二章-酶工程原理(與“底物”有關(guān)文檔共125張)

酶蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)一、20種天然常見氨基酸、肽鏈和肽單位、蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的基本組件

第一節(jié)酶蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)第1頁，共125頁。一、20種天然常見氨基酸1.基本結(jié)構(gòu)主鏈側(cè)鏈Cα第2頁，共125頁。甘氨酸：側(cè)鏈只有一個H原子，無L-型與D-型之分脯氨酸具有類似而不同的化學(xué)結(jié)構(gòu)：

側(cè)鏈主鏈N原子共價結(jié)合亞氨基酸主鏈側(cè)鏈第3頁，共125頁。alanine 丙氨酸 Ala Aarginine 精氨酸 Arg Rasparagine 天冬酰氨 AsnAsx Nasparticacid 天冬氨酸 AspAsx Dcysteine 半胱氨酸 Cys Cglutarmine 谷氨酰胺 GlnGlx Qglutarmicacid 谷氨酸 GluGlx Eglycine 甘氨酸 Gly Ghistidine 組氨酸 His Hisoleucine 異亮氨酸 Ile Ileucine 亮氨酸 Leu Llysine 賴氨酸 Lys Kmethionine 甲硫氨酸 Met Mphenylalanine 苯丙氨酸 Phe Fproline 脯氨酸 Pro Pserine 絲氨酸 Ser Sthreonine 蘇氨酸 Thr Ttryptophan 色氨酸 Trp Wtyrosine 酪氨酸 Tyr Yvaline 纈氨酸 Val V要求：能倒背不用的字母JUZBOX第4頁，共125頁。二十種氨基酸的化學(xué)結(jié)構(gòu)第5頁，共125頁。2.基本性質(zhì)（側(cè)鏈的性質(zhì)）（1）疏水氨基酸Ala,Val,Leu,Ile,Met,Pro,Phe

側(cè)鏈一般無化學(xué)反應(yīng)性，形成疏水內(nèi)核（2）極性氨基酸Ser,Thr,Asn,Gln,Cys,His,Tyr,Trp

側(cè)連含有極性基團，具有不同的化學(xué)反應(yīng)性（3）荷電氨基酸Asp,Glu,Arg,Lys

側(cè)鏈可以解離，使氨基酸殘基帶負電荷或正電荷，從而具有酸堿性，Asp

和

Glu是酸性殘基；Arg和Lys是堿性殘基。

Tyr,Trp,Phe

具有芳香性側(cè)連，使蛋白質(zhì)產(chǎn)生紫外線吸收和熒光特性，作為蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)變化的探針。第6頁，共125頁。1.單一構(gòu)型和旋轉(zhuǎn)異構(gòu)體構(gòu)型：是一個分子中原子的特定空間排布。構(gòu)型改變必須有共價鍵的斷裂和重新形成。最基本的分子構(gòu)型為

L-型和D-型，這種異構(gòu)體在化學(xué)上可以分離。構(gòu)象：組成分子的原子或基團繞單鍵旋轉(zhuǎn)而形成的不同空間排布。構(gòu)象改變，無共價鍵的斷裂和重新形成，化學(xué)上難于區(qū)分和分離。（1）構(gòu)型與構(gòu)象第7頁，共125頁。L-氨基酸的基本結(jié)構(gòu)CHH2NCOOHRα碳原子,不對稱碳原子側(cè)鏈二十種氨基酸除Gly外全是L-型？殘基：在肽鏈中每個氨基酸都脫去一個水分子，脫水后的殘余部分叫殘基（residue),因此蛋白質(zhì)肽鏈中的氨基酸統(tǒng)統(tǒng)是殘基形式。氨基酸的基本結(jié)構(gòu)Chiralcarbon第8頁，共125頁。（2）天然氨基酸的單一構(gòu)型除甘氨酸外，都為L-型，有機合成中，L-型和D-型以大體相同的比例出現(xiàn)，可分離。

（3）優(yōu)勢構(gòu)象與旋轉(zhuǎn)異構(gòu)體旋轉(zhuǎn)異構(gòu)體：大多數(shù)氨基酸的側(cè)鏈都有一種或少數(shù)幾種交錯構(gòu)象作為優(yōu)勢構(gòu)象最經(jīng)常出現(xiàn)在天然蛋白質(zhì)中，它們之間稱為旋轉(zhuǎn)異構(gòu)體。

第9頁，共125頁。二、肽鏈和肽單位1.肽鍵與多肽肽鍵：一個氨基酸的羧基與下一個氨基酸的氨基經(jīng)縮合反應(yīng)形成的共價連接，稱為肽鍵。第10頁，共125頁。二、肽鏈和肽單位具有局部雙鍵的性質(zhì)，不能旋轉(zhuǎn)，兩種構(gòu)型通過肽鍵將多個氨基酸連接在一起構(gòu)成多肽鏈第一個氨基酸具有自由的氨基，稱氨端或N端最末一個氨基酸具有自由的羧基，稱羧端或C段順式（trans）反式(cis)第11頁，共125頁。2.肽單位與多肽主鏈肽單位：由于局部雙鍵性質(zhì)，肽鍵連接的基團處于同一平面，具有確定的鍵長和鍵角，是多肽鏈中的剛性結(jié)構(gòu)，稱為肽單位。有序連接的肽單位構(gòu)成多肽鏈的主鏈，在所有氨基酸中都相同（不同的是側(cè)鏈）

