高中生物竞赛 酶通论课件.ppt

第二单元第二单元 酶酶第第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 酶酶（Enzyme）通论通论一、酶催化作用的特点一、酶催化作用的特点 (P(P320320)二、酶的化学本质及其组成二、酶的化学本质及其组成(P(P323323)三、酶的命名和分类三、酶的命名和分类(P(P326326)四、酶的专一性四、酶的专一性(P(P332332)五、酶的活力测定和分离纯化五、酶的活力测定和分离纯化(P(P335335)六、核酶六、核酶(P(P339339)七、抗体酶七、抗体酶(P(P343343)八、酶工程简介八、酶工程简介(P(P344344)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(二二)酶作为生物催化剂的特点酶作为生物催化剂的特点A Benzyme S P Substrate Product酶是生物催化剂酶是生物催化剂(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，用量少，催化效率高催化效率高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，在反应中自身无变化。度，在反应中自身无变化。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)酶作为生物催化剂的特点酶作为生物催化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 大多数酶是蛋白质，对周围环境敏感易失去活性，反应大多数酶是蛋白质，对周围环境敏感易失去活性，反应在温和条件下进行。在温和条件下进行。2.2.极高的催化效率极高的催化效率 这是酶的突出特点。同一反应，酶催化反应的速度比这是酶的突出特点。同一反应，酶催化反应的速度比一般催化剂的反应速度要大一般催化剂的反应速度要大(10(106 6-10-101313)(二二)酶作为生物催化剂的特点酶作为生物催化剂的特点 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）有着严格的选择性。酶对其所作用的物质（称为底物）有着严格的选择性。一种酶只能作用于一些结构近似的化合物，甚至只能作用一种酶只能作用于一些结构近似的化合物，甚至只能作用一种化合物而发生一定的反应。酶对底物的这种严格的选一种化合物而发生一定的反应。酶对底物的这种严格的选择性称为酶的专一性（特异性）。择性称为酶的专一性（特异性）。4.4.酶的催化活性在体内受到调节控制酶的催化活性在体内受到调节控制 由于酶具有特殊的催化功能而其催化活性又极易受环境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，因而生物体能够通过多方面因素对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。（例：反馈抑制）酶进行调节和控制。（例：反馈抑制）二二、酶的化学本质及其组成酶的化学本质及其组成（P P323323）(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 酶的化学本质酶的化学本质除了具有催化活性的除了具有催化活性的RNARNA之外之外几乎都是蛋白几乎都是蛋白质，其主要依据有：质，其主要依据有：酶水解后的最终产物都是氨基酸，酶能被蛋白酶水解而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。失活。酶是具有空间结构的生物大分子，凡是能使蛋白质变性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。的因素都可以使酶变性失活。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。酶和蛋白质一样，具有不能通过半透膜等胶体性质。酶和蛋白质一样，具有不能通过半透膜等胶体性质。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。