生物化学-酶通论-课件

第八章酶通论一、酶催化作用的特点二、酶的化学本质及其组成三、酶的命名和分类四、酶的专一性五、酶的活力测定和分离纯化六、核酶七、抗体酶八、酶工程简介1ppt课件一、酶催化作用的特点酶是一类具有高效率、高度专一性、活性可调节的高分子生物催化剂。

1857Pasteur提出酒精发酵是酵母细胞活动的结果。1897

Buchner兄弟证明发酵与细胞的活动无关，不含细胞的酵母汁也能进行乙醇发酵。1913

Michaelis和Menten提出米氏方程。1926

Sumner首次从刀豆中提出脲酶结晶，并证明具有蛋白质性质。1969

Merrifield人工合成核糖核酸酶。1967-1970

从E.coli中发现第I、第II类限制性核酸内切酶。2ppt课件1982

Cech和Altman发现四膜虫细胞大核期间26S

rRNA前体具有自我剪接功能。并于1986年证明其内含子L-19IVS具有多种催化功能。

Schultz与Lerner研制成功抗体酶。

Boyer和Wakler阐明ATP合成酶合成与分解ATP的分子机制。3ppt课件（一）酶和一般催化剂的比较酶与非生物催化剂相比的几点共性：①催化效率高，用量少（细胞中含量低）。②加快反应速度但不改变化学反应平衡点。③降低反应活化能。④反应前后自身结构不变。催化剂改变了化学反应的途径，使反应通过一条活化能比原途径低的途径进行，催化剂的效应只反映在动力学上（反应速度），不影响反应的热力学（化学平衡）。4ppt课件5ppt课件（二）酶作为生物催化剂的特点（1）

催化效率高：酶催化反应速度是相应的无催化反应的108-1020倍，并且至少高出非酶催化反应速度几个数量级。（2）专一性高：酶对反应的底物和产物都有极高的专一性，几乎没有副反应发生。（3）反应条件温和：温度低于100℃，正常大气压，中性pH环境。（4）活性可调节：根据据生物体的需要，许多酶的活性可受多种调节机制的灵活调节，包括：酶量的调节、激素调节、反馈抑制、别构调节、酶的共价修饰、酶的合成、活化与降解等。（5）

酶的催化活性离不开辅酶、辅基、金属离子。6ppt课件（二）酶作为生物催化剂的特点酶的催化作用可使反应速度提高10７

–101３倍。例如：过氧化氢分解

2H2O2

2H2O+O2用Fe3+

催化，效率为6×10-4mol/mol·S，而用过氧化氢酶催化，效率为6×106mol/mol·S。转换数（turnovernumber）的概念：每秒钟每个酶分子能催化底物发生变化的微摩尔数，用kcat表示（mol/S）。-淀粉酶催化淀粉水解，1克结晶酶在65C条件下可催化2吨淀粉水解。1．高效性（酶具有极高的催化效率）7ppt课件2．专一性Specificity酶的专一性Specificity又称为特异性，是指酶在催化生化反应时对底物的选择性，即一种酶只能作用于某一类或某一种特定的物质。亦即酶只能催化某一类或某一种化学反应。

例如：蛋白酶催化蛋白质的水解；淀粉酶催化淀粉的水解；核酸酶催化核酸的水解。8ppt课件3．反应条件温和酶促反应一般在pH5-8水溶液中进行，反应温度范围为20-40C。高温或其它苛刻的物理或化学条件，将引起酶的失活。４．酶易失活凡能使蛋白质变性的因素如强酸、强碱、高温等条件都能使酶破坏而完全失去活性。所以酶作用一般都要求比较温和的条件如常温、常压和接近中性的酸碱度。9ppt课件５.酶活力可调节控制如抑制剂调节、共价修饰调节、反馈调节、酶原激活及激素控制等。６.某些酶催化活力与辅酶、辅基及金属离子有关。10ppt课件二、酶的化学本质及其组成（一）酶的化学本质绝大多数酶是蛋白质。证据：（1）能被蛋白酶水解失活，酸水解的产物是氨基酸；（2）具有蛋白质的一切共性，如凡是能使蛋白质变性的因素都能使酶变性。少数酶是RNA（核酶）。11ppt课件（二）酶的化学组成及类别（小结）据酶分子组成分类单纯蛋白质酶类simpleprotein结合蛋白质酶类（缀合蛋白质）Conjugatedprotein酶蛋白质(脱辅酶)apoproteinapoenzyme辅助因子cofactor金属离子辅基prostheticg.辅酶coenzyme脱辅酶与辅因子结合后所形成的复合物称为“全酶”即：全酶=脱辅酶+辅因子12ppt课件只有全酶才起催化作用辅酶是指与脱辅酶结合比较松弛的小分子有机物质，通过透析方法可以除去。如辅酶Ⅰ和辅酶Ⅱ等。辅基是以共价键和脱辅酶结合，不能通过透析除去，需要经过一定的化学处理才能与蛋白质分开。如细胞色素氧化酶中的铁卟啉。脱辅酶部分决定酶的专一性；

