《酶学与酶工程》PPT课件.ppt

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1、 第一章第一章 酶学与酶工程酶学与酶工程第一节第一节 酶工程概述酶工程概述1 1、酶学发展历史、酶学发展历史 新陈代谢是生命活动的基础新陈代谢是生命活动的基础,是生命活动是生命活动最重要的特征。最重要的特征。约公元前约公元前2121世纪世纪夏禹时代夏禹时代,人们就会人们就会酿酒。酿酒。公元前公元前1212世纪世纪周代周代已能制作已能制作饴糖饴糖和用豆类做和用豆类做酱。酱。1810年年JasephGaylussac发现酵母可将糖转发现酵母可将糖转化为酒精化为酒精。1833年年Payen和和Persoz从麦芽得到淀粉酶制从麦芽得到淀粉酶制剂剂(diastase),其意思是其意思是“分离分离”。首先

2、首先发现了酶。发现了酶。1878年年,Kuhne才给酶一个统一的名词才给酶一个统一的名词,叫叫Enzyme,希腊文意思是希腊文意思是“在酵母中在酵母中”。19031903年，年，HerlriHerlri提出了酶与底物作用的中提出了酶与底物作用的中间复合物学说。间复合物学说。19131913年年MichaelisMichaelis和和MenternMentern导出了米氏方导出了米氏方程程,酶由定性到定量酶由定性到定量,奠定了酶学发展的奠定了酶学发展的里程碑里程碑 。19261926年美国科学家年美国科学家SumnerSumner从刀豆提取出了从刀豆提取出了脲酶并获得结晶脲酶并获得结晶,证明脲酶

3、具有蛋白质性证明脲酶具有蛋白质性质质 。奠定了现代酶学、蛋白质化学的基础。奠定了现代酶学、蛋白质化学的基础。萨姆纳萨姆纳,J.B.美国生物化学家美国生物化学家1946年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖 19581958年，年，KoshlandKoshland提出了提出了“诱导契合诱导契合”理论，理论，以解释酶的催化理论和专一性。以解释酶的催化理论和专一性。1965年年Phillips首次用首次用X射线晶体衍射技术射线晶体衍射技术阐明了鸡蛋清溶菌酶的三维结构。阐明了鸡蛋清溶菌酶的三维结构。80年代初年代初Cech和和Altman分别发现了分别发现了核酶核酶(ribozyme),开辟了酶学研究的新领域开

4、辟了酶学研究的新领域,1989年共同获得诺贝尔化学奖。年共同获得诺贝尔化学奖。切赫切赫（19471947）奥尔特曼奥尔特曼S.Altman(1939-)1986年年Schultz与与Lerner等人研制成功等人研制成功抗体抗体酶酶(abzyme),这一研究成果对酶学研究具这一研究成果对酶学研究具有重要的理论意义和广泛的应用前景。有重要的理论意义和广泛的应用前景。它集生物学、免疫学、化学于一身，采用它集生物学、免疫学、化学于一身，采用单克隆、多克隆、基因工程、蛋白质工单克隆、多克隆、基因工程、蛋白质工程等高新技术，开创了程等高新技术，开创了催化剂研究和生催化剂研究和生产的崭新领域。产的崭新领域。

5、Boyer和和walker阐明了阐明了ATP合酶合酶(ATPsynthase)合成与分解合成与分解ATP的分子机制的分子机制,于于1997年获得诺贝尔化学奖。年获得诺贝尔化学奖。ATP合酶的结构（引自合酶的结构（引自Lodish等等1999）现已鉴定出现已鉴定出40004000多种酶多种酶,数百种酶已得到结数百种酶已得到结晶。晶。这些问题的提出和解决，都与酶学知识和理这些问题的提出和解决，都与酶学知识和理论的掌握有直接的关系。论的掌握有直接的关系。2 2、酶工程简介、酶工程简介（1）酶工程的产生（2）酶工程的历史 (3)酶工程研究内容（1 1）酶工程的产生）酶工程的产生 生物工程学生物工程学(

6、biotechnology)biotechnology)也叫生物技术或也叫生物技术或生物工艺学生物工艺学,是是2020世纪世纪7070年代初在分子生物学和年代初在分子生物学和细胞生物学基础上发展起来的一个新兴技术领域。细胞生物学基础上发展起来的一个新兴技术领域。酶工程酶工程(enzyme engineering)enzyme engineering)是生物工程的是生物工程的主要内容之一主要内容之一 。是酶学和工程学相互渗透结合、发展而成的是酶学和工程学相互渗透结合、发展而成的一门新的技术科学一门新的技术科学 。是酶学、微生物学的基本原理与化学工程有是酶学、微生物学的基本原理与化学工程有机结合而

7、产生的边缘科学技术。机结合而产生的边缘科学技术。（2 2）酶工程的历史）酶工程的历史18941894年，日本科学家首次从米曲霉中提炼出淀粉酶，年，日本科学家首次从米曲霉中提炼出淀粉酶，治疗消化不良，开创人类有目的地生产和应用酶治疗消化不良，开创人类有目的地生产和应用酶制剂的先例。制剂的先例。19081908年年,德国科学家罗门等利用胰酶德国科学家罗门等利用胰酶(胰蛋白酶、胰胰蛋白酶、胰淀粉酶和胰脂肪酶的混合物淀粉酶和胰脂肪酶的混合物)，用于皮革的鞣制。，用于皮革的鞣制。19171917年年,法国人用枯草杆菌产生的淀粉酶作纺织工业法国人用枯草杆菌产生的淀粉酶作纺织工业上的退浆剂。上的退浆剂。19