(二二)酶的化学组成酶的化学组成 有些酶组成只有氨基酸，不含其他成分，称之为有些酶组成只有氨基酸，不含其他成分，称之为单纯酶单纯酶。脲酶、胃蛋白酶和核糖核酸酶等一般水解酶都属于单纯酶。脲酶、胃蛋白酶和核糖核酸酶等一般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。其蛋白质组分称为小分子物质。其蛋白质组分称为脱辅酶（脱辅酶（apoenzymeapoenzyme或或apoproteinapoprotein），非蛋白的小分子物质称为），非蛋白的小分子物质称为辅因子辅因子（cofactorcofactor）。脱辅酶与辅因子结合后形成的复合物称为。脱辅酶与辅因子结合后形成的复合物称为全酶（全酶（holoenzymeholoenzyme）。即：。即：辅因子辅因子脱辅酶脱辅酶全酶全酶=+辅因子 有有的的酶酶的的辅辅因因子子是是金金属属离离子子，有有的的是是小小分分子子有有机机化化合合物物。有有时时这这两两者者对对酶酶的的活活性性都都是是需需要要的的。通通常常将将这这些些小小分分子子有有机化合物称为辅酶或辅基。机化合物称为辅酶或辅基。通通常常把把与与酶酶蛋蛋白白结结合合比比较较松松弛弛的的，用用透透析析法法可可以以除除去去的的小小分分子子有有机机物物称称为为辅辅酶酶。而而把把那那些些与与酶酶蛋蛋白白结结合合比比较较紧紧密密的，用透析法不易除去的小分子物质称为的，用透析法不易除去的小分子物质称为辅基辅基。金属金属离子离子辅酶辅酶辅基辅基辅因子辅因子(三三)单体酶单体酶、寡聚酶寡聚酶、多酶复合体多酶复合体根据酶蛋白分子的特点，又可将酶分为以下三类：根据酶蛋白分子的特点，又可将酶分为以下三类：1 1、单体酶、单体酶 2 2、寡聚酶、寡聚酶 3 3、多酶复合体、多酶复合体单纯蛋白单纯蛋白 缀合蛋白缀合蛋白单体蛋白单体蛋白 寡聚蛋白寡聚蛋白单纯单纯 酶酶 全全 酶酶单体单体 酶酶 寡寡 聚聚 酶酶单体酶（单体酶（monomeric enzymemonomeric enzyme）：）：一般由一条肽链组成，也可由多条肽一般由一条肽链组成，也可由多条肽链组成，但链间一定要由二硫键共价连接的酶链组成，但链间一定要由二硫键共价连接的酶称为单体酶。称为单体酶。寡聚酶寡聚酶(oligomeric enzyme)(oligomeric enzyme)：有几个或多个亚基组成的酶称为寡聚酶有几个或多个亚基组成的酶称为寡聚酶 多酶复合体多酶复合体(multienzyme complex)(multienzyme complex)：几种酶借助非共价键彼此嵌合而成的复合物称为多酶复几种酶借助非共价键彼此嵌合而成的复合物称为多酶复合体或多酶复合物。合体或多酶复合物。多多酶酶复复合合物物一一般般由由2-62-6个个功功能能相相关关的的酶酶组组成成。这这样样更更有有利利于于化化学学反反应应的的进进行行，以以提提高高酶酶的的催催化化效效率率，同同时时便便于于机机体体对对酶酶的的调调控控。多多酶酶复复合合物物的的相相对对分分子子质质量量都都在在几几百百万万以以上上。例如：丙酮酸脱氢酶复合例如：丙酮酸脱氢酶复合体体 脂肪酸合成酶复合脂肪酸合成酶复合体体三三、酶的命名和分类酶的命名和分类(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)习惯命名法19611961年以前，人们对酶的命名多采用习惯命名法，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：主要依据两个原则：（一）（一）根据酶作用的底物命名根据酶作用的底物命名，如催化水解淀粉的，如催化水解淀粉的酶叫淀粉酶。酶叫淀粉酶。（二）（二）根据酶催化反应的性质及类型命名根据酶催化反应的性质及类型命名，如水解，如水解酶、氧化酶等。酶、氧化酶等。(二)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学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，地区分每一种酶，因此，19611961年国际生化协会酶学委员会年国际生化协会酶学委员会制定了酶的系统命名。