酶催化作用綜述

1、 工業(yè)催化原理論文 論文題目： 淺談酶催化作用 課程名稱： 工業(yè)催化原理 學(xué) 院： 化學(xué)與化工學(xué)院 專 業(yè)： 化學(xué)工程與工藝 年 級： 化工122 學(xué) 號： 學(xué)生姓名： 鄧元順 淺論酶催化作用摘要酶作為催化劑使用已經(jīng)有幾個世紀(jì)的歷史，但那時人們對酶的本性和功能并不了解。直到20世紀(jì)初，才證明所有的發(fā)酵過程均是由所用的酶促成的，故而酶也常被叫做酵素?，F(xiàn)已證明，酶是由長鏈氨基酸構(gòu)成的蛋白質(zhì)。許多酶的初級結(jié)構(gòu)已得到確定，而且影響酶催化功能的三維空間結(jié)構(gòu)已被證明。盡管獲得了不少信息，關(guān)于酶催化作用機理的一些基本細節(jié)仍不甚明朗，如今酶催化技術(shù)作為工業(yè)生物技術(shù)的核心，被譽為工業(yè)可持續(xù)發(fā)展最有希望的技術(shù)。A

2、bstractsEnzymes have been used for centuries, but it is not known to the nature and function of the enzyme. It was not until early twentieth Century that all of the fermentation processes were promoted by the enzymes that were used, and the enzyme was often called an enzyme. It has been proved that

3、the enzyme is a protein composed of long chain amino acids. The primary structure of many enzymes has been determined, and the three-dimensional structure of the enzyme catalytic function has been demonstrated. In spite of a lot of information, some basic details about the mechanism of enzyme cataly

4、sis are still not very clear, and now the catalytic technology as the core of industrial biotechnology, known as the most promising technology for the sustainable development of industry.關(guān)鍵詞：酶，酶催化作用， 1、 酶及酶催化簡介酶，又稱為酵素，是具有生物催化功能的生物大分子，即生物催化劑。絕大多數(shù)的酶都是蛋白質(zhì)，也有極少部分的酶由RNA類的核酸構(gòu)成。酶催化可以看作是介于均相與非均相催化反應(yīng)之間的一種催化反

5、應(yīng)。 既可以看成是反應(yīng)物與酶形成了中間化合物，也可以看成是在酶的表面上首先吸附了反應(yīng)物，然后再進行反應(yīng)。2、 酶催化作用的機理 酶的催化機理和一般化學(xué)催化劑基本相同，也是先和反應(yīng)物（酶的底物）結(jié)合成絡(luò)合物，通過降低反應(yīng)的能來提高化學(xué)反應(yīng)的速度，在恒定溫度下，化學(xué)反應(yīng)體系中每個反應(yīng)物分子所含的能量雖然差別較大，但其平均值較低，這是反應(yīng)的初態(tài)。S（底物）P（產(chǎn)物）這個反應(yīng)之所以能夠進行，是因為有相當(dāng)部分的S分子已被激活成為活化（過渡態(tài)）分子，活化分子越多，反應(yīng)速度越快。在特定溫度時，化學(xué)反應(yīng)的活化能是使1摩爾物質(zhì)的全部分子成為活化分子所需的能量（千卡）。酶（E）的作用是：與S暫時結(jié)合形成一個新化合

6、物ES，ES的活化狀態(tài)（過渡態(tài)）比無催化劑的該化學(xué)反應(yīng)中反應(yīng)物活化分子含有的能量低得多。ES再反應(yīng)產(chǎn)生P，同時釋放E。E可與另外的S分子結(jié)合，再重復(fù)這個循環(huán)。降低整個反應(yīng)所需的活化能，使在單位時間內(nèi)有更多的分子進行反應(yīng)，反應(yīng)速度得以加快。2.1：酶催化機理的兩種假說酶催化作用機理在歷史上有兩種說法，分別為鎖鑰配合說和誘導(dǎo)契合說。1. 鎖鑰配合說關(guān)于酶如何對特定結(jié)構(gòu)的底物分子起催化作用，而對立體異構(gòu)物不能起作用的問題，很早就引起科學(xué)家，特別是有機化學(xué)家的注意。1894年德國的有機化學(xué)大師Fisher曾提出了酶專一性的鎖與鑰匙學(xué)說，其中心思想認為：酶與底物作用，好像是鎖與鑰匙的關(guān)系，酶與底物的相互

