第一章 緒論 (NXPowerLite).ppt

1、Chapter 1 Introduction,緒論,制作：鄭穗平,Contents of chapter 1,1、酶的定義,2、酶的發(fā)現(xiàn)及研究歷史,3、酶的分類命名,4、酶的化學(xué)性質(zhì)與催化特性,Go,Go,Go,Go,酶是生物細(xì)胞產(chǎn)生的、具有催化能力的生物催化劑。,定義：酶是生物體內(nèi)進(jìn)行新陳代謝不可缺少的受多種因素調(diào)節(jié)控制的具有催化能力的生物催化劑。,酶具有一般催化劑的特征：1.只能進(jìn)行熱力學(xué)上允許進(jìn)行的反應(yīng)；2.可以縮短化學(xué)反應(yīng)到達(dá)平衡的時(shí)間，而不改變反應(yīng)的平衡點(diǎn)；3.通過(guò)降低活化能加快化學(xué)反應(yīng)速度。,酶的催化高效性,通常要高出非生物催化劑催化活性的1061013倍。,1.1 酶的定義,回本

2、章目錄,1.2 酶的發(fā)現(xiàn)及研究歷史,人們對(duì)酶的認(rèn)識(shí)起源于生產(chǎn)與生活實(shí)踐。 夏禹時(shí)代，人們掌握了釀酒技術(shù)。 公元前12世紀(jì)周朝，人們釀酒，制作飴糖和醬。 春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期已知用麴(曲)治療消化不良的疾病。 酶者，酒母也,酶 酒,西方國(guó)家19世紀(jì)對(duì)釀酒發(fā)酵過(guò)程進(jìn)行了大量研究。直到1897年，德國(guó)巴克納Buchner兄弟用石英砂磨碎酵母細(xì)胞，制備了不含酵母細(xì)胞的抽提液，并證明此不含細(xì)胞的酵母提取液也能使糖發(fā)酵，說(shuō)明發(fā)酵與細(xì)胞的活動(dòng)無(wú)關(guān)。從而說(shuō)明了發(fā)酵是酶作用的化學(xué)本質(zhì)，為此Buchner獲得了1911年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。 1896年,日本的高峰讓吉首先從米曲霉中制得高峰淀粉酶,用作消化劑,開創(chuàng)了有目的的進(jìn)行

3、酶生產(chǎn)和應(yīng)用的先例。,1878年, 給酶一個(gè)統(tǒng)一的名詞，叫Enzyme，這個(gè)字來(lái)自希臘文，其意思“在酵母中”。 后來(lái)對(duì)酶的作用機(jī)理及酶的本質(zhì)做了深入研究， 1930年，證實(shí)酶是一種蛋白質(zhì)； 80年代初發(fā)現(xiàn)了具有催化功能的RNA核酶(ribozyme)，這一發(fā)現(xiàn)打破了酶是蛋白質(zhì)的傳統(tǒng)觀念，開辟了酶學(xué)研究的新領(lǐng)域， 現(xiàn)已鑒定出4000多種酶，數(shù)百種酶已得到結(jié)晶，而且每年都有新酶被發(fā)現(xiàn)。,1908年,德國(guó)的羅姆制得胰酶,用于皮革的軟化。 1908年,法國(guó)的波伊登(Boidin)制備了細(xì)菌淀粉酶,應(yīng)用于紡織品的退漿。 1911年,美國(guó)的華勒斯坦(Wallestein)制得木瓜蛋白酶,用于除去啤酒中的蛋