制定了酶的系统命名。系统命名原则：系统命名原则：每种酶的名称应标明酶的每种酶的名称应标明酶的底物名字底物名字和和催催化反应的性质化反应的性质。若底物为。若底物为2 2种，则需将种，则需将2 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。例如，例如，L-L-乳酸：乳酸：NADNAD+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19611961年国际生化会议根据酶作用专一性的不同，将酶分年国际生化会议根据酶作用专一性的不同，将酶分为六大类为六大类,分别用分别用1 1、2 2、3 3、4 4、5 5、6 6来表示：来表示：1.1.氧化还原酶类（氧化还原酶类（OxidoreductasesOxidoreductases）2.2.转移酶类（转移酶类（transferasestransferases）3.3.水解酶类（水解酶类（hydrolaseshydrolases）4.4.裂合酶类（裂合酶类（lyaseslyases）5.5.异构酶类（异构酶类（isomerasesisomerases）6.6.连接酶类（连接酶类（ligasesligases或合成酶或合成酶 synthatasessynthatases）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-亚类中有若干种酶。因此每一种酶亚类中有若干种酶。因此每一种酶都有一个由都有一个由4 4个（组）数字组成的分类号，数字间由个（组）数字组成的分类号，数字间由“.”隔隔开并在编号前冠以开并在编号前冠以ECEC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EC 1.1.1.27EC 1.1.1.27 （见（见P P327327表表8-98-9）EC EC 为为 Enzyme Commission Enzyme Commission 酶学委员会缩写。酶学委员会缩写。在酶的在酶的4 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(四)六大类酶的特征和举例1.1.氧化还原酶类（氧化还原酶类（OxidoreductasesOxidoreductases）2.2.转移酶类（转移酶类（transfersestransferses）3.3.水解酶类（水解酶类（hydrolaseshydrolases）4.4.裂合酶类（裂合酶类（lyaseslyases）5.5.异构酶类（异构酶类（isomerasesisomerases）6.6.连接酶类（连接酶类（ligasesligases）催化氧化还原反应的酶称氧化还原酶催化氧化还原反应的酶称氧化还原酶 包括脱氢酶（包括脱氢酶（dehydrogenasesdehydrogenases）和氧化酶）和氧化酶（oxidasesoxidases）两大类。）两大类。反应通式：反应通式：AHAH2 2+B+B A+BHA+BH2.2.如琥珀酸脱氢酶、乳酸脱氢酶等。如琥珀酸脱氢酶、乳酸脱氢酶等。、氧化还原酶氧化还原酶1.1.氧化还原酶氧化还原酶(脱氢酶脱氢酶)催化氧化还原反应催化氧化还原反应英文1.Oxidoreductases(dehydrogenases)Catalyze oxidation-reduction reactions 中文中文 催化分子间基团转移的酶称转移酶催化分子间基团转移的酶称转移酶 反应通式反应通式：AR+B A+BR 如谷丙转氨酶等。如谷丙转氨酶等。、转移酶转移酶2 2.转移酶转移酶催化基团转移反应催化基团转移反应英文谷丙转氨酶谷丙转氨酶2.TransferasesCatalyze group transfer reactions中文中文 催化水解反应的酶称水解酶。催化水解反应的酶称水解酶。反应通式：反应通式：AB+H2O AOH+BH 如蛋白酶，淀粉酶等。如蛋白酶，淀粉酶等。3 3、水解酶水解酶3.3.水解酶水解酶 催化水解反应催化水解反应 在这个反应中，水是被转移基团的接纳体。在这个反应中，水是被转移基团的接纳体。