蛋白質(zhì)分子的基本建筑模塊即是：肽單位側(cè)鏈基團第12頁，共125頁。3多肽鏈的構(gòu)象第13頁，共125頁。扭角（二面角）BCADBCADBCDA

ABCDΦi(Ci-1’,Ni,Cia,Ci’)ψi(Ni,Cia,Ci’,Ni+1)第14頁，共125頁。拉氏構(gòu)象圖第15頁，共125頁。三、蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的基本組件1.α螺旋（α-Helix）2.β層（β-sheet）3.環(huán)肽鏈（loop）4.疏水內(nèi)核第16頁，共125頁。右手型，也稱為13螺旋螺距每個氨基酸殘基的羰基與后面第4個（n+4）殘基的氨基形成氫鍵穩(wěn)定因素：氫鍵1.α螺旋（α-Helix）（1）基本結(jié)構(gòu)參數(shù)第17頁，共125頁。兩親性螺旋對生物活性具有重要作用，通過蛋白質(zhì)工程方法增加結(jié)構(gòu)上重要區(qū)域的兩親性，可以提高分子的生物活性。（2）兩親螺旋一側(cè)親水殘基一側(cè)疏水殘基兩親性：一側(cè)面向溶劑一側(cè)面向疏水內(nèi)核α螺旋大多沿蛋白質(zhì)分子表面分布兩親性正好適應(yīng)這種要求第18頁，共125頁。（3）傾向于形成α螺旋的氨基酸強烈傾向于形成的：Ala,Glu,Leu,Met非常不利于形成的：Pro,Gly,Tyr,SerPro無形成氫鍵的能力，α螺旋中凡有Pro出現(xiàn)的地方，必然發(fā)生彎折第19頁，共125頁。2.β層（β-sheet）基本單位是β鏈，全伸展構(gòu)象，可視為每圈具有2個氨基酸殘基和每個殘基有平移距離的特殊螺旋。單鏈不穩(wěn)定，原子間無相互作用；β層穩(wěn)定，β鏈間以主鏈氫鍵相連。兩種基本類型，平行β層、反平行β層；混合型β層，同一肽鏈的不同區(qū)域和不同肽鏈的β鏈都可以形成β層。第20頁，共125頁。圖：在平行（A）和反平行（B）β－折疊片中氫鍵的排列第21頁，共125頁。反向β－折疊NC第22頁，共125頁。3.環(huán)肽鏈（loop）（1）β轉(zhuǎn)折（β轉(zhuǎn)角，回折，β-turn）

4個氨基酸殘基順序連接的一段短肽鏈，具有180°彎折的特殊構(gòu)象。

（2）β發(fā)夾(β-hairpins)通過一段短的環(huán)鏈將兩條相鄰的β鏈連接在一起的結(jié)構(gòu)作用：連接二級結(jié)構(gòu)元素的主要結(jié)構(gòu)因素常出現(xiàn)在生物活性位置，三維結(jié)構(gòu)具有功能意義

第23頁，共125頁。第24頁，共125頁。4.疏水內(nèi)核

蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的共同特征：疏水內(nèi)核，由緊密堆積的疏水側(cè)鏈構(gòu)成。與一系列重要的物化性質(zhì)相關(guān)，它的形成是以疏水相互作用為基礎(chǔ)的。

疏水相互作用：是指非極性基團在任何極性環(huán)境中強烈趨于彼此聚集的擇優(yōu)效應(yīng)多肽鏈折疊的原始推動力穩(wěn)定蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的主要因素意義：第25頁，共125頁。酶蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的層次體系和結(jié)構(gòu)的形成一、酶蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的層次體系、酶蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的形成第26頁，共125頁。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)豐富的層次體系：一、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的層次體系丹麥生物學(xué)家KaiLinderstrom，將蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)劃分為一級、二級和三級結(jié)構(gòu)英國化學(xué)家Bernal，使用四級結(jié)構(gòu)描述復(fù)雜多肽鏈蛋白質(zhì)分子的亞基結(jié)構(gòu)二級結(jié)構(gòu)與三級結(jié)構(gòu)之間又發(fā)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)模體（超二級結(jié)構(gòu)）和結(jié)構(gòu)域重點是結(jié)構(gòu)模體和結(jié)構(gòu)域。第27頁，共125頁。1.一級結(jié)構(gòu)（primerystructure）一級結(jié)構(gòu)：蛋白質(zhì)分子擁有的多肽鏈的數(shù)量，組成氨基酸的序列以及鏈間或鏈內(nèi)共價連接的方式。包含氨基酸序列、二硫鍵的數(shù)量和配對方式蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)組織的基本原理：一級結(jié)構(gòu)是蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)層次的基礎(chǔ)，它決定了高級結(jié)構(gòu)第28頁，共125頁。2.二級結(jié)構(gòu)（secondarystructure）二級結(jié)構(gòu)：在一段連續(xù)的肽單位中具有同一相對取向，可以用相同的構(gòu)象角來表征，構(gòu)成一種特征的多肽鏈線性組合。多肽主鏈局部區(qū)域的規(guī)則結(jié)構(gòu)，不涉及側(cè)鏈的構(gòu)象和多肽鏈其它部分的關(guān)系主要二級結(jié)構(gòu)：有α螺旋，平行β層，反平行β層，