7、作用在結(jié)構(gòu)上必須是具有種嚴(yán)密的互補關(guān)系，整個酶分子的天然構(gòu)象必須是完善的，亦即具有剛性。如果酶分子構(gòu)象發(fā)生微小的變化就會破壞和底物的契合關(guān)系，即“一把特定的鑰匙只能開一把特定的鎖。隨著對酶的機理的進一步研究，表明鎖與鑰匙學(xué)說存在著很多缺點，與許多實驗事實不相符，不能解釋催化反應(yīng)前后的分子行為差異。2. 誘導(dǎo)契合說1958年Koshland提出了誘導(dǎo)契合學(xué)說，即：酶與底物之間在結(jié)構(gòu)上有嚴(yán)格的互補外，酶分子本身不是固定的、一成不變的剛性。酶分子活性部位的氨基酸殘基側(cè)鏈的空間排布具有一定的柔曲性。底物分予可誘導(dǎo)酶分子構(gòu)象發(fā)生相應(yīng)的改變(如同一只手誘導(dǎo)手套的形狀起變化一樣)，從而引起催化部位的有關(guān)基因

8、在空間排布位置的調(diào)整。由于這調(diào)整，酶的催化基團與底物的敏感鍵便能正確地對準(zhǔn)方位，二者互相契合，形成酶底物絡(luò)合物。這是另一種形象的學(xué)說，比舊說有較大的推進，賦予酶基團的能動性和底物與酶相依互作的因素。Koshland的學(xué)說，可以說明類似物對催化劑的抑制作用，特別便利于說明競爭性抑制現(xiàn)象，例如丙二酸對丁二酸脫氫酶的競爭性抑制。這一學(xué)說也得到了一些預(yù)期的支持，尤其是用X光衍射方法研究了溶茵酶、彈性蛋白酶、羧基脲酶等與底物結(jié)合的結(jié)構(gòu)改變得來的信息，與契合學(xué)說預(yù)期相當(dāng)一致。2.2：具體機理的描述1. 底物與酶的“靠近”及“定向”由于化學(xué)反應(yīng)速度與反應(yīng)物濃度成正比，若在反應(yīng)系統(tǒng)的某一局部區(qū)域，底物濃度增高

9、，則反應(yīng)速度也隨之增高。提高酶反應(yīng)速度的最主要方法是使底物分子進入酶的活性中心區(qū)域，亦即大大提高活性中心區(qū)域的底物有效濃度。曾測到過某底物在溶液中的濃度為0.001mol/L，而在其酶活性中心的濃度竟達100mol/L，比溶液中的濃度高十萬倍！因此，可以想象在酶的活性中心區(qū)域反應(yīng)速度必定是極高的。“靠近效應(yīng)”對提高反應(yīng)速度的作用可以用一個著名的有機化學(xué)實驗來說明，雙羧酸的單苯基酯在分子內(nèi)催化的過程中，自由的羧基作為催化劑起作用，而連有R的酯鍵則作為底物，受COO-的催化，破裂成環(huán)而形成酸酐，催化基團COO-愈靠近底物酯鍵則反應(yīng)速度愈快，在最靠近的情況下速度可增加53000倍。但是僅僅“靠近”還

10、不夠，還需要使反應(yīng)的基團在反應(yīng)中彼此相互嚴(yán)格地“定向”。只有既“靠近”又“定向”，反應(yīng)物分子才被作用，迅速形成過渡態(tài)。當(dāng)?shù)孜镂磁c酶結(jié)合時，活性中心的催化基團還未能與底物十分靠近，但由于酶活性中心的結(jié)構(gòu)有一種可適應(yīng)性，即當(dāng)專一性底物與活性中心結(jié)合時，酶蛋白會發(fā)生一定的構(gòu)象變化，使反應(yīng)所需要的酶中的催化基團與結(jié)合基團正確地排列并定位，以便能與底物楔合，使底物分子可以“靠近”及“定向”于酶，這也就是前面提到的誘導(dǎo)楔合。這樣活性中心局部的底物濃度才能大大提高。酶構(gòu)象發(fā)生的這種改變是反應(yīng)速度增大的一種很重要的原因。反應(yīng)后，釋放出產(chǎn)物，酶的構(gòu)象再逆轉(zhuǎn)，回到它的初始狀態(tài)。對溶菌酶及羧肽酶進行的X-衍射分析的