8、491949年年,日本采用深层培养法生产日本采用深层培养法生产-淀粉酶获得成淀粉酶获得成功功,使酶制剂生产应用进入工业化阶段。使酶制剂生产应用进入工业化阶段。19591959年年,葡萄糖淀粉酶催化淀粉生产葡萄糖新工艺葡萄糖淀粉酶催化淀粉生产葡萄糖新工艺研究成功研究成功,大大地促进了酶在工业上应用的前景。大大地促进了酶在工业上应用的前景。19531953年年，德国科学家首先将聚氨基苯乙烯树，德国科学家首先将聚氨基苯乙烯树脂重氮化，然后将淀粉酶等与这种载体结脂重氮化，然后将淀粉酶等与这种载体结合，制成了固定化淀粉酶。合，制成了固定化淀粉酶。19711971年年，第一次国际酶工程学术会议在美国，第一

9、次国际酶工程学术会议在美国召开，会议的主题就是固定化酶的研制和召开，会议的主题就是固定化酶的研制和应用。应用。20 20世纪世纪7070年代大规模开展了年代大规模开展了固定化细胞、辅固定化细胞、辅酶共固定、增殖细胞固定、动植物细胞固定酶共固定、增殖细胞固定、动植物细胞固定等等研究。建立多种类型的酶反应器研究。建立多种类型的酶反应器,酶工程蓬勃酶工程蓬勃发展。发展。近近2020年来，年来，酶分子修饰技术、酶的化学合成酶分子修饰技术、酶的化学合成以以及及酶的人工合成酶的人工合成等方面的研究，也在积极地开等方面的研究，也在积极地开展中，从而使酶工程更加显示出展中，从而使酶工程更加显示出广阔而诱人广阔

10、而诱人的的前景。前景。当然酶工程的研究不是孤立的当然酶工程的研究不是孤立的,而是与各个而是与各个学科相互关联、相互渗透、相互促进的。学科相互关联、相互渗透、相互促进的。(3)(3)酶工程的内容酶工程的内容 酶工程主要指酶工程主要指酶制剂酶制剂在工业上的大规模应用在工业上的大规模应用及其相应的研究，由以下部分组成及其相应的研究，由以下部分组成:酶的生产；酶的生产；酶的分离纯化；酶的分离纯化；酶的固定化；酶的固定化；酶分子的改造和修饰酶分子的改造和修饰 酶抑制剂的研究酶抑制剂的研究 生物反应器。生物反应器。化学酶工程和生物酶工程化学酶工程和生物酶工程 化学酶工程化学酶工程指自然酶、化学修饰酶、固定

11、化酶及化学人工酶的研究和应用 生物酶工程生物酶工程是酶学和以基因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3个方面:用基因工程技术大量生产酶(克隆酶)修饰酶基因产生遗传修饰酶(突变酶)设计新的酶基因合成自然界没有的新酶 全世界著名的酶制剂企业有：全世界著名的酶制剂企业有：丹麦丹麦NovozymesNovozymes公司、美国杰能科国际公司公司、美国杰能科国际公司（Genencor)Genencor)。我国酶制剂工业诞生于我国酶制剂工业诞生于19651965年。现有年。现有100100多多家生产厂，最大的是无锡酶制剂厂。万吨以家生产厂，最大的是无锡酶制剂厂。万吨以上企业有上企业有10

12、10家。品种有家。品种有2020多种，应用在食品、多种，应用在食品、饲料、制革、洗涤剂、纺织、酿造、造纸、饲料、制革、洗涤剂、纺织、酿造、造纸、医药等许多行业。医药等许多行业。使用的酶制剂类型使用的酶制剂类型:一类是水解酶类一类是水解酶类 淀淀粉粉酶酶、纤纤维维素素酶酶、蛋蛋白白酶酶、脂脂肪肪酶酶、果果胶胶酶酶、乳乳糖糖酶酶等等,占占有有市市场场销销售售额额的的75%75%以上。以上。约约有有60%60%以以上上的的酶酶制制剂剂已已用用基基因因改改良良菌株生产菌株生产,公司使用的菌种有公司使用的菌种有80%80%是基因是基因重组菌株。重组菌株。二类是非水解酶二类是非水解酶 主要是分析试剂用酶、

13、医药工业用酶、主要是分析试剂用酶、医药工业用酶、淀粉加工用酶、乳制品工业用酶淀粉加工用酶、乳制品工业用酶第二节第二节酶的分类、组成、结构特酶的分类、组成、结构特点和作用机制点和作用机制一、酶的分类一、酶的分类（一）酶的命名法（一）酶的命名法1 1、习惯命名法、习惯命名法(1)依据底物来命名（绝大多数酶）：蛋白酶、淀粉酶；依据底物来命名（绝大多数酶）：蛋白酶、淀粉酶；(2)依据催化反应的性质命名：水解酶、转氨酶；依据催化反应的性质命名：水解酶、转氨酶；(3)结合底物和催化反应的性质命名：琥珀酸脱氢酶；结合底物和催化反应的性质命名：琥珀酸脱氢酶；(4)有时加上酶的来源：胃蛋白酶、牛胰凝乳蛋白酶。有

