酶学第二章一般性质.doc

第二章 酶的一般性质和分类2.1 酶作为生物催化剂的性质2.1.1 很高的催化效率酶催化一般在常温常压和中性pH下进行，催化效率特别高。如碳酸酐酶（carbonic anhydrase）催化CO2水合反应来说，反应速率是105molCO2 /s.mole，这比非酶催化要快107倍。再如脲酶催化尿素的水解反应，比非酶催化要快1014倍。过氧化氢酶的催化效率是无机催化剂Fe的1010倍。2.1.2 高度的专一性酶催化反应的专一性可分为两方面，一方面是对底物的专一性，另一方面是对被催化反应的专一性。2.1.2.1 立体化学专一性a. 光学专一性：酶能识别手性碳原子的光学专一性，如L型和D型（R型和S型），专门催化其中一种结构的反应。如精氨酸酶（arginase）只催化L-精氨酸（L-arginine）水解产生L-鸟氨酸（L-ornithine, Orn）和尿素，对D-精氨酸则无作用。 b. 几何专一性：酶能识别顺反异构体。如延胡索酸酶（fumarase）催化延胡索酸（反丁烯二酸）生成苹果酸的反应，它不能催化顺丁烯二酸加水成苹果酸。2.1.2.2 非立体化学专一性a. 键专一性：催化特定键的特定反应。如酯酶可以催化酯键的水解，而对酯键两侧的R和R要求不严。 b. 基团专一性：除了对键要求以外，还要求键一侧的基团为特定的基团，如胰蛋白酶水解肽键的羧基端必须是L-精氨酸或L-赖氨酸，对肽键的氨基端则没有什么特殊要求，只要不是脯氨酸即可。 c. 绝对专一性：对唯一的底物催化唯一的反应。如脲酶只催化尿素水解成NH3和CO2 。2.1.3 酶活性受调节控制2.1.3.1 酶蛋白的合成和降解许多酶蛋白的合成受到诱导物的诱导及抑制物的抑制。如乳糖操纵子的表达受到乳糖和葡萄糖的正、负调节。抑制酶的降解，延长酶的半寿期，也可以增加酶浓度。2.1.3.2 生理调节生理调节又称为激素调节。如乳腺组织中通常含有转半乳糖基酶：UDP-半乳糖 N-乙酰葡糖胺N-乙酰乳糖胺+ UDPN-乙酰乳糖胺可进一步合成糖蛋白。此酶只含有一个亚基，叫亚基。而在妊娠时激素的作用下，促使修饰亚基（亚基，又叫乳清蛋白）的合成，亚基和亚基结合后，改变了亚基的专一性，成为了乳糖合成酶：UDP-半乳糖 D-葡萄糖乳糖 UDP2.1.3.3 共价修饰调节磷酸化脱磷酸化，腺苷酸化脱腺苷酸化，甲基化脱甲基化，乙酰化脱乙酰化，尿苷酰化脱尿苷酰化。2.1.3.4 酶原活化有些酶刚合成出来是没有活性的，称为酶原，被别的酶切割后成为有活性的酶。如胰蛋白酶可以切割胰蛋白酶原（trypsinogen）和胰凝乳蛋白酶原（chymotrypsinogen）成为胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶。2.1.3.5 激活剂和抑制剂调节有大分子的激活剂和抑制剂，也有小分子的激活剂和抑制剂。如钙调素（16.7kD的蛋白质）可激活多种酶（磷酸二酯酶）；核糖核酸酶抑制剂（Rnasin，51kD的蛋白质）是从人胎盘中提取的RNase抑制剂；环腺苷酸（小分子）可激活蛋白激酶A；底物类似物丙二酸（小分子）抑制琥珀酸脱氢酶的活性。2.1.3.6 反馈调节受该酶反应产物的抑制；终产物抑制该途径催化最初反应的酶。2.1.3.7 辅助因子金属离子、辅酶、辅基等。