英文焦磷酸酶焦磷酸酶3.HydrolasesCatalyze hydrolysis reactions where water is the acceptor of the transferred group中文中文 催催化化从从底底物物移移去去一一个个基基团团而而形形成成双双键键的的反反应应及及其其逆反应的酶。逆反应的酶。反应通式：反应通式：AB A+B 如丙酮酸脱羧酶等。如丙酮酸脱羧酶等。.裂合酶裂合酶4.4.裂合酶裂合酶 催化从底物移去一个基团而形成双键的反应或其逆反应。催化从底物移去一个基团而形成双键的反应或其逆反应。醛缩酶醛缩酶果糖果糖-1,6-1,6-二磷酸二磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮磷酸甘油醛甘油醛-3-3-磷酸磷酸 催化分子异构反应的酶称异构酶。催化分子异构反应的酶称异构酶。反应通式反应通式：A B 如葡糖磷酸异构酶、丙酮酸异构酶等。如葡糖磷酸异构酶、丙酮酸异构酶等。、异构酶异构酶5.5.异构酶异构酶 催化异构反应催化异构反应 英文5.Isomerases Catalyze isomerization reactions 中文中文 与与ATPATP（或或相相应应的的核核苷苷三三磷磷酸酸）的的一一个个磷磷酸酸或或焦焦磷磷酸酸断裂相偶联，催化两个分子合成一个分子的反应。断裂相偶联，催化两个分子合成一个分子的反应。反应通式：反应通式：A+B+ATP AB+ADP+Pi.如谷氨酰胺合成酶等。如谷氨酰胺合成酶等。、连接酶（合成酶）连接酶（合成酶）6.6.连接酶连接酶 (合成酶合成酶)催化连接作用或两底物的连接催化连接作用或两底物的连接作用时需要化学能（如作用时需要化学能（如ATPATP）英文谷氨酰胺合成酶谷氨酰胺合成酶6.Ligases(synthetases)Catalyze ligation,or joining of two substratesRequire chemical energy(e.g.ATP)中文中文四、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)酶的专一性1 1、结构专一性结构专一性2 2、立体异构专一性、立体异构专一性相对专一性相对专一性绝对专一性绝对专一性 旋光异构专一性旋光异构专一性几何异构专一性几何异构专一性1 1、结构专一性结构专一性（1 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。各种酶对于底物结构的专一性要求是不同的。有些酶有些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。基团的性质。例如，例如，酯酶酯酶可以水解任何酸与醇所形成的酯，可以水解任何酸与醇所形成的酯，它不受酯键两端基团它不受酯键两端基团R R和和RR的限制。又如的限制。又如二肽酶二肽酶可以水解二肽可以水解二肽的肽键，而不管这个二肽是由哪两种氨基酸组成的。的肽键，而不管这个二肽是由哪两种氨基酸组成的。RCOR+H2ORCOO-+ROH+H+O1 1、结构专一性结构专一性 （2 2）绝对专一性）绝对专一性 还还有有一一些些酶酶具具有有高高度度的的专专一一性性。它它们们对对底底物物的的要要求求很很严严格格，甚甚至至有有时时只只能能催催化化一一种种底底物物，进进行行一一种种化化学学反反应应。例例如如脲脲酶酶只只能能作作用用于于尿尿素素，催催化化其其水水解解产产生生氨氨及及二二氧氧化化碳碳。而对尿素的各种衍生物，一般均不起作用。而对尿素的各种衍生物，一般均不起作用。H2N-C-NH2+H2O 2NH3 +CO2脲酶脲酶O2 2、立体异构专一性立体异构专一性（1 1）旋光异构专一性）旋光异构专一性 几几乎乎所所有有的的酶酶对对于于立立体体异异构构体体都都具具有有高高度度的的专专一一性性。即即酶酶只只能能催催化化一一种种立立体体异异构构体体发发生生某某种种化化学学反反应应，而对另一种立体异构体则无作用。例如：而对另一种立体异构体则无作用。例如：乳乳酸酸脱脱氢氢酶酶能能催催化化L-L-乳乳酸酸脱脱氢氢变变为为丙丙酮酮酸酸，对对D-D-乳乳酸则无作用。酸则无作用。