酶的化学 第第8 8章章 酶通论酶通论第第9 9章章 酶促反应动力学酶促反应动力学第第1010章章 酶的作用机制和酶的调节酶的作用机制和酶的调节第第8 8章章 酶通论酶通论一、酶催化作用的特点一、酶催化作用的特点 (P320)(P320)二、酶的化学本质及其组成二、酶的化学本质及其组成(P323)(P323)三、酶的命名和分类三、酶的命名和分类(P326)(P326)四、酶的专一性四、酶的专一性(P332)(P332)五、酶的活力测定和分离纯化五、酶的活力测定和分离纯化(P335)(P335)六、核酶六、核酶(P339)(P339)七、抗体酶七、抗体酶(P343)(P343)八、酶工程简介八、酶工程简介(P344)(P344)(一一) 酶和一般催化剂的比较酶和一般催化剂的比较(二二) 酶作为生物催化剂的特点酶作为生物催化剂的特点 enzyme A BSubstrate product一、酶催化作用的特点一、酶催化作用的特点(一一) 酶和一般催化剂的比较酶和一般催化剂的比较酶与一般催化剂相比具有共同点：酶与一般催化剂相比具有共同点： 用量少，效率高（催化）用量少，效率高（催化） 不改变化学反应的平衡点，只加快反应速不改变化学反应的平衡点，只加快反应速度，在反应前后自身无变化。度，在反应前后自身无变化。 降低反应活化能。降低反应活化能。催化过程和非催化过程中自由能的变化催化过程和非催化过程中自由能的变化(二二) 酶作为酶作为生物催化生物催化剂的特点剂的特点酶与一般催化剂相比具有不同点：酶与一般催化剂相比具有不同点： 1.1.酶不稳定，易失去催化活性酶不稳定，易失去催化活性，反应在温和条件下进行。，反应在温和条件下进行。 2.2.极高的催化效率极高的催化效率 酶催化反应的速度是一般催化剂的反酶催化反应的速度是一般催化剂的反应速度的应速度的10106 6-10-101313倍。倍。 3.3.高度专一性高度专一性 酶对其所作用的物质（称为底物）有着严酶对其所作用的物质（称为底物）有着严格的选择性。酶对底物的严格的选择性称为酶的专一性（特异格的选择性。酶对底物的严格的选择性称为酶的专一性（特异性）。性）。 4.4.酶的催化活性在生物体内具有可调控性酶的催化活性在生物体内具有可调控性 由于酶具有特由于酶具有特殊的催化功能而其催化活性又极易受环境条件的影响发生变化，殊的催化功能而其催化活性又极易受环境条件的影响发生变化，因而生物体能够通过多方面因素对酶进行调节和控制。因而生物体能够通过多方面因素对酶进行调节和控制。 二、酶的化学本质及其组成二、酶的化学本质及其组成（P323）( (一一) ) 酶的化学本质酶的化学本质( (二二) ) 酶的化学组成酶的化学组成( (三三) ) 单体酶、寡聚酶、多酶复合体单体酶、寡聚酶、多酶复合体(一一) 酶的化学本质酶的化学本质 酶的化学本质除了具有催化活性的酶的化学本质除了具有催化活性的RNARNA之外几乎都是蛋之外几乎都是蛋白质，其白质，其主要依据主要依据： （1 1）酶水解后的最终产物都是氨基酸，酶能被蛋白酶）酶水解后的最终产物都是氨基酸，酶能被蛋白酶水解而失活。水解而失活。 （2 2）酶是具有空间结构的生物大分子，凡是能使蛋白）酶是具有空间结构的生物大分子，凡是能使蛋白质变性的因素都可以使酶变性失活。质变性的因素都可以使酶变性失活。 （3 3）酶是两性电解质，具有特定的等电点。）酶是两性电解质，具有特定的等电点。 （4 4）酶和蛋白质一样，不能通过半透膜等胶体性质。）酶和蛋白质一样，不能通过半透膜等胶体性质。 （5 5）酶也有蛋白质具有的呈色反应。）酶也有蛋白质具有的呈色反应。 