2.2 酶的分类和命名酶的种类很多，有人估计，每个大肠杆菌细胞中包含的蛋白质约3,000种，其中大部分是酶；高等真核生物每个细胞中包含的蛋白质约50,000种，其中主要的也是酶。然而到目前为止，已经确认的酶却很少。根据国际生化联合会酶委员会的统计，1961年已知的酶的总数为712种， 1972年为1770种，1978年为2122种，截止1997年为止，已知的酶也仅3700种。2.2.1 酶的分类命名原则为了更有效地研究酶和使用酶，人们曾提出了各种分类命名方法。对每一种酶同时采用系统命名和习惯命名两种命名。命名都包括两部分，底物和作用类型，即都取“底物反应类型酶”的形式。在英语中酶的名词以“-ase”为后缀。系统命名要求将反应物都列入，如系统命名的“醇：NAD氧化还原酶”，习惯命名称其为“醇脱氢酶”；又如系统命名的“ATP：D-己糖6-磷酸转移酶”，习惯命名称其为“己糖激酶”。用数字标识每一种酶，使其具有唯一的标识，称为酶的标码。现在普遍接受的是国际生化联合会酶委员会推荐的系统：EC后带4个数字，如EC 1.1.1.1.是醇脱氢酶，EC 2.7.1.1是己糖激酶。将所有的酶分为6大类型：2.2.1.1 氧化还原酶类（oxido-reductases）以电子供体的种类分亚类，以电子受体的种类分亚亚类。按习惯分类法可分为4类：1脱氢酶：催化RH + RR + RH，绝大多数脱氢酶需要NAD+或NADP+作为辅酶。2氧化酶：催化RH + O2 R + H2O2 ，这类酶以黄素核苷酸（FMN或FAD）为辅基；或RH + O2 R + H2O，这类酶又分两类，一类为金属蛋白，如抗坏血酸氧化酶（含铜）；另一类以血红素为辅基，如细胞色素氧化酶。3过氧化物酶：催化以过氧化氢或其他过氧化物为氧化剂反应的酶。4加氧酶（氧合酶）：又分单加氧酶（O2中的一个氧原子加到底物中，另一个氧原子与氢反应成水）和双加氧酶（O2中的两个氧原子都加到底物中，没有水产生）。2.2.1.2 转移酶类（transferases）分为8个亚类：1一碳基转移酶：又分为4个亚亚类：甲基转移酶；羟甲基、甲酰基转移酶；羧基、氨甲酰基转移酶；咪基转移酶2酮醛基转移酶；3酰基转移酶；4糖苷基转移酶；5烃基转移酶；6含氮基转移酶；7含磷基转移酶；8含硫基团转移酶。2.2.1.3 水解酶类（hydrolases）分为9个亚类：1酯酶；2糖苷酶；3肽酶；4水解肽键以外的C-N键的酶；5水解酸酐键亚类；6水解碳碳键亚类；7水解卤键亚类；8；9。2.2.1.4 裂合酶类（lyases）分为5个亚类：1分解碳碳键亚类；2分解碳氧键亚类；3分解碳氮键亚类；4分解碳硫键亚类；5分解碳卤键亚类。2.2.1.5 异构酶类（isomerases）分为6个亚类：1消旋酶和差向异构酶（消旋酶的底物中只含一个不对称碳原子，差向异构酶的底物中含有两个以上的不对称碳原子）；2顺反异构酶；3醛酮异构酶；4分子内转移酶；5；6。2.2.1.6 合成酶类（synthetases，也叫连接酶ligases）分为5个亚类：1催化碳氧键形成亚类；2催化碳硫键形成亚类；3催化碳氮键形成亚类；4催化碳碳键形成亚类；5.合酶synthases属于裂合酶类。酶委员会建议，在发表论文时，讨论有关的主要酶在第一次提到时应写出它的标码、系统命名、习惯命名和来源，然后在用系统命名或习惯命名叙述。2.2.2 其他习惯归类命名法2.2.2.1 单体酶和寡聚酶：单体酶由一条肽链组成，相对分子量13,00035,000，一般不需要辅助因子。