D-D-氨氨基基酸酸氧氧化化酶酶能能作作用用于于各各种种D-D-氨氨基基酸酸，催催化化其其氧氧化脱氨，但对化脱氨，但对L-L-氨基酸则毫无作用氨基酸则毫无作用。HCOHCOO-CH3D-D-乳酸乳酸HOCHCOO-CH3L-L-乳酸乳酸HOCHCOO-CH3L-L-乳酸乳酸 C=OCOO-CH3丙酮酸丙酮酸乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶-2H2 2、立体异构专一性立体异构专一性（2 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，延延胡索酸酶胡索酸酶能够催化延胡索酸（反丁烯二酸）转变成苹果酸，能够催化延胡索酸（反丁烯二酸）转变成苹果酸，而对顺丁烯二酸无作用。而对顺丁烯二酸无作用。(二二)关于酶作用专一性的假说关于酶作用专一性的假说 实验证明，酶与底物的结合过程中，首先形成了一个实验证明，酶与底物的结合过程中，首先形成了一个酶一底物复合体的中间形式，然后复合体进一步转变为产酶一底物复合体的中间形式，然后复合体进一步转变为产物，同时释放出酶。酶分子在反应前后没有消耗物，同时释放出酶。酶分子在反应前后没有消耗 。1 1、锁钥结合学说、锁钥结合学说 2 2、诱导契合学说、诱导契合学说 1 1、锁钥结合学说锁钥结合学说 18941894年年Emil FischerEmil Fischer提出的提出的锁钥结合学说：锁钥结合学说：酶对于底物的酶对于底物的识别是依赖于酶分子活性中心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与底物功能基团之间空间上的互补性。互补性。Emil Fischer（1852-1919）2 2、诱导契合学说诱导契合学说 19581958年年D.E.Koshland JrD.E.Koshland Jr在锁钥结在锁钥结合学说的基础上，提出了诱导契合合学说的基础上，提出了诱导契合学说。该学说认为学说。该学说认为酶活性中心的空酶活性中心的空间结构并非僵硬不变的，而是在一间结构并非僵硬不变的，而是在一定程度上柔韧可变。定程度上柔韧可变。当酶与底物结合时当酶与底物结合时 ，其构象发生改，其构象发生改变以利于与底物的契合，从而使反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，酶的应顺利进行。当反应结束后，酶的构象又恢复。构象又恢复。D.E.Koshland Jr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 1、酶的活力、酶的活力2 2、酶的活力单位、酶的活力单位3 3、酶的比活力、酶的比活力4 4、酶活力的测定方法、酶活力的测定方法 酶的活力酶的活力就是酶加速其所催化的化学反应速度的能力。就是酶加速其所催化的化学反应速度的能力。测定酶的活力本质上就是测定酶促反应进行的速度。测定酶的活力本质上就是测定酶促反应进行的速度。酶促反应速度越大，酶的活力就越强；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 1、酶的活力酶的活力2 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 U），用用来来表表示示酶酶活活力力的的大小即酶含量的多少。大小即酶含量的多少。酶活力单位的定义：酶活力单位的定义：在在一一定定条条件件下下，一一定定时时间间内内将将一一定定量量的的底底物物转转化化为产物所需的酶量。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酶酶制制剂剂或或每每毫毫升升酶酶制制剂含有多少酶单位来表示（剂含有多少酶单位来表示（U/gU/g，U/mlU/ml）2 2、酶的活力单位酶的活力单位 为了统一酶的单位，国际生化协会酶学委员会于为了统一酶的单位，国际生化协会酶学委员会于19611961年提出采用年提出采用 统一的统一的“国际单位国际单位”（IUIU）来表示酶活力，规定：）来表示酶活力，规定：在最适反应条件下（温度在最适反应条件下（温度2525），），1 1分钟内能转化分钟内能转化1mol1mol底物的底物的 酶量称为一个酶单位，即酶量称为一个酶单位，即1IU=1mol/min1IU=1mol/min。