辅酶（辅基）在酶催化中通常起者电子、原子或某些化学基团的传递作用13ppt课件单体酶-monomericenzyme：一般由一条肽链组成，如溶菌酶、胰蛋白酶、木瓜蛋白酶等。但有的单体酶有多条肽链组成，如胰凝乳蛋白酶由3条肽链，链间由二硫键相连构成一个共价整体。寡聚酶-oligomericenzyme：由2个或2个以上亚基组成，亚基间可以相同也可不同。亚基间以次级键缔合。如3-磷酸甘油醛脱氢酶、乳酸脱氢酶、丙酮酸激酶等。多酶体系-multienzymesystem：由几种酶靠非共价键彼此嵌合而成。主要指结构化的多酶复合体如丙酮酸脱氢酶系、脂肪酸合成酶复合体等。据酶蛋白特征分类单体酶寡聚酶多酶复合体14ppt课件三、酶的命名和分类（一）

习惯命名1961年以前使用的酶沿用习惯命名：（1）依据底物来命名：如：催化蛋白质水解的酶称蛋白酶。催化淀粉水解的酶称淀粉酶。（2）依据催化反应的性质及类型命名：如：水解酶、转氨酶。（3）结合上述两个原则命名，琥珀酸脱氢酶。（4）有时加上酶的来源，如：胃蛋白酶、牛胰凝乳蛋白酶。15ppt课件（二）国际系统命名法基本原则：明确标明酶的底物及催化反应的性质（底物为水时可略去不写）。谷丙转氨酶的系统名称：丙氨酸:α-酮戊二酸氨基转移酶16ppt课件1.氧化还原酶

2.转移酶类

3.水解酶类

4.裂合酶类

5.异构酶类

6.合成（连接）酶类国际酶学委员会（EnzymeCommsion）将酶分成六大类（根据各种酶所催化反应的类型）：（三）国际系统分类法及酶的编号17ppt课件1、氧化还原酶类Oxidoreductase氧化-还原酶催化氧化-还原反应。主要包括脱氢酶(dehydrogenase)和氧化酶(Oxidase)。如，乳酸(Lactate)脱氢酶催化乳酸的脱氢反应。18ppt课件氧化酶类：催化底物脱氢并生成H2O2或H2OA·2H+O2A+H2O22A·2H+O22A+2H2O脱氢酶类：A·2H+BA+B·2H19ppt课件

习惯上可分为4个亚类：脱氢酶：受体为NAD或NADP，不需氧。氧化酶：以分子氧为受体，产物可为水或H2O2，常需黄素辅基。过氧物酶：以H2O2为受体，常以黄素、血红素为辅基。氧合酶（加氧酶）：催化氧原子掺入有机分子，又称羟化酶。按掺入氧原子个数可分为单加氧酶和双加氧酶。20ppt课件2、转移酶类Transferase催化功能基团的转移反应。如各种转氨酶和激酶分别催化转移氨基和磷酸基的反应。例如，谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。A·X+BA+BX21ppt课件可分为8个亚类，较重要的有：