已知的酶绝大多数是寡聚酶，由相同或不相同的亚基组成，它们包含两条以上肽链，相对分子量通常超过35,000。2.2.2.2 恒态酶和调节酶：恒态酶（static enzyme）是指那些构成代谢途径和物质转化体系的基本组成成分，在细胞中的含量相对恒定，其活性仅受反应动力学系统本身的组成因素调节。调节酶（regulative enzyme）是指在代谢途径和物质转化体系中起调节作用的关键酶，它们的含量与活性常因机体的机能状况而不同。按照其活性调节方式又可分为三种类型：潜态酶（latent enzyme），别构酶（allosteric enzyme）和多功能酶（multifunctional enzyme）。1潜态酶：指酶原和共价修饰处于非活性状态的酶。2别构酶：酶结构上除了有能与底物结合、并催化反应的活性中心外，还有能和效应物结合的调节中心。效应物与调节中心结合后，酶的构象发生变化，从而调节酶的活性。受反馈调节的酶一般就是别构酶。3多功能酶：指具有一种以上催化活性的酶，如大肠杆菌天冬氨酸激酶，同时具有高丝氨酸脱氢酶的活性；还有的如前述的乳糖合成酶（由无活性的乳清蛋白和半乳糖苷转移酶结合）2.2.2.3 多酶复合物（multienzyme complex, 或多酶系统multienzyme system）：多种酶组分集合在一起，一般催化连续的多个相关的反应，如丙酮酸脱氢酶、酮戊二酸脱氢酶。2.2.2.4 胞内酶、胞外酶和“外向酶”：根据酶合成后分布的位置，通常将酶分为胞内酶（intracellular enzyme）和胞外酶（extracellular enzyme）。而将分布在细胞表面，其活性中心朝外的酶称为外向酶（ectoenzyme）。2.3 酶的多形性与同工酶有一些不同来源的酶催化相同的反应，但其结构和物理化学性质（包括某些催化特性）往往有所不同，这种现象称为酶的多形性（enzyme polymorphism or multiplicity）。例如，从酵母和肝脏都可分离得到醇脱氢酶，但是，这些不同来源的酶在分子结构和物理化学性质上都不相同，它们互称为同工异源酶（xenozyme）。随着生化分离技术的进一步发展，发现在同一生物的不同器官组织中，甚至在同一细胞中也存在这样的情况。如人的前列腺中和红血球中的酸性磷酸酶、细胞质中和线粒体中的苹果酸脱氢酶，就是一些催化相同反应，但结构、性质有所差异的酶，人们将它们统称为同工多形酶。根据同工多形酶形成的原因，国际生化联合会酶委员会在1976年将这种同工多形现象归纳为6种类型，并将前三类划属同工酶（isoenzyme, isozyme）范畴，同时对同工酶作出如下定义：在同一生物体中，催化相同反应，但结构基因不同，因而酶的一级结构、酶的物理化学性质以及酶的其他性质都可能有所差异的酶称为同工酶。酶的同工多形性类型酶的同工多形性形成原因例1不同基因编码的蛋白质细胞质和线粒体中的MDH、LDH1、LDH52两条或多条不同的肽链以非共价键的方式形成的杂聚体LDH2、LDH3、LDH43等位基因突变的蛋白质人类的G-6-PDH4a能和其他基团结合的蛋白质磷酸化酶a, b4b从一条多肽链衍生的蛋白质从胰凝乳蛋白酶原衍生出来的各种胰凝乳蛋白酶5单亚基聚合形成各种多聚体相对分子量1,000,000和250,000的GluDH6不同构象的蛋白质酶的各种别构形式 乳酸脱氢酶同工酶电泳图谱2.4 Ribozyme酶的化学本质是蛋白质的观念在20世纪70年代后期和80年代初期，由于某些发现而受到了强有力的冲击。