19721972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“katalkatal”（简（简 称称katkat）以便和国际单位制）以便和国际单位制SISI取得一致。取得一致。一个一个“katalkatal”单位是指在最适条件下单位是指在最适条件下1 1秒钟内转化秒钟内转化1mol1mol底物所需要的底物所需要的 酶量。酶量。KatKat单位和单位和IUIU单位的换算关系如下：单位的换算关系如下：1kat=61kat=610107 7U 1U=16.67nkatU 1U=16.67nkat3 3、酶的比活力酶的比活力 在测定酶活力时必须要注意：在测定酶活力时必须要注意：在在酶酶学学研研究究和和生生产产中中还还常常用用一一种种酶酶的的活活力力单单位位称称比比活活力力（比比活活性性），是是指指每每单单位位质质量量样样品品中中的的酶酶活活力力，即即每每mgmg蛋蛋白白质质中中所所含含酶酶的的活活力力单单位位的的数数或或每每g g蛋蛋白白质质中中含含酶酶的的活活力力单位的数。单位的数。（1 1）测定的反应速度必须是）测定的反应速度必须是反应初速度反应初速度，否则不可能得，否则不可能得到准确结果。到准确结果。（2 2）酶反应速度受环境条件的影响。因此在测定酶活力）酶反应速度受环境条件的影响。因此在测定酶活力时，要维持在一套时，要维持在一套固定条件下固定条件下进行。进行。4 4、酶活力的测定方法酶活力的测定方法（1 1）分光光度法）分光光度法（2 2）荧光法）荧光法（3 3）同位素测定法）同位素测定法（4 4）电化学方法）电化学方法六六、核核 酶酶(一一)核酶核酶(ribozyme)(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）（一）核酶的概念核酶的概念 1926 1926年年SummerSummer首次从刀豆中获得脲酶结晶并证明是首次从刀豆中获得脲酶结晶并证明是蛋白质以来，人们一直以为蛋白质以来，人们一直以为酶的化学本质就是蛋白质酶的化学本质就是蛋白质。Thomas Cech 1982 1982年美国科罗拉多大学年美国科罗拉多大学Thomas CechThomas Cech等人以原生等人以原生动物嗜热四膜虫为材料，研究动物嗜热四膜虫为材料，研究rRNArRNA的基因转录时发现的基因转录时发现RNARNA具有生物催化具有生物催化功能功能.从而改变了生物催比剂的传统从而改变了生物催比剂的传统概念。为此，概念。为此，T.CechT.Cech和和S.AltmanS.Altman共共同获得了同获得了19891989年度诺贝尔化学奖。年度诺贝尔化学奖。（一）（一）核酶的概念核酶的概念Thomas Cech在在研究研究rRNArRNA的基因转录时发现：的基因转录时发现：转录产物转录产物rRNArRNA前体很不稳定，在鸟苷和前体很不稳定，在鸟苷和MgMg2+2+存在下切除存在下切除自身的自身的413413个核苷酸的内含子，使两个外显子拼接在一起，个核苷酸的内含子，使两个外显子拼接在一起，变成成熟的变成成熟的rRNArRNA分子。分子。这个催化反应是在完全没有蛋白质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，证明了酶存在的情况下发生的，称之为自我剪接，证明了RNARNA具具有催化功能有催化功能。为了区别传统的蛋白质催化剂的酶，所以将这种具有为了区别传统的蛋白质催化剂的酶，所以将这种具有催化功能的催化功能的RNARNA定名为核酶（定名为核酶（ribozymeribozyme）。）。七七、抗体酶抗体酶 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（abzymeabzyme）”。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 catalytic antibodyantibody）”。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-碳键碳键的形成以及氧化还原等反应。