生物化学第8章酶通论.ppt

第8章 酶通论,(General Survey of Enzyme),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,酶在生物体内的重要性,新陈代谢是生命活动的基础，是生命活动最重要的特征。而构成新陈代谢的许多复杂而有规律的物质变化和能量变化，都是在酶（enzyme）催化下进行的。生物的生长发育、繁殖、遗传、运动、神经传导等生命活动都与酶的催化过程紧密相关，可以说，没有酶的参与，生命活动一刻也不能进行。,酶的化学本质,酶是生物机体中产生的、具有催化作用的生物大分子。从最早纯化出的酶来看，其化学本质都是蛋白质，所以给酶的定义为“酶是具有催化活性的蛋白质”。,关于酶化学本质的分歧,上世纪80年代初，Cech和Altman分别发现了具有催化活性的RNA，这引起了对酶定义的分歧。有人认为，“酶是具有催化活性的蛋白质”，所以具有催化活性的RNA属于一类新发现的具有催化活性的生物大分子，应该给它们起一个新的名字。也有人认为，“酶是具有催化活性的生物大分子”，具有催化活性的RNA是酶新发现的成员，以前认为酶的化学本质都是蛋白质的概念是错误的。,对RNA型催化剂的命名,Cech等人取RNA的词头（ribonucleic acid）和酶的词尾（enzyme）将具有催化活性的RNA命名为“ribozyme”。从这个名称来看，ribozyme是和enzyme并列的一类物质，而不是属于enzyme的一类物质。在英汉生物学词汇（第二版）中，对ribozyme的翻译是这样的：“核酶，核糖核酸拟酶，酶性核糖核酸”。ribozyme至今还没有一个得到大家公认的准确译名,目前最常用的是“核酶”。曾经有人提出造一个新字来翻译ribozyme，即“ ”，但没有得到大家的公认。,抗体酶,1986年，Schulz和Lerner两个实验室同时报道他们成功地得到了具有酶催化活性的抗体。这就是抗体酶（也叫催化性抗体，catalytic antibody）。抗体酶是用过渡态底物的类似物作为半抗原，免疫动物得到的抗体，这种抗体就可能具有酶活力。,(Abzymes),酯酶的底物、过渡态及过渡态类似物的结构,我们把酶催化的反应物称为底物（substrate）,一、酶催化作用的特点,酶和一般催化剂的比较,催化剂能够降低反应所需的活化能，使得活化态分子的比例提高，从而促进反应的进行，提高反应速率。在没有催化剂存在时，过氧化氢分解所需的活化能为75.4 kJ/mol，用无机物液钯作催化剂时，所需的活化能降至48.9 kJ/mol，而用过氧化氢酶催化时，活化能降至8.4 kJ/mol。,催化过程与非催化过程自由能的变化,Progress of reaction,催化过程与非催化过程自由能的变化,酶的催化效率,酶作为生物催化剂的特点,酶易失活 酶具有很高的催化效率 酶具有高度的专一性 酶活性受到调节和控制,二、酶的化学本质及其组成,酶的化学组成,有些酶仅由蛋白质组成，也有些酶除了蛋白质外，还有其它成分，后者称为缀合蛋白质。对于属缀合蛋白质的酶来说，其蛋白质部分称为脱辅酶（apoenzyme），与其结合的非蛋白质成分称为辅因子（cofactor），二者结合后称为全酶（holoenzyme）。对于需要辅因子的酶来说，仅脱辅酶是没有活性的，单独的辅因子一般也没有活性（有少数辅因子有弱的催化活性）。,辅因子,辅因子可分为三类： 辅基：小分子有机化合物，与酶蛋白以共价键结合，不能通过透析除去。 辅酶：小分子有机化合物，与酶蛋白以非共价键结合，可以通过透析除去。 金属离子：这里说的金属离子是指单独存在的金属离子，有些辅基中也含有金属离子，如血红素。 不同的脱辅酶需要的辅因子不同，含有不同类型辅因子的全酶催化反应的类型不同。,单体酶、寡聚酶、多酶复合体,单体酶（monomeric enzyme）一般是由一条肽链组成，但有些单体酶由多条肽链组成，链间有二硫键连接。单体酶种类较少，水解酶都是单体酶。 寡聚酶（oligomeric enyme）是多亚基组成的，亚基之间靠次级键结合。