酶工程(基本原理).ppt

酶工程 主要参考书 1酶工程 郭勇主编 高等学校轻工专业试用教材 中国轻工业出版社 2酶工程 罗贵主编 化学工业出版社 3蛋白质分子结构 阎隆飞主编 清华大学出版社 4应用酶学导论 禹邦超编著 华中师范大学出版社 5酶学 邹国林主编 武汉大学出版社 6酶在食品加工中的应用 E 李雁群译 中国轻工业出版社 CH1绪论 CH1 1酶的基本概念1酶是蛋白质2酶具有催化活性3酶催化反应具有专一性和高效性CH1 2酶工程及其主要研究内容CH1 3酶的历史沿革 CH1 1酶的基本概念 1酶是蛋白质酶的化学本质是蛋白质 这一点是被生物化学所证明了的 研究酶的化学本质 可用研究蛋白质的方法进行研究 一般情况下 一个结构完整的酶包括蛋白质和非蛋白质两部分 蛋白质部分称为辅基酶蛋白 非蛋白质部分称为辅助因子 辅基酶蛋白和辅助因子构成一个全酶 辅助因子的化学本质因不同的酶而不同 它可以是小分子量的有机化合物 也可以是无机矿物质离子 2酶具有催化活性酶是一种生物催化剂 在催化活性上与无机催化剂类似 酶在催化反应时 其本身不发生化学改变 只是催化反应的进行 此外 酶在催化反应时 仅改变反应述度 并不改变反应的平衡 酶催化反应的动力学机理是降低反应的活化能 酶与一般催化剂的共性1 用量少 催化效率高2 不改变化学反应的平衡点3 可降低反应的活化能 3酶催化反应具有专一性和高效性酶作为生物催化剂 其催化反应的专一性远远超过无机催化剂 根据酶的专一化程度 可分为绝对专一性和相对专一性 绝对专一性是指一种酶只能催化一种底物进行一种反应 底物的分子结构 空间构型及构象的不同都表现出专一性 酶与一般催化剂的区别 酶的特性1 高效性2 专一性结构专一性 相对专一性 绝对专一性 特异性 立体异构专一性 几何异构 旋光异构 3 不稳定性 要求温和的反应条件 4 可调控性 相对专一性是指一种能够催化一类结构相似的物质进行相同类型的反应 主要是对某一化学键的专一性 例如 胰蛋白酶 TrypsinEC3 4 31 4 催化含有赖氨酸或精氨酸羰基的肽键的水解反应 凡是具有含赖氨酸或精氨酸羰基酰胺键的底物都能被此酶催化水解 CH1 2酶工程及其主要研究内容 1生物工程 Biotechnology 又叫生物工艺学 是20世纪70年代开始提出的一个高新技术名词 是指以遗传工程技术为先导的将生物技术与化学工艺 工程相结合并产业化应用的技术领域 包括四大分支领域 遗传工程 细胞工程 发酵工程和酶工程 2酶工程 EnzymeEngineering 是酶学研究与其应用工程结合形成的一门新的技术领域 是酶学 微生物学的基本原理与化学工程技术有机结合 相互渗透形成的边缘学科 包括上游工程和下游工程 前者包括酶的产生和酶制剂制备 后者主要包括酶固定化技术 酶修饰技术和生物反应器 1 上游技术 2 下游技术 CH1 3酶的历史沿革1酶学研究简史 1 酶的发现 尽管我国早在4000多年前就朴素地应用了酶 但真正对酶的认识还是1833年Payen和Person首先从酒精发酵物中提取到一种活性物质 发现能够促进淀粉分解 发现了淀粉酶 2 酶 Enzyme 的提出 继Payen和Person之后 德国的Kuhne进一步深入研究了酶 并提出Enzyme这个名词 enzyme是希腊文 原意是指 在酵母中 我们翻译成酶 日本译成酵素 3 酶学 Enzymology 奠基 在Kuhne之后 Buchner兄弟从事了从破碎酵母细胞提取酶的研究 获得了能转化糖产生乙醇的粗酶 此后便开始了从酶的提取 酶的性质 酶催化反应等开始了酶的研究 形成了初步的新兴学科 在酶催化理论方面 1 1894年 E Fisher提出酶与底物作用的锁钥学说 2 1913年 MichaelisMenton提出了快速平衡学说 建立了AN酶促反应模型 推导出了酶促反应动力学方程 米氏方程 3 1925年 Briggs和Handane 建立了恒态学说 并对米氏方程的修正 4 1958年 Koshland提出了诱导契合学说 