第三章生物催化劑酶

1、第三章生物催化劑酶酶的神奇世界：早在酶的神奇世界：早在5000多年前，人類就已經(jīng)用多年前，人類就已經(jīng)用微生物進行焙烤和釀造。酶是高效的生物催化劑，微生物進行焙烤和釀造。酶是高效的生物催化劑，它們在活細(xì)胞中驅(qū)動化學(xué)反應(yīng)，使機體完成生長、它們在活細(xì)胞中驅(qū)動化學(xué)反應(yīng)，使機體完成生長、繁殖及代謝等生理過程。每個酶每秒鐘可以完成繁殖及代謝等生理過程。每個酶每秒鐘可以完成數(shù)以萬計的催化反應(yīng)過程，生命不息戰(zhàn)斗不止。數(shù)以萬計的催化反應(yīng)過程，生命不息戰(zhàn)斗不止。為什么有的人喝酒臉易變紅而有的人臉會變白呢？為什么有的人喝酒臉易變紅而有的人臉會變白呢？到底哪一種人酒量大些呢？到底哪一種人酒量大些呢？哪一種人喝酒又最傷

2、身體呢？哪一種人喝酒又最傷身體呢？ 酶與您的生活：我們生活中離不開酶。酶已經(jīng)酶與您的生活：我們生活中離不開酶。酶已經(jīng)在洗滌劑、紡織、釀造、皮革、造紙、醫(yī)藥等在洗滌劑、紡織、釀造、皮革、造紙、醫(yī)藥等方面得到了成功的應(yīng)用，為提高生產(chǎn)效率、改方面得到了成功的應(yīng)用，為提高生產(chǎn)效率、改善產(chǎn)品性能、確保人類可持續(xù)發(fā)展做出應(yīng)有的善產(chǎn)品性能、確保人類可持續(xù)發(fā)展做出應(yīng)有的貢獻貢獻。 3.1 酶的命名、分類及組成酶的命名、分類及組成3.2 酶的結(jié)構(gòu)及催化特點酶的結(jié)構(gòu)及催化特點3.3 酶的催化機制酶的催化機制 3.4 酶的分離純化及活力測定酶的分離純化及活力測定 3.5 酶催化動力學(xué)酶催化動力學(xué)3.6 酶工程的新進

3、展酶工程的新進展3.7 酶的應(yīng)用酶的應(yīng)用GoGoGoGoGo定義：定義：酶（酶（Enzyme）是由活細(xì)胞分泌的、）是由活細(xì)胞分泌的、具有生物催化功能的生物大分子。按它的具有生物催化功能的生物大分子。按它的化學(xué)本質(zhì)可分為蛋白質(zhì)類酶（化學(xué)本質(zhì)可分為蛋白質(zhì)類酶（P-酶）和核酸酶）和核酸類酶（類酶（Ribozyme，R-酶）。酶）。l 什么是酶？什么是酶？原始核酶的三維結(jié)構(gòu)原始核酶的三維結(jié)構(gòu) 3.1.1 酶的概念酶的概念3.1 酶的命名、分類及組成酶的命名、分類及組成n 酶催化的生物化學(xué)反應(yīng)，稱為酶促反應(yīng)酶催化的生物化學(xué)反應(yīng)，稱為酶促反應(yīng)(Enzymatic reaction ) 。n 在酶的催化下發(fā)

4、生化學(xué)變化的物質(zhì)，稱為在酶的催化下發(fā)生化學(xué)變化的物質(zhì)，稱為底物底物(substrate )。l根據(jù)酶所作用的底物來命名根據(jù)酶所作用的底物來命名RibonucleaseProteasel根據(jù)所催化的反應(yīng)來命名根據(jù)所催化的反應(yīng)來命名DehydrogenasePhosphotransferaseAminotransferasel上述兩個原則結(jié)合上述兩個原則結(jié)合l上述原則再加上酶的來源上述原則再加上酶的來源如牛胰核糖核酸酶如牛胰核糖核酸酶3.1.2 酶的分類與命名酶的分類與命名3.1.2.1 蛋白類酶的分類蛋白類酶的分類（一）一） 國際系統(tǒng)分類法國際系統(tǒng)分類法（二）（二） 系統(tǒng)命名分類法系統(tǒng)命名分類法

5、 氧化還原酶類氧化還原酶類 Oxidoreductases轉(zhuǎn)移酶類轉(zhuǎn)移酶類 Transgerases水解酶類水解酶類Hydrolases裂合酶類裂合酶類Lyases異構(gòu)酶類異構(gòu)酶類Isomerases合成酶類合成酶類Synthetases Synthases1961年國際酶學(xué)委員會（年國際酶學(xué)委員會（Enzyme Committee, EC）根）根據(jù)酶所催化的反應(yīng)類型和機理，把據(jù)酶所催化的反應(yīng)類型和機理，把P酶分成酶分成6大類：大類：l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)。l主要包括脫氫酶主要包括脫氫酶(Dehydrogenase)和氧化酶和氧化酶 (Oxidase)。l

6、如乳酸如乳酸(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)。(1) 氧化還原酶氧化還原酶 OxidoreductaseCH3CHCOOHOHNAD+H+CH3CCOOHONADH鈣和釩離子對釩溴過氧化物酶催化鈣和釩離子對釩溴過氧化物酶催化H H2 2O O2 2氧化環(huán)己氧化環(huán)己烯反應(yīng)的影響烯反應(yīng)的影響環(huán)氧環(huán)己烷環(huán)氧環(huán)己烷 丙酮酸丙酮酸 一種化學(xué)性質(zhì)比較活潑的精細(xì)化工原料一種化學(xué)性質(zhì)比較活潑的精細(xì)化工原料, ,可在農(nóng)藥、醫(yī)藥、涂料等十余可在農(nóng)藥、醫(yī)藥、涂料等十余個行業(yè)得到廣泛應(yīng)用個行業(yè)得到廣泛應(yīng)用, ,如農(nóng)藥（殺螨劑）、增塑劑、阻燃劑、環(huán)氧樹脂固化如農(nóng)藥（殺螨劑）、增塑劑、

