生物化學酶引論

生物化學酶引論第1頁/共49頁酶的早期利用公元前21世紀，我國人民就會釀酒第2頁/共49頁19世紀中葉對發(fā)酵本質(zhì)的探討1833年Payen和Persoz：淀粉糖化酶（diastase）19世紀70年代Pasteur：發(fā)酵是酵母細胞活動的結(jié)果1878年kühne:Enzyme-—“在酵母中”1897年Büchner兄弟：用酵母提取液實現(xiàn)發(fā)酵（1907年的諾貝爾化學獎）第3頁/共49頁關于酶的化學本質(zhì)的認識1926年，Sumner從刀豆種子中分離、純化得到了脲酶結(jié)晶，首次證明酶是具有催化活性的蛋白質(zhì)。（1949年諾貝爾化學獎）1982年Cech從四膜蟲發(fā)現(xiàn)rRNA的自身催化作用，并提出了核酶（ribozyme）的概念。（1989年諾貝爾化學獎）第4頁/共49頁酶反應機制的研究1894年Fisher，鎖鑰學說。1903年Henri，中間復合物學說。1913年，Michaelis和Menten提出了酶促動力學原理—米氏學說。1925年，Briggs和Handane對米氏學說做了一項重要修正，提出穩(wěn)態(tài)學說。鄒承魯60年代初，提出酶蛋白必需基團的化學修飾和活性喪失的定量關系公式和確定必需基團數(shù)的方法，分別被稱為“鄒氏公式”、“鄒氏作圖法”。還提出了酶活性部位的柔性學說第5頁/共49頁主要內(nèi)容酶催化作用的特點酶的化學本質(zhì)及其組成酶的命名和分類酶的專一性酶的活力測定核酶酶分子工程第6頁/共49頁9.1、酶催化作用的特點一、酶是催化劑——降低酶促反應活化能。第7頁/共49頁9.1、酶催化作用的特點二、酶是生物催化劑反應條件溫和，常溫常壓，中性PH，酶易失活。酶具有很高催化效率，比非催化反應一般可提高108－1020倍。酶具有高度專一性（反應專一性，底物專一性）。酶活性受調(diào)節(jié)控制。第8頁/共49頁酶活力受到調(diào)節(jié)和控制調(diào)節(jié)酶濃度激素控制反饋調(diào)節(jié)抑制劑或激活劑調(diào)節(jié)別構調(diào)控、共價修飾調(diào)節(jié)、酶原激活等。第9頁/共49頁9.2、酶的化學本質(zhì)及其組成一、酶的化學本質(zhì)：目前發(fā)現(xiàn)的大多數(shù)酶符合蛋白質(zhì)的特性，是蛋白質(zhì)。有些酶的成分是RNA，稱為核糖酶。第10頁/共49頁9.2、酶的化學本質(zhì)及其組成二、酶的化學組成簡單蛋白質(zhì)：除蛋白質(zhì)外，不含其它物質(zhì)。如脲酶、蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶等。綴合蛋白質(zhì)：除蛋白質(zhì)外，還包含了非蛋白組分（輔助因子）。如細胞色素、丙酮酸氧化酶等。幾個概念：脫輔酶（酶蛋白，apoenzyme，apoprotein）、輔助因子（cofactor）、全酶(holoenzyme)、輔基(prostheticgroup)、輔酶(coenzyme)。第11頁/共49頁第12頁/共49頁第13頁/共49頁9.2、酶的化學本質(zhì)及其組成三、單體酶、寡聚酶、多酶復合體單體酶：通常由一條肽鏈組成，如溶菌酶。寡聚酶：二個或以上的亞基組成，亞基可以是相同的，也可不同；通常是偶數(shù)個亞基，亞基之間以次級鍵結(jié)合；如蘋果酸脫氫酶、過氧化氫酶。多酶復合體：由幾種酶靠非共價鍵彼此嵌合而成。如丙酮酸脫氫酶復合體、脂肪酸合成酶復合體等。第14頁/共49頁9.3、酶的命名與分類習慣命名：根據(jù)底物或作用性質(zhì)來進行命名如淀粉酶、胃蛋白酶、胰蛋白酶、過氧化氫酶。國際系統(tǒng)命名：明確酶催化反應的底物與反應性質(zhì)，如：乙醇：NAD+氧化還原酶丙氨酸：-酮戊二酸氨基轉(zhuǎn)移酶脂肪：水解酶第15頁/共49頁9.3、酶的命名與分類酶的國際系統(tǒng)分類