14、时加上酶的来源：胃蛋白酶、牛胰凝乳蛋白酶。（二）国际系统命名（二）国际系统命名基基本本原原则则：明明确确标标明明酶酶的的底底物物及及催催化化反反应应的的性性质质（底底物物为为水时可略去不写）。水时可略去不写）。举例：举例：谷谷丙丙转转氨氨酶酶的的系系统统名名称称：丙丙氨氨酸酸:-酮酮戊戊二酸二酸氨基转移酶氨基转移酶丙氨酸：丙氨酸：-酮戊二酸氨基转移酶酮戊二酸氨基转移酶（三）国际系统分类法及编号（三）国际系统分类法及编号（EC编号）编号）（1）按按反反应应性性质质分分六六大大类类，用用1、2、3、4、5、6表示表示：氧、转、水、裂、异、合；氧、转、水、裂、异、合；1：氧化还原酶：氧化还原酶2：转

15、移酶：转移酶3：水解酶：水解酶4：裂合酶：裂合酶5：异构酶：异构酶6：合成酶：合成酶(连接酶连接酶)（2）根根据据底底物物中中被被作作用用的的基基团团或或键键的的特特点点，将将每每一一大大类类分分为为若若干干个个亚亚类类，编编号号用用1、2、3等；等；（3）每每个个亚亚类类又又可可分分为为若若干干个个亚亚一一亚亚类类，用编号用编号1、2、3表示。表示。乙醇脱氢酶乙醇脱氢酶EC1.1.1.1，第一个数字表示大类：第一个数字表示大类：氧化还原酶类氧化还原酶类第二个数字表示反应基团：醇基第二个数字表示反应基团：醇基第三个数字表示电子受体：第三个数字表示电子受体：NAD+第四个数字表示此酶底物：乙醇。

16、第四个数字表示此酶底物：乙醇。前前面面三三个个编编号号表表明明这这个个酶酶的的特特性性：反反应应性性质质、底底物物性性质质（键键的的类类型型）及及电电子子或或基基团团的的受受体体，第第四四个个编编号号用用于区分不同的底物。于区分不同的底物。酶酶酶酶的的的的编编编编号号号号由由由由4 4个个个个数数数数字字字字组组组组成成成成，中中中中间间间间以以以以“”隔隔隔隔开开开开。第第第第一一一一个个个个数数数数字字字字表表表表示示示示大大大大类类类类，第第第第二二二二个个个个数数数数字字字字表表表表示示示示亚亚亚亚类类类类，第第第第三三三三个个个个表表表表示示示示亚亚亚亚-亚亚亚亚类类类类，第第第第四

17、四四四个个个个数数数数字字字字表表表表示示示示在在在在亚亚亚亚-亚亚亚亚类中的编号。类中的编号。类中的编号。类中的编号。二、酶的组成和结构特点二、酶的组成和结构特点 （一）酶的化学本质（一）酶的化学本质 酶除了酶除了少数少数有催化活性的有催化活性的RNARNA分子外分子外,几乎所有的酶都是几乎所有的酶都是蛋白质蛋白质。具有蛋白质。具有蛋白质的典型性质。同时具有自身的特性。的典型性质。同时具有自身的特性。（二）（二）酶的化学组成酶的化学组成单单纯纯酶酶类类(simpleenzyme)：仅仅由由蛋蛋白白质质组组成成，不不含含其其它它物物质质，如如脲脲酶酶、溶溶菌菌酶酶、淀淀粉粉酶酶、脂脂肪肪酶酶、

18、核核糖糖核核酸酶等。酸酶等。缀缀合合酶酶类类（conjugatedenzyme)：全全酶酶=脱脱辅辅酶酶+辅辅因因子子，二二者者存存在在酶酶才才有有催催化化作作用用；如如超超氧氧化化物物歧歧化化酶酶（Cu2、Zn2）、乳酸脱氢酶（）、乳酸脱氢酶（NAD+）辅酶：辅酶：与酶蛋白结合与酶蛋白结合较松较松，可透析除去。如，可透析除去。如NAD+，NADP+辅辅基基：共共价价键键，与与酶酶蛋蛋白白结结合合较较紧紧，透透析析不不可可除除去去。如如细细胞胞色色素氧化酶的铁卟啉素氧化酶的铁卟啉金属离子：金属离子：Fe2+、Zn2+、Cu+、Cu2+、Mn3+、Mg2+、K+、Na+、Co2+等。等。有机化合

19、物：有机化合物：NAD+，NADP+，FAD，生物素，卟啉等生物素，卟啉等酶酶的的辅辅因因子子主主要要有有金金属属离离子子和和有有机机化化合合物物，并并且且根根据据与与脱脱辅辅酶酶结合的松紧程度不同可分为两类，即结合的松紧程度不同可分为两类，即辅酶和辅基辅酶和辅基。（一）（一）单体酶单体酶（二）（二）寡聚酶寡聚酶（三）（三）多酶复合体多酶复合体根据酶蛋白分子特点根据酶蛋白分子特点1.单体酶单体酶一般是由一条肽链组成，大多是催化水解反应的酶。一般是由一条肽链组成，大多是催化水解反应的酶。牛胰牛胰RNase124a.a单链单链鸡卵清溶菌酶鸡卵清溶菌酶129a.a单链单链2.寡聚酶寡聚酶由由两两个个