有些酶只有氨基酸组成，不含其他成分，称之为有些酶只有氨基酸组成，不含其他成分，称之为单纯酶单纯酶（simple enzyme）。脲酶、胃蛋白酶和核糖核酸酶等一般。脲酶、胃蛋白酶和核糖核酸酶等一般水解酶都属于单纯酶。水解酶都属于单纯酶。 有些酶除了蛋白质组分外，还含有对热稳定的非蛋白的小有些酶除了蛋白质组分外，还含有对热稳定的非蛋白的小分子物质，称为分子物质，称为全酶（全酶（holoenzyme），），其蛋白质组分称为其蛋白质组分称为脱辅酶（脱辅酶（apoenzyme或或apoprotein），），非蛋白的小分子物质非蛋白的小分子物质称为辅因子（称为辅因子（cofactor）。）。(二二) 酶的化学组成酶的化学组成辅因子辅因子 有的酶的辅因子是金属离子，有的是小分子有有的酶的辅因子是金属离子，有的是小分子有机化合物。有时这两者对酶的活性都是需要的。机化合物。有时这两者对酶的活性都是需要的。 通常把与酶蛋白结合比较松的，用透析法可以通常把与酶蛋白结合比较松的，用透析法可以除去的小分子有机物称为除去的小分子有机物称为辅酶辅酶。而把那些与酶蛋白。而把那些与酶蛋白结合比较紧的，用透析法不易除去的小分子物质称结合比较紧的，用透析法不易除去的小分子物质称为为辅基辅基。 (三三) 单体酶、寡聚酶、多酶复合体单体酶、寡聚酶、多酶复合体 根据蛋白分子的特点，又可将酶分为以下三类：根据蛋白分子的特点，又可将酶分为以下三类： 单体酶（单体酶（monomeric enzyme）：）：只有一条肽链的酶称为单只有一条肽链的酶称为单体酶。体酶。 寡聚酶寡聚酶(oligomeric enzyme)：有几个或多个亚基组成的酶：有几个或多个亚基组成的酶称为寡聚酶。称为寡聚酶。 多酶复合物多酶复合物(multienzyme complex)：一般由一般由2-6个功能相关个功能相关的酶组成。这样更有利于化学反应的进行，以提高酶的催化效率，的酶组成。这样更有利于化学反应的进行，以提高酶的催化效率，同时便于机体对酶的调控。多酶复合物的相对分子质量都在几百同时便于机体对酶的调控。多酶复合物的相对分子质量都在几百万以上。万以上。 例如例如丙酮酸脱氢酶丙酮酸脱氢酶复合物和复合物和脂肪酸合成酶脂肪酸合成酶复合物。复合物。三、酶的命名和分类三、酶的命名和分类(一一) 习惯命名法习惯命名法 (二二) 国际系统命名法国际系统命名法 (三三) 国际系统分类法及酶的编号国际系统分类法及酶的编号 (四四) 六大类酶的特征和举例六大类酶的特征和举例(一一) 习惯命名法习惯命名法 1961年以前，人们对酶的命名多采用习惯命名年以前，人们对酶的命名多采用习惯命名法，主要依据两个原则：法，主要依据两个原则： （1）根据酶作用的底物命名，如催化水解淀）根据酶作用的底物命名，如催化水解淀粉的酶叫淀粉酶。粉的酶叫淀粉酶。 （2）根据酶催化反应的性质及类型命名，如）根据酶催化反应的性质及类型命名，如水解酶、氧化酶等。水解酶、氧化酶等。(二二) 国际系统命名法国际系统命名法 随着越来越多的酶相继被发现，习惯命名法已不能科随着越来越多的酶相继被发现，习惯命名法已不能科学地区分每一种酶，因此，学地区分每一种酶，因此，1961年国际生化协会酶委员会年国际生化协会酶委员会制定了酶的系统命名原则。制定了酶的系统命名原则。 系统命名原则：系统命名原则：每种酶的名称应每种酶的名称应标明标明酶的酶的底物底物名字和名字和催催化反应的性质化反应的性质。若底物为。若底物为2种，则需将种，则需将2个底物都列出，中个底物都列出，中间用冒号间用冒号“：”分开，分开，若作用物之一为水若作用物之一为水, ,则可略去则可略去. .