羰基转移酶：转移一碳单位，与核酸、蛋白质甲基化有关。磷酸基转移酶：常称为激酶，多以ATP为供体。少数蛋白酶也称为激酶（如肠激酶）。

糖苷转移酶：与多糖代谢密切相关，如糖原磷酸化酶。22ppt课件3、水解酶类

催化底物的水解反应。起降解作用，多位于胞外或溶酶体中。如蛋白酶、脂肪酶等。可分为水解酯键（如限制性内切酶）、糖苷键（如果胶酶、溶菌酶等）、肽键、碳氮键等11亚类。例如：脂肪酶(Lipase)催化的脂的水解反应：A-B+HOHAOH+BH23ppt课件4、裂合酶类催化从底物上移去一个小分子而留下双键的反应或其逆反应。包括醛缩酶、水化酶、脱羧酶等。共7个亚类。A·BA+B24ppt课件例如：延胡索酸水合酶催化的反应醛缩酶催化反应

H0-C-HH-C-OHCH2OPO3H2C=O

CH2OHH-C=OH-C-OHCH2OPO3H2醛缩酶1，6-二磷酸果糖磷酸二羟丙酮3-磷酸甘油醛C=OCH2OPO3H2H-C-OH

CH2OPO3H2＋25ppt课件5、异构酶类

AB催化同分异构体之间的相互转化。包括消旋酶、异构酶、变位酶等。共6个亚类26ppt课件例如：葡萄糖异构酶催化的反应。葡萄糖6-磷酸异构酶催化反应6-磷酸葡萄糖6-磷酸果糖

CHOC-OHHOC-HH-C-OHH-C-OHC-2OPO3H2

CH2OHC=OHOC-HH-C-OHH-C-OHC-2OPO3H227ppt课件6、合成（连接）酶类合成酶，又称为连接酶，能够催化C-C、C-O、C-N以及C-S键的形成反应。这类反应必须与ATP分解反应相互偶联。A+B+ATP+H-O-HA·B+ADP+Pi

A+B+ATP+H-O-HA·B+AMP+PPi

例如，丙酮酸羧化酶催化的反应。丙酮酸+CO2草酰乙酸28ppt课件（1）按反应性质分六大类，用1、2、3、4、5、6表示。（2）根据底物中被作用的基团或键的特点，将每一大类分为若干个亚类，编号用1、2、3、…。（3）每个亚类又可分为若干个亚－亚类，用编号1、2、3、…（4）流水编号1、2、3、…酶的编号由4个数字组成，中间以“.”隔开。29ppt课件30ppt课件如：乙醇脱氢酶EC1.1.1.1乳酸脱氢酶EC1.1.1.27苹果酸脱氢酶EC1.1.1.37

第一个数字表示大类：氧化还原第二个数字表示反应基团：醇基第三个数字表示电子受体：NAD+或NADP+第四个数字表示此酶底物：乙醇，乳酸，苹果酸。31ppt课件◆国际分类的盲区：忽略了酶的物种差异和组织差异SOD：EC1.15.1.1，只有一个名称和编号

2O2-+2H+→H2O2+O2

三类不同的SOD：CuZn-SOD真核生物细胞质中Mn-SOD真核生物线粒体中Fe-SOD同是CuZn-SOD，来自牛红细胞与猪红细胞的，其一级结构也有很大不同。★在讨论一个具体的酶时，应对它的来源与名称一并加以说明。32ppt课件四、酶的专一性（一）酶的专一性酶的专一性结构专一性绝对专一性相对专一性基团专一性键专一性立体异构专一性旋光异构专一性几何异构专一性33ppt课件１.

结构专一性（１）绝对专一性（Absolutespecificity)有些酶对底物的要求非常严格，只作用于一个特定的底物。这种专一性称为绝对专一性。例如：脲酶、麦芽糖酶、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。O

脲酶

H2N—C—NH2+H2O2NH3+CO234ppt课件（２）相对专一性(RelativeSpecificity)有些酶的作用对象不是一种底物，而是一类化合物或一类化学键。这种专一性称为相对专一性。包括：族(group)专一性（对键两端的基团要求的程度不同，只对其中一个基团要求严格）。如-葡萄糖苷酶，催化由-葡萄糖所构成的糖苷水解，但对于糖苷的另一端没有严格要求。胰蛋白酶，水解碱性氨基酸的羧基形成的肽键。键(Bond)专一性。如酯酶催化酯的水解，对于酯两端的基团没有严格的要求。35ppt课件２.

