生物化學第7章-酶引論

1、第七章 酶引論,酶的早期利用,公元前21世紀，我國人民就會釀酒,19世紀中葉對發(fā)酵本質的探討,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果 1878年khne: Enzyme-“在酵母中” 1897年Bchner兄弟：用酵母提取液實現發(fā)酵（1907年的諾貝爾化學獎）,關于酶的化學本質的認識,1926年，Sumner從刀豆種子中分離、純化得到了脲酶結晶，首次證明酶是具有催化活性的蛋白質。（1949年諾貝爾化學獎） 1982 年Cech從四膜蟲發(fā)現rRNA的自身催化作用，并提出了核酶（ribozyme）的概念。（

2、1989年諾貝爾化學獎）,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,主要內容,酶催化作用的特點 酶的化學本質及其組成 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,9.1、酶催化作用的特點,一、酶是催化劑降低

3、酶促反應活化能。,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1081020倍。 酶具有高度專一性（反應專一性，底物專一性）。 酶活性受調節(jié)控制。,酶活力受到調節(jié)和控制,調節(jié)酶濃度 激素控制 反饋調節(jié) 抑制劑或激活劑調節(jié) 別構調控、共價修飾調節(jié)、酶原激活等。,9.2、酶的化學本質及其組成,一、酶的化學本質： 目前發(fā)現的大多數酶符合蛋白質的特性，是蛋白質。 有些酶的成分是RNA，稱為核糖酶。,9.2、酶的化學本質及其組成,二、酶的化學組成 簡單蛋白質：除蛋白質外，不含其它物質。如脲酶、蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶

4、等。 綴合蛋白質：除蛋白質外，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(prosthetic group)、輔酶(coenzyme)。,9.2、酶的化學本質及其組成,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；通常是偶數個亞基，亞基之間以次級鍵結合；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

5、成酶復合體等。,9.3、酶的命名與分類,習慣命名：根據底物或作用性質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，如： 乙醇：NAD+氧化還原酶 丙氨酸：-酮戊二酸氨基轉移酶 脂肪：水解酶,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,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：,轉

6、移(移換)酶類 Transferases,轉移酶催化基團轉移反應，即將一個底物分子的基團或原子轉移到另一個底物的分子上。例如， 谷丙轉氨酶催化的氨基轉移反應。,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：,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：,異構酶類 Isomerases,異構酶催化各種同分異構體的相互轉化，即底物分子內基團或原子的重排過程。

7、例如，丙氨酸消旋酶催化的反應。,合成酶類 Ligases or Synthetases,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。 A + B + ATP + H-O-H =A B + ADP +Pi 例如，谷氨酰胺合成酶催化的反應。,9.4、酶的專一性,酶的專一性即特異性（substrate specificity）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構性質相似的物質。 酶的專一性類型： 結構專一性和立體異構專一性。,結構專一性,（）絕對專一性（Absolute specificity

8、) 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（Absolute specificity)。 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。,結構專一性,（）相對專一性(Relative Specificity)：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

9、沒有嚴格的要求。,立體異構專一性Stereochemical Specificity，stereospecificity,（） 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合并催化這類底物發(fā)生反應。即當底物具有旋光異構體時，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。,立體異構專一性Stereochemical Specificity，stereospecificity,（）幾何異構專一性geometrical specificity 有些酶只能選擇性催化某種幾何異構體底物

10、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。,酶作用專一性的假說,鎖鑰學說（1894年Emil Fischer）lock and key或模板學說（temolate）：認為整個酶分子的天然構象是具有剛性結構的，酶表面具有特定的形狀。酶與底物的結合如同一把鑰匙對一把鎖一樣。,酶作用專一性的假說,誘導契合學說（1958年 D.Koshland) induced fit：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合。（四個要點）,誘導契合學說的要點,酶

11、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。即酶與底物結合時，產生一種誘導構象，反應結束時，產物從酶表面脫落，酶又恢復其原來的構象。,Induced Fit,Induced Fit,Induced Fit,catalyzes phosphorylation of glucose to glucose 6-phosphate during glycolysis such a large change in a proteins conform

12、ation is not unusual BUT: not all enzymes undergo such large changes in conformation not only enzymes change their conformations; many structural/motor proteins undergo large conformational changes during their cycles,hexokinase,9.5、酶的活力測定和分離純化,酶活力(Enzyme activity) 酶活力是指酶催化某一反應的能力，通常用反應產物的增加速率來表示。 測

13、定時通常測定反應初速率。(以底物濃度的變化在5%以內的速率為初速率),9.5、酶的活力測定和分離純化,酶的活力單位（U-activity unit） 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分鐘內能轉化1微摩爾底物的酶量，或轉化底物中1微摩爾有關基團的酶量。(25C,最適底物濃度和最適pH） 1IU=mol/min 1972年，提出新的酶活力國際單位：最適條件下，每秒鐘能催化1mol底物轉化為產物所需的酶量，定為1Kat=1mol/s 所以：1Kat=60X106 IU,酶的比活力： 酶的比活力用來表示酶的純度，即每mg蛋白質所含的酶活力單位。

14、 比活力=活力U/mg蛋白質=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,酶活力測定方法,（1）分光光度法（spectrophotometry）：多利用產物在紫外或可見光部分的光吸收性質，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)：主要利用底物或產物的熒光性質。靈敏度高，但易受到干擾。 （3）同位素測定法：同位素標記底物，反應后經分離，檢測產物的脈沖數，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,農

15、藥殘留分析 分光光度法測乙酰膽堿酯酶活性,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的基因轉錄問題時發(fā)現：rRNA前體在鳥苷和Mg2+存在下,切除自身的內含子，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，這個內含子RNA分子具有特定的三維結構，可以再進行催化反應。,9.6、核酶,核酶作用的特點 化學本質：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,9.6、核酶,核酶的分類,9.7、酶工程簡介,化學酶工程 天然酶 化學修飾酶 固定化酶

16、 人工模擬酶（抗體酶）,9.7、酶工程簡介,酶固定的方法有： 1、交聯法：使酶分子依靠雙功能基團試劑交聯聚合成“網狀”結構。 2、偶聯法：使酶通過共價鍵連接于適當的不溶于水的載體上。 3、包埋法：使酶包埋在凝膠的格子中或聚合物半透膜小膠囊中。 4、吸附法：使酶被吸附于惰性固體的表面，或吸附于離子交換劑上。,9.7、酶工程簡介,抗體酶 本質上是免疫球蛋白，但是在可變區(qū)被賦予了酶的屬性，稱為抗體酶。 思路：根據中間復合物學說，酶要與其底物形成過渡態(tài)中間復合物，這個復合物中的底物處于一種舊鍵將斷未斷、新鍵將成未成的狀態(tài)，叫做過渡態(tài)底物。然后，產物才被釋放。反過來，如果有一種物質能夠與過渡態(tài)底物專一接合，那它是否能成為該底物的酶呢？,抗體酶的制造方法：首先要設計出過渡態(tài)底物的類似物。將其注入動物體內，誘導出抗體，提取抗體，將它與真