β轉(zhuǎn)折、310螺旋穩(wěn)定因素：主要由其內(nèi)部形成的主鏈氫鍵所穩(wěn)定，因此氫鍵的排布方式也是二級結(jié)構(gòu)的重要特征第29頁，共125頁。3.結(jié)構(gòu)模體（motifstructure）結(jié)構(gòu)模體：一級順序上相鄰的二級結(jié)構(gòu)在三維折疊中也靠近，彼此按特定的幾何排布形成簡單的組合，可以同一結(jié)構(gòu)模式出現(xiàn)在不同的蛋白質(zhì)中，這些組合單位稱為結(jié)構(gòu)模體。結(jié)構(gòu)模體是一類超二級結(jié)構(gòu)（supersecondarystructure）是三級結(jié)構(gòu)的建筑模塊有的模體具有特定的功能，如與DNA結(jié)合第30頁，共125頁。幾種在已知蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中最常見的模體：（3）反平行β層回紋模體（Greekkeymotif）（1）螺旋-轉(zhuǎn)折-螺旋模體（HTH）（2）發(fā)夾式模體（β-βunit）（4）β-α-β模體（β-α-βmotif）（5）復(fù)雜模體（complexmotif）第31頁，共125頁。（1）螺旋-轉(zhuǎn)折-螺旋模體（HTH）具有特定功能的最簡單的模體，由一個環(huán)區(qū)連接的兩段螺旋組成，稱為螺旋-轉(zhuǎn)折-螺旋模體（簡稱HTH）。一種是DNA結(jié)合模體，專一性的與DNA結(jié)合一種是鈣結(jié)合模體，對鈣結(jié)合專一2種類型：第32頁，共125頁。鈣調(diào)蛋白HTH

Ca第33頁，共125頁。（2）發(fā)夾式模體（β-βunit）兩段相鄰的反平行β鏈被一環(huán)鏈連接在一起構(gòu)成的組合，取其形貌與發(fā)夾類似，稱為發(fā)夾式β模體，也稱為β-β組合單位。無特定的功能。牛胰蛋白抑制劑發(fā)夾式β模體第34頁，共125頁。

4段反平行β鏈以特定的來回往復(fù)方式組合，其形貌類似于古希臘鑰匙上特有的回形裝飾紋，故又稱為希臘鑰匙型模體。（3）反平行β層回紋模體（Greekkeymotif）第35頁，共125頁。葡萄球菌核酸酶312第36頁，共125頁。（4）β-α-β模體（β-α-βmotif）是一種連接兩股平行β鏈的結(jié)構(gòu)元素組合。反平行β鏈，末端靠近，短環(huán)鏈連接成發(fā)夾式模體；平行β鏈，相反端連接，形成特定的二級結(jié)構(gòu)元素組合：

β鏈1-環(huán)鏈1-α螺旋-環(huán)鏈2-β鏈2功能：β鏈1羧端—α鏈氨端，功能結(jié)合部位，活性位置α鏈羧端—β鏈2氨端，無活性第37頁，共125頁?；钚晕恢脽o生物活性第38頁，共125頁。（5）復(fù)雜模體（complexmotif）兩個相鄰的β發(fā)夾型模體通過環(huán)鏈相連，構(gòu)成更加復(fù)雜的模體。組合方式有24種，只有8種被觀察到。

第39頁，共125頁。EA、EB一酶—底物復(fù)合體，從理論上講，在底物分子中呈現(xiàn)的任何手性特征，都可被酶所識別，但其識別特性取決于酶—底物復(fù)合物的結(jié)合方式。第81頁，共125頁。一種是DNA結(jié)合模體，專一性的與DNA結(jié)合tyrosine 酪氨酸 Tyr Y第77頁，共125頁。在體內(nèi)外起降解作用，也是人類應(yīng)用最廣的酶類。[S]/V=Km/Vmax+[S]/Vmax兩親性正好適應(yīng)這種要求第93頁，共125頁。在高底物濃度下競爭性抑制劑的作用被壓倒，因為充分的高底物濃度可以將結(jié)合到活性部位的抑制劑分子競爭地排出。將(5)代入(4)得米氏方程式：4.結(jié)構(gòu)域（domain）結(jié)構(gòu)域：二級結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)模體以特定的方式組合連接，在蛋白質(zhì)分子中形成2個或多個在空間上可以明顯區(qū)分的三級折疊實體，稱為結(jié)構(gòu)域。蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)的基本單位，由一條多肽鏈（單結(jié)構(gòu)域蛋白質(zhì)中）或多肽鏈的一部分（多域蛋白質(zhì)中）獨立折疊形成穩(wěn)定的三級結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)域同時是功能單位。

第40頁，共125頁。圖：蛋白質(zhì)分子中的結(jié)構(gòu)域（a）磷酸甘油酸激酶的兩個結(jié)構(gòu)域：（b）木瓜蛋白酶的兩個結(jié)構(gòu)域第41頁，共125頁。5.三級結(jié)構(gòu)（tertiarystructure）三級結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)域在三維空間中以專一的方式組合排布，或者二級結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)模體及其與之相關(guān)聯(lián)的各種環(huán)肽鏈在空間中的進一步協(xié)同盤曲、折疊，形成包括主鏈、側(cè)鏈在內(nèi)的專一排布。對于無亞基并只有單結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)，三級結(jié)構(gòu)就是它的完整的三維結(jié)構(gòu)。較大的蛋白質(zhì)，具有多個結(jié)構(gòu)域或亞基，需要進一步組織才能形成完整分子。第42頁，共125頁。6.四級結(jié)構(gòu)（quaternarystructure）