底物底物的名称必须确切的名称必须确切,L,D,L,D型及型及,型均应列出。型均应列出。 例如，例如，L-乳酸：乳酸：NAD+氧化还原酶。氧化还原酶。(三三) 国际系统分类法及酶的编号国际系统分类法及酶的编号1961年国际生化会议根据酶作用专一性的不同，将酶分为六年国际生化会议根据酶作用专一性的不同，将酶分为六大类，分别用大类，分别用1、2、3、4、5、6来表示来表示 氧转水氧转水 裂亦合裂亦合1.氧化还原酶类（氧化还原酶类（Oxidoreductases） 2.转移酶类（转移酶类（transferases）3.水解酶类（水解酶类（hydrolases）4.裂合酶类（裂合酶类（lyases）5.异构酶类（异构酶类（isomerases） 6.合成酶类（合成酶类（ synthatases，或连接酶，或连接酶ligases）氧氧 转转 水水 裂裂 亦（异）亦（异） 合合 上述六大类酶中，每一类分为若干亚类，每一亚类又分上述六大类酶中，每一类分为若干亚类，每一亚类又分为若干亚为若干亚-亚类，每一亚亚类，每一亚-亚类中有若干个酶。因此每一个酶亚类中有若干个酶。因此每一个酶都有一个由都有一个由4个数字组成的分类号，数字间由个数字组成的分类号，数字间由“.”隔开并在隔开并在编号前冠以编号前冠以EC字样。字样。 例如：例如： 乳酸脱氢酶的分类号为乳酸脱氢酶的分类号为 EC1.1.1.27 （见（见P327表表8-9） EC 为为 Enzyme Commission （酶学委员会）缩写。（酶学委员会）缩写。 在酶的在酶的4组数字中：组数字中： 第一组数字：表示六大类中的哪一类第一组数字：表示六大类中的哪一类 第二组数字：表示属于哪一个亚类（作用基团）第二组数字：表示属于哪一个亚类（作用基团） 第三组数字：表示属于哪一个亚第三组数字：表示属于哪一个亚-亚类亚类 第四组数字：表示在亚第四组数字：表示在亚-亚类中的排号亚类中的排号例如：例如： 乙醇脱氢酶 EC 1.1.1.1 乳酸脱氢酶 EC 1.1.1.27 苹果酸脱氢酶 EC 1.1.1.37 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。 (四四) 六大类酶的特征和举例六大类酶的特征和举例1.氧化还原酶类（氧化还原酶类（Oxidoreductases）乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶2.转移酶类（转移酶类（transferases）谷丙转氨酶谷丙转氨酶3.水解酶类（水解酶类（hydrolases）蛋白酶，淀粉酶蛋白酶，淀粉酶4.裂合酶类（裂合酶类（lyases）草酰乙酸脱羧酶草酰乙酸脱羧酶 丙酮酸脱羧酶丙酮酸脱羧酶5.异构酶类（异构酶类（isomerases）己糖磷酸异构酶己糖磷酸异构酶 6.连接酶类（连接酶类（ligases） 天冬酰胺合成酶天冬酰胺合成酶 裂合酶类连接酶类的区别？裂合酶类连接酶类的区别？四、酶的专一性四、酶的专一性(一一)酶的专一性酶的专一性(二二)关于酶作用专一性的假说关于酶作用专一性的假说(一一) 酶的专一性酶的专一性1、结构专一性、结构专一性2、立体异构专一性、立体异构专一性1、结构专一性、结构专一性（1）相对专一性）相对专一性 各种酶对于底物结构的专一性要求是不同的。有各种酶对于底物结构的专一性要求是不同的。有的酶只对底物分子中其所作用的键要求严格，而不管的酶只对底物分子中其所作用的键要求严格，而不管键两端所连基团的性质。键两端所连基团的性质。 例如，酯酶，二肽酶例如，酯酶，二肽酶。 （2）绝对专一性）绝对专一性 还有一些酶具有高度的专一性。