立体化学（异构）专一性（１）旋光异构专一性酶的一个重要特性是能专一性地与手性底物结合并催化这类底物发生反应。即当底物具有旋光异构体时，酶只能作用于其中的一种。例如，淀粉酶只能选择性地水解D－葡萄糖形成的1，4－糖苷键；L-氨基酸氧化酶只能催化L-氨基酸氧化；又如：乳酸脱氢酶只对L-乳酸是专一的。36ppt课件（２）几何异构专一性（geometricalspecificity）有些酶只能选择性催化某种几何异构体底物的反应，而对另一种构型则无催化作用。

如延胡索酸水合酶只能催化延胡索酸即反－丁烯二酸水合生成苹果酸，对马来酸（顺－丁烯二酸）则不起作用；又如：丁二酸（琥珀酸）脱氢酶。琥珀酸延胡索酸37ppt课件（二）关于酶作用专一性的假说锁钥学说(1894年EmilFischer—

lockandkeythoery)：认为整个酶分子的天然构象是具有刚性结构的，酶表面具有特定的形状。酶与底物的结合如同一把钥匙对一把锁一样。将酶的活性中心比喻作锁孔，底物分子象钥匙，底物能专一性地插入到酶的活性中心。？38ppt课件（但如何解释酶的多底物现象、酶对正反方向的催化、相对专一性）39ppt课件诱导契合学说(1958年D.Koshland－induced-fithypothesis)：酶的活性中心在结构上具柔性，底物接近活性中心时，可诱导酶蛋白构象发生变化，这样就使酶活性中心有关基团正确排列和定向，使之与底物成互补形状有机的结合而催化反应进行。40ppt课件诱导契合学说的要点A.酶有其原来的形状，不一定一开始就是底物的模板B.底物能诱导酶蛋白的形状发生一定变化（专一性结合）C.当酶的形状发生变化后，就使得其中的催化基团形成正确的排列。D.在酶反应过程中，酶活性中心构象的变化是可逆的。即酶与底物结合时，产生一种诱导构象，反应结束时，产物从酶表面脱落，酶又恢复其原来的构象。41ppt课件ZnZnGlu270Tyr248Arg145底物

羧肽酶结合底物前后构象变化42ppt课件五、酶的活力测定和分离纯化（一）酶活力测定酶的含量不能直接用重量和摩尔数表示（不纯、失活、分子量不知），而采用酶的活力单位表示。1.酶活力酶活力：用在一定条件下，酶催化某一反应的反应速度表示。反应速度快，活力就越高。酶量——酶活力——反应速度43ppt课件酶促反应速度的表示方法：单位时间、单位体积中底物的减少量或产物的增加量。研究酶促反应速度，以酶促反应的初速度为准。因为底物浓度降低、酶部分失活、产物抑制和逆反应等因素，会使反应速度随反应时间的延长而下降。44ppt课件2.酶的活力单位

习惯单位（U）:底物(或产物)变化量/单位时间国际单位（IU）:1μmoL变化量/分钟

Katal（Kat）：1moL变化量/秒3.酶的比活力比活力=总活力单位总蛋白mg数=U(或IU)mg蛋白45ppt课件4.酶活力的测定方法终点法:酶反应进行到一定时间后终止其反应，再用化学或物理方法测定产物或反应物量的变化。动力学法:连续测定反应过程中产物、底物或辅酶的变化量，直接测定出酶反应的初速度。46ppt课件（1）分光光度法（spectrophotometry）：多利用产物在紫外或可见光部分的光吸收性质，选择适当波长，测定反应过程的进行情况。简便、节约时间和样品，可以检测nmol/L水平的变化。（2）荧光法(fluorometry)：主要利用底物或产物的荧光性质。灵敏度高，但易受到干扰。（3）同位素测定法：同位素标记底物，反应后经分离，检测产物的脉冲数，即可换算成酶的活力单位。灵敏度最高。（4）电化学方法：pH计、氧电极法