7、阻燃劑、環(huán)氧樹脂固化劑與稀釋劑、膠粘劑、涂料等方面劑與稀釋劑、膠粘劑、涂料等方面具有良好的綜合利用前景具有良好的綜合利用前景。l轉(zhuǎn)移酶催化基團轉(zhuǎn)移反應(yīng)，即將一個底物分子轉(zhuǎn)移酶催化基團轉(zhuǎn)移反應(yīng)，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。的基團或原子轉(zhuǎn)移到另一個底物的分子上。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)。(2) 轉(zhuǎn)移酶轉(zhuǎn)移酶 TransferaseCH3CHCOOHNH2HOOCCH2CH2CCOOHOHOOCCH2CH2CHCOOHNH2CH3CCOOHO谷氨酸谷氨酸草酰乙酸草酰乙酸丙氨酸丙氨酸 - -酮戊二酸酮戊二酸l水解酶催化底物的加水

8、分解反應(yīng)。水解酶催化底物的加水分解反應(yīng)。l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、核酸酶及脂酶等。l例如：脂肪酶例如：脂肪酶(Lipase)催化的脂的水解反應(yīng)：催化的脂的水解反應(yīng)：(3) 水解酶水解酶 hydrolaseH2OCOOCH2CH3RRCOOHCH3CH2OH支鏈淀粉酶支鏈淀粉酶 淀粉葡萄糖苷酶淀粉葡萄糖苷酶 l裂合酶催化從底物分子中移去一個基團或原子裂合酶催化從底物分子中移去一個基團或原子形成雙鍵的反應(yīng)及其逆反應(yīng)。形成雙鍵的反應(yīng)及其逆反應(yīng)。l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。l例如：延胡索酸水合酶催化的反應(yīng)。例如：延胡索酸

9、水合酶催化的反應(yīng)。(4) 裂合酶裂合酶 LyaseHOOCCH=CHCOOHH2OHOOCCH2CHCOOHOH延胡索酸延胡索酸蘋果酸蘋果酸 檸檬酸循環(huán)，線粒體的襯質(zhì)檸檬酸循環(huán)，線粒體的襯質(zhì)l異構(gòu)酶催化各種同分異構(gòu)體的相互轉(zhuǎn)化，即底異構(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)基團或原子的重排過程。物分子內(nèi)基團或原子的重排過程。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) 異構(gòu)酶異構(gòu)酶 IsomeraseOCH2OHOHOHOHOHOCH2OHCH2OHOHOHOH6 6個亞類：異構(gòu)酶、消旋酶、變位酶、順反異構(gòu)酶等個亞類：異構(gòu)酶、消旋酶、變位酶、順反異構(gòu)酶等

10、6-6-磷酸磷酸- -葡萄糖葡萄糖6-6-磷酸磷酸- -果糖果糖糖酵解糖酵解右旋右旋 左旋左旋 l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-C、C-O、C-N 以及以及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 ATP分解反應(yīng)相互偶聯(lián)。分解反應(yīng)相互偶聯(lián)。lA + B + ATP + H-O-H =A B + ADP +Pi l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 + CO2 草酰乙酸草酰乙酸(6) 合成酶合成酶 Ligase or Synthetase糖異生糖異生lATP: Creatine Phosphotra

11、nsferase ATP: 肌酸磷?；D(zhuǎn)移酶肌酸磷?；D(zhuǎn)移酶lGlutamate: Pyruvate aminotransferase 谷氨酸：谷氨酸： 丙酮酸丙酮酸 (GPT) 氨基轉(zhuǎn)移酶氨基轉(zhuǎn)移酶l單體酶單體酶 Monomeric enzymesl寡聚酶寡聚酶 Oligomericenzymesl多酶體系多酶體系 Multienzyme systems酶的命名有兩種方法：系統(tǒng)名酶的命名有兩種方法：系統(tǒng)名、慣用名慣用名。1. 系統(tǒng)名系統(tǒng)名：包括所有底物的名稱和反應(yīng)類型。乳酸乳酸 + NAD+丙酮酸丙酮酸 + NADH + H+乳酸：乳酸：NAD+氧化還原酶氧化還原酶2. 慣用名：慣用名：只取

12、一個較重要的底物名稱和反應(yīng)類型。乳酸：乳酸：NAD+氧化還原酶氧化還原酶乳酸脫氫酶乳酸脫氫酶對于催化水解反應(yīng)的酶一般在酶的名稱上省去反對于催化水解反應(yīng)的酶一般在酶的名稱上省去反應(yīng)類型，如應(yīng)類型，如淀粉酶、蛋白酶等。淀粉酶、蛋白酶等。(三三) 酶的命名酶的命名 乳酸脫氫酶乳酸脫氫酶 EC 1. 1. 1. 27第第1大類，氧化還原酶大類，氧化還原酶第第1亞類，氧化基團亞類，氧化基團CHOH第第1亞亞類，亞亞類，H受體為受體為NAD+該酶在亞亞類中的流水編號該酶在亞亞類中的流水編號l自自1982年以來，被發(fā)現(xiàn)的核酸類酶越來越多，年以來，被發(fā)現(xiàn)的核酸類酶越來越多，對它的研究越來越廣泛和深入。但是對于