在酶蛋白化学的研究方面 1 1926年 Sumner首次获得了脲酶结晶 证实了酶的化学本质是蛋白质 21年后获得了诺贝尔奖 2 1963年搞清了牛胰核糖核酸酶A的一级结构 3 1965年报道了鸡卵清溶菌酶的三维结构 4 1969年首次利用单一氨基酸人工合成核糖核酸酶获得成功 5 1982年Cech小组发现了rRNA具有催化功能 第一次动摇了酶是蛋白质的概念 Ribozyme 但蛋白质化学研究与其催化原理及其酶蛋白功能研究始终是互相促进 相互渗透的 CH1 3酶的历史沿革2酶工程的发展历程 1 酶工程研究的奠基 以工业化酶制剂生产为主要内容的酶工程雏形阶段 50年代 2 酶固定化技术和细胞固定化技术研究始于60年代 3 70年代基因工程崛起 将酶工程技术研究引向深入并赋予了新的内涵 4 1971年第一次国际酶工程会议的召开 标志了酶工程学科和完善的技术体系的形成 5 80年代实现了克隆酶的突破 Wager将青霉素酰化酶基因克隆到Ecoli菌株质粒上 获得了高效表达 6 80年代形成了酶固定化技术 细胞固定化技术研究等酶工程的研究热点 并广泛产业化应用 开始了转基因技术和酶化学修饰技术 7 90年代形成了以遗传工程为先导的酶工程技术分支 生物酶工程 包括酶基因克隆表达和基因修饰 CH1 1酶的结构和功能CH1 2酶催化反应的动力学CH1 3酶的分类和命名CH1 4酶活力概念及活力测定 CH2酶学基本原理 CH2 1酶的结构和功能 酶催化功能的结构基础 1 1酶的活性中心构成酶活性中心的氨基酸在一级结构上 呈分散状态 这些氨基酸是通过酶蛋白的二 三 四级结构使得其在空间上彼此集中 构成一个特定的与酶活性表达有关区域 这个特定区域即酶的活性中心 activecenter 换句话说 酶的活性中心是酶分子上的与底物结合并催化反应的特定基团或特定区域 酶活性中心包括两部分 其一是底物结合部位 其二是催化部位 例如溶菌酶 由129个AA构成 而构成活性中心的AA有 Glu35 Asp52 Try62 Asp101 Gly101 构成 1 2酶作用高效性机理 影响酶高效性的因素1 邻近定向效应2 应变效应3 亲核催化 亲电催化 共价催化 4 酸碱催化5 微环境的影响邻近效应是指A和B两个底物分子结合在酶分子的结合部位上 两分子的反应基团相互靠近 从而降低了两分子进入过渡态所需要的能量 或说增加了两分子反应基团的发生反应的空间机率 定向效应A B两个分子进入过渡态 两分子的反应基团需要按一定的方向重叠或交叉 这一方向稍有偏离 反应就难以进行或增加很大能量才能进行 这种酶活性部位赋予底物的这一方向性即定向效应 1 3别构酶酶分子表现其活性是以完整的结构为基础的 某些酶除其活性部位外 还有一个别构部位影响酶的活性 这些酶又称为别构酶或变构酶 别构酶多为代谢代谢调节酶 由别构部位的变构改变酶的活性 别构部位的变构也是通过与一个配体结合来实现的 但其与酶的活性部位不同 别构部位结合的配体不是底物 而是一个调节酶活性的效应物 CH2 1酶的结构和功能 2 酶催化专一性基本学说 2 1锁钥学说 lockandkeytheory 1894年 E Fisher提出酶与底物作用的锁钥学说 以解释酶与底物之间的专一性问题 其基本含义是 酶与底物分子或底物分子的一部分之间 在结构上有严格的互补对应关系 当底物与酶结合时就象钥匙和锁那样契合对应 2诱导契合学说 induced fithypothesis 1958年 Koshland提出了诱导契合学说 其主要内涵是 当酶与底物分子接近时 酶蛋白受底物分子的诱导 其构象发生有利于与底物分子结合或催化的变化 酶与底物在此基础上互补契合 以发挥酶的催化功能 锁钥学说 诱导契合学说 丝氨酸蛋白酶的活性中心位于酶分子表面凹陷的小口袋中 口袋的大小以及口袋内的微环境 疏水性 电荷性质 决定了丝氨酸蛋白酶的底物专一性 胰凝乳蛋白酶 口袋较大 主要由疏水氨基酸残基围成 开口较大 由两个Gly组成 因此需要底物有一个疏水基团 