11、實驗結(jié)果證實了以上的看法。Jenck等人指出“靠近”及“定向”可能使反應(yīng)速度增長108倍，這與許多酶催化效率的計算是很相近的。2. 酶使底物分子中的敏感鍵發(fā)生“變形”酶使底物分子中的敏感鍵發(fā)生“變形”(域張力)，從而促使底物中的敏感鍵更易于破裂。前面曾經(jīng)提到，當(dāng)酶遇到它的專一性底物時，發(fā)生構(gòu)象變化以利于催化。事實上，不僅酶構(gòu)象受底物作用而變化，底物分子常常也受酶作用而變化。酶中的某些基團或離子可以使底物分子內(nèi)敏感鍵中的某些基團的電子云密度增高或降低，產(chǎn)生“電子張力”，使敏感鍵的一端更加敏感，更易于發(fā)生反應(yīng)。有時甚至使底物分子發(fā)生變形，這樣就使酶-底物復(fù)合物易于形成。而且往往是酶構(gòu)象發(fā)生改變的同

12、時，底物分子也發(fā)生形變，從而形成一個互相楔合的酶-底物復(fù)合物。羧肽酶A的X-衍射分析結(jié)果就為這種“電子張力”理論提供了證據(jù)。3. 共價催化還有一些酶以另一種方式來提高催化反應(yīng)的速度，即共價催化。這種方式是底物與酶形成一個反應(yīng)活性很高的共價中間物，這個中間物很易變成過渡態(tài)，因此反應(yīng)的活化能大大降低，底物可以越過較低的“能閾”而形成產(chǎn)物。共價催化可以提高反應(yīng)速度的原因需要從有機模式反應(yīng)的某些原理談起，共價催化的最一般形式是催化劑的親核基團對底物中親電子的碳原子進行攻擊。親核基團含有多電子的原子，可以提供電子。它是十分有效的催化劑。親核基團作為強有力的催化劑對提高反應(yīng)速度的作用可由下面親核基團催化酰

13、基的反應(yīng)中看出：第一步，親核基團(催化劑Y)攻擊含有酰基的分子，形成了帶有親核基團的?；苌?，這種催化劑的酰基衍生物作為一個共價中間物再起作用；第二步，酰基從親核的催化劑上再轉(zhuǎn)移到最終的?；荏w上。4. 酶催化反應(yīng)的通式 在酶催化反應(yīng)中，根據(jù)中間產(chǎn)物學(xué)說，催化反應(yīng)可以分為兩步進行，反應(yīng)式如下： E+SESP+E 酶底物中間產(chǎn)物最終產(chǎn)物酶酶（E）的作用是：與S暫時結(jié)合形成一個新化合物ES，ES的活化狀態(tài)（過渡態(tài)）比無催化劑的該化學(xué)反應(yīng)中反應(yīng)物活化分子含有的能量低得多。ES再反應(yīng)產(chǎn)生P，同時釋放E。E可與另外的S分子結(jié)合，再重復(fù)這個循環(huán)。降低整個反應(yīng)所需的活化能，使在單位時間內(nèi)有更多的分子進行反

14、應(yīng)，反應(yīng)速度得以加快。三、酶催化作用的特點1高效性：酶的催化效率比無機催化劑更高，使得反應(yīng)速率更快；2專一性：一種酶能催化一種或一類底物，如蛋白酶只能催化蛋白質(zhì)水解成多肽；因在食用酵素當(dāng)今在功能上，主要有四種：高濃縮SOD酵素如，復(fù)方天然酵素主要用于乳腺瘤、子宮肌瘤、卵巢囊腫等腫瘤方面；長生酵素直接補脾補腎補氣血，全面理；纖體酵素專門轉(zhuǎn)化脂肪減肥；腸毒清酵素則專門清理腸皺褶的毒素。3多樣性：酶的種類很多，大約有5000多種，其中可以通過食用補充的酵素達2000多種；形態(tài)上主要有三種：專業(yè)級酵素為酵素膠囊，其次為酵素粉，而液體酵含量低、效價低、易腐敗而安全性較差一些，食用風(fēng)險較高。4溫和性：是指

15、酶所催化的化學(xué)反應(yīng)一般是在較溫和的條件下進行的，因此，純正酵是中性的，溫和的，不存在副作用，或“好轉(zhuǎn)反應(yīng)”。對于有刺激性而必然存的“好轉(zhuǎn)反應(yīng)”，除了本身腐敗以外，也有可能有藥品的添加。5活性可調(diào)節(jié)性：包括抑制劑和激活劑調(diào)節(jié)、反饋抑制調(diào)節(jié)、共價修飾調(diào)節(jié)和變構(gòu)調(diào)節(jié)等。6.易變性：大多數(shù)酶是蛋白質(zhì)，因而會被高溫、強酸、強堿等破壞；7.有些酶的催化性與輔助因子有關(guān)。4、 酶催化的影響因素1酶濃度對酶促反應(yīng)速度的影響從米門公式和酶濃度與酶促反應(yīng)速度的關(guān)系圖解可以看出：酶促反應(yīng)速度與酶分子的濃度成正比。當(dāng)?shù)孜锓肿訚舛茸銐驎r，酶分子越多，底物轉(zhuǎn)化的速度越快。但事實上，當(dāng)酶濃度很高時，并不保持這種關(guān)系，曲線逐

