生化chapter+08-10+enzyme-01.ppt

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1、生化chapter+08-10+enzyme-01 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望第一章第一章 酶学通论酶学通论1 1、酶的催化性质、酶的催化性质3 3、酶的分类命名、酶的分类命名2 2、酶的化学本质、酶的化学本质4 4、酶的专一性、酶的专一性5 5、酶的活力与分离纯化、酶的活力与分离纯化l人们对酶的认识起源于生产与生活实践。人们对酶的认识起源于生产与生活实践。l夏禹时代，人们掌握了酿酒技术。夏禹时代，人们掌握了酿酒技术。l公元前公元前1212世纪

2、周朝，人们酿酒，制作饴糖和酱。世纪周朝，人们酿酒，制作饴糖和酱。l春秋战国时期已知用麴春秋战国时期已知用麴(曲曲)治疗消化不良的疾病。治疗消化不良的疾病。l酶者，酒母也酶者，酒母也酶酶酒酒概述概述-酶的发现及研究历史酶的发现及研究历史1.1.不自觉的应用不自觉的应用：酿酒、造酱、制饴、治病：酿酒、造酱、制饴、治病2.2.对酶的初步认识对酶的初步认识:消化与发酵现象消化与发酵现象l1919世纪世纪3030年代，德国科学家施旺获得胃蛋白酶。年代，德国科学家施旺获得胃蛋白酶。l18331833年，法国化学家年，法国化学家PayenPayen和和PersonPerson用酒精处理麦芽抽提用酒精处理麦芽

3、抽提液，得到淀粉酶（液，得到淀粉酶（diastasediastase）。）。l18781878年，德国科学家年，德国科学家K Khnehne提出提出enzymeenzyme从活生物体中分从活生物体中分离得到的酶，意思是离得到的酶，意思是“在酵母中在酵母中”（希腊文）。（希腊文）。3 3、1919世纪，对于发酵过程的本质开展了长期的学术争论，并导致了世纪，对于发酵过程的本质开展了长期的学术争论，并导致了随后一系列对于酶的分离及化学本质的研究随后一系列对于酶的分离及化学本质的研究l当时法国化学家和微生物学家当时法国化学家和微生物学家PasteurPasteur认为没有生物则没有发酵。认为没有生物则

4、没有发酵。l德国化学家德国化学家LiebigLiebig认为发酵是由化学物质引起的。认为发酵是由化学物质引起的。l此争议由德国学者此争议由德国学者BuchnerBuchner兄弟于兄弟于18961896年解决。年解决。lBuchnerBuchner兄弟的试验：用细砂研磨酵母细胞，压取汁液，汁液不含兄弟的试验：用细砂研磨酵母细胞，压取汁液，汁液不含活细胞，但仍能使糖发酵生成酒精和二氧化碳。证明：发酵与细活细胞，但仍能使糖发酵生成酒精和二氧化碳。证明：发酵与细胞的活动无关。胞的活动无关。4 4、酶是活细胞产生的，能在细胞内外起催化作用的生理活性物质。酶是活细胞产生的，能在细胞内外起催化作用的生理活

5、性物质。那么酶的化学本质究竟是什么？那么酶的化学本质究竟是什么？l19261926年年,美国康乃尔大学的美国康乃尔大学的SumnerSumner博士从刀豆中提取出脲酶结晶，博士从刀豆中提取出脲酶结晶，并证明具有蛋白质的性质。并证明具有蛋白质的性质。l19301930年，美国的生物化学家年，美国的生物化学家NorthropNorthrop分离得到了胃蛋白酶分离得到了胃蛋白酶（pepsinpepsin）、胰蛋白酶（）、胰蛋白酶（trypsintrypsin）、胰凝乳蛋白酶）、胰凝乳蛋白酶（chymotrypsinchymotrypsin）结晶，确立了酶的化学本质。）结晶，确立了酶的化学本质。l随着

6、随着X X光晶体衍射，多维核磁共振（光晶体衍射，多维核磁共振（NMR NMR）技术的发展，很多酶的）技术的发展，很多酶的空间结构被揭示。空间结构被揭示。5 5、8080年代初发现了具有催化功能的年代初发现了具有催化功能的RNARNA核酶核酶(ribozyme)(ribozyme)，这一，这一发现打破了酶是蛋白质的传统观念，开辟了酶学研究的新领域。发现打破了酶是蛋白质的传统观念，开辟了酶学研究的新领域。l19831983年核酸酶的确认：切克年核酸酶的确认：切克(Thomas Cech)(Thomas Cech)等人发现四膜虫等人发现四膜虫（TetrahynenaTetrahynena）细胞的）细