它们对底物的要还有一些酶具有高度的专一性。它们对底物的要求很严格，甚至有时只能催化一种底物，进行一种化求很严格，甚至有时只能催化一种底物，进行一种化学反应。学反应。 例如脲酶只能作用于尿素，催化其水解产生氨及例如脲酶只能作用于尿素，催化其水解产生氨及二氧化碳。二氧化碳。2、立体异构专一性、立体异构专一性（1）旋光异构专一性）旋光异构专一性 酶酶只只能能催催化化一一种种旋旋光光异异构构体体（D或或L型型）发发生生某某种化学反应，而对另一种旋光异构体则无作用。种化学反应，而对另一种旋光异构体则无作用。 例如：例如：乳酸脱氢酶、乳酸脱氢酶、D-氨基酸氧化酶氨基酸氧化酶（2）几何异构专一性）几何异构专一性 有些酶对于几何异构体具有高度的专一性。例如，有些酶对于几何异构体具有高度的专一性。例如，延胡索酸酶能够催化反丁烯二酸转变成苹果酸延胡索酸酶能够催化反丁烯二酸转变成苹果酸(二二)关于酶作用专一性的假说关于酶作用专一性的假说 酶与底物形成酶一底物复合体后进一步转变酶与底物形成酶一底物复合体后进一步转变为产物，同时释放出酶。酶分子在反应前后没有为产物，同时释放出酶。酶分子在反应前后没有消耗消耗 。 1、锁钥结合学说、锁钥结合学说 2、诱导契合学说、诱导契合学说 1、锁钥结合学说、锁钥结合学说 1894年年Emil Fischer提出提出 酶对于底物的识别是依赖于酶分子活性中心酶对于底物的识别是依赖于酶分子活性中心与底物功能基团之间空间上的互补性。与底物功能基团之间空间上的互补性。 2、诱导契合学说、诱导契合学说 1958年年D.E. Koshland 提出提出 该学说认为酶活性中心的空间结构并非固定该学说认为酶活性中心的空间结构并非固定不变的，而是在一定程度上柔韧可变。当酶与不变的，而是在一定程度上柔韧可变。当酶与底物结合时底物结合时 ，其构象发生改变以利于与底物的，其构象发生改变以利于与底物的契合，从而使反应顺利进行。当反应结束后，契合，从而使反应顺利进行。当反应结束后，酶的构象又恢复。转化酶酶的构象又恢复。转化酶五、酶的活力测定和分离纯化五、酶的活力测定和分离纯化(一一) 酶活力的测定酶活力的测定(二二) 酶的分离和纯化酶的分离和纯化(一一) 酶活力的测定酶活力的测定1、酶的活力、酶的活力2、酶的活力单位、酶的活力单位3、酶的比活力、酶的比活力4、酶活力的测定方法、酶活力的测定方法 酶酶的的活活力力就就是是酶酶加加速速其其所所催催化化的的化化学学反反应应速速度的能力。度的能力。 测测定定酶酶的的活活力力本本质质上上就就是是测测定定酶酶促促反反应应进进行行的速度。酶促反应速度越大，酶的活力就越强；的速度。酶促反应速度越大，酶的活力就越强； 反之，反应速度越小，酶的活力就越弱。反之，反应速度越小，酶的活力就越弱。1、酶的活力、酶的活力2、酶的活力单位、酶的活力单位 酶酶活活力力单单位位，即即酶酶单单位位（U），用用来来表表示示酶酶活力的大小即酶含量的多少。活力的大小即酶含量的多少。 酶酶单单位位的的定定义义：在在一一定定条条件件下下，一一定定时时间间内内将一定量的底物转化为产物所需的酶量。将一定量的底物转化为产物所需的酶量。 这这样样酶酶的的含含量量就就可可以以用用每每克克（或或每每毫毫升升）酶酶制剂含有多少酶单位来表示（制剂含有多少酶单位来表示（U/g，U/ml）。）。 