13、分類對它的研究越來越廣泛和深入。但是對于分類和命名還沒有統(tǒng)一的原則和規(guī)定。和命名還沒有統(tǒng)一的原則和規(guī)定。l根據(jù)酶催化反應(yīng)的類型，可以將根據(jù)酶催化反應(yīng)的類型，可以將R酶分為剪切酶分為剪切酶，剪接酶，和多功能酶等三類。酶，剪接酶，和多功能酶等三類。l根據(jù)根據(jù)R酶的結(jié)構(gòu)特點不同，可分為錘頭型酶的結(jié)構(gòu)特點不同，可分為錘頭型R酶，酶，發(fā)夾型發(fā)夾型R酶，含酶，含I型型IVS 的的R酶，含酶，含II型型 IVS 的的R酶等。酶等。l根據(jù)酶催化的底物是其本身根據(jù)酶催化的底物是其本身RNA分子還是其它分子還是其它分子，可以將分子，可以將R酶分為分子內(nèi)催化（酶分為分子內(nèi)催化（in cis，也，也稱為自我催化）和分

14、子間催化（稱為自我催化）和分子間催化（in trans）兩）兩類。類。 簡單酶簡單酶 酶酶結(jié)合酶結(jié)合酶輔酶輔酶 Coenzyme 輔因子輔因子輔基輔基 Prosthetic group (Table 1)HoloenzymeApoenzyme（Cofactor）3.1.3 酶的組成酶的組成 酶酶簡單酶（單純酶）簡單酶（單純酶）結(jié)合酶結(jié)合酶（全酶）（全酶）= = 酶蛋白酶蛋白 + + 輔因子輔因子輔因子輔因子輔酶輔酶 與酶蛋白結(jié)合得比較松的小分子有機物。與酶蛋白結(jié)合得比較松的小分子有機物。輔基輔基 與酶蛋白結(jié)合得緊密的小分子有機物。與酶蛋白結(jié)合得緊密的小分子有機物。金屬激活劑金屬激活劑 金屬離子

15、作為輔助因子。金屬離子作為輔助因子。酶的催化專一性主要決定于酶蛋白部分酶的催化專一性主要決定于酶蛋白部分輔因子通常是作為電子、原子或某些化學(xué)基團的載體輔因子通常是作為電子、原子或某些化學(xué)基團的載體Holoenzyme Apoenzyme金屬離子金屬離子穩(wěn)定酶的構(gòu)象；穩(wěn)定酶的構(gòu)象； 參與催化反應(yīng)，傳遞電子；參與催化反應(yīng)，傳遞電子；在酶與底物間起橋梁作用；在酶與底物間起橋梁作用；中和陰離子，中和陰離子，降低反應(yīng)中的靜電斥力等降低反應(yīng)中的靜電斥力等。小分子有機化合物小分子有機化合物參加催化過程，參加催化過程，在反應(yīng)中起運載體在反應(yīng)中起運載體的作用，傳遞電子、的作用，傳遞電子、質(zhì)子或其它基團。質(zhì)子或其

16、它基團。 以金屬離子為輔助因子的酶的分以金屬離子為輔助因子的酶的分類類金屬酶金屬酶(metal enzyme)： 金屬離子與酶結(jié)合緊密金屬離子與酶結(jié)合緊密金屬激活酶金屬激活酶(metal activated enzyme)： 金屬離子不與酶直接結(jié)合，通過底物金屬離子不與酶直接結(jié)合，通過底物相連相連金屬酶金屬酶金屬金屬離子離子金屬激活酶金屬激活酶金屬金屬離子離子碳酸酐酶碳酸酐酶羧基肽酶羧基肽酶過氧化物酶過氧化物酶過氧化氫酶過氧化氫酶己糖激酶己糖激酶磷酸轉(zhuǎn)移酶磷酸轉(zhuǎn)移酶錳超氧化物歧化酶錳超氧化物歧化酶谷胱甘肽過氧化物酶谷胱甘肽過氧化物酶ZnZn2+2+ZnZn2+2+FeFe2+2+FeFe2+2

17、+MgMg2+2+MgMg2+2+MnMn2+2+SeSe檸檬酸合成酶檸檬酸合成酶丙酮酸激酶丙酮酸激酶丙酮酸羧化酶丙酮酸羧化酶精氨酸酶精氨酸酶磷酸水解酶磷酸水解酶蛋白激酶蛋白激酶磷酯酶磷酯酶C磷酯酶磷酯酶A2K+K+ Mg2+Mn2+Zn2+Mn2+Mg2+Mg2+Mn2+Ca2+Ca2+一些金屬酶及金屬激活酶一些金屬酶及金屬激活酶 酶名稱酶名稱金屬離子金屬離子有機分子輔基有機分子輔基細(xì)胞色素氧化酶細(xì)胞色素氧化酶醇脫氫酶醇脫氫酶黃嘌呤氧化酶黃嘌呤氧化酶丁酰丁酰CoACoA脫氫酶脫氫酶琥珀酸脫氫酶琥珀酸脫氫酶NADHNADH細(xì)胞色素還原酶細(xì)胞色素還原酶甲基丙二酰甲基丙二酰CoACoA異構(gòu)酶異構(gòu)酶

18、CuCuFe MoFe MoFe MoFe MoMoMoFeFeFeFeCoCo血紅素血紅素NADNAD+ +FADFADFADFADFADFADFMNFMN鈷胺輔酶鈷胺輔酶一些酶含有機分子輔酶和金屬離子一些酶含有機分子輔酶和金屬離子 酶名稱酶名稱金屬離子金屬離子有機分子輔基有機分子輔基細(xì)胞色素氧化酶細(xì)胞色素氧化酶醇脫氫酶醇脫氫酶黃嘌呤氧化酶黃嘌呤氧化酶丁酰丁酰CoA脫氫酶脫氫酶琥珀酸脫氫酶琥珀酸脫氫酶NADH細(xì)胞色素還原酶細(xì)胞色素還原酶甲基丙二酰甲基丙二酰CoA異構(gòu)酶異構(gòu)酶CuFe MoFe MoMoFeFeCo血紅素血紅素NAD+FADFADFADFMN鈷胺輔酶鈷胺輔酶一些酶含有機分子輔酶