7、胞的26 S rRNA26 S rRNA前体具有自我剪接功能前体具有自我剪接功能（Self-splicingSelf-splicing）。该）。该RNARNA前体约有前体约有64006400个核苷酸，含有一个内个核苷酸，含有一个内含子（含子（IntronIntron）或称为间隔系列（）或称为间隔系列（Intervening sequence,Intervening sequence,IVSIVS）和两个外显子（）和两个外显子（ExonExon），在成熟过程中，通过自我催化作），在成熟过程中，通过自我催化作用，将间隔系列切除，并使两个外显子连接成成熟的用，将间隔系列切除，并使两个外显子连接成成熟

8、的 RNARNA。这种。这种剪接不需要蛋白质存在，但必须有鸟苷或剪接不需要蛋白质存在，但必须有鸟苷或55GMPGMP和镁离子参与。和镁离子参与。切克（切克（T.CechT.Cech）将之称为自我剪接反应。认为）将之称为自我剪接反应。认为RNA RNA 亦具有催化活亦具有催化活性。并将这种具有催化活性的性。并将这种具有催化活性的RNA RNA 称为称为ribozymeribozyme。淀粉酶类与淀粉糖业淀粉酶类与淀粉糖业果汁生产与果胶酶果汁生产与果胶酶乳制品与凝乳酶乳制品与凝乳酶酶制剂在国外饲料工业酶制剂在国外饲料工业中得到不断应用，不仅中得到不断应用，不仅提高了饲料原料的转化提高了饲料原料的转

9、化率，也促进了对饲料的率，也促进了对饲料的消化。消化。植酸酶植酸酶Bio-FeedBio-Feed Phytase(Ronozyme Phytase(Ronozyme P)P)主要用于提高植酸磷的消化率，并相应改善钙和其主要用于提高植酸磷的消化率，并相应改善钙和其它矿物元素的利用率。大大降低了动物粪便中磷的它矿物元素的利用率。大大降低了动物粪便中磷的排放量，有益环保。排放量，有益环保。生物抛光是一种用纤维素酶改善纤维素纤生物抛光是一种用纤维素酶改善纤维素纤维制品表面的整理工艺维制品表面的整理工艺,以达到持久的抗起以达到持久的抗起毛起球并增加织物的光洁度和柔软度毛起球并增加织物的光洁度和柔软度

10、溶菌酶溶菌酶凝血酶凝血酶栓溶酶类与心血管疾病栓溶酶类与心血管疾病l 酶酶是一类由生物活细胞产生的是一类由生物活细胞产生的具有催化功能的生物大分子，因具有催化功能的生物大分子，因此又被称为此又被称为生物催化剂生物催化剂l 酶参与的反应称为酶参与的反应称为酶促反应酶促反应，被其作用发生化学变化的物质称被其作用发生化学变化的物质称为为底物底物1.1 1.1 酶的基本定义酶的基本定义Eduard Buchnerl 催化热力学上允许的反应催化热力学上允许的反应l 加快反应速度加快反应速度l 在反应中其本身不被消耗在反应中其本身不被消耗1.2 1.2 酶与一般催化剂的共性酶与一般催化剂的共性1.3 1.3

11、 酶与一般催化剂不同酶与一般催化剂不同l 酶均是由生物体合成的酶均是由生物体合成的l 酶和生命活动密切相关酶和生命活动密切相关l 酶具有不稳定性酶具有不稳定性l 酶的催化活性在体内可以受到调节控制酶的催化活性在体内可以受到调节控制 l1.1.专一性专一性l2.2.高效性高效性l3.3.作用条件温和作用条件温和1.4 1.4 酶作为生物催化剂的特性酶作为生物催化剂的特性1.4.1 1.4.1 专一性专一性l大多数酶只能作用于一种底物或一类结构相似的物大多数酶只能作用于一种底物或一类结构相似的物质，催化一种或一类反应质，催化一种或一类反应 1.4.2 1.4.2 高效性高效性l 比非催化反应高比非

12、催化反应高10108 810102020倍，比其它催化反应倍，比其它催化反应高高10106 610101313倍倍l 酶催化的最适条件几乎都是温和的温度及非极酶催化的最适条件几乎都是温和的温度及非极端的端的pHpHl 酶的一般反应温度在酶的一般反应温度在20204040之间，反应之间，反应pHpH在在5 58 8之间之间 1.4.3 1.4.3 作用条件的温和性作用条件的温和性2.1 2.1 酶的化学组成酶的化学组成化化学学本本质质是是蛋蛋白白质质l经酸碱水解终产物是经酸碱水解终产物是aaaal能被蛋白酶水解而失活能被蛋白酶水解而失活l酶可变性失活酶可变性失活l酶是两性电解质酶是两性电解质l具