四級結(jié)構(gòu)：指蛋白質(zhì)分子的亞基結(jié)構(gòu)（subunit），亞基的數(shù)目、類型、空間排布方式和亞基間相互作用的性質(zhì)，構(gòu)成四級結(jié)構(gòu)的基本內(nèi)容。亞基：許多蛋白質(zhì)作為完整的活性分子，是由兩條以上的多肽鏈組成，它們各自以獨特的一級、二級、三級結(jié)構(gòu)相互以非共價作用聯(lián)結(jié)，共同構(gòu)成完整的蛋白質(zhì)分子，這些肽鏈單位稱為亞基。其聚合整體稱為寡聚體。第43頁，共125頁。酶蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的形成——

多肽鏈的生物合成與折疊一、多肽鏈的生物合成、多肽鏈的折疊——

蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的形成第44頁，共125頁。在遺傳密碼指導(dǎo)下，將氨基酸按特定序列在核糖體上連接起來，形成只有一級結(jié)構(gòu)（氨基酸序列）的多肽鏈，稱為多肽鏈的生物合成。蛋白質(zhì)在體內(nèi)的形成分為兩個階段：第一階段：第45頁，共125頁。合成的多肽鏈，以現(xiàn)在尚不清楚的機制自動折疊成為特定的三維結(jié)構(gòu)，形成具有完整結(jié)構(gòu)和功能的蛋白質(zhì)分子，稱為新生肽鏈折疊（或蛋白質(zhì)折疊）。第二階段：第46頁，共125頁。第二節(jié)酶的分類、組成

一、酶的分類1961年國際生化聯(lián)合會酶學(xué)委員會EnzymeCommission(EC)提出將酶分為6類：（1）氧化還原酶在體內(nèi)參與產(chǎn)能、解毒和某些生理活性物質(zhì)的合成。重要的有各種脫氫酶、氧化酶、過氧化酶等。（2）轉(zhuǎn)移酶在體內(nèi)將某些基團從一個化合物轉(zhuǎn)移到另一個化合物，參與核酸、蛋白質(zhì)、糖幾脂肪的代謝和合成。重要的有酰基轉(zhuǎn)移酶、糖苷基轉(zhuǎn)移酶、含氮基轉(zhuǎn)移酶、磷酸基轉(zhuǎn)移酶、含硫基轉(zhuǎn)移酶等。第47頁，共125頁。（3）水解酶在體內(nèi)外起降解作用，也是人類應(yīng)用最廣的酶類。重要的有各種脂肪酶、糖苷酶、肽酶等。水解酶一般不需輔酶。（4）裂合酶這類酶可脫去底物上某一基團而留下雙鍵，或可相反地在雙鍵處加入某一基團。它們分別催化C—C、C—O、C—N、C—S、C—X(F,Cl,Br,1)和P—O鍵。第48頁，共125頁。（5）異構(gòu)酶此類酶為生物代謝需要而對某些物質(zhì)進行分子異構(gòu)化，分別進行外消旋、差向異構(gòu)、順反異構(gòu)、醛酮異構(gòu)、分子內(nèi)轉(zhuǎn)移、分子內(nèi)裂解等。（6）連接酶（合成酶）這類酶關(guān)系很多生命物質(zhì)的合成，其特點是需要三磷酸腺苷等—高能磷酸酯作為結(jié)合能源，有的還需金屬離子輔助因子。分別形成C—O鍵(與蛋白質(zhì)合成有關(guān))、C—S鍵(與脂肪酸合成有關(guān))、C—C鍵和磷酸酯鍵。第49頁，共125頁。原則：根據(jù)酶所用的底物來命名 核糖核酸酶Ribonuclease