19、和金屬離子一些酶含有機分子輔酶和金屬離子按酶蛋白分子特點分為：單體酶、寡聚酶按酶蛋白分子特點分為：單體酶、寡聚酶和多酶復(fù)合物和多酶復(fù)合物1. 單體酶單體酶（monomeric enzyme)：僅有一條具有活性部位的：僅有一條具有活性部位的多肽鏈，全部參與水解反應(yīng)。多肽鏈，全部參與水解反應(yīng)。2. 寡聚酶寡聚酶 (oligomeric enzyme)：由幾個或多個亞基組成，亞由幾個或多個亞基組成，亞基牢固地聯(lián)在一起，單個亞基沒有催化活性。亞基之間以非基牢固地聯(lián)在一起，單個亞基沒有催化活性。亞基之間以非共價鍵結(jié)合。共價鍵結(jié)合。3. 多酶復(fù)合物多酶復(fù)合物 (multienzyme system)：幾個

20、酶鑲嵌而成的復(fù)幾個酶鑲嵌而成的復(fù)合物。這些酶催化將底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的一系列順序反應(yīng)。合物。這些酶催化將底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的一系列順序反應(yīng)。丙酮酸脫氫酶系（丙酮酸脫氫酶系（E.coli）：丙酮酸脫氫酶（）：丙酮酸脫氫酶（E）、硫）、硫辛酰轉(zhuǎn)乙酰酶（辛酰轉(zhuǎn)乙酰酶（E）和二氫硫辛酰脫氫酶（）和二氫硫辛酰脫氫酶（E）。）。EEE堿性EEE+EE+脲l 溶菌酶溶菌酶（lysozyme）l (130,129AA)130 熒光素酶熒光素酶 (luciferase) 大腸桿菌丙酮酸脫氫酶系大腸桿菌丙酮酸脫氫酶系回本章目錄3.2 酶的結(jié)構(gòu)及催化特點酶的結(jié)構(gòu)及催化特點3.2.1 酶的結(jié)構(gòu)酶的結(jié)構(gòu)酶的活性中心酶的活性中心

21、(active center) 酶的必需基團在空間結(jié)構(gòu)上彼酶的必需基團在空間結(jié)構(gòu)上彼此靠近，組成具有特定空間結(jié)構(gòu)的此靠近，組成具有特定空間結(jié)構(gòu)的區(qū)域，能與底物特異地結(jié)合，并將區(qū)域，能與底物特異地結(jié)合，并將底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物，這一區(qū)域稱為酶底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物，這一區(qū)域稱為酶的活性中心。的活性中心?；钚圆课换钚圆课?active site) 按照酶活性功能，酶分子可以分為三個部分按照酶活性功能，酶分子可以分為三個部分 1.結(jié)合部位結(jié)合部位 Binding site 酶分子中與底物結(jié)合的部位或區(qū)域一般稱為酶分子中與底物結(jié)合的部位或區(qū)域一般稱為結(jié)合部位。結(jié)合部位決定酶的專一性。結(jié)合部位。結(jié)合部位決定酶的專一性

22、。2.催化部位催化部位 catalytic site 酶分子中促使底物酶分子中促使底物發(fā)生化學(xué)變化的部位發(fā)生化學(xué)變化的部位稱為催化部位。催化稱為催化部位。催化部位決定酶的催化能部位決定酶的催化能力力。按照酶活性功能，酶分子可以分為三個部分按照酶活性功能，酶分子可以分為三個部分 3.調(diào)控部位調(diào)控部位 Regulatory site 酶分子中存在著一些可以與其他分子發(fā)生某種酶分子中存在著一些可以與其他分子發(fā)生某種程度的結(jié)合的部位，從而引起酶分子空間構(gòu)象程度的結(jié)合的部位，從而引起酶分子空間構(gòu)象的變化，對酶起激活或抑制作用。的變化，對酶起激活或抑制作用。按照酶活性功能，酶分子可以分為三個部分按照酶活性

23、功能，酶分子可以分為三個部分底底 物物 活性中心以外活性中心以外的必需基團的必需基團結(jié)合基團結(jié)合基團催化基團催化基團 活性中心活性中心 活性部位和必需基團活性部位和必需基團必需基團必需基團：這些基團若經(jīng)化學(xué)修飾使其改變，則這些基團若經(jīng)化學(xué)修飾使其改變，則酶的活性喪失。酶的活性喪失?；钚圆课换钚圆课唬好阜肿又兄苯优c底物結(jié)合，并和酶酶分子中直接與底物結(jié)合，并和酶催化作用直接有關(guān)的部位。催化作用直接有關(guān)的部位。必需基團必需基團活性部位活性部位 維持酶具有活性的空間結(jié)構(gòu)維持酶具有活性的空間結(jié)構(gòu)結(jié)合基團結(jié)合基團催化基團催化基團專一性專一性催化性質(zhì)催化性質(zhì)常見的必需基團有常見的必需基團有Ser的羥基，的羥

24、基，His的咪唑基，的咪唑基，Cys的巰基，的巰基，Asp、Glu的側(cè)鏈羧基的側(cè)鏈羧基 一些酶活性中心的必需基團一些酶活性中心的必需基團酶名稱酶名稱活性中心的必需基團活性中心的必需基團胰蛋白酶胰蛋白酶 His42,Ser180,Asp87彈性蛋白酶彈性蛋白酶 His57,Asp102,Ser195,Asp194,Ile16 羧基肽酶羧基肽酶 Arg145,Tyr248,Glu270 溶菌酶溶菌酶 Glu35,Asp52乳酸脫氫酶乳酸脫氫酶 Asp30,Asp53,Lys58,Tyr85,Arg101 Glu140,Arg171,His195,Lys250-胰糜蛋白酶胰糜蛋白酶 His57,As