可以是同多聚酶，也可以是杂多聚酶。 多酶复合体（multienzyme complex）是由几种酶靠非共价键按一定的方式结合而成，它可以催化连续的几个反应，相当于一条生产线。,三、酶的命名和分类,习惯命名法一般是以酶作用的底物加反应类型来命名，如催化淀粉水解的酶叫淀粉酶（对催化水解反应的酶，水解两字省略），催化琥珀酸脱氢反应的酶叫琥珀酸脱氢酶，催化葡萄糖氧化反应的酶叫葡萄糖氧化酶等。但也有一些酶的名称前面加上了来源，如胃蛋白酶、木瓜蛋白酶、牛胰核糖核酸酶等。还有一些酶从名称上根本看不出是干什么的，如触酶（过氧化氢酶 catalase）、漆酶（一种含铜的氧化酶 laccase）、转化酶（蔗糖酶 invertase）等。习惯名为人们所熟悉，经常使用，但不够严谨科学。,(习惯命名法),酶的命名和分类,以反应物（如果有两种反应物，中间以“ ：”隔开）加反应性质命名。如： 乙醇：NAD氧化还原酶（习惯命名为乙醇脱氢酶） 脂肪水解酶（水省略） （习惯命名为脂肪酶）,(国际系统命名法),国际系统分类法及酶的编号,编号以EC（Enzyme Commission）开始，后面跟4个数字。第1个数字表示酶属于哪一大类，酶学委员会根据酶反应的类型，把酶分为6大类，即氧化还原酶类、转移酶类、水解酶类、裂合酶类、异构酶类、连接酶类（也叫合成酶类），分别以1,2,3,4,5,6编号。第2个数字表示酶属于该大类的哪一小类，小类是根据反应的基团或键而定的。第3个数字对酶进一步分类，根据反应物种类而分。第4个数字是在前3个数字相同时的顺序编号。,氧化还原酶类（EC1）,（oxido-reductases）,氧化还原酶类是催化氧化还原反应的酶，其中有氧化酶和脱氢酶两类主要的酶。 （1）氧化酶类催化O2氧化底物的反应，生成H2O2或H2O。 AH2 + O2 A + H2O2 2AH2 + O2 2A + 2H2O （2）脱氢酶类需要辅酶（NAD+）或辅酶（NADP+）作为受氢体，催化底物氧化脱氢反应。 AH2 + NAD(P)+ A + NAD(P)H + H+,转移酶类（EC2）,（transferases）,转移酶类催化基团从一个底物上转到另一个底物上的反应。 AX + B A + BX,水解酶类（EC3）,水解酶类催化水解反应。 A-B + H2O A-OH + BH,（hydrolases）,裂合酶类（EC4）,裂合酶类催化从底物上移去一个基团，而留下双键的反应或其逆反应。 A-B A + B,（lyases）,异构酶类（EC5）,异构酶类催化各种同分异构体之间的转变。此类酶包括消旋酶、差向异构酶、顺反异构酶、分子内氧化还原酶、分子内转移酶和分子内裂解酶等。 A B,（isomerases）,连接酶类（EC6）,连接酶类催化一切必须与ATP分解相偶联，并由两种物质（双分子）合成一种物质的反应。 A + B + ATP A-B + ADP +Pi 或 A + B + ATP A-B + AMP +PPi,（ligases 或 synthatases）,一个反应必须与另一个反应同时进行，这种情况叫做一个反应偶联另一个反应。偶联反应式也可以写成,四、酶的专一性,1.结构专一性 （1）绝对专一性 （2）相对专一性 族专一性或基团专一性 键专一性 2.立体异构专一性 （1）旋光异构专一性 （2）几何异构专一性,（酶的专一性由蛋白质部分决定）,相对专一性,族专一性或基团专一性： 它们只对反应键一侧的基团有严格要求，而对反应键的另一侧基团没有要求，如-D-葡萄糖苷酶水解葡萄糖的糖苷键，而不管糖苷配基是什么。 键专一性： 它们只对反应的键有要求，对键两侧的基团都没有要求，如酯酶催化酯键的水解，而不管是乙酸乙酯还是丙酸甲酯。,蛋白酶的专一性,各种蛋白酶都有自己的专一性，有些蛋白酶只要求肽键一侧的氨基酸残基种类，如胰蛋白酶要求肽键的羧基侧是碱性氨基酸残基；有些蛋白酶对肽键两侧的氨基酸残基都有要求，如凝血酶只水解Arg-Gly。,各种蛋白酶的专一性,R1、R2：芳香氨基酸及其它疏水氨基酸的侧链基团 R3：Ala、Gly、Ser等短脂肪链氨基酸 R4：碱性氨基酸,凝血酶的专一性,Arg Gly,旋光异构专一性,L-氨基酸氧化酶不能催化D-氨基酸氧化脱氨。