13、有不能通过半透膜等胶体性质具有不能通过半透膜等胶体性质l具有蛋白质的化学呈色反应具有蛋白质的化学呈色反应蛋白质部分：脱辅酶或酶蛋白蛋白质部分：脱辅酶或酶蛋白辅因子辅因子辅基辅基辅酶辅酶全酶全酶单纯酶单纯酶结合酶结合酶酶的化学组酶的化学组成分类成分类2.1 2.1 酶的化学组成酶的化学组成结合酶中各部分在催化反应中的作用：l酶蛋白的作用：酶蛋白的作用：决定反应的专一性和高效性决定反应的专一性和高效性l辅因子的作用：辅因子的作用：作为电子、原子或某些基团的载作为电子、原子或某些基团的载体参与反应，决定反应的种类与性质体参与反应，决定反应的种类与性质l辅因子的分类：辅因子的分类：l辅酶：辅酶：用透析

14、法可除去的，直接参加催化反应用透析法可除去的，直接参加催化反应l辅基：辅基：用透析法不易除去的，它间接参加反应用透析法不易除去的，它间接参加反应2.2 2.2 酶的辅因子酶的辅因子 辅酶辅酶 辅基辅基2.2 2.2 酶的辅因子酶的辅因子2.2 2.2 酶的辅因子酶的辅因子(a prosthetic group)(a prosthetic group)2 H2O2 2 H20+O2(tetramers)l 1.1.习惯命名法习惯命名法 l 2.2.国际系统命名法国际系统命名法3.1 3.1 酶的命名酶的命名l 根据其催化底物来命名根据其催化底物来命名l 根据所催化反应的性质来命名根据所催化反应的

15、性质来命名l 结合上述两个原则来命名结合上述两个原则来命名l 有时在这些命名基础上加上酶的来源或其它特点有时在这些命名基础上加上酶的来源或其它特点l 如催化乳酸脱氢变为丙酮酸的酶叫乳酸脱氢酶；水如催化乳酸脱氢变为丙酮酸的酶叫乳酸脱氢酶；水解蛋白的酶叫蛋白水解酶解蛋白的酶叫蛋白水解酶3.1.1 3.1.1 习惯命名法习惯命名法l系统名称包括底物名称、构型、反应性质，最后系统名称包括底物名称、构型、反应性质，最后加一个酶字。加一个酶字。l例如：乳酸例如：乳酸NADNAD丙酮酸丙酮酸NADHNADHH H l系统名称系统名称:乳酸乳酸NADNAD氧化还原酶氧化还原酶 3.1.2 3.1.2 国际系统

16、命名法国际系统命名法3.2 3.2 酶的分类酶的分类l1.1.按照类别分类按照类别分类(催化反应类型催化反应类型)l2.2.按照酶的组成分类按照酶的组成分类l 在每一大类酶中，根据底物分子中被作用基团或在每一大类酶中，根据底物分子中被作用基团或键性质的不同分为若干亚类，每一亚类再分为若干键性质的不同分为若干亚类，每一亚类再分为若干亚亚类。亚亚类。l每一种酶都有由四个数字组成的编号每一种酶都有由四个数字组成的编号 。3.2.1 3.2.1 按照类别（催化类型）分类按照类别（催化类型）分类乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶 EC 1.1.1.27第1大类，氧化还原酶第1亚类，氧化基团CHOH第1亚亚类，H受体为

17、NAD+该酶在亚亚类中的流水编号I I、氧化还原酶类、氧化还原酶类：主要是催化氢的转移或电子传递的氧化还原反应。A AH2+B B（O2）A+BH2（H2O2，H2O）（1 1）脱氢酶类）脱氢酶类：催化直接从底物上脱氢的反应。A AH2+B BA+BH2（需辅酶或辅酶）(2)(2)氧化酶类氧化酶类催化底物脱氢，氧化生成H H2 2O O2 2：AH2+O2A+H H2 2O O2 2（需FAD或FMN）2AH2+O22A+2H H2 2O O(3)(3)过氧化物酶过氧化物酶ROO+H2O2RO+H2O+O2(4)(4)加氧酶（双加氧酶和单加氧酶）加氧酶（双加氧酶和单加氧酶）O2+OHOHC=O