因为某些酶，如核糖核酸酶P（RNase P）、1,4-糖原支链酶、磷酸果糖激酶等，在其结构成分中除了蛋白质外，还包含RNA，而且，RNA在催化过程中起着不可或缺的作用。以RNase P为例，它是催化tRNA前体5端成熟的内切核酸酶，由77%的RNA和23%的蛋白质组成。Altman等发现，该酶能经受胰蛋白酶的作用，但在微球菌核酸酶红梅或核糖核酸酶A处理后失去活性。通过柱层析或电泳可将其蛋白质和RNA（M1 RNA）成分分开，得到的蛋白质和RNA单独都不表现RNase P活性，但重组后活性立即恢复。这说明M1 RNA对RNase P的活性有十分重要的作用。但由于当时在观念上尚未突破酶是唯一的生物催化剂的基本框架，对RNA在催化中的作用没有正确的认识。直到20世纪80年代，由于Cech等的发现，才使人们对RNA在催化过程中的作用有了认识上的根本改变。Cech等用四膜虫（Tetrahymena，一种原生动物）做的一个RNA剪切试验得到了意想不到的结果。从四膜虫的一个6.4kb的RNA前体中去掉一个414核苷酸的内含子，从而得到一个26S rRNA分子。原来他们是想将细胞提取液加到RNA前体中以测定剪切所需要的蛋白质，但他们发现在只含有RNA前体及三磷酸核苷的对照中并无蛋白质，却也发生了RNA的剪切（splicing）。为了避免RNA前体中含有某种蛋白质，他们采用重组DNA法制备RNA前体，用纯化的这种重组DNA在体外转录成RNA前体，再进行上述试验，结果还是发生了RNA的剪切。这个试验证明，一种RNA分子具有高度专一的催化活性，在无蛋白质的情况下能进行自我剪切（self-splicing）。后来证明试验中所需的三磷酸核苷只是需要GTP，并且不是作为能量提供者起作用，而是作为一攻击基团（attacking group）起作用，并且鸟苷、GMP、GDP也都能起同样的作用。G结合到RNA前体中，然后攻击5剪切部位，与内含子的5端形成磷酸二酯键，这是一种转酯反应。上游外显子的3羟基再去攻击3剪切部位，使上下游外显子连接起来（内含子原来是413Nt，加一个G后成了414Nt）。RNA自我剪切要依靠rRNA前体结构的完整，内含子的大部分对自我剪切都是必要的，rRNA前体中有一个专一的与G结合的口袋，在此rRNA前体中键的形成与断裂的自我催化也是具有高度立体化学专一性的，与蛋白质酶类的催化作用相似。L19 RNA还具有单独催化作用，它有磷酸酯酶、磷酸二酯酶、核酸酶以及核苷酸转移酶等多种催化活性。它可以使一个五胞嘧啶寡核苷酸的一个C转移到另一个五胞嘧啶寡核苷酸上，成为一个四胞嘧啶寡核苷酸和一个六胞嘧啶寡核苷酸。L19 RNA水解五胞嘧啶寡核苷酸的速率是没有催化反应速率的1010倍，这表明L19 RNA的催化能力很强。继Cech等人的工作之后，Altman和Pace两家实验室也同时完成了另一项重要的进展，他们发现：RNase P经层析或电泳分离后得到的M1 RNA组分在大于20mmol/L Mg2+条件下，或在10mmol/L Mg2+和1mmol/L亚精胺存在条件下，也具有催化tRNA前体5端成熟的活性；将M1 RNA的基因在体外转录，可得到含有413414个碱基的转录产物，该RNA产物同样能催化tRNA前体5端的成熟。