,几何异构专一性,有些酶的底物没有异构体，但反应的产物可以是异构体，实际反应的产物只是两种异构体中的一种。,特殊的立体化学专一性,酶的立体化学专一性还表现在能区分从有机化学的观点来看属于对称分子中的两个相等的基团，只催化其中的一个反应，而不催化另一个反应。例如，一端由14C标记的甘油，在甘油激酶的催化下可以与ATP反应，仅产生一种标记产物，甘油-1-磷酸。酵母醇脱氢酶在催化反应时，辅酶尼克酰胺环C4上只有一侧可以加氢或脱氢。,甘油激酶催化反应产物的专一性,甘油激酶,辅酶NAD还原加氢的立体异构专一性,“锁与钥匙” 假说,（lock and key）,该假说认为，酶的活性部位是刚性的，其形状刚好能与底物吻合，非底物因形状不吻合，所以不能与酶结合。 此假说不能解释酶能够催化逆反应，以及有些酶可以催化多种底物反应。,“锁与钥匙” 示意图,“诱导契合” 假说,（induced-fit）,该假说认为酶的活性中心在与底物结合时会发生构象的变化，活性中心在底物的诱导下，采取了与底物形状吻合的构象。此假说现已得到公认。,“诱导契合” 示意图,专一性底物,非专一性底物,非专一性底物,五、酶的活力测定和分离纯化,酶活力,酶的定量是以其催化能力的大小来衡量的，称为酶活力(或酶活性)。 在酶催化反应过程中，底物的量逐渐减少，产物的量逐渐增加，通过检测单位时间底物的减少量或产物的增加量，可以测出酶催化能力的大小，也就是酶活力的大小。,酶活力的指标,由于底物的初始量往往较大，在短时间内底物浓度变化的相对值很小，不容易准确测定。而产物是从无到有，在短时间内产物浓度变化的相对值很大，所以常以单位时间产物浓度的增加作为衡量酶活力的指标。,酶活力测定对反应时间的要求,在试管反应中，随着酶反应的进行，产物浓度逐渐增加，底物浓度逐渐减少，逆反应逐渐增强；酶由于变性，活力也会逐渐下降；反应条件也会逐渐偏离最适条件。因此，随着时间的推移，反应速率会逐渐下降。若经过较长时间的酶反应再测定产物的增加量，单位时间的产物增加量就会减少；而只经过短时间的反应就测定产物的增加量，单位时间的产物增加量就较高。后者才能反应出酶活力的实际水平。,酶活力测定对反应时间的要求,测定酶活力时，应测定其初速率。但反应的时间又不能太短，时间太短产物积累量太少，达不到检测灵敏度所要求的量。因此，一般要求在底物的转化率不超过5%的时间内测定反应的产物量，产物的积累量应能够较准确地测量出来。,酶的活力单位,酶的活力单位有多种定义，其共同的定义是：在一定条件下，单位时间内将一定量的底物转化成产物所需的酶量为一个单位。这样，对于一个酶制剂来说，就可以用每ml或每mg酶制剂含有多少单位的酶来表示其酶浓度或酶含量（U/ml or U/mg）。,酶活力的国际单位,国际单位（IU）的定义： 在最适反应条件（温度25）下，每分钟内催化1mol底物转化为产物所需的酶量为一个活力单位，即1 IU = 1mol/min。,酶活力的实用单位,在实际工作中，人们还是习惯用一些与国际单位不同的单位来表示酶活力。实际上，有些酶活力无法用国际单位来表示。如-淀粉酶的活力单位为每小时催化1g可溶性淀粉液化所需要的酶量，也有用每小时催化1ml 2%的可溶性淀粉液化所需要的酶量为1个单位的。,一种大的酶活力单位,1972年，为了方便工业上使用，国际酶学委员会又推荐了一个大的酶活力单位，即Katal，规定为：在最适条件下，每秒钟催化1mol底物转化为产物所需的酶量为1Katal。 1Kat = 60×10 6 IU,酶的比活力,酶的比活力用每mg蛋白质所含的酶活力单位数表示，即U/mg protein。比活力是衡量酶纯度的指标。 “有时用每g酶制剂或每ml酶制剂含有多少个活力单位来表示（U/g或U/ml）（比活力）”（见教材P336）。此话有误，U/g或U/ml只能称为酶含量或酶浓度，而不是比活力。,酶活力的测定方法,分光光度法 荧光法 同位素法 电化学法,酶的分离和纯化,按分离纯化蛋白质的方法进行，中间每一步都要测定酶活力和蛋白质含量。,