25、p102,Asp194,Ser195,Ile16l活性中心的構(gòu)象特點：活性中心的構(gòu)象特點：在酶分子整個體積中只占比較小的一在酶分子整個體積中只占比較小的一部分，是一個三維實體，或為裂縫，部分，是一個三維實體，或為裂縫，或為凹陷。或為凹陷。多為氨基酸殘基的疏水基團組成的疏多為氨基酸殘基的疏水基團組成的疏水環(huán)境，形成疏水水環(huán)境，形成疏水“口袋口袋”。l酶的催化作用取決于活性中心酶的催化作用取決于活性中心大的疏水側(cè)鏈芳香族氨基酸大的疏水側(cè)鏈芳香族氨基酸堿性氨基酸堿性氨基酸( (賴氨酸和精氨酸賴氨酸和精氨酸) ) 小的疏水側(cè)鏈氨基酸小的疏水側(cè)鏈氨基酸3.2 酶的結(jié)構(gòu)及催化特點酶的結(jié)構(gòu)及催化特點3.2.

26、2 研究酶活性中心的方法研究酶活性中心的方法氨基酸氨基酸側(cè)鏈基團側(cè)鏈基團修飾劑修飾劑Lys氨基氨基三硝基苯磺酸，三硝基苯磺酸，2，4二硝基氟苯、碘二硝基氟苯、碘乙酸、碘乙酰胺、丹磺酰氯、亞硝酸乙酸、碘乙酰胺、丹磺酰氯、亞硝酸Asp、Glu羧基羧基水溶性碳化二亞胺水溶性碳化二亞胺Arg胍基胍基苯乙二醛，苯乙二醛，1,2環(huán)己二酮、丁二酮環(huán)己二酮、丁二酮Cys巰基巰基碘乙酸、碘乙酰胺、碘乙酸、碘乙酰胺、N-乙基馬來酰亞胺乙基馬來酰亞胺二硫鍵二硫鍵巰基乙醇、巰基乙醇、DTTHis咪唑基咪唑基焦碳酸二乙酯、碘乙酸焦碳酸二乙酯、碘乙酸Tyr酚羥基酚羥基碘、四硝基甲烷碘、四硝基甲烷Trp吲哚基吲哚基N-溴代

27、琥珀酰亞胺溴代琥珀酰亞胺1、化學(xué)修飾法側(cè)鏈基團修飾、化學(xué)修飾法側(cè)鏈基團修飾2、X射線衍射法射線衍射法3、定點突變技術(shù)、定點突變技術(shù)4、蛋白酶水解法、蛋白酶水解法定點突變是指通過聚合酶鏈定點突變是指通過聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（式反應(yīng)（PCR）等方法向目）等方法向目的的DNA片段（可以是基因組，片段（可以是基因組，也可以是質(zhì)粒）中引入所需也可以是質(zhì)粒）中引入所需變化（通常是表征有利方向變化（通常是表征有利方向的變化），包括堿基的添加、的變化），包括堿基的添加、刪除、點突變等刪除、點突變等。3.2.3 酶的催化特點酶的催化特點3.2.3.1 酶和一般催化劑的共性酶和一般催化劑的共性酶具有一般催化劑的特征：酶

28、具有一般催化劑的特征：1.只能進行熱力學(xué)只能進行熱力學(xué)上允許進行的反應(yīng)；上允許進行的反應(yīng)；2.可以縮短化學(xué)反應(yīng)到達可以縮短化學(xué)反應(yīng)到達平衡的時間，而不改變反應(yīng)的平衡點；平衡的時間，而不改變反應(yīng)的平衡點；3.通過通過降低活化能加快化學(xué)反應(yīng)速度。降低活化能加快化學(xué)反應(yīng)速度。l 高效率高效率比非催化高比非催化高1081020倍倍比非酶催化高比非酶催化高1061013倍倍l 反應(yīng)條件溫和反應(yīng)條件溫和l 酶催化是可調(diào)控的酶催化是可調(diào)控的l 高度專一性高度專一性酶催化作用的特點酶催化作用的特點FeClFeCl3 3酶作用的酶作用的專一性專一性結(jié)構(gòu)專一性結(jié)構(gòu)專一性立體異構(gòu)專一性立體異構(gòu)專一性族（基團）專一性

29、族（基團）專一性絕對專一性絕對專一性酶催化作用的專一性酶催化作用的專一性族專一性：可作用于一類或一些結(jié)構(gòu)很相似的底物。族專一性：可作用于一類或一些結(jié)構(gòu)很相似的底物。絕對專一性：只能作用于某一底物。絕對專一性：只能作用于某一底物。（相對專一性）（相對專一性）（structure specificity）（stereo specificity）Specificity回本章目錄l學(xué)說認(rèn)為：整個酶分子的天然構(gòu)象是具有剛學(xué)說認(rèn)為：整個酶分子的天然構(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)合如同一把鑰匙對一把鎖一樣物的結(jié)合如同一把鑰匙對一把鎖一樣3.3.