芳香环Phe Tyr Trp及大的非极性侧链 定位 裂解芳香族氨基酸羧基侧的肽键胰蛋白酶 口袋较大 底部有Asp 利于Lys Arg结合 裂解碱性氨基酸残基羧基侧的肽键弹性蛋白酶 口袋较浅 开口较小 由Val Thr组成 只能让Ala等小分进入 裂解小的中性氨基酸残基羧基侧的肽键 酶催化机理实例 胰凝乳蛋白酶 丝氨酸蛋白酶家族具有类似的Ser His Asp催化三联体 电荷中继网 电荷中继网 Ser195 His57 Asp102氢键体系 通过电荷中继网进行酸碱催化及共价催化 没有底物时 Ser195 His57 Asp102形成一个氢键体系 His57是去质子化状态 Asp102的COO 通过氢键定位并固定His57 结合底物时 His57从Ser195接受一个质子 增加了Ser195羟基氧原子对底物的亲核攻击性 Asp102的COO 稳定过度态中His57的正电荷形式 胰凝乳蛋白酶反应的详细机制第一阶段 酰化Ser195 OH中的氧攻击肽键的羰基碳 共价催化 酶的His57咪唑H 与底物中的 NH形成氢键 酸碱催化 形成四联体过渡态 Ser195 O 底物的羰基C 底物的 NH His的咪唑H 肽键断裂 氨基产物释放 底物的羧基部分酯化到Ser195的羟基上 第二阶段 脱酰电荷中继网从水中吸收一个质子 结果产生的OH 攻击连在Ser195上底物的羰基C原子 形成四联体过渡态 然后His57供出一个质子给Ser195上的氧原子 底物中的酸成分从Ser195上释放 酶催化机理实例 胰凝乳蛋白酶1 胰凝乳蛋白酶结构 酶催化机理实例 胰凝乳蛋白酶2 胰凝乳蛋白酶的电荷接力网 四 酶催化机理实例 胰凝乳蛋白酶2 胰凝乳蛋白酶的催化过程 A 酶与底物结合 形成米氏复合物 ES B 形成四联体过度态中间物 酶催化机理实例 胰凝乳蛋白酶 酶催化机理实例 胰凝乳蛋白酶 E 形成包括水分子的四联体过度中间物 F 羰基产物形成 酶游离 CH2 2酶催化反应的动力学 酶催化反应的初述度 2 1Michaelis Menten迅述平衡学说及Henri Michaelis Mentwen方程单底物酶促反应模型 k1kpE S ES E P k1迅述平衡学说对上述反应模型有两点假定 酶与底物结合形成酶底物复合物的述度很快 整个反应述度取决于酶底物复合物释放出游离酶和形成产物的反应述度 CH2 2酶催化反应的动力学 2 底物浓度对反应述度的影响 反应述度v kp ES 1 Ks E S ES Ks是ES的分解常数 2 ES E S Ks 3 如果我们设反应体系中酶的总浓度为 E0 当反应达到平衡以后 酶分子以下列两种形式存在 E0 E ES 4 将3式分别和1式4式加以整理便得 v Kp E S Ks 5 E0 E E S Ks 6 将5式除以6式得 Kp E S KsKp S Ksv E0 7 E E S Ks1 S Ks将两边都乘以1 Kp S Ksv Kp E0 8 1 S Ks v Kp ES 只有当 E0 全部转变成 ES 时 反应才能达到最大反应述度 Vm Kp E0 9 将9式和8式整理得 S Ks S v Vm 10 1 S KsKs S Vm S v 11 Ks S 这就是Hemri Michaelis Menten方程 也就是我们所说的米氏方程 CH2 2酶催化反应的动力学 3 Henri Michaelis Mentwen方程 我们总结一下 利用迅述平衡学说进行米氏方程的推导有以下三点基本假设 在反应模型中 不考虑ES E P的逆反应 然而 对于大多数酶促反应来说 反应是可逆的 要忽略这一逆反应 只有在反应的起始 产物 时才成立 S 大大高于 E 值 在反应过程中 底物的消耗可忽略不计 ES解离成E S的述度显著快于ES形成E P的述度 即ES E P的反应不影响E S ES的平衡 CH2 2酶催化反应的动力学4恒态学说及对米氏方程的修正 事实上迅述平衡学说对很多反应不太适宜 为此 1925年 Briggs和Handane对米氏方程进行了修正 