1.氧化還原酶類

2.轉(zhuǎn)移酶類

3.水解酶類

4.裂合酶類

5.異構酶類

6.合成酶（連接酶）類EC2.2.2.2酶的大類酶的亞類酶的亞亞類酶的流水號第16頁/共49頁第17頁/共49頁氧化-還原酶類Oxido-reductases氧化-還原酶催化氧化-還原反應。主要包括脫氫酶(dehydrogenase)和氧化酶(Oxidase)。如，乳酸(Lactate)脫氫酶催化乳酸的脫氫反應：第18頁/共49頁轉(zhuǎn)移(移換)酶類Transferases轉(zhuǎn)移酶催化基團轉(zhuǎn)移反應，即將一個底物分子的基團或原子轉(zhuǎn)移到另一個底物的分子上。

例如，谷丙轉(zhuǎn)氨酶催化的氨基轉(zhuǎn)移反應。第19頁/共49頁水解酶類hydrolases水解酶催化底物的水解反應。主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。例如，胰蛋白酶(trypsin)催化的肽鏈的水解反應：第20頁/共49頁裂合（裂解）酶類Lyase主要包括醛縮酶、水化酶（脫水酶）及脫氨酶等。裂合酶催化從底物分子中移去一個基團或原子而形成雙鍵的反應及其逆反應。例如，丙酮酸脫羧酶催化的反應：第21頁/共49頁異構酶類Isomerases異構酶催化各種同分異構體的相互轉(zhuǎn)化，即底物分子內(nèi)基團或原子的重排過程。

例如，丙氨酸消旋酶催化的反應。第22頁/共49頁合成酶類LigasesorSynthetases合成酶，又稱為連接酶，能夠催化C-C、C-O、C-N以及C-S鍵的形成反應。這類反應必須與ATP分解反應相互偶聯(lián)。A+B+ATP+H-O-H===AB+ADP+Pi

例如，谷氨酰胺合成酶催化的反應。第23頁/共49頁9.4、酶的專一性酶的專一性即特異性（substratespecificity）指酶對它所作用的底物有嚴格的選擇性。一種酶只能作用于某一種或某一類結(jié)構性質(zhì)相似的物質(zhì)。酶的專一性類型：結(jié)構專一性和立體異構專一性。第24頁/共49頁結(jié)構專一性（１）絕對專一性（Absolutespecificity)有些酶對底物的要求非常嚴格，只作用于一個特定的底物。這種專一性稱為絕對專一性（Absolutespecificity)。例如：脲酶、麥芽糖酶、淀粉酶、碳酸酐酶及延胡索酸水化酶（只作用于反丁烯二酸）等。第25頁/共49頁結(jié)構專一性

（２）相對專一性(RelativeSpecificity)：對象不是一種底物，而是一類化合物或一類化學鍵。包括：族(group)專一性（對鍵兩端的基團要求的程度不同，只對其中一個基團要求嚴格）。如-葡萄糖苷酶，催化由-葡萄糖所構成的糖苷水解，但對于糖苷的另一端沒有嚴格要求。胰蛋白酶，水解鹼性氨基酸的羧基形成的肽鍵。鍵(Bond)專一性。如酯酶催化酯的水解，對于酯兩端的基團沒有嚴格的要求。第26頁/共49頁立體異構專一性StereochemicalSpecificity，stereospecificity（１）旋光異構專一性酶的一個重要特性是能專一性地與手性底物結(jié)合并催化這類底物發(fā)生反應。即當?shù)孜锞哂行猱悩嬻w時，酶只能作用于其中的一種。例如，淀粉酶只能選擇性地水解D－葡萄糖形成的1，4－糖苷鍵；L-氨基酸氧化酶只能催化L-氨基酸氧化；乳酸脫氫酶只對L-乳酸是專一的。第27頁/共49頁立體異構專一性StereochemicalSpecificity，stereospecificity（２）幾何異構專一性