47ppt课件（二）酶的分离和纯化酶的分离提纯方法，也就是常用来分离提纯蛋白质的方法。（1）把很大体积的酶制剂浓缩到较小体积;（2）把酶制剂中大量的杂质蛋白和其它大分子物质分离出去。判断分离提纯方法的优劣，用总活力的回收和比活力提高的倍数来衡量。过程：①选材；②破碎；③抽提；④分离及纯化；⑤结晶；⑥保存。48ppt课件六、核酶(ribozyme)*Ribozyme是一种RNA生物催化剂Ribozyme的发现：RNA具有酶的催化功能是由CechT.R于1982年提出的。1981年，发现四膜虫（tetrahymenathermophila）的26SrRNA前体在成熟过程中，其居间序列通过剪接反应被除去。并证明四膜虫rRNA前体的居间序列核糖核酸（L-19RNA）具有多种催化功能，将这种具有催化活性的RNA称为Ribozyme(ribonucleicacidenzyme)。获得1989年诺贝尔化学奖。49ppt课件rRNA基因的转录产物即rRNA前体（大约6400个核苷酸残基）很不稳定，在鸟苷和Mg2+存在下切除自身的内含子（intron或interveningsequence,IVS-居间序列或间插序列），使两个外显子(exon)拼接起来，形成成熟的rRNA——此过程没有任何蛋白质酶参与，称为自我剪接（self-splicing）,并证明RNA具有催化活性。50ppt课件51ppt课件Ribozyme在一定条件下，高度专一地催化下列反应，具有相应酶的活性（底物专一、符合米氏方程、对竞争性抑制剂敏感）

1.核苷酸转移酶活性2CpCpCpCpCCpCpCpCpCpC+CpCpCpC2.磷酸二酯酶活性CpCpCpCpC

CpCpCpC+Cp3.磷酸转移酶活性CpCpCpCpCpCp+UpCpUCpCpCpCpCpC+UpCpUp4.RNA限制性内切酶活性另外，1997年，Zhang和Cech证明了人工合成的RNA分子具有肽基转移酶活性。52ppt课件Ribozyme发现的重大意义：RNA具有酶的催化活性，向酶的化学本质是蛋白质这一传统概念提出了挑战。在理论上，对于生物起源和生命进化的研究具有重要启示。

生物催化分子进化的可能性：

RNARNA-蛋白质蛋白质-RNA蛋白质-辅酶或辅基蛋白质

在实践上，由于Ribozyme的内切酶活性，可定点切割mRNA，破坏mRNA，抑制基因表达，为基因、病毒和肿瘤治疗提供了可行途径。53ppt课件七、抗体酶（abzyme）抗体酶—指具有催化活性的免疫球蛋白，即在其高可变区赋予了酶的属性。是抗体的高度选择性与酶的高效催化性相结合的产物。抗体与酶相似，都是蛋白质分子，酶与底物的结合及抗体与抗原的结合都是高度专一性的，但这两种结合的基本区别在于酶与高能的过渡态分子相结合，而抗体则与抗原（基态分子）相结合。利用抗体能与抗原特异结合的原理可用过度态类似物作为半抗原来诱发抗体，这样产生的抗体便能特异地识别反应过程中真正的过渡分子，从而降低反应的活化能。达到催化反应的目的，这种具有催化功能的抗体就被称为催化抗体或抗体酶。54ppt课件

O–C–A.酯酶的底物–酯B.酯的羧基碳原子受到亲核攻击形成四面体过渡态C.设计的磷酸酯类似物,作为抗原去免疫实验动物磷酸酯类似物(半抗原)对酯水解反应有催化作用的单克隆抗体免疫免疫反应诱导法制备具有酯酶活性的抗体55ppt课件抗体酶的筛选在抗体酶研究中，一个不可少的步骤是在细胞融合后筛选到能分泌催化抗体的细胞克隆。一般的方法是先筛选其抗体能结合特异抗原的细胞克隆，再从纯化的抗体中筛选出有催化能力的单抗。主要筛选方法有生物学筛选法和纯化学筛选法。56ppt课件抗体酶的研究和应用前景催化抗体的出现不仅为人们开创了一条人工设计酶的新方法，也使人们对催化过程中催化剂的作用机理和催化剂和底物的相互识别有了进一步认识。目前已经发现具有催化作用的自身抗体在生物体内的存在，其不仅和疾病相关，可能还参与了生物体内的某些或基本的生物学反应。有可能成为抗体酶研究的新热点。充分利用抗体的种类繁多以及抗体酶的可诱导、可改造的特点，可望制备出具有治疗和辅助治疗某些疾病或催化某类具有特殊意