的形成以及氧化还原等反应。抗体酶抗体酶（abzymeabzyme）既有抗体功既有抗体功能，又具有能，又具有催化功能。催化功能。八八、酶工程简介酶工程简介 酶工程酶工程是指将酶学理论与化工技术相结合，借是指将酶学理论与化工技术相结合，借助于工程学手段来助于工程学手段来生产人类所需酶产品生产人类所需酶产品的一门学的一门学科。科。酶工程包括酶工程包括酶的固定技术酶的固定技术、细胞的固定化技术细胞的固定化技术、酶的修饰改造技术酶的修饰改造技术和和多酶反应器技术多酶反应器技术。根据研究和解决问题的手段不同将根据研究和解决问题的手段不同将酶工程酶工程分为分为化学酶工程化学酶工程和和生物酶工程生物酶工程。1 1、固定化技术固定化技术 固定化技术是固定化技术是6060年代酶学领域崛起的新技术。年代酶学领域崛起的新技术。是通过化学或物理的方法将酶固定起来，使之变是通过化学或物理的方法将酶固定起来，使之变成水不溶性酶。从而在保持酶的催化活性时，增成水不溶性酶。从而在保持酶的催化活性时，增加酶对酸、碱、温度的稳定性，且易于与反应混加酶对酸、碱、温度的稳定性，且易于与反应混合物分离，提高酶的使用效率。合物分离，提高酶的使用效率。1 1、固定化技术固定化技术常用的固定化方法有：常用的固定化方法有：吸附法、偶联法、交联法和包埋法。吸附法、偶联法、交联法和包埋法。吸附法吸附法是指将酶吸附于惰性固体或离子交换剂上，如硅是指将酶吸附于惰性固体或离子交换剂上，如硅藻土、多孔玻璃、硅胶、纤维素、火棉胶、聚苯乙烯等等。藻土、多孔玻璃、硅胶、纤维素、火棉胶、聚苯乙烯等等。偶联法偶联法是是利用化学方法将酶与载体连接起来，形成共价利用化学方法将酶与载体连接起来，形成共价键，是目前制造固定化酶较为广泛使用的方法。键，是目前制造固定化酶较为广泛使用的方法。交联法交联法是指将蛋白质分子之间进行共价交联，形成更大是指将蛋白质分子之间进行共价交联，形成更大的的“网状网状”分子。分子。包埋法包埋法是指将酶分子包埋在高分子材料之中。是指将酶分子包埋在高分子材料之中。2 2、酶的修饰改造技术酶的修饰改造技术近年来，由于近年来，由于化学修饰化学修饰、基因工程基因工程，特别是，特别是蛋白蛋白质工程质工程的发展，使得人类可以按照自身的需要去的发展，使得人类可以按照自身的需要去定向地改造酶，甚到创造出尚未发现的新酶。定向地改造酶，甚到创造出尚未发现的新酶。（1 1）酶的化学修饰酶的化学修饰酶的化学修饰是指用化学方法给酶分子加上或去酶的化学修饰是指用化学方法给酶分子加上或去除某些基团，从而使酶分子表现出希望的物理化除某些基团，从而使酶分子表现出希望的物理化学以及生物学性质。例如，学以及生物学性质。例如，-淀粉酶活性中心的淀粉酶活性中心的色氨酸被修饰后，其水解淀粉的能力大大提高，色氨酸被修饰后，其水解淀粉的能力大大提高，产物中葡萄糖和麦芽糖的比例明显提高。产物中葡萄糖和麦芽糖的比例明显提高。（2 2）基因工程技术改造酶基因工程技术改造酶 基因工程技术改造酶的方法是指应用重组基因工程技术改造酶的方法是指应用重组DNADNA技术改造酶分子。技术改造酶分子。德国科学家将青霉素酰化酶的基因克隆到质德国科学家将青霉素酰化酶的基因克隆到质粒粒pBR322pBR322上，使新构建的菌株的酶活力提高上，使新构建的菌株的酶活力提高近近5050倍。最近，科学家又建立了重组倍。最近，科学家又建立了重组RNARNA技术，技术，并显示出了诱人的应用前景。并显示出了诱人的应用前景。（3 3）蛋白质工程改造酶蛋白质工程改造酶蛋白质工程是通过改造蛋白质工程是通过改造酶分子的结构基因酶分子的结构基因从而改从而改造造酶蛋白质的分子结构酶蛋白质的分子结构，从而获得新的功能。，从而获得新的功能。此技术不但可以改变酶的底物专一性，提高催化此技术不但可以改变酶的底物专一性，提高催化活性，还可以改变酶分子对于理化条件的敏感性，活性，还可以改变酶分子对于理化条件的敏感性，为酶的应用提供了便利条件。为酶的应用提供了便利条件。3 3、多酶反应器多酶反应器 以酶为催化剂进行反应所需的设备称为多酶以酶为催化剂进行反应所需的设备称为多酶反应器，其设计的目标就是尽可能降低成本，提反应器，其设计的目标就是尽可能降低成本，提高生产率。