这说明M1 RNA本身就具有RNase P的活性，本身就是一种生物催化剂。RNA型生物催化剂的发现是现代生物学中的一个重大突破，因为：第一，它表明RNA除了作为遗传信息的载体外，还具有其他生物学功能；第二，它表明除了蛋白质性质的酶外，还存在其他类型的生物催化剂；第三，为分子生物学研究、特别是为RNA研究提供了一种新工具；第四，为探索地球上最早的生命物质、研究地球上最早的生命起源提供了一种新的信息（先有蛋白质还是先有核酸）。后来人们又陆续发现Ribozyme还具有核苷酸聚合酶活性，即具有自我复制的活性；特别是最近又发现，蛋白质合成中的关键一步肽键的形成也是由23S rRNA催化进行的；而且，Ribozyme的衍生物还能催化甲硫氨酰tRNA的水解。Ribizyme的作用底物虽然绝大多数是RNA，但近年来越来越多地发现了其他一些能为Ribozyme作用的物质，如氨基酸酯、多糖、DNA等。正是因为这些发现具有巨大的理论与实践意义，Cech和Altman在1989年获得了诺贝尔化学奖。近年来，不仅有大量RNA催化剂的研究，也出现了DNA具有催化活性的报道。2.5 模拟酶由于酶容易受到多种物理、化学因素的影响而变性失活，所以不能用酶广泛取代工业催化剂。模拟酶是人工合成的高分子化合物，它模拟酶的结构和催化特性，并且能耐较恶劣的环境，活性稳定而持久。2.5.1 模拟酶的金属辅基例如，模拟过氧化氢酶分子中的铁卟啉辅基，合成了分解过氧化氢的酶模型三亚乙基四胺与三价铁离子的络合物。这个模型在pH9.5和25条件下，其催化速率是血红蛋白或正铁血红素在同样条件下的1万倍。化学模拟生物固氮同样是模拟固氮酶的金属辅基。2.5.2 模拟酶的活性功能基酶分子中直接与酶催化反应有关的部分称为活性中心，通常是由几个活性功能基组成。例如牛胰核糖核酸酶的催化中心是肽链序列中的第12位和第119位的两个组氨酸。C.G.奥弗贝格等根据胰凝乳蛋白酶的催化中心与丝氨酸的羟基、组氨酸的咪唑基和天冬氨酸的羧基有关的事实，用乙烯基苯酚与乙烯基咪唑进行共聚合，制得带有羟基和咪唑基的胰凝乳蛋白酶模型。用这个模型聚合物作为3乙酰氧基N三甲基碘化苯胺水解的催化剂，当pH为9.1时，其活性比单一的乙烯基咪唑高63倍。2.5.3 模拟酶的高分子作用方式酶是一类由氨基酸组成，以多肽链为骨架的生物大分子。人们利用高分子化合物作为模型化合物的骨架，引入活性功能基来模拟酶的高分子作用方式。例如，用分子量为40,00060,000的聚亚乙基亚胺作为模型化合物的骨架，引入10%摩尔的十二烷基和15%摩尔的咪唑基，合成一个硫酸酯酶模型，用这个模型聚合物催化苯酚硫酸酯类化合物的水解，其活性比天然的型芳基硫酸酯酶高100倍。2.5.4 模拟酶与底物的作用酶分子具有一定的空间构型，它与被催化的底物的作用在构型上有较严格的匹配关系，体现了酶的专一性。为了模拟酶的结合功能，近年来人们合成了许多冠醚化合物来模拟酶。随着冠醚空穴尺寸的不同，其对底物的选择性也不一样。2.5.5 模拟酶的性状在水溶液中，酶形成巨大的分子缔合体（胶束），构成同一分子内的疏水和亲水微环境。模拟酶在这种微环境中的化学反应的特殊性质，也是模拟酶的一个重要方面。有人利用组氨酸的衍生物十四酰组氨酸与十六酰烷基三甲基溴化铵组成两种分子的混合微胶束，来催化乙酸对硝基苯酯的水解，其速率比组氨酸增加了100倍。