为为了了统统一一酶酶的的单单位位，国国际际生生化化协协会会酶酶学学委委员员会会于于1961年年提提出出采用统一的采用统一的“国际单位国际单位”（IU）来表示酶活力，规定：来表示酶活力，规定： 在在最最适适反反应应条条件件下下（温温度度25），1分分钟钟内内能能转转化化1mol底底物物的酶量称为一个酶单位，即的酶量称为一个酶单位，即 1IU=1mol/min 1972年，国际生化协会委员会推荐了一个新单位年，国际生化协会委员会推荐了一个新单位“katal”（简简称称kat）以以便便和和国国际际单单位位制制SI（international system of units）取得一致。取得一致。 一一个个“katal”单单位位是是指指在在最最适适条条件件下下1秒秒钟钟内内转转化化1mol底底物物所需要的酶量。所需要的酶量。 Kat单位和单位和IU单位的换算关系如下：单位的换算关系如下： 1kat=1mol/s=1106mol60/min=6107U 1U=16.67nkat3、酶的比活力、酶的比活力 在酶学研究和生产中还常用一种酶的活力单在酶学研究和生产中还常用一种酶的活力单位称位称比活力比活力（比活性），是指每单位质量样品中的（比活性），是指每单位质量样品中的酶活力，即酶活力，即每每mg蛋白质中所含酶的活力单位的数蛋白质中所含酶的活力单位的数或每或每g蛋白质中含酶的活力单位的数蛋白质中含酶的活力单位的数。 在测定酶活力时必须要注意在测定酶活力时必须要注意： （1）测定的反应速度必须是反应初速度，否则）测定的反应速度必须是反应初速度，否则不可能得到准确结果。不可能得到准确结果。 （2）酶反应速度受环境条件的影响。因此在测）酶反应速度受环境条件的影响。因此在测定酶活力时，要维持在一套固定条件下进行。定酶活力时，要维持在一套固定条件下进行。 4、酶活力的测定方法、酶活力的测定方法（1）分光光度法）分光光度法（2）荧光法）荧光法（3）同位素测定法）同位素测定法（4）电化学方法）电化学方法六、核酶六、核酶 (一一) 核酶核酶(ribozyme)的概念的概念(二二) 核酶的种类核酶的种类(三三) 核酶的研究意义及应用前景核酶的研究意义及应用前景（一）核酶的概念（一）核酶的概念 1926年年Summer首次从刀豆中获得脲酶结晶并证明首次从刀豆中获得脲酶结晶并证明是蛋白质以来，人们一直以为酶的化学本质就是蛋白质。是蛋白质以来，人们一直以为酶的化学本质就是蛋白质。1982年年Cech等以原生动物嗜热四膜虫为材料，研究等以原生动物嗜热四膜虫为材料，研究rRNA的基因转录时发现：的基因转录时发现： 转录产物转录产物rRNA前体很不稳定，在鸟苷和前体很不稳定，在鸟苷和Mg 2+存在存在下切除自身的下切除自身的413个核苷酸的内含子，使两个外显子拼接个核苷酸的内含子，使两个外显子拼接在一起，变成成熟的在一起，变成成熟的rRNA分子。这个催化反应是在完全分子。这个催化反应是在完全没有蛋白质酶存在的情况下发生的，称之为自我剪接，没有蛋白质酶存在的情况下发生的，称之为自我剪接，证明了证明了RNA具有催化功能。具有催化功能。 为了区别传统的蛋白质催化剂的酶，所以为了区别传统的蛋白质催化剂的酶，所以将这种具将这种具有催化功能的有催化功能的RNA定名为定名为核酶核酶（ribozyme）。）。 ribose七、抗体酶七、抗体酶 既既是是抗抗体体又又具具有有催催化化功功能能的的蛋蛋白白质质称称为为“抗抗体体酶酶（abzyme）”。因因为为它它是是具具有有催催化化活活性性的的抗抗 体体 ， 故故 又又 称称 为为 “催催 化化 性性 抗抗 体体 （ catalytic antibody）”。 抗体酶的催化反应类型广泛，除了催化水解抗体酶的催化反应类型广泛，除了催化水解反应外，还能催化酰基转移、酰胺键、碳反应外，还能催化酰基转移、酰胺键、碳-碳键的碳键的形成以及氧化还原等反应。形成以及氧化还原等反应。