gòu)v決定酶的空間結(jié)構(gòu)的因素:v內(nèi)因:側(cè)鏈間的相互作用(疏水鍵,氫鍵,離子鍵,二硫鍵, 范德華力)v外因:酶所處的環(huán)境因子(溶劑,pH,溫度,離子強(qiáng)度)v瘋牛病蛋白v分子伴侶酶的高級(jí)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系 v活性中心(His12,His119).v用枯草桿菌蛋白酶處理,得到S肽(

19、N端的20肽)和S蛋白(C端104肽) .vS肽和S蛋白單獨(dú)存在均無(wú)活性.vpH7,兩者1:1混合,通過(guò)氫鍵及疏水鍵聯(lián)結(jié),酶活恢復(fù).酶活性中心的各基團(tuán)在空間構(gòu)象上的相對(duì)位置對(duì)酶表現(xiàn)活力至關(guān)重要。酶活性中心的各基團(tuán)在空間構(gòu)象上的相對(duì)位置對(duì)酶表現(xiàn)活力至關(guān)重要。3、酶催化作用機(jī)制、酶催化作用機(jī)制3.1 反應(yīng)物的鄰近效應(yīng)（反應(yīng)物的鄰近效應(yīng)（proximity）和定向效應(yīng)）和定向效應(yīng)（orientation）v鄰近效應(yīng)；鄰近效應(yīng)；底物與底物之間、酶的催化基團(tuán)與底物之間結(jié)底物與底物之間、酶的催化基團(tuán)與底物之間結(jié)合于同一分子，從而使反應(yīng)速率大大增加。合于同一分子，從而使反應(yīng)速率大大增加。v定向效應(yīng)：定向效應(yīng)

20、：酶的催化基團(tuán)與底物的反應(yīng)基團(tuán)之間的正確取酶的催化基團(tuán)與底物的反應(yīng)基團(tuán)之間的正確取向產(chǎn)生的效應(yīng)。向產(chǎn)生的效應(yīng)。vK1/K2達(dá)到24 3.2 底物的形變(distortion)和誘導(dǎo)契合(induced fit)酶中某些基團(tuán)或離子可以使底物分子產(chǎn)生“電子張力”，底物分子發(fā)生形變，接近過(guò)渡態(tài)，降低了反應(yīng)活化能。3.3 酸堿催化(acid-base catalysis)通過(guò)瞬時(shí)向反應(yīng)物提供質(zhì)子或從反應(yīng)物接受質(zhì)子以穩(wěn)定過(guò)渡態(tài)，加速反應(yīng)的一類催化機(jī)制。The active sites of some enzymes contain amino acid functional groups, such as those shown here, that can participate in the catalytic process as proton donors or proton acceptors-COOH, -NH3, -SH,+OHNHNH+-COO , -NH2, -S , -.-O-NHN:酶分子中可以作為廣義酸、堿的基團(tuán)酶分子中可以作為廣義酸、堿的基團(tuán)His 是酶的酸堿催化作用中最活潑的一個(gè)催化功