2.6 抗体酶尽管科学家们在模拟酶方面作了大量的工作，但人工合成的模拟酶仍然与天然酶的催化效率相差很远，并且反应类型也极为有限，多数为水解酶的模拟。由于逐渐认识到催化过程中关键的一步是酶与底物过渡态中间物的紧密结合，联想到抗原导致生物体内抗体的合成以及抗原抗体的紧密结合，如果用某些人工合成的小分子底物过渡态中间物的类似物作为半抗原，诱导生物体合成相应的抗体，这种抗体可能会有催化该小分子底物发生反应的活性。并将这种生物催化剂称为抗体酶。2.6.1 抗体酶的原理及发展简述抗体酶技术是化学和生物学的研究成果在分子水平交叉渗透的产物，是抗体的极其多样性和酶分子的巨大催化能力结合在一起的蛋白质分子设计的新方法。构制抗体酶的目的在于拓宽酶催化的应用范围，产生能催化生物体内不存在的反应的酶。1946年，Linus Pauling阐明了酶催化的实质，同时指出，稳定的反应过渡态类似物可以竞争性地抑制酶活性。酶之所以具有催化活力，是因为它和反应物的过渡态（底物激态）发生特异性结合，而不是与反应的底物基态发生特异性结合。酶产生的生物局限性是酶催化高效性无法普遍化的限制因素，突破限制就能人为地控制酶的产生。高等动物的免疫系统为我们提供了可以利用的工具。1969年，Jencks提出通过免疫诱导产生抗底物激态的抗体，该抗体具有类似酶的催化活性。这个抗体酶设想的提出，有可能为任何一个化学反应构制一个专一性的酶。在抗体酶研制中主要遇到两个问题：底物激态瞬间存在，无法提取。根据竞争性抑制现象，可以通过化学方法合成底物过渡态的稳定性类似物作为半抗原；抗原在分子量上有一定的要求。由于抗原决定簇的多样性，得到的抗体是多克隆的，其中真正需要的抗体酶含量小。1975年，Kohler和Milstein发明了单克隆技术，使抗体酶的获得成为可能。还可以将能与底物结合的无酶活性的抗体通过人工的方法引入催化基团，使之变成有催化活性的抗体酶。2.6.2 抗体酶催化的反应目前已经构制了催化酰基转移反应、酯水解和酰胺水解反应、氧化还原反应、光诱导聚合和光裂解反应、金属螯合反应、重排反应的抗体酶。2.6.3 提高抗体酶催化活性的方法2.6.3.1 抗体酶的结构1969年，Pattern等在用底物过渡态类似物膦酸硝基苯酯作为半抗原，免疫动物产生催化酯水解的抗体酶的研究中发现，在免疫过程中发生了体细胞突变，有9个碱基发生了突变。因突变引起的抗体结构变化为半抗原创造了一个良好的结合区，使抗原抗体之间的亲和力增加了14000倍，抗体的催化活性也因此提高了100倍。这一重要发现表明，选择对抗原具有较高亲和力的抗体酶，其催化活性也会提高。因此，可用更长时间免疫或直接通过诱变的方法来提高抗体酶的亲和力，从而提高其催化活性。2.6.3.2 半抗原与载体蛋白的偶联方式半抗原与载体蛋白之间的臂长和偶联方式都会影响抗体酶的活性。偶联方式不同，所得的抗原价（半抗原密度）不同，会影响抗原的免疫原性。载体蛋白与半抗原的不同基团偶联产生的抗体酶，活性也会有显著差异。Landry等通过载体蛋白与半抗原不同基团的偶联，合成了3种抗原，经免疫动物获得了9 种单克隆抗体。研究表明，这3种抗原产生的抗体酶催化活力显著不同。2.6.3.3 异源免疫Suga等在研究催化酯水解的抗体酶时发现，在抗体结合区的适当位置上存在酸性和碱性两种氨基酸残基，能提高其催化效率，用