蛋白酶Protease根據(jù)所催化的反應(yīng)來命名 脫氫酶Dehydrogenase

磷酸轉(zhuǎn)移酶Phosphotransferase

上述兩個原則結(jié)合上述原則再加上酶的來源 牛胰核糖核酸酶第50頁，共125頁。3水解酶4水解肽鍵21活性位點有絲氨酸4此類第四個第51頁，共125頁。二、酶的組成①單體酶，僅有一個活性部位的多肽鏈構(gòu)成的酶，分子質(zhì)量為13-35ku，為數(shù)不多，且都是水解酶；②寡聚酶，由若干相同或不同亞基結(jié)合而組成的酶，亞基一般無活性，必須相互結(jié)合才有活性，分子質(zhì)量為35ku以上到數(shù)百萬單位；酶蛋白有3種組成形式第52頁，共125頁。③多酶復(fù)合體，指多種酶進行連續(xù)反應(yīng)的體系。前一個反應(yīng)產(chǎn)物為后一反應(yīng)的底物。僅有少部分酶是由單一蛋白質(zhì)所組成，而大部分酶則為復(fù)合蛋白質(zhì)，或稱全酶，是由蛋白質(zhì)部分(酶蛋白)和非蛋白質(zhì)部分所組成，即酶蛋白本身無活性，需要在輔因子存在下才有活性。第53頁，共125頁。第三節(jié)酶作為催化劑的特點(1)酶催化化學(xué)反應(yīng)條件溫和(2)酶用量少，催化效率高,催化能力強(3)相容性好，酶催化反應(yīng)具有廣譜性(4)酶底物具有廣泛性(5)調(diào)節(jié)性(6)酶催化反應(yīng)的高度選擇性，專一性(7)酶有助于環(huán)境的可持續(xù)性第54頁，共125頁。(1)酶催化化學(xué)反應(yīng)條件溫和麥芽糖+H2O2葡萄糖常溫，常壓，中性pH第55頁，共125頁。(2)催化效率高、催化能力強化學(xué)催化劑需要％-l％的量，而酶催化劑只需要10-6-l0-5。酶加快反應(yīng)速度可達1017倍。如乙酰膽堿酯酶接近1013倍，丙糖磷酸異構(gòu)酶為109倍，分支酸變位酶為1.9×106倍，四膜蟲核酶接近1011倍。第56頁，共125頁。(3)相容性好，酶催化反應(yīng)具有廣譜性酶與酶之間的相容性好可以在同一反應(yīng)體系中利用多種酶完成序列反應(yīng)。酶幾乎可以催化所有類型的有機化學(xué)反應(yīng)，這些反應(yīng)包括：酯類的水解與合成，氨基化反應(yīng)，內(nèi)酯化反應(yīng)，內(nèi)酰氨化，酐化，環(huán)氧化和氰化，烯烴、烷烴、芳烴、醇類、醛類和酮類的氧化還原，加羧基和脫羧基，異構(gòu)化，酮醇化等。第57頁，共125頁。(4)酶底物具有廣泛性除可作用于天然底物外，還可用于非天然的底物。另外，酶在水相中能起催化作用，還可用于非水相催化。第58頁，共125頁。(5)調(diào)節(jié)性酶活性的調(diào)節(jié)控制主要有下列7種方式：①酶濃度的調(diào)節(jié)、②激素的調(diào)節(jié)、③共價修飾調(diào)節(jié)、④限制性蛋白水解作用與酶活力調(diào)控、⑤抑制劑的調(diào)節(jié)、⑥反饋調(diào)節(jié)、⑦金屬離子和其他小分子化合物的調(diào)節(jié)。第59頁，共125頁。(6)酶催化反應(yīng)的高度選擇性，專一性

大多數(shù)酶對所作用的底物和催化的反應(yīng)都是高度專一的。不同的酶專一性程度不同，有些酶專一性很低（鍵專一性），如肽酶、磷酸（酯）酶、酯酶、可以作用很多底物，只要求化學(xué)鍵相同。選擇性主要體現(xiàn)在三個方面

:①化學(xué)選擇性(chemoselectivity)

②區(qū)域選擇性(regioselectivity)和非對映選擇性(diasteroselectivity)③光學(xué)對映選擇性(enantioselectivity)，第60頁，共125頁。①化學(xué)選擇性(chemoselectivity)，主要是指酶只能催化某一類基團或一類化學(xué)反應(yīng)。與化學(xué)合成法相比，酶促反應(yīng)無副反應(yīng)產(chǎn)物，有利于清潔生產(chǎn)和便于產(chǎn)物的分離純化。比如酯類的酶法水解過程中根本沒有縮醛解離的現(xiàn)象。②區(qū)域選擇性(regioselectivity)和非對映選擇性(diasteroselectivity)，由于酶特殊而復(fù)雜的空間三維結(jié)構(gòu)，使之能夠有區(qū)別地催化某一功能基團區(qū)域的反應(yīng)。第61頁，共125頁。③光學(xué)對映選擇性(enantioselectivity或chiralselectivity)，由于幾乎所有的酶都是由L氨基酸組成的，因此它本身就是一種帶有手性的催化劑。從理論上講，在底物分子中呈現(xiàn)的任何手性特征，都可被酶所識別，但其識別特性取決于酶—底物復(fù)合物的結(jié)合方式。因此，一個前手性(prochiral)的物質(zhì)，有可能通過不對稱的酶法轉(zhuǎn)化，生成有光學(xué)活性的目標產(chǎn)物。而且一種消旋體可被酶以不同的比例拆分成兩種光學(xué)對映體。第62頁，共125頁。(7)酶有助于環(huán)境的可持續(xù)性化學(xué)催化劑(如重金屬等)對環(huán)境造成污染，而酶可降解、無毒、用量少、效率高、專一性好、反應(yīng)條件溫和、反應(yīng)物生物可降解，使酶具有寬廣的工業(yè)應(yīng)用前景。第63頁，共125頁。酶與化學(xué)催化劑比較具有顯著的特性，最重要的有三方面:高催化效率強專一性酶活性可以調(diào)控。第64頁，共125頁。與酶催化相關(guān)的幾個概念(1)酶的活性中心(activecenter)酶蛋白的多肽鏈經(jīng)過盤繞折疊，少數(shù)特異的氨基酸在空間結(jié)構(gòu)上形成一個與催化活力直接相關(guān)的區(qū)域，稱為活性中心。酶的活性中心通常分為底物結(jié)合部位和催化部位。其中結(jié)合部位“負責”酶與底物的結(jié)合，也稱之為專一性部位。催化部位“負責”催化，直接指導(dǎo)和完成生化反應(yīng)。第65頁，共125頁。(2)別構(gòu)部位(allostericsite)別構(gòu)部位是指酶蛋白上結(jié)合效應(yīng)物的部位。效應(yīng)物是指結(jié)合到酶蛋白的別構(gòu)部位上，能引起酶分子中活性中心的構(gòu)象發(fā)生變化，從而間接地影響酶活性的一類物質(zhì)。第66頁，共125頁。(3)酶活性(enzymeactivity)酶的比活力是酶用量的依據(jù)，也是同類酶之間質(zhì)量相互比較的依據(jù)，其通俗的定義是指能夠轉(zhuǎn)化一定量底物或生成一定量產(chǎn)物所需的酶量。比活力是每毫克蛋白質(zhì)中酶單位的數(shù)量（U/mg）酶活力單位可用許多方式表示，有兩種酶活力的標準單位，即：酶單位（U）和“開特”（Kat）。酶的一個活力單位是在該酶的最適條件下，在25℃，1min內(nèi)催化1umol的底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的酶量?！伴_特”是酶活力的國際單位（SI），它規(guī)定在特定體系下，反應(yīng)速度為每秒轉(zhuǎn)化1mol底物所需的酶量。在兩種不同的酶活力單位之間可用換算。酶活力（或總活力）涉及在樣品中酶的總單位，第67頁，共125頁。(4)輔因子(cofactor)在酶工程制藥中，有相當數(shù)量的藥物的藥效基團是手性羥基，因此需要能提供電子或氫等輔因子的參與。第68頁，共125頁。蛋白質(zhì)部分：酶蛋白(apoenzyme)輔助因子(cofactor)