18、C=OOHOH（顺，顺-已二烯二酸）RH H+O O2 2+还原型辅助因子ROHOH+H2O O+氧化型辅助因子（又称羟化酶羟化酶）IIII、转移酶类：、转移酶类：催化化合物中某些基团的转移。AX X+BA+BX X根据X X分成8个亚类：转移碳基、酮基或醛基、酰基、糖基、烃基、含氮基、含磷基和含硫基的酶。其系统命名是其系统命名是“供体：受体某基团转移酶供体：受体某基团转移酶”IIIIII、水解酶类水解酶类：催化加水分解作用。AB+H H2O OAOHOH+BH H该大类酶的系统命名是先写底物名称，再写发生水解作用的化该大类酶的系统命名是先写底物名称，再写发生水解作用的化学键位置，后面加上学键

19、位置，后面加上“水解酶水解酶”IVIV、裂解酶类：、裂解酶类：催化非水解性地除去基团而形成双键的反应或逆反应。CH3C C=OC COOHCCCC键CH3C C=OH+C CO2COCO键CH H2COOHHOCHOCHCOOHHCCOOHHOOCC CH+H H2 2O O一般裂合酶在裂解反应方向只有一个底物，而在缩合反应一般裂合酶在裂解反应方向只有一个底物，而在缩合反应方向却有两个底物。催化底物裂解为产物后，产生一个双方向却有两个底物。催化底物裂解为产物后，产生一个双键。键。该大类酶的系统命名为该大类酶的系统命名为“底物裂解的基团裂合酶底物裂解的基团裂合酶”CNCN键COOHC CHNHN

20、H2 2CH H2COOHCOOHC CHHCCOOH+NHNH3 3V V、异构酶、异构酶：催化 各种异构体之间的互变。AB常见的有消旋和变旋、醛酮异构、顺反异构和变位酶类。常见的有消旋和变旋、醛酮异构、顺反异构和变位酶类。异构酶按照异构化的类型不同，分为异构酶按照异构化的类型不同，分为 6 6 个亚类。命名时分别在底个亚类。命名时分别在底物名称的后面加上异构酶（物名称的后面加上异构酶（isomeraseisomerase）、消旋酶（）、消旋酶（racemaseracemase）、）、变位酶（变位酶（mutasemutase）、表异构酶（）、表异构酶（epimeraseepimerase）、

21、顺反异构酶（）、顺反异构酶（cis-cis-trans-isomerasetrans-isomerase）等。）等。VIVI、合成酶类、合成酶类：催化有ATP参加的合成反应。A+B+ATPAB+ADP+Pi连接酶是伴随着连接酶是伴随着ATPATP等核苷三磷酸的水解，催化两等核苷三磷酸的水解，催化两个分子进行连接反应的酶。个分子进行连接反应的酶。3.2.2 3.2.2 按照酶的组成分类按照酶的组成分类l 单体酶单体酶（monomeric enzyme)monomeric enzyme)：仅有一条具有活性部位的：仅有一条具有活性部位的多肽链，全部参与水解反应。多肽链，全部参与水解反应。l 寡聚酶寡

22、聚酶 (oligomeric enzyme)(oligomeric enzyme)：由几个或多个亚基组成，：由几个或多个亚基组成，亚基牢固地联在一起，单个亚基没有催化活性。亚基之间以亚基牢固地联在一起，单个亚基没有催化活性。亚基之间以非共价键结合。非共价键结合。l 多酶复合物多酶复合物 (multienzyme system)(multienzyme system)：几个酶镶嵌而成的：几个酶镶嵌而成的复合物。这些酶催化将底物转化为产物的一系列顺序反应。复合物。这些酶催化将底物转化为产物的一系列顺序反应。丙酮酸脱氢酶系（丙酮酸脱氢酶系（E.coliE.coli）：丙酮酸脱氢酶（）：丙酮酸脱氢酶（

23、E E）、）、硫辛酰转乙酰酶（硫辛酰转乙酰酶（E E）和二氢硫辛酰脱氢酶（）和二氢硫辛酰脱氢酶（E E）。）。E EE EE E碱性碱性E EE EE E+E EE E+脲脲多酶复合物的例子多酶复合物的例子4.4.专一性专一性专专一一性性底物底物专一性专一性立体异构立体异构专一性专一性绝对绝对专一性专一性相对相对专一性专一性旋光异构旋光异构专一性专一性几何异构几何异构专一性专一性键键专一性专一性基团基团专一性专一性相对专一性：可作用于一类或一些结构很相似的底物。R RCOO-+R R OH+H+酯酶酯酶：R RCORR+H2OOOCH2OHOHOHOH1 15 5-葡萄糖葡萄糖苷酶苷酶OR R