4、白質(zhì)渾濁。 此后,酶的生產(chǎn)和應(yīng)用逐步發(fā)展。然而在50年代以前停留在從微生物，動(dòng)物或植物中提取酶,加以利用階段.由于當(dāng)時(shí)生產(chǎn)力落后,生產(chǎn)工藝較繁雜,難以進(jìn)行大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。,酶的應(yīng)用歷史,1949年,用液體深層培養(yǎng)法進(jìn)行細(xì)菌淀粉酶的發(fā)酵生產(chǎn),揭開了近代酶工業(yè)的序幕。 50年代以后,隨著生化工程的發(fā)展,大多數(shù)酶制劑的生產(chǎn)已轉(zhuǎn)向微生物流體深層發(fā)酵的方法。酶的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。 50年代：開始了酶固定化研究。1953年德國(guó)科學(xué)家首先將聚氨基苯乙烯樹脂與淀粉酶,胃蛋白酶,羧肽酶和核糖核酸酶等結(jié)合,制成了固定化酶。 60年代，是固定化酶技術(shù)迅速發(fā)展的時(shí)期。1969年,日本的千煙一郎首次在工業(yè)上應(yīng)用固定化氨

5、基酰化酶從DL-氨基酸生產(chǎn)L-氨基酸。出現(xiàn)了“酶工程”這個(gè)名詞來(lái)代表有效利用酶的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。,1971年第一屆國(guó)際酶工程學(xué)術(shù)會(huì)議在美國(guó)召開,當(dāng)時(shí)的主題即是固定化酶，進(jìn)一步開展了對(duì)微生物細(xì)胞固定化的研究。 1973年,千煙一郎首次利用固定化的大腸桿菌細(xì)胞生產(chǎn)L-天冬氨酸。 1978年,日本的鈴木等固定化細(xì)胞生產(chǎn) -淀粉酶研究成功.所以說(shuō),70年代是固定化細(xì)胞技術(shù)取得進(jìn)展的時(shí)期. 80年代，固定化細(xì)胞已能用于生產(chǎn)胞外酶,因此,80年代又發(fā)展了固定化原生質(zhì)體技術(shù),排除了細(xì)胞壁這一障礙。,在酶的固定化技術(shù)發(fā)展的同時(shí),酶分子修飾技術(shù)也取得了進(jìn)展。 60年代，用小分子化合物修飾酶分子側(cè)鏈基團(tuán),使酶性質(zhì)發(fā)

6、生改變; 70年代,修飾劑的選用、修飾方法上又有了新的發(fā)展。 此外,對(duì)抗體酶,人工酶,模擬酶等方面,以及酶的應(yīng)用技術(shù)研究 ,在近20年均取得了較大進(jìn)展,使酶工程不斷向廣度和深度發(fā)展,顯示出廣闊而誘人的前景。,回本章目錄,1961年國(guó)際酶學(xué)委員會(huì)（Enzyme Committee, EC）根據(jù)酶所催化的反應(yīng)類型和機(jī)理，把酶分成6大類：,1.3 酶的分類與命名,Each enzyme is now classified and named according to the type of chemical reaction it catalyzes. So an enzyme is assigne

7、d a four-number classification and a two-part name called a systematic name. In addition recommended name is suggested by IUB for everyday use. E.C. X.X.X.X,酶的命名有兩種方法：系統(tǒng)名、慣用名。,系統(tǒng)名：包括所有底物的名稱和反應(yīng)類型。,乳酸 + NAD+,丙酮酸 + NADH + H+,乳酸：NAD+氧化還原酶,慣用名：只取一個(gè)較重要的底物名稱和反應(yīng)類型。,乳酸：NAD+氧化還原酶,乳酸脫氫酶,對(duì)于催化水解反應(yīng)的酶一般在酶的名稱上省去反應(yīng)類

8、型。,氧化-還原酶催化氧化-還原反應(yīng)。 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(yīng)。,(1) 氧化還原酶 Oxidoreductase,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。例如， 谷丙轉(zhuǎn)氨酶催化的氨基轉(zhuǎn)移反應(yīng)。,(2) 轉(zhuǎn)移酶 Transferase,水解酶催化底物的加水分解反應(yīng)。 主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。 例如，脂肪酶(Lipase)催化的脂的水解反應(yīng)：,(3) 水解酶 hydrolase,裂合酶催化從底物分子中移去一個(gè)基團(tuán)或原子形成雙鍵的反應(yīng)及其逆反應(yīng)。