提出了恒态学说 其基本内涵是 在初述度测定过程中 底物浓度随反应时间而降低 产物相应增高 而中间复合物ES可在相当一段时间内保持浓度的恒定状态 Briggs和Handane对米氏方程的修正 保留了迅述平衡学说的前两点假设 因此 反应模型仍为 k1kpE S ES E P k1 底物的消耗述度为K1 E S 底物的消耗用于ES的形成 ES已经形成 就会按 K1 ES 的述度解离成E S 同时ES按Kp ES 的述度形成E P v Kp ES 1 E0 E ES 2 v E0 Kp ES E ES 3 v Vm ES E ES 4 恒态学说认为 K1 E S K 1 ES Kp ES K 1 Kp ES 5 ES K1 E S K 1 Kp 6 定义 K 1 Kp K1 Km 7 ES S E Km 8 将 8 式代入 4 式得 S E Kmv Vm S Km S 9 E S E KmVm S v 10 Km S 10 式即为修正的单底物酶促反应动力学方程 为了纪念Michaelis Menten创造性工作 这个方程也称为Michaelis Menten方程 简称米氏方程 式中Vm为最大反应述度 Km为米氏常数 CH2 2酶催化反应的动力学5Lineweaver Burk双倒数方程及Km的测定 将米氏方程取倒数可得以下方程 Km11 V 1 VmaxVmax S 利用此方程作图即可计算出酶的Km和Vmax 在设计测定以上参数的试验时 需注意 S 的取值范围 一般应该在Km值两侧设定 S 值 经验数值是0 33 2 0Km范围为宜 CH2 2酶催化反应的动力学6关于米氏方程意义的讨论 反应述度v是底物浓度 S 的函数 其几何意义是一条双曲线 当 S 远远大于Km S Km 时 V Vm 在测定酶活力时 必需提供足够大的底物浓度 反之 当 S Km时 V Vm S Km 因为在一定条件下 对于一个酶来说 Vm Km是一个常数 所以 反应述度V与底物浓度 S 成直线关系 在酶法分析中 利用酶测定底物浓度时 应提供足够大的酶浓度 使得产物与底物浓度成直线关系 以根据产物的形成来测定底物浓度 Vm S v Km S 当V 1 2Vm时 Km S Km是酶促反应的动力学常数 其等于当达到最大述度一半时的底物浓度 Km值是酶的一个特征性常数 它不受酶量 酶的纯度的影响 当pH 温度 介质的离子强度等不变时 Km值不变 它是酶与底物亲和力的标志 Km值越大 标志要使反应速度达到最大反应速度一半时 必须提供的底物浓度越大 即酶与底物的亲和力越小 反之亦反 因为Vm Kp E0 所以 当底物浓度足够大时 最大反应述度Vm与酶量成正相关 因此Vm是随酶量而变化的常数 催化反应的Vm应换算成酶的催化常数Kcat Kcat是每摩尔酶每分钟催化转化底物的摩尔数或产生产物的摩尔数 影响酶促反应的因素 一 底物浓度 S 1 酶促反应速度V与底物浓度 S 的关系 影响酶促反应的因素 二 酶浓度 E pH对酶活力的影响主要表现在以下几个方面 pH的改变影响酶的空间构象 从而引起酶活力的改变 pH影响酶活性中心催化基团的解离 影响酶与底物的亲合力或催化活性 pH影响底物的解离状态 改变底物的可给性 CH2 2酶催化反应的动力学pH对反应述度的影响 CH2 2酶催化反应的动力学温度对反应述度的影响 温度对酶活力的影响 主要表现在两个方面 一方面温度的改变影响着酶的稳定性 在低温条件下 主要表现为可逆行失活 随温度的恢复酶活力也得到恢复 在高温条件下 表现为不可逆行失活 另一方面 温度直接影响酶促反应的进行 根据Arrhenius方程 k Ae Ea RT可以看出 述度常数k与绝对温度T成正比 影响酶促反应的因素 五 激活剂对酶促反应速度的影响凡是能提高酶活性的物质 都称为激活剂 无机离子或简单有机化合物对酶的激活 1 无机离子的激活作用 1 金属离子 K Na Mg2 Zn2 Fe2 Ca2 2 阴离子 cl Br PO43 3 氢离子 