16、漸趨向平緩。根據(jù)分析，這可能是高濃度的底物夾帶有許多的抑制劑所致。2底物濃度對酶促反應(yīng)速度的影響在生化反應(yīng)中，若酶的濃度為定值，底物的起始濃度較低時，酶促反應(yīng)速度與底物濃度成正比，即隨底物濃度的增加而增加。當(dāng)所有的酶與底物結(jié)合生成中間產(chǎn)物后，即使在增加底物濃度，中間產(chǎn)物濃度也不會增加，酶促反應(yīng)速度也不增加。還可以得出，在底物濃度相同條件下，酶促反應(yīng)速度與酶的初始濃度成正比。酶的初始濃度大，其酶促反應(yīng)速度就大。拓撲異構(gòu)酶在實際測定中，即使酶濃度足夠高，隨底物濃度的升高，酶促反應(yīng)速度并沒有因此增加，甚至受到抑制。其原因是：高濃度底物降低了水的有效濃度，降低了分子擴散性，從而降低了酶促反應(yīng)速度。過量

17、的底物聚集在酶分子上，生成無活性的中間產(chǎn)物，不能釋放出酶分子，從而也會降低反應(yīng)速度。3溫度對酶促反應(yīng)速度的影響各種酶在最適溫度范圍內(nèi)，酶活性最強，酶促反應(yīng)速度最大。在適宜的溫度范圍內(nèi)，溫度每升高10，酶促反應(yīng)速度可以相應(yīng)提高12倍。不同生物體內(nèi)酶的最適溫度不同。如，動物組織中各種酶的最適溫度為3740；微生物體內(nèi)各種酶的最適溫度為2560，但也有例外，如黑曲糖化酶的最適溫度為6264；巨大芽孢桿菌、短乳酸桿菌、產(chǎn)氣桿菌等體內(nèi)的葡萄糖異構(gòu)酶的最適溫度為80；枯草桿菌的液化型淀粉酶的最適溫度為8594?？梢?，一些芽孢桿菌的酶的熱穩(wěn)定性較高。過高或過低的溫度都會降低酶的催化效率，即降低酶促反應(yīng)度。最

18、適溫度在60以下的酶，當(dāng)溫度達到6080時，大部分酶被破壞，發(fā)生不可逆變性；當(dāng)溫度接近100時，酶的催化作用完全喪失。所以，人在發(fā)燒時，不想吃東西。4pH對酶促反應(yīng)速度的影響酶在最適pH范圍內(nèi)表現(xiàn)出活性，大于或小于最適pH，都會降低酶活性。主要表現(xiàn)在兩個方面：改變底物分子和酶分子的帶電狀態(tài)，從而影響酶和底物的結(jié)合；過高或過低的pH都會影響酶的穩(wěn)定性，進而使酶遭受不可逆破壞。人體中的大部分酶所處環(huán)境的pH值越接近7，催化效果越好。但人體中的胃蛋白酶卻適宜在pH值為12的環(huán)境中，胰蛋白酶的最適pH在8左右。5激活劑對酶促反應(yīng)速度的影響能激活酶的物質(zhì)稱為酶的激活劑。激活劑種類很多，有無機陽離子，如鈉

19、離子、鉀離子、銅離子、鈣離子等；無機陰離子，如氯離子、溴離子、碘離子、硫酸鹽離子磷酸鹽離子等；有機化合物，如維生素C、半胱氨酸、還原性谷胱甘肽等。許多酶只有當(dāng)某一種適當(dāng)?shù)募せ顒┐嬖跁r，才表現(xiàn)出催化活性或強化其催化活性，這稱為對酶的激活作用。而有些酶被合成后呈現(xiàn)無活性狀態(tài)，這種酶稱為酶原。它必須經(jīng)過適當(dāng)?shù)募せ顒┘せ詈蟛啪呋钚浴?抑制劑對酶促反應(yīng)速度的影響能減弱、抑制甚至破壞酶活性的物質(zhì)稱為酶的抑制劑。它可降低酶促反應(yīng)度。酶的抑制劑有重金屬離子、一氧化碳、硫化氫、氫氰酸、氟化物、碘化乙酸、生物堿、染料、對-氯汞苯甲酸、二異丙基氟磷酸、乙二胺四乙酸、表面活性劑等。對酶促反應(yīng)的抑制可分為競爭性抑制和非