20、或或两两个个以以上上亚亚基基组组成成的的酶酶，亚亚基基可可以以相相同同或或不不同同，一一般般是是偶偶数数，亚亚基基间间以以非非共共价价键键结结合合。亚亚基基一一般般无无活活性性,必必须相互结合才有活性。须相互结合才有活性。如乳酸脱氢酶等。如乳酸脱氢酶等。3.多酶复合体多酶复合体由由几几个个酶酶靠靠非非共共价价键键结结合合而而成成，其其中中每每一一个个酶酶催催化化一一个个反反应应，所所有有反反应应依依次次进进行行，构构成成一个一个代谢途径或代谢途径代谢途径或代谢途径的一部分。的一部分。大肠杆菌大肠杆菌丙酮酸脱氢酶复合体丙酮酸脱氢酶复合体由三种酶组成：由三种酶组成：丙酮酸脱氢酶（丙酮酸脱氢酶（E1

21、）二氢硫辛酸转乙酰基酶（二氢硫辛酸转乙酰基酶（E2）二氢硫辛酸脱氢酶（二氢硫辛酸脱氢酶（E3）（二）酶的结构特点（二）酶的结构特点1.1.有四级空间结构形式，寡聚酶必须具有有四级空间结构形式，寡聚酶必须具有正确的四级结构才有活性正确的四级结构才有活性。2 2、具有活性的酶都是球蛋白具有活性的酶都是球蛋白,即被广泛折即被广泛折叠、结构紧密的多肽链叠、结构紧密的多肽链,其氨基酸亲水基其氨基酸亲水基团在外表团在外表,而疏水基团向内。而疏水基团向内。三、酶的作用机制（一）结合部位（一）结合部位 Binding siteBinding site 酶分子中与酶分子中与底物结合底物结合的部位或区域一般的部位

22、或区域一般称为结合部位。称为结合部位。（二）催化部位（二）催化部位 catalytic sitecatalytic site 酶分子中促使底物发生化学变化的部位称为催化部位。酶的活性中心的概念酶的活性中心的概念 通常将酶的结合部位和催化部位总称为酶的活性部位或活性中心。结合部位决定酶的专一性，催化部位决定酶所催化反应的性质。酶酶的的活活性性中中心心包包括括底底物物结结合合部部位位（决决定定酶酶的的专专一一性性）、催催化化部部位位（直直接接参参与催化反应，形成产物）与催化反应，形成产物）酶的作用机制酶的作用机制 酶酶结结合合底底物物分分子子,形形成成酶酶-底底物物复复合合物物。酶酶活活性性部部位

23、位的的活活性性残残基基与与底底物物分分子子结结合合,转转变变为为过过渡渡态态,然然后后生生成成产产物物,释释放放到到溶溶液液中中。游游离离的的酶酶与与另另一一分分子子底底物物结结合合后后,开开始它的又一次循环始它的又一次循环。（一）两种模型（一）两种模型 1 1、锁锁和和钥钥匙匙模模型型(lock-and-keymodel)1894年年EmilFischer 德国科学家。师从凯库勒。德国科学家。师从凯库勒。他发现了他发现了苯肼苯肼，对，对糖类、糖类、嘌呤类有机化合物嘌呤类有机化合物的研究的研究取得了突出的成就，因而取得了突出的成就，因而荣获荣获1902年的诺贝尔化学年的诺贝尔化学奖。奖。认为整

24、个酶分子的天然构象是具认为整个酶分子的天然构象是具有有刚性结构刚性结构的，酶表面具有特定的的，酶表面具有特定的形状。酶与底物的结合如同一把钥形状。酶与底物的结合如同一把钥匙对应一把锁一样。匙对应一把锁一样。2、诱导契合模型诱导契合模型(induced-fitmodel)1958年由年由Koshland提出。提出。认为酶表面并没有一种与底物互认为酶表面并没有一种与底物互补的固定形状，而只是由于底物的补的固定形状，而只是由于底物的诱导才形成了互补形状。诱导才形成了互补形状。随后的随后的X衍射分析实验结果支持这一假说衍射分析实验结果支持这一假说,比较比较满意地说明了酶的专一性。满意地说明了酶的专一性

25、。(1)酶有其原来的形状酶有其原来的形状,不一定一开始就是底物不一定一开始就是底物的模板。的模板。(2)底物能诱导酶蛋白分子形状发生一定的变底物能诱导酶蛋白分子形状发生一定的变化。化。(3)酶分子发生变化后就能与底物互补楔合。酶分子发生变化后就能与底物互补楔合。(4)在酶反应过程中在酶反应过程中,活性中心构象的变化是可逆活性中心构象的变化是可逆的的诱导契合学说认为诱导契合学说认为:酶的活性部位在结构上酶的活性部位在结构上是柔性的而非刚性是柔性的而非刚性的的也就是说不固定的也就是说不固定的,即具可逆性和弹性。即具可逆性和弹性。（二）酶的作用机制（二）酶的作用机制1 1、酸碱催化酸碱催化酶酶分分子