geometricalspecificity有些酶只能選擇性催化某種幾何異構體底物的反應，而對另一種構型則無催化作用。如延胡索酸水合酶只能催化延胡索酸即反－丁烯二酸水合生成蘋果酸，對馬來酸（順－丁烯二酸）則不起作用。第28頁/共49頁酶作用專一性的假說鎖鑰學說（1894年EmilFischer）—lockandkey或模板學說（temolate）：認為整個酶分子的天然構象是具有剛性結(jié)構的，酶表面具有特定的形狀。酶與底物的結(jié)合如同一把鑰匙對一把鎖一樣。第29頁/共49頁酶作用專一性的假說誘導契合學說（1958年D.Koshland)inducedfit：該學說認為酶表面并沒有一種與底物互補的固定形狀，而只是由于底物的誘導才形成了互補形狀,從而有利于底物的結(jié)合。（四個要點）第30頁/共49頁誘導契合學說的要點酶有其原來的形狀，不一定一開始就是底物的模板底物能誘導酶蛋白的形狀發(fā)生一定變化（專一性結(jié)合）當酶的形狀發(fā)生變化后，就使得其中的催化基團形成正確的排列。在酶反應過程中，酶活性中心構象的變化是可逆的。即酶與底物結(jié)合時，產(chǎn)生一種誘導構象，反應結(jié)束時，產(chǎn)物從酶表面脫落，酶又恢復其原來的構象。第31頁/共49頁InducedFit第32頁/共49頁InducedFit第33頁/共49頁InducedFitcatalyzesphosphorylationofglucosetoglucose6-phosphateduringglycolysissuchalargechangeinaprotein’sconformationisnotunusualBUT:notallenzymesundergosuchlargechangesinconformationnotonlyenzymeschangetheirconformations;manystructural/’motor’proteinsundergolargeconformationalchangesduringtheir‘cycles’hexokinase第34頁/共49頁9.5、酶的活力測定和分離純化酶活力(Enzymeactivity)酶活力是指酶催化某一反應的能力，通常用反應產(chǎn)物的增加速率來表示。測定時通常測定反應初速率。(以底物濃度的變化在5%以內(nèi)的速率為初速率)第35頁/共49頁9.5、酶的活力測定和分離純化酶的活力單位（U-activityunit）1961年，提出用“國際單位”（IU）表示酶活力，即：1個酶活力單位，是指在特定條件下，1分鐘內(nèi)能轉(zhuǎn)化1微摩爾底物的酶量，或轉(zhuǎn)化底物中1微摩爾有關基團的酶量。(25C,最適底物濃度和最適pH）1IU=mol/min1972年，提出新的酶活力國際單位：最適條件下，每秒鐘能催化1mol底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物所需的酶量，定為1Kat=1mol/s所以：1Kat=60X106IU

第36頁/共49頁酶的比活力：酶的比活力用來表示酶的純度，即每mg蛋白質(zhì)所含的酶活力單位。比活力=活力U/mg蛋白質(zhì)=總活力U/總蛋白mg有時也用單位酶制劑中含有的活力單位來表示，如U/g,U/mL。9.5、酶的活力測定和分離純化第37頁/共49頁酶活力測定方法（1）分光光度法（spectrophotometry）：多利用產(chǎn)物在紫外或可見光部分的光吸收性質(zhì)，選擇適當波長，測定反應過程的進行情況。簡便、節(jié)約時間和樣品，可以檢測nmol/L水平的變化。（2）熒光法(fluorometry)：主要利用底物或產(chǎn)物的熒光性質(zhì)。靈敏度高，但易受到干擾。（3）同位素測定法：同位素標記底物，反應后經(jīng)分離，檢測產(chǎn)物的脈沖數(shù)，即可換算成酶的活力單位。靈敏度最高。（4）電化學方法：pH計、氧電極法第38頁/共49頁農(nóng)藥殘留分析——分光光度法測乙酰膽堿酯酶活性第39頁/共49頁9.6、核酶核酶有些RNA具有生物催化功能，統(tǒng)稱為ribozyme。1982年，Cech等以原生動物嗜熱四膜蟲為材料，研究rRNA的基因轉(zhuǎn)錄問題時發(fā)現(xiàn)：rRNA前體在鳥苷和Mg2+存在下,切除自身的內(nèi)含子，使兩個外顯子拼接起來，成為成熟的rRNA分子。進一步研究證明，這個內(nèi)含子RNA分子具有特定的三維結(jié)構，可以再進行催化反應。第40頁/共49頁9.6、核酶核酶作用的特點化學本質(zhì)：RNA，DNA底物：RNA，肽鍵，葡聚糖，DNA反應特異性(專一性）：堿基催化效率：低第41頁/共49頁9.6、核酶核酶的分類剪切型核酶剪接型核酶根據(jù)催化反應錘頭核酶I內(nèi)含子II內(nèi)含子發(fā)夾核酶丁型肝炎病毒（HDV)核酶RNaseP第42頁/共49頁9.7、酶工程簡介化學酶工程天然酶化學修飾酶固定化酶人工模擬酶（抗體酶）第43頁/共49頁9.7、酶工程簡介酶固定的方法有：1、交聯(lián)法：使酶分子依靠雙功能基團試劑交聯(lián)聚合成“網(wǎng)狀”結(jié)構。2、偶聯(lián)法：使酶通過共價鍵連接于適當?shù)牟蝗苡谒妮d體上。3、包埋法：使酶包埋在凝膠的格子