30、1 底物與酶的作用方式（專一性假說）底物與酶的作用方式（專一性假說）（1）鎖鑰學(xué)說）鎖鑰學(xué)說（lock and key，赫爾曼，赫爾曼，1894）局限性局限性（2）誘導(dǎo)契合學(xué)說）誘導(dǎo)契合學(xué)說(induced-fit theory)l該學(xué)說該學(xué)說認(rèn)為認(rèn)為酶表面并沒有一種與底物互補的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(dǎo)才形成了固定形狀，而只是由于底物的誘導(dǎo)才形成了互補形狀。具有柔性。（互補形狀。具有柔性。（丹尼爾，丹尼爾，19581958）群體移動模式群體移動模式l鄰近效應(yīng)：結(jié)合在酶活性部位上的底物分子鄰近效應(yīng)：結(jié)合在酶活性部位上的底物分子（A、B）中的反應(yīng)基團相互靠近，使底

31、物在）中的反應(yīng)基團相互靠近，使底物在酶活性中心的有效濃度大大增加，有利于提高酶活性中心的有效濃度大大增加，有利于提高反應(yīng)速度。反應(yīng)速度。l定向效應(yīng)：酶催化基團與底物分子反應(yīng)基團之定向效應(yīng)：酶催化基團與底物分子反應(yīng)基團之間，形成了正確的定向排列，使分子間的反應(yīng)間，形成了正確的定向排列，使分子間的反應(yīng)按正確的方向相互作用形成中間產(chǎn)物，從而降按正確的方向相互作用形成中間產(chǎn)物，從而降低了低了S分子的活化能。分子的活化能。 酶的活性中心部位，一般都含有多個起催酶的活性中心部位，一般都含有多個起催化作用的基團，這些基團在空間有特殊的排列化作用的基團，這些基團在空間有特殊的排列和取向，可以對底物價鍵的形變和

32、極化及調(diào)整和取向，可以對底物價鍵的形變和極化及調(diào)整底物基團的位置等起到協(xié)同作用，從而使底物底物基團的位置等起到協(xié)同作用，從而使底物達到最佳反應(yīng)狀態(tài)，或者說削弱了底物分子中達到最佳反應(yīng)狀態(tài)，或者說削弱了底物分子中的敏感鍵，產(chǎn)生鍵扭變，降低了底物反應(yīng)的活的敏感鍵，產(chǎn)生鍵扭變，降低了底物反應(yīng)的活化能，從而使反應(yīng)速度大大加快。化能，從而使反應(yīng)速度大大加快。3.3 酶的催化機制酶的催化機制3.3.2 酶的催化作用機制酶的催化作用機制1. 中間產(chǎn)物學(xué)說穩(wěn)定過渡態(tài)中間產(chǎn)物學(xué)說穩(wěn)定過渡態(tài)2. 酸堿催化酸堿催化3. 共價催化共價催化4. 金屬離子催化金屬離子催化P68-69P68-69回本章目錄酶活力的測定方法

33、酶活力的測定方法A A、按反應(yīng)時間分類、按反應(yīng)時間分類 中止反應(yīng)法中止反應(yīng)法 連續(xù)反應(yīng)法連續(xù)反應(yīng)法 平衡法平衡法 1、分光光度法：產(chǎn)物與適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)試劑生成有、分光光度法：產(chǎn)物與適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)試劑生成有色物質(zhì)或產(chǎn)物有紫外吸收的能力可采用此法。色物質(zhì)或產(chǎn)物有紫外吸收的能力可采用此法。2、測壓法：產(chǎn)物中有氣體，測氣壓增加量。、測壓法：產(chǎn)物中有氣體，測氣壓增加量。3、滴定法：產(chǎn)物中有酸生成，用堿滴定。、滴定法：產(chǎn)物中有酸生成，用堿滴定。4、熒光法：產(chǎn)物中有熒光物質(zhì)生成或產(chǎn)物與熒、熒光法：產(chǎn)物中有熒光物質(zhì)生成或產(chǎn)物與熒光試劑反應(yīng)生成熒光產(chǎn)物可用此法。光試劑反應(yīng)生成熒光產(chǎn)物可用此法。5、旋光法：產(chǎn)物中有旋光物

34、質(zhì)可采用此法、旋光法：產(chǎn)物中有旋光物質(zhì)可采用此法。B、按照檢測方法分、按照檢測方法分3.4 酶的分離純化及活力測定酶的分離純化及活力測定3.4.1 酶的分離純化參考蛋白質(zhì)的分離純化酶的分離純化參考蛋白質(zhì)的分離純化3.4.2 酶的活力測定酶的活力測定酶反應(yīng)速度：酶反應(yīng)速度：通常用單位時間（通常用單位時間（t）內(nèi)底物（內(nèi)底物（S）的減少量或產(chǎn)物（）的減少量或產(chǎn)物（P）的）的增加量表示，即增加量表示，即比活力：比活力：單位重量的蛋白質(zhì)中所單位重量的蛋白質(zhì)中所具有酶的活力單位數(shù)具有酶的活力單位數(shù),一般用一般用IU/mg蛋白質(zhì)或者蛋白質(zhì)或者IU/ml酶蛋白來表示。酶蛋白來表示。 酶活力：酶活力：是指在一

35、定條件下，是指在一定條件下， 酶所催化的反應(yīng)初速度。酶所催化的反應(yīng)初速度。 d S d Pu = - - = -u = - - = - d t d t酶活力單位的定義酶活力單位的定義 1961年國際生物化學(xué)與分子生物學(xué)聯(lián)合年國際生物化學(xué)與分子生物學(xué)聯(lián)合會規(guī)定：在特定條件下（溫度可采用會規(guī)定：在特定條件下（溫度可采用25或或其它選用的溫度，其它選用的溫度，pH等條件均采用最適條等條件均采用最適條件），每件），每1 min 催化催化1 mol 的底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)的底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的酶量定義為物的酶量定義為1 個酶活力單位。這個單位個酶活力單位。這個單位稱為國際單位（稱為國際單位（IU）。）。底物濃度對酶

36、促反應(yīng)速度的影響底物濃度對酶促反應(yīng)速度的影響3.5 酶促反應(yīng)動力學(xué)酶促反應(yīng)動力學(xué)n在低底物濃度時在低底物濃度時, 反應(yīng)反應(yīng)速度與底物濃度成正比，速度與底物濃度成正比，表現(xiàn)為一級反應(yīng)特征。表現(xiàn)為一級反應(yīng)特征。n當(dāng)?shù)孜餄舛冗_到一定值，當(dāng)?shù)孜餄舛冗_到一定值，幾乎所有的酶都與底物幾乎所有的酶都與底物結(jié)合后，反應(yīng)速度達到結(jié)合后，反應(yīng)速度達到最大值（最大值（Vmax），此時），此時再增加底物濃度，反應(yīng)再增加底物濃度，反應(yīng)速度不再增加，表現(xiàn)為速度不再增加，表現(xiàn)為零級反應(yīng)。零級反應(yīng)。02468101214161820020406080100Concentration of Substrate(um ol/L)