26、子的的一一些些功功能能基基团团起起瞬瞬时时质质子子供供体体或或质质子子受受体体的的作作用用。分为狭义的酸碱催化和广义的酸碱催化。分为狭义的酸碱催化和广义的酸碱催化。狭义的酸碱催化剂即是狭义的酸碱催化剂即是H+与与OH-广义的酸碱是指能供给质子广义的酸碱是指能供给质子(H+)与接受质子的物质。可作为与接受质子的物质。可作为广义酸碱的功能基团：氨基、羧基、巯基、酚羟基、咪唑基。广义酸碱的功能基团：氨基、羧基、巯基、酚羟基、咪唑基。影响酸碱催化反应速度的两个因素：影响酸碱催化反应速度的两个因素：酸酸或或碱碱的的强强度度。组组氨氨酸酸咪咪唑唑基基的的解解离离常常数数为为6，在在pH6附附近近（中中性性

27、溶溶液液）有有一一半半以以质质子子供供体体（酸酸）形形式式存存在在，另另一一半半以以质质子子受受体（碱）形式存在。体（碱）形式存在。给给出出质质子子或或结结合合质质子子的的速速度度。其其中中，咪咪唑唑基基给给出出质质子子和和结结合合质质子子的的速速度度十十分分迅迅速速，是是酶酶的的催催化化反反应应中中最最有有效效、最最活活泼泼的的一一个个功能基团。功能基团。2 2、共价催化、共价催化酶的某些亲核基团，能迅速与底物形成共价中酶的某些亲核基团，能迅速与底物形成共价中间复合物，降低反应的活化能，使反应加速。间复合物，降低反应的活化能，使反应加速。酶亲核基团：酶亲核基团：Ser-OH，Cys-SH，H

28、is-咪唑基等咪唑基等底物亲电中心：磷酰基（底物亲电中心：磷酰基（-P=O），酰基（），酰基（-C=O），糖基（），糖基（Glc-C-）3 3、邻近效应及定向效应、邻近效应及定向效应邻近效应邻近效应 底物的反应基团与酶的催化基团越靠底物的反应基团与酶的催化基团越靠近近,其反应速度越快。其反应速度越快。定向效应定向效应 催催化化基基团团与与底底物物的的反反应应基基团团之之间间的的正正确取位，从而提高酶催化反应速度的效应。确取位，从而提高酶催化反应速度的效应。4 4、变形或张力、变形或张力 当特异底物与酶结合时当特异底物与酶结合时,酶蛋白发生一定构象酶蛋白发生一定构象变化变化,与底物发生诱导契合。

29、酶使底物分子中的敏与底物发生诱导契合。酶使底物分子中的敏感键发生变形或张力。感键发生变形或张力。底底物物形形变变，利利于于形形成成ESES复复合合物物。进进一一步步转转换换成成过过渡渡态结构，大大降低活化能。态结构，大大降低活化能。5 5、酶的活性中心为疏水区域、酶的活性中心为疏水区域 酶酶的的活活性性中中心心常常为为酶酶分分子子的的凹凹穴穴。此此处处常常为为非非极极性性或或疏疏水水性性的的氨氨基基酸酸残残基基。介介电电常常数数低低,并并排排出出极极性性高高的的水水分分子子。这这使使得得底底物物分分子子的的反反应应键键和和酶酶的的催催化化基基团团之之间间易易发发生生反反应应,有有助于加速酶催化

30、反应。助于加速酶催化反应。6 6、多元催化和协同效应、多元催化和协同效应多个基元催化反应配合在一起共同起作用。多个基元催化反应配合在一起共同起作用。上面介绍了实现酶反应高效率的几个上面介绍了实现酶反应高效率的几个因素因素,但是并不能指出那一种因素可以影但是并不能指出那一种因素可以影响所有酶的全部催化活性。更可能的情响所有酶的全部催化活性。更可能的情况是：不同的酶况是：不同的酶,起主要影响的因素可能起主要影响的因素可能是不同的是不同的,各自都有其特点各自都有其特点,可以受一种可以受一种或几种因素的影响。或几种因素的影响。第三节第三节 酶作为催化剂的显著特点酶作为催化剂的显著特点 酶与化学催化剂比

31、较具有显著的特酶与化学催化剂比较具有显著的特性。最重要的有三方面性。最重要的有三方面:一、高催化效率一、高催化效率 二、强专一性二、强专一性 三、酶活性可以调控三、酶活性可以调控 一、高催化效率一、高催化效率 催化能力，酶加快反应速度可高达催化能力，酶加快反应速度可高达108-1020倍。倍。酶酶促促反反应应速速度度相相当当高高,而而酶酶催催化化的的最最适适条条件件几几乎乎都都为为温温和和的的温温度度和和非极端非极端pH。以以NH3为例：为例：固氮酶：固氮酶：25、中性、中性pH。工业：工业：700900K、1090MPa（一）（一）酶专一性类型酶专一性类型1、结构专一性、结构专一性（1）绝对