金屬離子小分子有機化合物全酶(holoenzyme)酶蛋白決定反應(yīng)的特異性輔助因子決定反應(yīng)的種類與性質(zhì)*各部分在催化反應(yīng)中的作用第69頁，共125頁。金屬離子的作用穩(wěn)定酶的構(gòu)象；參與催化反應(yīng)，傳遞電子；在酶與底物間起橋梁作用；中和陰離子，降低反應(yīng)中的靜電斥力等。小分子有機化合物的作用在反應(yīng)中起運載體的作用，傳遞電子、質(zhì)子或其它基團。第70頁，共125頁。小分子有機化合物在催化中的作用

第71頁，共125頁。輔助因子分類（按其與酶蛋白結(jié)合的緊密程度）

輔酶

(coenzyme):與酶蛋白結(jié)合疏松，可用透析或超濾的方法除去。

輔基

(prostheticgroup):與酶蛋白結(jié)合緊密，不能用透析或超濾的方法除去。第72頁，共125頁。第四節(jié)酶的作用機制酶一般是通過其活性中心，通常是其氨基酸側(cè)鏈基團優(yōu)先與底物形成一個中間復(fù)合物，隨后在分解成產(chǎn)物，并放出酶。酶的活性部位（activesite）是它結(jié)合底物和將底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的區(qū)域，通常是整個酶分子相當小的一部分，它是由在線性多肽鏈中可能相隔很遠的氨基酸殘基形成的三維實體?；钚圆课煌ǔＪ窃诿傅谋砻婵障痘蛄芽p處，形成促進底物結(jié)合的優(yōu)越的非極性環(huán)境。一、酶與底物形成一個中間復(fù)合物第73頁，共125頁。第74頁，共125頁。反應(yīng)總能量改變非催化反應(yīng)活化能酶促反應(yīng)活化能一般催化劑催化反應(yīng)的活化能能量反應(yīng)過程底物產(chǎn)物酶促反應(yīng)活化能的改變

活化能：底物分子從初態(tài)轉(zhuǎn)變到活化態(tài)所需的能量。第75頁，共125頁。底物濃度對反應(yīng)速度的影響1單底物、單產(chǎn)物反應(yīng)2酶促反應(yīng)速度一般在規(guī)定的反應(yīng)條件下，用單位時間內(nèi)底物的消耗量和產(chǎn)物的生成量來表示3反應(yīng)速度取其初速度，即底物的消耗量很小（一般在5﹪以內(nèi)）時的反應(yīng)速度4底物濃度遠遠大于酶濃度研究前提在其他因素不變的情況下，底物濃度對反應(yīng)速度的影響呈矩形雙曲線關(guān)系。第76頁，共125頁。當?shù)孜餄舛容^低時反應(yīng)速度與底物濃度成正比；反應(yīng)為一級反應(yīng)。[S]VVmax目錄第77頁，共125頁。隨著底物濃度的增高反應(yīng)速度不再成正比例加速；反應(yīng)為混合級反應(yīng)。[S]VVmax目錄第78頁，共125頁。當?shù)孜餄舛雀哌_一定程度反應(yīng)速度不再增加，達最大速度；反應(yīng)為零級反應(yīng)[S]VVmax目錄第79頁，共125頁。在單底物條件下，Brown和Henri于1902年提出了著名的中間復(fù)合物學(xué)說，即酶和底物首先形成復(fù)合物，然后復(fù)合物分離，形成產(chǎn)物和酶，下式是這一過程的直觀表示

第80頁，共125頁。1913年Michaelis和Menten提出反應(yīng)速度與底物濃度關(guān)系的數(shù)學(xué)方程式，即米－曼氏方程式，簡稱米氏方程式(Michaelisequation)。[S]：底物濃度V：不同[S]時的反應(yīng)速度Vmax：最大反應(yīng)速度(maximumvelocity)

Ｋm：米氏常數(shù)(Michaelisconstant)

第81頁，共125頁。米－曼氏方程式推導(dǎo)基于兩個假設(shè)：E與S形成ES復(fù)合物的反應(yīng)是快速平衡反應(yīng)，而ES分解為E及P的反應(yīng)為慢反應(yīng)，反應(yīng)速度取決于慢反應(yīng)即