37、Rate of Reaction(v)3.5.1 米氏方程米氏方程V=Vmax SKm + SnKm 即為米氏常數(shù)，即為米氏常數(shù)，nVmax為最大反應(yīng)速度為最大反應(yīng)速度n當(dāng)反應(yīng)速度等于最當(dāng)反應(yīng)速度等于最大速度一半時大速度一半時,即即V = 1/2 Vmax, Km = Sn上式表示上式表示,米氏常數(shù)米氏常數(shù)是反應(yīng)速度為最大值是反應(yīng)速度為最大值的一半時的底物濃度的一半時的底物濃度n因此因此,米氏常數(shù)的單米氏常數(shù)的單位為位為mol/L1913, Michaelis & Menten3.5 酶促反應(yīng)動力學(xué)酶促反應(yīng)動力學(xué)-4-202468100.00.20.40.60.81.01/S(1/m

38、m ol.L-1)1/v斜率斜率=Km/Vmax-1/Km1/Vmax米氏常數(shù)的求法米氏常數(shù)的求法 酶的催化作用受到底物濃度、酶濃酶的催化作用受到底物濃度、酶濃度、溫度、度、溫度、pH值、激活劑濃度、抑制劑值、激活劑濃度、抑制劑濃度等諸多因素的影響。在酶的應(yīng)用過濃度等諸多因素的影響。在酶的應(yīng)用過程中，必須控制好各種環(huán)境條件，以充程中，必須控制好各種環(huán)境條件，以充分發(fā)揮酶的催化功能。分發(fā)揮酶的催化功能。3.5.2 影響酶催化的各種因素影響酶催化的各種因素研究影響酶催化作用的因素的方法研究影響酶催化作用的因素的方法 研究某一因素對酶促反應(yīng)速度的影研究某一因素對酶促反應(yīng)速度的影響時，應(yīng)在保持其它因素

39、不變的情況下，響時，應(yīng)在保持其它因素不變的情況下，單獨改變研究的因素單獨改變研究的因素單因子變量單因子變量。反應(yīng)速度反應(yīng)速度酶的濃度酶的濃度(一一) 酶的濃度對酶促反應(yīng)的影響示意圖酶的濃度對酶促反應(yīng)的影響示意圖在底物濃度足夠大的前提下在底物濃度足夠大的前提下（二）底物濃度對酶促反應(yīng)的影響示意圖二）底物濃度對酶促反應(yīng)的影響示意圖反應(yīng)速度反應(yīng)速度底物的濃度底物的濃度（三）溫度對酶促反應(yīng)的影響示意圖（三）溫度對酶促反應(yīng)的影響示意圖反應(yīng)速度反應(yīng)速度最適溫度最適溫度溫度溫度（四）（四）pH對酶活性的影響示意圖對酶活性的影響示意圖 PHPH6 61010最適最適PHPH值值2 2反應(yīng)速度反應(yīng)速度( (以人

40、為例以人為例) )S Sv v1.競爭性抑制（競爭性抑制（ v對對S作圖）作圖）無抑制劑無抑制劑KmKmKmKm變大變大VmVm不變不變競爭性抑制劑競爭性抑制劑1.1.競爭性抑制（雙倒數(shù)作圖）競爭性抑制（雙倒數(shù)作圖）I1/ v-1/ Km1/ S1/ Vm增大增大正常正常1.競爭性抑制（雙倒數(shù)作圖）競爭性抑制（雙倒數(shù)作圖）2.非競爭性抑制（雙倒數(shù)作圖）非競爭性抑制（雙倒數(shù)作圖）I1/ v-1/ Km1/ S加大加大正常正常Km不變不變Vm變小變小2.非競爭性抑制（雙倒數(shù)作圖）非競爭性抑制（雙倒數(shù)作圖）3.反競爭性抑制（雙倒數(shù)作圖）反競爭性抑制（雙倒數(shù)作圖）3.反競爭性抑制（雙倒數(shù)作圖）反競爭性

41、抑制（雙倒數(shù)作圖）I1/ v-1/ Km1/ S1/ Vm增大增大回本章目錄正常正常3.6 酶工程的新進展：幾種重要的酶酶工程的新進展：幾種重要的酶 也稱變構(gòu)酶，其分子構(gòu)象可以受效應(yīng)也稱變構(gòu)酶，其分子構(gòu)象可以受效應(yīng)物（物（effector）的作用而改變，從而使自身）的作用而改變，從而使自身的催化活性改變。的催化活性改變。別構(gòu)酶的特征：別構(gòu)酶的特征： 1、是寡聚酶，由若干個亞基組成。、是寡聚酶，由若干個亞基組成。 2、既有活性中心，也有變構(gòu)中心。、既有活性中心，也有變構(gòu)中心。 3、其動力學(xué)不符合米氏方程。、其動力學(xué)不符合米氏方程。一、別構(gòu)酶（一、別構(gòu)酶（allosteric enzyme）:核糖