32、专一性）绝对专一性酶对底物的要求非常严格，只能对某一种底物的某一酶对底物的要求非常严格，只能对某一种底物的某一种反应起催化作用。种反应起催化作用。脲酶只能催化尿素水解脲酶只能催化尿素水解,而对尿素的各种衍生物或尿而对尿素的各种衍生物或尿素的其它反应不起作用。素的其它反应不起作用。（2）相相对对专专一一性性：对对底底物物专专一一性性降降低低，可可作作用用一一类类结结构构相相近近的底物。的底物。二、酶的专一性二、酶的专一性基团专一性基团专一性l除了对键有要求，还除了对键有要求，还对于键的一端的基团对于键的一端的基团要求严格要求严格。l例如：例如：-D-葡萄糖苷酶不但要求葡萄糖苷酶不但要求-糖苷键糖

33、苷键,并且要并且要求求-糖苷键的一端必须有糖苷键的一端必须有葡萄糖残基葡萄糖残基,而对键的另而对键的另一端一端R基团则要求不严基团则要求不严,因此它可催化含有因此它可催化含有-葡萄葡萄糖苷的蔗糖或麦芽糖水解糖苷的蔗糖或麦芽糖水解,但不能使含有但不能使含有-葡萄糖葡萄糖苷的纤维二糖水解。苷的纤维二糖水解。键专一性：键专一性：作用于一定的键作用于一定的键,但对键两端的基团但对键两端的基团并无严格要求。这类酶对底物结构的要并无严格要求。这类酶对底物结构的要求低。求低。酯酶催化酯酶催化酯键酯键的水解的水解,而对底物而对底物R-C中中的的R及及R基团都没有严格的要求基团都没有严格的要求,即能催即能催化水

34、解甘油酯类、简单脂类化水解甘油酯类、简单脂类,也能催化丙也能催化丙酰、乙酰胆碱等。酰、乙酰胆碱等。2.立体异构专一性立体异构专一性有些酶不仅对底物化学结构有要求有些酶不仅对底物化学结构有要求,而且对而且对底物分底物分子的子的立体构型立体构型也有要求也有要求,称作立体异构专称作立体异构专一性。立体异一性。立体异构专一性又分两类构专一性又分两类:(1)旋光异构专一性旋光异构专一性当底物具有旋光性时当底物具有旋光性时,酶只能作用于其中的一酶只能作用于其中的一种。种。它是酶反应中相当普遍的现象。它是酶反应中相当普遍的现象。例如：例如：L-氨基酸氧化酶氨基酸氧化酶只能只能催化催化L-氨基酸氧化氨基酸氧化

35、,而对而对D-氨基酸无作用。氨基酸无作用。(2)几何（顺反）异构专一性几何（顺反）异构专一性酶对底物的几何构型有严格的要求称之为酶对底物的几何构型有严格的要求称之为几何异构专一性。几何异构专一性。例如：例如：延胡索酸酶只能催化延胡索酸酶只能催化反丁烯二酸反丁烯二酸（即延胡索酸）（即延胡索酸），而不能催化，而不能催化顺丁烯二酸顺丁烯二酸的水合作用。的水合作用。三、调节性三、调节性酶活性的调节控制主要有下列酶活性的调节控制主要有下列7种方式种方式1.酶浓度的调节酶浓度的调节两种方式：诱导或抑制酶的合成；调节酶两种方式：诱导或抑制酶的合成；调节酶的降解的降解例如：例如：-半乳糖苷酶的合成。半乳糖苷酶

36、的合成。2.2.激素调节激素调节 例：乳糖合成酶例：乳糖合成酶 乳糖合成酶由催化亚基和调节亚基组成，乳糖合成酶由催化亚基和调节亚基组成，可以催化乳糖合成反应：可以催化乳糖合成反应：E EUDP-UDP-半乳糖半乳糖+葡萄糖葡萄糖 乳糖乳糖+UDPUDP调节亚基合成是受激素控制的。3.共价修饰调节共价修饰调节 在一种酶分子上在一种酶分子上,共价地引入或去掉一共价地引入或去掉一个基团从而改变酶的活性个基团从而改变酶的活性例：例：磷酸化酶的磷酸化和去磷酸化磷酸化酶的磷酸化和去磷酸化 4.4.限制性蛋白水解作用与酶活力调控限制性蛋白水解作用与酶活力调控 高特异性的共价修饰调节系统高特异性的共价修饰调节

37、系统 例：酶原激活、血液凝固、补体激活例：酶原激活、血液凝固、补体激活5.抑制剂的调节抑制剂的调节例：胰脏的胰蛋白酶例：胰脏的胰蛋白酶抑肽酶抑肽酶,磷酸变位酶磷酸变位酶2,3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸6.6.反馈调节反馈调节 许许多多小小分分子子物物质质的的合合成成是是由由一一连连串串的的反反应应组组成成的的。催催化化此此物物质质生生成成的的第第一一步步反反应应的的酶酶,往往往往可可以以被被它它的的终终端端产产物物所所抑抑制制,这这种种对对自自我我合合成的抑制叫反馈抑制。成的抑制叫反馈抑制。例：异亮氨酸抑制第一个酶一苏氨酸脱氨酶例：异亮氨酸抑制第一个酶一苏氨酸脱氨酶 7.7.金属离子和其他小分