20、競爭性抑制。與底物結(jié)構(gòu)類似的物質(zhì)爭先與酶的活性中心結(jié)合，從而降低酶促反應(yīng)速度，這種作用稱為競爭性抑制。競爭性抑制是可逆性抑制，通過增加底物濃度最終可解除抑制，恢復(fù)酶的活性。與底物結(jié)構(gòu)類似的物質(zhì)稱為競爭性抑制劑。抑制劑與酶活性中心以外的位點結(jié)合后，底物仍可與酶活性中心結(jié)合，但酶不顯示活性，這種作用稱為非競爭性抑制。非競爭性抑制是不可逆的，增加底物濃度并不能解除對酶活性的抑制。與酶活性中心以外的位點結(jié)合的抑制劑，稱為非競爭性抑制劑。5、 酶催化作用的意義1.生物學(xué)意義在生物體內(nèi)，酶發(fā)揮著非常廣泛的功能。信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和細胞活動的調(diào)控都離不開酶，特別是激酶和磷酸酶的參與。酶也能產(chǎn)生運動，通過催化肌球蛋白上

21、ATP的水解產(chǎn)生肌肉收縮，并且能夠作為細胞骨架的一部分參與運送胞內(nèi)物質(zhì)。一些位于細胞膜上的ATP酶作為離子泵參與主動運輸。一些生物體中比較奇特的功能也有酶的參與，例如熒光素酶可以為螢火蟲發(fā)光。病毒中也含有酶，或參與侵染細胞（如HIV整合酶和逆轉(zhuǎn)錄酶），或參與病毒顆粒從宿主細胞的釋放（如流感病毒的神經(jīng)氨酸酶）。2.動力學(xué)意義 酶動力學(xué)是研究酶結(jié)合底物能力和催化反應(yīng)速率的科學(xué)。研究者通過酶反應(yīng)分析法（enzymeassay）來獲得用于酶動力學(xué)分析的反應(yīng)速率數(shù)據(jù)。3.熱力學(xué)意義 與其他催化劑一樣，酶并不改變反應(yīng)的平衡常數(shù)，而是通過降低反應(yīng)的活化能來加快反應(yīng)速率。通常情況下，反應(yīng)在酶存在或不存在的兩種

22、條件下，其反應(yīng)方向是相同的，只是前者的反應(yīng)速度更快一些。但必須指出的是，在酶不存在的情況下，底物可以通過其他不受催化的“自由”反應(yīng)生成不同的產(chǎn)物，原因是這些不同產(chǎn)物的形成速度更快。酶可以連接兩個或多個反應(yīng)，因此可以用一個熱力學(xué)上更容易發(fā)生的反應(yīng)去“驅(qū)動”另一個熱力學(xué)上不容易發(fā)生的反應(yīng)。例如，細胞常常通過ATP被酶水解所產(chǎn)生的能量來驅(qū)動其他化學(xué)反應(yīng)。酶可以同等地催化正向反應(yīng)和逆向反應(yīng)，而并不改變反應(yīng)自身的化學(xué)平衡。例如，碳酸酐酶可以催化如下兩個互逆反應(yīng)，催化哪一種反應(yīng)則是依賴于反應(yīng)物濃度。6、 總結(jié)與展望 酶催化是一門偉大而神奇的學(xué)科，經(jīng)過對酶催化行業(yè)各種技術(shù)的粗淺學(xué)習(xí)，我了解了很多，學(xué)到了很多，感悟了很多。酶催化作用的偉大，在于它精巧的微觀層面上，影響著整個宏觀的體系甚至是整個世界，它滲透在世界的各個角落，幾乎每一處的科學(xué)研究都有它的足跡。千百年來的人類進步，尤其是近百年來的科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，酶催化技術(shù)都有著無法磨滅的功勛。當(dāng)今社會，世界各國的科學(xué)家對酶催化的科學(xué)研究與在科學(xué)研究當(dāng)中的應(yīng)用，總是走在科技發(fā)展的最前沿。 酶在我國的應(yīng)用領(lǐng)域主要在食品與醫(yī)藥領(lǐng)域，并且應(yīng)用得也并不成熟，在很多其他的行業(yè)里還鮮有見到酶的身影，因此，酶催化在我國仍舊有著非常廣闊的發(fā)展前景，當(dāng)酶催化廣泛應(yīng)用于更多領(lǐng)域的時候，必將產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟效益與環(huán)境效益。同時，我們要認識到，這一切的一切，不是一