42、核苷酸還原核糖核苷酸還原酶是一種變構(gòu)酶，酶是一種變構(gòu)酶，包括包括R1、R2兩個兩個亞基，只有亞基，只有R1與與R2結(jié)合時才具有結(jié)合時才具有酶活性（反應(yīng)過酶活性（反應(yīng)過程見圖）程見圖） 是存在于同一種屬生物或同一個體中能是存在于同一種屬生物或同一個體中能催化同一種化學(xué)反應(yīng)，但酶分子的結(jié)構(gòu)及理催化同一種化學(xué)反應(yīng)，但酶分子的結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)和生化特性（化性質(zhì)和生化特性（Km、電泳行為）存在明、電泳行為）存在明顯差異的一組酶。顯差異的一組酶。二、同工酶（二、同工酶（isoenzyme）: 同工酶廣泛存在于生物界，作為遺傳標(biāo)同工酶廣泛存在于生物界，作為遺傳標(biāo)志，已廣泛應(yīng)用于遺傳分析；農(nóng)業(yè)上同工酶志，已廣泛

43、應(yīng)用于遺傳分析；農(nóng)業(yè)上同工酶分析法已用于優(yōu)勢雜交組織的預(yù)測。分析法已用于優(yōu)勢雜交組織的預(yù)測。堿性磷酸酶電泳掃描及圖譜堿性磷酸酶電泳掃描及圖譜正常人血清中主要為肝正常人血清中主要為肝ALP，其次為骨，其次為骨ALP和小腸和小腸ALP 三、人工酶和模擬酶三、人工酶和模擬酶人工模擬酶（人工模擬酶（enzyme of artificial imitation）即根據(jù)酶的作用原理）即根據(jù)酶的作用原理 ，用人，用人工方法合成的具有活性中心和催化作用工方法合成的具有活性中心和催化作用的非蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的化合物的非蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的化合物l抗體酶又稱催化抗體（抗體酶又稱催化抗體（catalytic antibody），

44、是一種新型人工酶制劑，），是一種新型人工酶制劑，是抗體的高度選擇性和酶的高效催化能是抗體的高度選擇性和酶的高效催化能力巧妙結(jié)合的產(chǎn)物，本質(zhì)上是免疫球蛋力巧妙結(jié)合的產(chǎn)物，本質(zhì)上是免疫球蛋白，但是在其可變區(qū)賦予了酶的屬性。白，但是在其可變區(qū)賦予了酶的屬性。l抗體酶是生物學(xué)與化學(xué)的研究成果在分抗體酶是生物學(xué)與化學(xué)的研究成果在分子水平上交叉滲透的產(chǎn)物。子水平上交叉滲透的產(chǎn)物?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)HIV致命弱點：抗體酶有效裂解致命弱點：抗體酶有效裂解gp120一一段編號為段編號為421-433421-433的氨基酸序列是在的氨基酸序列是在HIVHIV（艾滋病毒）的外膜糖蛋白（艾滋病毒）的外膜糖蛋白gp1

45、20gp120上被發(fā)現(xiàn)的上被發(fā)現(xiàn)的 CD4CD4受體受體lHIV通過外膜糖蛋白通過外膜糖蛋白gp120吸附于吸附于CD4受受體上，此受體主要存在于人類體上，此受體主要存在于人類T4淋巴細(xì)淋巴細(xì)胞上，并將人體免疫系統(tǒng)中最重要的胞上，并將人體免疫系統(tǒng)中最重要的T4淋巴細(xì)胞作為攻擊目標(biāo)，大量吞噬、破淋巴細(xì)胞作為攻擊目標(biāo)，大量吞噬、破壞壞T4淋巴細(xì)胞，從而破壞人的免疫系統(tǒng)，淋巴細(xì)胞，從而破壞人的免疫系統(tǒng)，最終使免疫系統(tǒng)崩潰，使人體因喪失對最終使免疫系統(tǒng)崩潰，使人體因喪失對各種疾病的抵抗能力而發(fā)病并死亡。各種疾病的抵抗能力而發(fā)病并死亡。 1 1、酶在醫(yī)藥方面的應(yīng)用、酶在醫(yī)藥方面的應(yīng)用2 2、酶在食品方面

46、的應(yīng)用、酶在食品方面的應(yīng)用3 3、酶在輕工、化工方面的應(yīng)用、酶在輕工、化工方面的應(yīng)用 4 4、酶在環(huán)境保護中的應(yīng)用、酶在環(huán)境保護中的應(yīng)用5 5、酶在生物技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用、酶在生物技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用3.7 3.7 酶的應(yīng)用酶的應(yīng)用用酶進行疾病的診斷用酶進行疾病的診斷用酶進行疾病的治療用酶進行疾病的治療用酶制造各種藥物用酶制造各種藥物藥用酶的治療作用藥用酶的治療作用 由于體內(nèi)有害物質(zhì)的積累所引起的疾病，可以用酶由于體內(nèi)有害物質(zhì)的積累所引起的疾病，可以用酶來消除毒物。來消除毒物。(脲酶脲酶,尿毒癥尿毒癥) 由于酶功能不正常、或者酶缺乏、酶量不足所產(chǎn)生由于酶功能不正常、或者酶缺乏、酶量不足所產(chǎn)生的疾病，可以用酶來調(diào)整酶作用，或者補酶量的疾病，可以用酶來調(diào)整酶作用，或者補酶量 癌細(xì)胞內(nèi)異常的生化環(huán)境可用酶來破壞，以殺死癌癌細(xì)胞內(nèi)異常的生化環(huán)境可用酶來破壞，以殺死癌細(xì)胞（細(xì)胞（L天門冬酰胺酶針劑）天門冬酰胺酶針劑） 由于細(xì)菌、病毒引起機體產(chǎn)生的疾病，可以用抗生由于細(xì)菌、病毒引起機體產(chǎn)生的疾病，可以用抗生素抑制微生物代謝所需要的酶，使微生物死亡，從素抑制微生物代謝所需要的酶，使微生物死亡，從而恢復(fù)人體健康而恢復(fù)人體健康 天門冬酰胺通常并非必需氨基酸，但某些天門冬酰胺通常并非必需氨基酸，但某些腫瘤細(xì)胞腫瘤細(xì)胞(如淋巴白血病細(xì)胞等如淋巴白