38、子化合物的调节金属离子和其他小分子化合物的调节 第四节第四节影响酶活性的因素影响酶活性的因素一、酶速度一、酶速度 酶催化反应的速率通酶催化反应的速率通常称作酶速度常称作酶速度(velocity)。酶速度通常以酶促反应的酶速度通常以酶促反应的初速度初速度为准为准(底物消耗底物消耗5%5%）。因为底物浓度。因为底物浓度降低、酶部分失活、产物降低、酶部分失活、产物抑制和逆反应等因素，会抑制和逆反应等因素，会使反应速度随反应时间的使反应速度随反应时间的延长而下降。延长而下降。几个概念酶酶的的活活力力单单位位：表表示示酶酶活活力力大大小小所所用用的的两两个国际单位个国际单位1IU：在在最最适适反反应应条

39、条件件下下，每每分分钟钟催催化化1mol底底物物转转化为产物所需的酶量，称一个化为产物所需的酶量，称一个IU。1Kat：在在最最适适反反应应条条件件下下，每每秒秒钟钟催催化化1mol底底物物转化为产物所需的酶量，称转化为产物所需的酶量，称Kat单位单位1Kat60106IU；1IU1/60Kat16.7nKat最最适适条条件件：最最适适温温度度（25或或37）,最最适适pH、最最适缓冲液离子强度、最适底物浓度。适缓冲液离子强度、最适底物浓度。底底物物浓浓度度要要求求：（1）通通常常很很大大，使使酶酶饱饱和和；（2）底底物消耗物消耗5%。q酶活力酶活力(或总活力或总活力):样品中酶的总单位样品中

40、酶的总单位q比活力比活力:是每毫克蛋白质中酶单位的数量是每毫克蛋白质中酶单位的数量(U/mg)。比活力比活力=活力活力U/mg蛋白蛋白=总活力总活力U/总蛋白总蛋白mg 影响酶活力的因素影响酶活力的因素1、底物浓度、底物浓度酶速度对底物浓度酶速度对底物浓度(S)的依赖关系的正常模式是的依赖关系的正常模式是：q在低的底物浓度下在低的底物浓度下,S增加增加1倍倍,将导致起始速度将导致起始速度(Vo)也增加也增加1倍。倍。q在较高底物浓度下在较高底物浓度下,酶被饱和酶被饱和,进一步增高进一步增高S,只只导致导致Vo的微小变化。的微小变化。q进进一一步步加加入入底底物物对对酶酶速速度度也也将将不不发发

41、生生影影响响。Vo对对S的的关关系系图图形形称称为为双双曲曲线线(hyperboliccurve)2、酶浓度、酶浓度在在底底物物浓浓度度饱饱和和的的情情况况下下(即即所所有有酶酶分分子子都都与与底底物物结结合合),酶酶浓浓度度的的加加倍倍将将导导致致Vo的的加倍。加倍。Vo与酶浓度的关系图为直线图形。与酶浓度的关系图为直线图形。3 3、温度的影响、温度的影响q一方面是温度升高一方面是温度升高,酶促反应速度加快。酶促反应速度加快。另另一一方方面面,温温度度升升高高,导导致致酶酶活活性性降降低低甚甚至丧失。至丧失。q大多数酶都有一个最适温度。大多数酶都有一个最适温度。在最适温在最适温度条件下度条件

42、下,反应速度最大。反应速度最大。q最适温度不是酶的最适温度不是酶的特征物理常数特征物理常数,也不是也不是固定值固定值,而与酶作用时间的长短有关。生而与酶作用时间的长短有关。生物不同生长阶段有不同的最适温度。物不同生长阶段有不同的最适温度。4、pH 每个酶都有最适每个酶都有最适pH,在此在此pH下催化反应的速率下催化反应的速率是它的最高值。是它的最高值。（1）最适）最适pH有时因底物种类、浓度及缓冲液成分有时因底物种类、浓度及缓冲液成分不同而不同。不同而不同。（2）酶的最适）酶的最适pH并不是一个常数并不是一个常数,只是在一定条件只是在一定条件下才有意义。下才有意义。pH影响酶活力的原因可能有以

43、下几个方面影响酶活力的原因可能有以下几个方面:(A)过酸过酸,过碱会影响酶蛋白的构象过碱会影响酶蛋白的构象,甚至使酶失甚至使酶失活。活。(B)影响底物分子的解离。影响底物分子的解离。(C)pH影响酶分子的解离影响酶分子的解离,而这些基团的离子化状而这些基团的离子化状态与酶的专一性及酶分子中心活力中心的构象有态与酶的专一性及酶分子中心活力中心的构象有关。关。第五节 酶动力学和抑制作用一、米一、米-曼氏模式曼氏模式1、Michaelis-Menten 方程的建立 米氏方程米氏方程 2、米氏常数的意义、米氏常数的意义 Km：米米氏氏常常数数，物物理理意意义义为为反反应应速速率率为为最最大大速速率率V

44、max一一半半时时底底物物的的浓浓度度，单单位位与与底底物浓度同物浓度同（1）Km是酶的一个特性常数，是酶的一个特性常数，Km大小只与大小只与酶性质有关，而与酶浓度无关。当底物确定，酶性质有关，而与酶浓度无关。当底物确定，反应温度，反应温度，pH及离子强度一定时，及离子强度一定时，Km值为值为常数，可用来鉴别酶。常数，可用来鉴别酶。Km一般在一般在110-610-1mol/L之间之间不同的酶不同的酶Km值不同，测定值不同，测定Km要在相同测定条要在相同测定条件（件（pH、温度、离子强度）下进行。温度、离子强度）下进行。（2）Km值可用于判断酶的专一性和天然产物，值可用于判断酶的专一性和天然产物