9、 主要包括醛縮酶、水化酶及脫氨酶等。 例如， 延胡索酸水合酶催化的反應(yīng)。,(4) 裂合酶 Lyase,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。例如，6-磷酸葡萄糖異構(gòu)酶催化的反應(yīng)。,(5) 異構(gòu)酶 Isomerase,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(yīng)。這類反應(yīng)必須與ATP分解反應(yīng)相互偶聯(lián)。 A + B + ATP + H-O-H =A B + ADP +Pi 例如，丙酮酸羧化酶催化的反應(yīng)。 丙酮酸 + CO2 草酰乙酸,(6) 合成酶 Ligase or Synthetase,核酸類酶（R酶）的分類,自1982年以來(lái)，

10、被發(fā)現(xiàn)的核酸類酶越來(lái)越多，對(duì)它的研究越來(lái)越廣泛和深入。但是對(duì)于分類和命名還沒(méi)有統(tǒng)一的原則和規(guī)定。 根據(jù)酶催化反應(yīng)的類型，可以將R酶分為剪切酶，剪接酶，和多功能酶等三類。 根據(jù)R酶的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不同，可分為錘頭型R酶，發(fā)夾型R酶，含I型IVS 的R酶，含II型 IVS 的R酶等。 根據(jù)酶催化的底物是其本身RNA分子還是其它分子，可以將R酶分為分子內(nèi)催化（in cis，也稱為自我催化）和分子間催化（in trans）兩類。,回本章目錄,（一）酶的化學(xué)本質(zhì),1926年J.B.Sumner首次從刀豆制備出脲酶結(jié)晶，證明其為蛋白質(zhì)，并提出酶的本質(zhì)就是蛋白質(zhì)的觀點(diǎn)。,1982年T.Cech發(fā)現(xiàn)了第1個(gè)有催化活

11、性的天然RNAribozyme（核酶），以后Altman和Pace等又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了真正的RNA催化劑。,核酶的發(fā)現(xiàn)不僅表明酶不一定都是蛋白質(zhì)，還促進(jìn)了有關(guān)生命起源、生物進(jìn)化等問(wèn)題的進(jìn)一步探討。,1.4 酶的化學(xué)性質(zhì)與催化特性,（二）酶的組成,酶,單純酶,結(jié)合酶,（全酶）= 酶蛋白 + 輔因子,輔因子,輔酶,與酶蛋白結(jié)合得比較松的小分子有機(jī)物。,輔基,與膜蛋白結(jié)合得緊密的小分子有機(jī)物。,金屬激活劑,金屬離子作為輔助因子。,酶的催化專一性主要決定于膜蛋白部分。 輔因子通常是作為電子、原子或某些化學(xué)基團(tuán)的載體。,（三）單體酶、寡聚酶和多酶復(fù)合物,1.單體酶（monomeric enzyme)：僅有一條

12、具有活性部位的多肽鏈，全部參與水解反應(yīng)。,2.寡聚酶 (oligomeric enzyme)：由幾個(gè)或多個(gè)亞基組成，亞基牢固地聯(lián)在一起，單個(gè)亞基沒(méi)有催化活性。亞基之間以非共價(jià)鍵結(jié)合。,3.多酶復(fù)合物 (multienzyme system)：幾個(gè)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)。,(四) 活性部位和必需基團(tuán),必需基團(tuán)：這些基團(tuán)若經(jīng)化學(xué)修飾使其改變，則酶的活性喪失。,活性部位：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。,必需基團(tuán),活性部位,維持酶的空間結(jié)構(gòu),結(jié)合基團(tuán),催化基團(tuán),專一性,催化性質(zhì),(五) 酶作用的專一性,族專一性：可作用于一類或一些結(jié)構(gòu)很相似的底物。,絕對(duì)專一性：只能作用于某一底物。,酶的催化作用受到底物濃度、酶濃度、溫度、pH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(guò)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。,(六) 影響酶催化的各種因素,1、酶活力與酶反應(yīng)速度，比活力 2、酶活力測(cè)定方法 反應(yīng)體系選