24、+H2OOCH2OHOHOHOHOH1 15 5+R ROH绝对专一性：只能作用于某一底物。脲酶脲酶：H2NCNH2+H2OO2NH3+CO2解释专一性的两个假说解释专一性的两个假说“锁钥学说锁钥学说”（FischerFischer，18901890）：酶）：酶的活性中心结构与底物的结构互相吻的活性中心结构与底物的结构互相吻合，紧密结合成中间络合物。合，紧密结合成中间络合物。“诱导嵌合学说诱导嵌合学说”（KoshlandKoshland，19581958）：酶活性中心的结构有一定的）：酶活性中心的结构有一定的灵活性，当底物（激活剂或抑制剂）灵活性，当底物（激活剂或抑制剂）与酶分子结合时，酶蛋白

25、的构象发生与酶分子结合时，酶蛋白的构象发生了有利于与底物结合的变化，使反应了有利于与底物结合的变化，使反应所需的催化基团和结合基团正确地排所需的催化基团和结合基团正确地排列和定向，转入有效的作用位置，这列和定向，转入有效的作用位置，这样才能使酶与底物完全吻合，结合成样才能使酶与底物完全吻合，结合成中间产物。中间产物。5.1 5.1 酶活性的概念酶活性的概念 酶活性即酶促反应速度，指在规定条件下单位时酶活性即酶促反应速度，指在规定条件下单位时间内底物的减少量或产物的生成量。间内底物的减少量或产物的生成量。底物浓度为底物浓度为S S,产物浓度为产物浓度为P P,时间为时间为t t，反，反应速度为应

26、速度为v vv=-dv=-dS S/dt/dt 或或 v=dv=dP P/dt/dt。注：在实际测定酶促反应速度时，以测定单位时间注：在实际测定酶促反应速度时，以测定单位时间内产物的生成量为好。内产物的生成量为好。5.2 5.2 酶活性单位酶活性单位l 定义：定义：指在一定条件下使酶促反应达到某一速度时指在一定条件下使酶促反应达到某一速度时所需要的酶量。酶活性单位是一个人为规定的标准。所需要的酶量。酶活性单位是一个人为规定的标准。l 惯用单位惯用单位：酶活性测定方法的建立者所规定的单位。酶活性测定方法的建立者所规定的单位。l 国际单位国际单位 ：1IU1IU指在规定条件（最适指在规定条件（最适

27、pHpH，最适底物，最适底物浓度）下，每分钟转化浓度）下，每分钟转化1 1 molmol底物的酶量。单位为底物的酶量。单位为IU/L IU/L。l Katal Katal单位单位：1Katal1Katal指在规定条件下，每秒钟转化指在规定条件下，每秒钟转化1mol1mol底物的酶量，底物的酶量，1Katal=60101Katal=60106 6IUIU。5.3 5.3 酶活性单位的计算酶活性单位的计算l步骤：步骤：运用公式进行计算。运用公式进行计算。明确测定方法的明确测定方法的酶单位定义酶单位定义，按照酶单位定义，按照酶单位定义确定物质量、体积和时间的单位，确定物质量、体积和时间的单位，计算公

28、式:产物的增加量产物的增加量 每单位规定的保温时间每单位规定的保温时间 10001000（mlml）酶单位酶单位/升升 =每单位规定的产物增加量每单位规定的产物增加量 实际保温时间实际保温时间 实际标本用量（实际标本用量（mlml）分光光度法测定的公式：（A A测定测定 A A对照）对照）VV总总10106 6 每单位规定的保温时间每单位规定的保温时间酶单位酶单位/升升 =LVLV标标 实际保温时间实际保温时间5.4 5.4 酶活性的测定方法酶活性的测定方法按照对酶促反按照对酶促反应时间的选择应时间的选择不同不同 连续监测法连续监测法 固定时间法固定时间法常用工具酶的名称及其缩写符号 名 称 缩写符号 名 称 缩写符号乳酸脱氢酶 LDH苹果酸脱氢酶 MDH6-磷酸葡萄糖脱氢酶 G6PD谷氨酸脱氢酶 GLDH葡萄糖氧化酶 GOD胆固醇氧化酶 COD磷酸甘油氧化酶 GPO过氧化物酶 POD己糖激酶 HK肌酸激酶 CK丙酮酸激酶 PK甘油激酶 GK脂蛋白脂肪酶 LPL胆固醇酯酶 CE脲酶肌酐酶605.5 5.5 酶产品分离过程的一般技术路线酶产品分离过程的一般技术路线