45、，若一个酶有几种底物就有几个若一个酶有几种底物就有几个Km值，其中值，其中Km值最小的底物称为该酶的最适底物，又称天然值最小的底物称为该酶的最适底物，又称天然底物。底物。（3）可近似表示酶与底物亲和力的大小。）可近似表示酶与底物亲和力的大小。真正表示酶与底物亲和力为真正表示酶与底物亲和力为Ks=k2/k1(注注Km=k2+k3/k1)（4）已知已知Km可由可由S计算计算v，或由或由v计算计算S。二、二、Lineweaver-BurkLineweaver-Burk作图作图y=ax+by=ax+b纵轴截距：纵轴截距：1/1/V Vmaxmax；横轴截距：横轴截距：-1/-1/K Km m；斜率：斜

46、率：K Km m/V/Vmaxmax。三、三、酶的抑制作用酶的抑制作用抑抑制制作作用用：酶酶的的必必需需基基团团的的化化学学性性质质改改变变而而引引起起酶酶活活力力降降低低或或丧丧失失，但但不不引引起起酶酶蛋蛋白白变性。变性。凡能使酶的催化活性下降而不引起酶蛋白变凡能使酶的催化活性下降而不引起酶蛋白变性的物质称为酶的抑制剂。性的物质称为酶的抑制剂。意义：研究酶的抑制剂，可以研究酶的结意义：研究酶的抑制剂，可以研究酶的结构与功能、酶催化机制，进行药物、农药构与功能、酶催化机制，进行药物、农药的设计与筛选。的设计与筛选。（一）抑制作用的类型：（一）抑制作用的类型：1.不可逆抑制作用不可逆抑制作用I

47、rreversibleinhibition2.可逆性抑制作用可逆性抑制作用Reversibleinhibition1)竞争性抑制竞争性抑制Competitiveinhibition2)非竞争性抑制非竞争性抑制Non-competitiveinhibition 有机磷化合物有机磷化合物羟基酶羟基酶失活的酶失活的酶酸酸1、不可逆抑制作用、不可逆抑制作用 这类抑制剂通常以这类抑制剂通常以共价键共价键与酶蛋白中的基团结合，与酶蛋白中的基团结合，从而使酶活性降低，甚至丧失。不能用透析、超滤等物理从而使酶活性降低，甚至丧失。不能用透析、超滤等物理方法除去这些抑制剂，使酶活性恢复。方法除去这些抑制剂，使酶活

48、性恢复。举例举例有机磷化合物有机磷化合物羟基酶羟基酶解毒解毒-解磷定解磷定(PAM)2 2.可逆性抑制作用可逆性抑制作用 抑制剂通常以非共价键与酶可逆抑制剂通常以非共价键与酶可逆性结合，使酶的活性降低或丧失；性结合，使酶的活性降低或丧失；抑制剂可用透析、超滤等方法除去。抑制剂可用透析、超滤等方法除去。类型类型 竞争性抑制竞争性抑制 非竞争性抑制非竞争性抑制 ）竞争性抑制作用）竞争性抑制作用+IEIE+SE+PES反应模式反应模式定义定义抑抑制制剂剂与与底底物物的的结结构构相相似似，能能与与底底物物竞竞争争酶酶的的活活性性中中心心，从从而而阻阻碍碍酶酶底底物物复复合合物物的的形形成成，使使酶酶的

49、的活活性性降降低低。这这种种抑抑制制作作用用称称为为竞争性抑制作用。竞争性抑制作用。*特点特点b)充充分分的的高高底底物物浓浓度度可可以以将将结结合合到到活活性性部部位位的的抑抑制制剂剂分分子子竞竞争争地地排排 出出，因因 此此 酶酶 的的Vmax不不变变，但但在在竞竞争争性性抑抑制制剂剂存存在在下下，酶酶对对其其底底物物的的亲亲和和力力降低，因此降低，因此Km增大。增大。a)I与与S结结构构类类似似，竞竞争争酶酶的的活活性性中心；中心；交于交于y轴轴2)非竞争性抑制非竞争性抑制底物和抑制剂同时和酶结合底物和抑制剂同时和酶结合,两者没有两者没有竞争作用。竞争作用。酶活力降低酶活力降低如如Leu

50、是精氨酸酶非竞争性抑制剂。是精氨酸酶非竞争性抑制剂。*特点特点a)a)抑抑制制剂剂与与酶酶活活性性中中心心外外的的必必需需基基团团结结合合，底底物物与与抑抑制制剂剂之之间间无无竞竞争关系；争关系；b)b)抑抑制制程程度度取取决决于于抑制剂的浓度；抑制剂的浓度；c)c)非非竞竞争争性性抑抑制制剂剂的的效效应应不不能能由由增增高高底底物物浓浓度度而而克克服服，所所以以VmaxVmax降降低低，酶酶对对底底物物的的亲亲和和力力不不变变，因此因此KmKm不变。不变。交于交于x x轴轴 第六节第六节 蛋白质、酶和重组蛋白质、酶和重组 蛋白质的分离纯化蛋白质的分离纯化一、蛋白质纯化的一般考虑分离纯化用的原