不同的离子激活不同的酶 不同离子之间有拮抗作用和可替代作用 如Na 与K Mg 与Ca 之间常常拮抗 但Mg 与Zn 常可替代 激活剂的浓度要适中 过高往往有抑制作用 1 50mM 2 简单有机分子的激活作用 还原剂 如Cys 还原型谷胱甘肽 能激活某些活性中心含有 SH的酶 金属螯合剂 EDTA 能去除酶中重金属离子 解除抑制作用 3 蛋白酶对酶原的激活 抑制剂对酶促反应速度的影响变性作用 denaturation 抑制作用 inhibiton 使酶活力下降或丧失但并不引起酶蛋白变性变性剂没有选择性抑制剂有不同程度的选择性 研究抑制剂对酶的作用有重大的意义 1 药物作用机理和抑制剂型药物的设计与开 2 了解生物体的代谢途径 进行人为调控或代谢控制发酵 3 通过抑制剂试验研究酶活性中心的构象及其化学功能基团 不仅可以设计药物 而且也是酶工程和化学修饰酶 酶工业的基础 二 抑制作用的类型1 不可逆的抑制作用抑制剂与酶活性中心 外 的必需基团共价结合 使酶的活性下降 无法用透析 超滤等物理方法除去抑制剂而使酶复活 2 可逆的抑制作用抑制剂与酶蛋白非共价键结合 可以用透折 超滤等物理方法除去抑制剂而使酶复活 1 竞争性抑制 Competitiveinhibition 抑制剂具有与底物类似的结构 竞争酶的活性中心 并与酶形成可逆的EI复合物 阻止底物与酶结合 可以通过增加底物浓度而解除此种抑制 丙二酸 戊二酸对琥珀酸脱氢酶的竞争性抑制 2 非竞争性抑制底物和抑制剂可以同时与酶结合 但是 中间的三元复合物ESI不能进一步分解为产物 因此 酶的活性降低 抑制剂与酶活性中的以外的基团结合 其结构可能与底物无关 不能通过增加底物的浓度的办法来消除非竞争性抑制作用 某些重金属离子对酶的抑制属于非竞争性抑制 Cu2 Hg2 Pb2 3 反竞争性抑制酶只有在与底物结合后 才能与抑制剂结合 E S ES I ESI P常见于多底物的酶促反应中 三 可逆抑制作用与不可逆抑制作用的鉴别1 通过透析 超滤 凝胶过滤等2 通过V E速度曲线3 通过可逆抑制剂的动力学曲线可以区分三种可逆抑制作用 1 竞争性抑制 相对活力 抑制分数 动力学方程 Ki为EI的解离常数 抑制程度决定于 I S Km和Ki 竞争性可逆抑制图示 Vmax不变 Km变大 而且随 I 浓度的增大而增大 竞争性抑制作用小结 1 Vmax不变 Km变大 2 抑制程度决定于 I S Km和KiA 抑制程度与 I 成正比 与 S 成反比 I 一定 增加 S 可减少抑制程度 S 一定 增加 I 可增加抑制程度 B 在一定 I 和 S 下 Ki越大 抑制作用越小 Km值愈大 抑制程度愈大 2 非竞争性抑制 相对活力 抑制分数 抑制程度决定于 I 和Ki 与底物的Km和 S 无关 动力学方程 非竞争性可逆抑制图示 Km不变 Vmax降至Vmax 1 I Ki 非竞争性抑制小结 1 Km不变 Vmax降至Vmax 1 I Ki 2 抑制程度决定于 I 和Ki 与底物的Km和 S 无关 抑制程度与 I 成正比在一定 I 下 Ki越大 抑制作用越小 3 反竞争性抑制 相对活力 抑制分数 动力学方程 抑制程度决定于Km Ki S I Km及Vmax都变小 反竞争性抑制小结 1 Km及Vmax都变小 2 抑制程度决定于Km Ki S I 抑制程度既与 I 成正比 又与 S 成正比在一定的 S I 下 Ki越大 抑制程度越小 Km越大 抑制程度越小 表小结 三种可逆抑制作用的酶促反应速度V与Km值 一般每一种酶有两个名称 一个是它的习惯名称 其习惯名一般是根据它的催化底物来命名的 淀粉酶 Diastase 蛋白 Protiase 果胶酶 Pectinase 等 另一个是其系统名称 国际生物化学协会 InternationalUnionofBiochemistry 酶学委员会 EnzymeCommission 于1961年该委员会正式提出了酶的系统命名方案 将底物和催化的反应同时考虑 进行命名 如 1 4葡萄糖水解酶