V＝k3[ES]。(1)S的總濃度遠遠大于E的總濃度，因此在反應(yīng)的初始階段，S的濃度可認為不變即[S]＝[S0]。第82頁，共125頁。（一）推導(dǎo)過程穩(wěn)態(tài)：是指ES的生成速度與分解速度相等，即[ES]恒定。K1([E0]－[ES])[S]＝K2[ES]+K3[ES]K2+K3＝Km

（米氏常數(shù)）

K1令：則(2)變?yōu)?([E0]－[ES])[S]＝Km[ES](2)＝([E0]－[ES])[S]K2+K3[ES]K1整理得：第83頁，共125頁。當?shù)孜餄舛群芨撸瑢⒚傅幕钚灾行娜匡柡蜁r，即[E0]＝[ES]，反應(yīng)達最大速度Vmax＝K3[ES]＝K3[E0](5)[ES]＝───[E0][S]Km+[S](3)

整理得:將(5)代入(4)得米氏方程式：Vmax[S]Km+[S]V＝────將(3)代入(1)得K3[E0][S]Km+[S](4)

V＝────第84頁，共125頁。當反應(yīng)速度為最大反應(yīng)速度一半時

Km值的推導(dǎo)Km＝[S]∴Km值等于酶促反應(yīng)速度為最大反應(yīng)速度一半時的底物濃度，單位是mol/L。2＝Km+[S]

Vmax

Vmax[S]VmaxV[S]KmVmax/2第85頁，共125頁。（二）Km與Vmax的意義

Km值①Km等于酶促反應(yīng)速度為最大反應(yīng)速度一半時的底物濃度。②意義：a)

Km是酶的特征性常數(shù)之一；b)

Km可近似表示酶對底物的親和力；c)

同一酶對于不同底物有不同的Km值。第86頁，共125頁。

Vmax定義：Vm是酶完全被底物飽和時的反應(yīng)速度，與酶濃度成正比。意義：Vmax=K3[E]如果酶的總濃度已知，可從Vmax計算酶的轉(zhuǎn)換數(shù)(turnovernumber)，即動力學(xué)常數(shù)K3。第87頁，共125頁。（三）Ｋm值與Ｖmax值的測定1.雙倒數(shù)作圖法(doublereciprocalplot)，又稱為林-貝氏(Lineweaver-Burk)作圖法-1/Km

1/Vmax1/[S]1/V

Vmax[S]Km+[S]V=（林－貝氏方程）+1/V=KmVmax1/Vmax1/[S]兩邊同取倒數(shù)第88頁，共125頁。第25頁，共125頁。結(jié)合部位與底物之間存在互補的特點，就像鎖和鑰匙的關(guān)系，因而造成酶催化反應(yīng)的很強的專一性。第87頁，共125頁。酶的活性中心常為酶分子的凹穴，此處常為非極性或疏水性的氨基酸殘基。第91頁，共125頁。(3)酶活性(enzymeactivity)酶的比活力是酶用量的依據(jù)，也是同類酶之間質(zhì)量相互比較的依據(jù)，其通俗的定義是指能夠轉(zhuǎn)化一定量底物或生成一定量產(chǎn)物所需的酶量。脯氨酸具有類似而不同的化學(xué)結(jié)構(gòu)：酶幾乎可以催化所有類型的有機化學(xué)反應(yīng)，這些反應(yīng)包括：酯類的水解與合成，氨基化反應(yīng)，內(nèi)酯化反應(yīng)，內(nèi)酰氨化，酐化，環(huán)氧化和氰化，烯烴、烷烴、芳烴、醇類、醛類和酮類的氧化還原，加羧基和脫羧基，異構(gòu)化，酮醇化等。1961年國際生化聯(lián)合會酶學(xué)委員會EnzymeCommission(EC)提出將酶分為6類：與酶催化相關(guān)的幾個概念第30頁，共125頁。第三節(jié)酶作為催化劑的特點典型的競爭性抑制劑與酶的正常底物有近似的結(jié)構(gòu)，因此它與底物分子競爭地結(jié)合到活性部位。在高底物濃度下競爭性抑制劑的作用被壓倒，因為充分的高底物濃度可以將結(jié)合到活性部位的抑制劑分子競爭地排出。酶的活性中心通常分為底物結(jié)合部位和催化部位。2.Hanes作圖法[S][S]/V-Km

Km/Vm在林－貝氏方程基礎(chǔ)上，兩邊同乘[S][S]/V=Km/Vmax+[S]/Vmax第89頁，共125頁。二、酶的活性部位模型假說1.鎖鑰模型假說(EmilFischer,1894)酶作為生物催化劑有一個重要特點，即實現(xiàn)酶催化功能的必要條件之一是底物必須在酶上結(jié)合。鎖鑰模型假說提出了結(jié)合部位概念。結(jié)合部位與底物之間存在互補的特點，就像鎖和鑰匙的關(guān)系，因而造成酶催化反應(yīng)的很強的專一性。結(jié)合部位是酶的活性中心的組成部分。第90頁，共125頁。2.誘導(dǎo)契合模型假說(DEKoshlandJr)后來的研究發(fā)現(xiàn)自由酶的活性部位和底物間并不精確地像鎖鑰匙一般配合，從而提出了誘導(dǎo)契合模型假說。該假說認為，酶與底物結(jié)合時，結(jié)合力促使酶和底物分別發(fā)生一些構(gòu)象的變化，更有利于催化反應(yīng)的發(fā)生。酶的構(gòu)象變化可使結(jié)合更緊密，并使催化基團處于更有利于催化的位置上。底物形變造成的應(yīng)力狀態(tài)則可能使發(fā)生反應(yīng)的鍵變?nèi)?，降低反?yīng)的活化自由能使反應(yīng)速度增加。形變所需的能量則是由結(jié)合能提供的。