通过对多酶反应器的各项指标如生产高生产率。通过对多酶反应器的各项指标如生产反应条件、能耗，污染情况等进行设计，从得到反应条件、能耗，污染情况等进行设计，从得到最好的经济效益和社会效益。最好的经济效益和社会效益。化学酶工程化学酶工程化学酶工程化学酶工程 也称初级酶工程（也称初级酶工程（primary enzyme primary enzyme engineeringengineering），是指天然酶、化学修饰酶、），是指天然酶、化学修饰酶、固定化酶及人工模拟酶的研究应用。固定化酶及人工模拟酶的研究应用。生物酶工程生物酶工程生物酶工程生物酶工程 也称高级酶工程（也称高级酶工程（advanced enzyme engineeringadvanced enzyme engineering）是酶学和以是酶学和以DNADNA重组技术为主的现代分子生物学技术相结重组技术为主的现代分子生物学技术相结合的产物，主要包括三个方面的内容：合的产物，主要包括三个方面的内容：1 1、用基因工程技术大量生产酶（克隆酶）、用基因工程技术大量生产酶（克隆酶）2 2、对酶基因进行修饰，产生遗传修饰酶（突变酶）、对酶基因进行修饰，产生遗传修饰酶（突变酶）3 3、设计新酶基因，合成自然界不曾有的新酶、设计新酶基因，合成自然界不曾有的新酶课 间 休 息下 课（2）Vmax和和k3（kcat）的意义）的意义 在一定酶浓度下，酶对特定底物的在一定酶浓度下，酶对特定底物的Vmax也是一也是一常数。常数。Vmax与与Km相似，同一种酶对不同底物的相似，同一种酶对不同底物的Vmax也不同，也不同，pH、温度和离子强度等因素也影响、温度和离子强度等因素也影响Vmax的数值。的数值。（3）kcat/Km的意义的意义 Kcat/Km=k3k1/k2+k3 Kcat/Km值的大小，可以比较不同酶或同一种值的大小，可以比较不同酶或同一种酶催化不同底物的催化效率。酶催化不同底物的催化效率。乳酸脱氢酶的分类号为乳酸脱氢酶的分类号为EC 1.1.1.27EC 1.1.1.271 1.氧化还原酶类氧化还原酶类1 1.第一亚类，被氧化的基团是第一亚类，被氧化的基团是CHOHCHOH1 1.第一亚第一亚亚亚类，类，H H的受体是的受体是NADNAD+2727.该酶在此亚亚类中的排序该酶在此亚亚类中的排序1.Ribozymes的发现的发现 19811982年，年，Colorado大学的大学的 Cech等等人人 研究研究Tetrahymena thermophiea（嗜热嗜热四膜虫）四膜虫）rRNA前体加工成熟时，发现具有催化前体加工成熟时，发现具有催化活性（自我剪切功能）的天然活性（自我剪切功能）的天然RNA。1983年，年，Altman等人等人 在研究在研究E.coli RNAse P 时发现时发现M1 RNA 377 nucleotides(nt)具有切割具有切割rRNA前体的功能前体的功能 1986年，年，T.Cech又发现又发现 L19 RNA 在一定在一定的条件下能以高度专一性方式催化寡核苷酸底物的条件下能以高度专一性方式催化寡核苷酸底物的切割与连接。的切割与连接。基于基于Cech和和Altman的创造性工作，将这类的创造性工作，将这类具有酶一样的催化功能，本质上不是蛋白质而是具有酶一样的催化功能，本质上不是蛋白质而是RNA的生物大分子定义为的生物大分子定义为Ribozymes。该发现曾被认为是生化领域内最令人鼓舞该发现曾被认为是生化领域内最令人鼓舞的发现之一，为此的发现之一，为此Cech和和Altman共同荣获共同荣获1989年度诺贝尔化学奖。年度诺贝尔化学奖。四膜虫四膜虫rRNArRNA前体自我剪接机制前体自我剪接机制L19RNAL19RNA的形成的形成 5 5-GMP(-GMP(或或G)G)的的3 3-OH-OH充当亲充当亲核基团攻击核基团攻击5 5断裂点断裂点 5 5外显子的外显子的3 3-OH-OH成为亲核成为亲核基团，完成剪接反应基团，完成剪接反应 对生命系统起源的争论有重要启示对生命系统起源的争论有重要启示蛋白质核 酸？NADNAD+尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸L-L-乳酸：乳酸：NADNAD+氧化还原酶氧化还原酶