第91頁，共125頁。酶的抑制作用任何分子直接作用于酶使它的催化速率降低即稱為抑制劑（inhibitor）。某些酶的抑制劑是正常的細胞代謝物，有些抑制劑可以是外源物質(zhì)。酶抑制作用有兩種主要類型；不可逆的或可逆的。可逆的抑制作用本身又可在分為競爭性的和非競爭性的抑制作用。（一）、不可逆抑制作用抑制劑不可逆的與酶結(jié)合，它通常是與或靠近活性部位的氨基酸殘基形成共價鍵，永久地使酶失活。第92頁，共125頁。（二）可逆的競爭性抑制典型的競爭性抑制劑與酶的正常底物有近似的結(jié)構(gòu)，因此它與底物分子競爭地結(jié)合到活性部位。酶既可以結(jié)合底物分子也可以結(jié)合抑制劑分子，但不能兩者同時結(jié)合。競爭性抑制劑可逆地結(jié)合到活性部位。在高底物濃度下競爭性抑制劑的作用被壓倒，因為充分的高底物濃度可以將結(jié)合到活性部位的抑制劑分子競爭地排出。因此，酶的Vmax沒有變化，但在競爭性抑制劑存在下，酶對其底物的表觀親和力降低，因此Km增加。第93頁，共125頁。競爭性抑制劑競爭性抑制劑:

結(jié)合酶活性位點和底物競爭，或間接的誘導(dǎo)酶結(jié)合底物的位點改變E+S<===>ES===>P+E

+IEIk2k2+k3k1Km=k1k3第94頁，共125頁。第95頁，共125頁。（三）可逆的非競爭性抑制非競爭性抑制劑可逆地結(jié)合到除酶活性部位外的其他位點上，它使酶總的三維形狀改變，導(dǎo)致催化活性降低。因為抑制劑結(jié)合到與底物不同的酶結(jié)合部位，所以，酶既可以結(jié)合抑制劑，又可以結(jié)合底物，也可以將抑制劑和底物二者一起結(jié)合。非競爭性抑制劑的效應(yīng)不能由增高底物濃度而克服，所以，Vmax降低。在非競爭性抑制作用中，酶對底物的親和力不變，因此，Km保持一致。非競爭性抑制作用的實例是胃蛋白酶抑制劑對腎素的作用。第96頁，共125頁。非競爭性抑制競爭性抑制劑:

結(jié)合酶的非活性位點，改變酶的三維形狀，底物雖然可與酶結(jié)合但是不能生成產(chǎn)物。E+S<===>ES===>P+E

+ +I IKI KI

EI+S<===>EISk2k1k3

第97頁，共125頁。第98頁，共125頁。三酶的催化作用

廣義的酸堿催化、共價催化、鄰近效應(yīng)及定向效應(yīng)、變形或張力以及活性中心為疏水區(qū)域5個方面。1．廣義的酸堿催化在酶反應(yīng)中起到催化作用的酸與堿，在化學(xué)上應(yīng)與非酶反應(yīng)中酸與堿的催化作用相同。酸與堿，在狹義上常指能離解H+與OH-的化合物。狹義的酸堿催化劑即是H+

與OH-。廣義的酸堿是指能供給質(zhì)子（H+）與接受質(zhì)子的物質(zhì)。第99頁，共125頁。2．共價催化所謂共價催化就是底物與酶以共價方式形成中間物。

第100頁，共125頁。酶催化機理實例—胰凝乳蛋白酶A.酶與底物結(jié)合，形成米氏復(fù)合物（ES）B.形成四聯(lián)體過度態(tài)中間物第101頁，共125頁。第102頁，共125頁。E.形成包括水分子的四聯(lián)體過度中間物F.羧基產(chǎn)物形成，酶游離第103頁，共125頁。3．鄰近效應(yīng)及定向效應(yīng)所謂鄰近效率，就是底物的反應(yīng)基團與酶的催化基團越靠近，同時與底物定向，其反應(yīng)速度越快。第104頁，共125頁。4．變形或張力酶使底物分子中的敏感鍵發(fā)生變形或張力，從而使底物的敏感鍵更易于破裂，有利于底物與酶的結(jié)合。5．酶的活性中心為疏水區(qū)域酶的活性中心常為酶分子的凹穴，此處常為非極性或疏水性的氨基酸殘基。

第105頁，共125頁。圖4：變形或張力示意第106頁，共125頁。四酶的立體專一性區(qū)別：非酶促反應(yīng)中底物分子之間是通過均一地接觸與碰撞完成化學(xué)反應(yīng)，而酶促反應(yīng)是在一個非對稱的特殊蛋白的表面上發(fā)生，也正因為如此，酶才能完成對底物的非對稱反應(yīng)。第107頁，共125頁。酶催化反應(yīng)三點結(jié)合學(xué)說1948年，A.G.Agston在《自然》雜志上提出了著名的三點結(jié)合學(xué)說(three-pointattachmentrule)，用于解釋酶促反應(yīng)高度的對映體選擇性。這一學(xué)說的核心就是在酶催化反應(yīng)中，底物與酶之間至少有3個活性結(jié)合位點，即底物中同手性碳