酶的基本概念和发展史

全面素质教育有一定专业方向的全面素质的培养，面对多个方面的挑战职业教育从事某一种职业的训练和准备人是物的附件以人为本 着 重 点 : 人 格 的 养 成 ; 思 辨 能 力 和 思 维 习 惯 的 养 成 ; 分 析 、 把 握 和 解 决 问 题 的 能 力 的 养 成 . 数理化毕业设计专 业 基 础 课 政 治 人 文计算机 外 语 生 物 医 药 生 物 技 术人 类 基 因 组 学及 相 关 科 学 农 业 生 物 技 术动 植 物 基 因 组 学及 相 关 科 学 工 业 生 物 技 术微 生 物 基 因 组 学及 相 关 科 学 推 动目 前 人 类 所 了 解 的 微 生 物 仅 占 总 数 1 ， 故 以 微 生 物 和 酶 为 主的 工 业 生 物 催 化 技 术 的 发 展 潜 力 非 常 大 ， 发 展 空 间 较 大 。推 动推 动 拉 动 人 口健 康食 品资 源能 源环 境拉 动拉 动RedBiotechnologyGreenBiotechnologyWhiteBiotechnology科学技术社会需求 物质加工方式的变革化学制造化 石 资 源 化 学 催 化 剂 基 础 物 质 加 工 业（ 含 化 工 、 医 药 、 石 化 、 食 品 、 材 料 和 能 源 等 ）生物制造生 物催 化 剂生 物 质 资 源传 统 加 工 方 式 新 一 代 加 工 方 式 石 油 精 炼 有 机 化 学 化 工 过 程化 学 反 应 多 步 溶 剂 ,催 化 剂 能 量 石油工业石 油 石 脑 油 石 油化 学 产 品关 键 化 合 物乙 烯 、 丙 烯 、丁 二 烯苯 、 甲 苯 、二 甲 苯 生 物 基化 学 产 品生 物 有 机 化 学新 化 学 工 业 过 程生 物 催 化化 学 催 化工 艺 绿 色 化生物质化学工业CO2太 阳 能H 2O CO2 OHOHO OH OH OH关 键化 合 物D-葡 萄 糖 可 持 续社 会 短 缺 燃 料 分 解 C4C3C2C1生物质 糖 甲 烷 、 甲 醇 等乙 醇 、 乙 酸 、 乙 烯 、 乙 二 醇 等乳 酸 、 丙 烯 酸 、 丙 二 醇 等丁 二 酸 、 富 马 酸 、 丁 二 醇 、 丁 四 醇 等衣 康 酸 、 木 糖 醇 等 高分子材料产品和化学品柠 檬 酸 、 山 梨 醇 等C5C6 苯 、 苯 酚 等 “ 绿 色 健 康 ， “ 酶 ” 力 无 限洗 涤 剂 、 纺 织 、 淀 粉 制 糖 、 发 酵 、 酒 精 、食 品 （ 包 括 果 蔬 汁 、 啤 酒 酿 造 、 谷 物 食 品 、蛋 白 水 解 、 和 功 能 食 品 以 及 食 用 油 脂 ） 、饲 料 、 皮 革 、 造 纸 和 化 工 等 工 业 领 域 溶 菌 酶 凝 血 酶 栓 溶 酶 类 与 心 血 管 疾 病 SOD与 化 妆 品 行 业 淀 粉 酶 类 与 淀 粉 糖 业 果 汁 生 产 与 果 胶 酶 乳 制 品 与 凝 乳 酶 酶 制 剂 在 国 外 饲料 工 业 中 得 到 不断 应 用 ， 不 仅 提高 了 饲 料 原 料 的转 化 率 ， 也 促 进了 对 饲 料 的 消 化 。植 酸 酶Bio-Feed Phytase ( Ronozyme P ) 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 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 维制 品 表 面 的 整 理 工 艺 ,以 达 到 持 久 的 抗 起 毛 起球 并 增 加 织 物 的 光 洁 度 和 柔 软 度 青 霉 素 酰 化 酶 与 抗 生 素 改 造 技 术 的 诞 生 。 伯 格 因 此 获 得 了 。 限 制 性酶 活 性缓 冲 液甲 基 化底 物 性 状 DNA缠 绕 成 的 染 色 体 末 端 ， 有 称 做 端 粒 （ telomere） 的 区域 。 控 制 着 细 胞 的 分 裂 次 数 ， 端 粒 随 着 细 胞 分 裂 每 次 变 短 ，短 到 某 个 程 度 ， 细 胞 将 不 再 分 裂 。 人 的 一 生 中 ， 细 胞 大 约 能分 裂 50 60次 。 因 此 端 粒 是 控 制 生 理 寿 命 的 生 物 钟 ， 而 端 粒长 短 就 成 为 表 示 细 胞 “ 年 龄 ” 的 指 标 。 如 果 加 入 一 种 “ 端 粒酶 ” 阻 止 它 缩 短 ， 就 可 使 细 胞 保 持 年 轻 ， 人 就 像 吃 了 “ 唐 僧肉 ” 一 样 实 现 长 生 不 老 的 梦 想 。 增 生 X凋 亡血 管 生 成转 移 细 胞 膜 癌 细 胞 ZD1839EGF TGFa XXX 细 胞 核 激 酶X PKU苯 丙 酮 尿 症脑 发 育 受 阻 ， 严 重 脑力 呆 滞 ， 智 商 0 50 白 化 病 限 制 性 内 切 酶 图 谱 多 态 性 技 术 （ RFLP）基 因 突 变 使 得 内 切 酶 图 谱 改 变 酶 切电 泳放 射 性 探 针 杂 交图 谱 多 态 性 美 国 医 学 家 WF安 德 森 等 人 对 腺苷 脱 氨 酶 缺 乏 症 （ ADA缺 乏 症 ） 的基 因 治 疗 ， 是 世 界 上 第 一 个 基 因 治疗 成 功 的 范 例 。 谢 德 尔 ， 1999 酶 是 生 物 细 胞 产 生 的 、 具 有 催 化 能 力 的 生 物 催 化 剂 。定 义 ： 酶 是 生 物 体 内 进 行 新 陈 代 谢 不 可 缺 少 的 受 多 种因 素 调 节 控 制 的 具 有 催 化 能 力 的 生 物 催 化 剂 。酶 具 有 一 般 催 化 剂 的 特 征 ： 1.只 能 进 行 热 力 学 上 允 许 进 行的 反 应 ； 2.可 以 缩 短 化 学 反 应 到 达 平 衡 的 时 间 ， 而 不 改 变反 应 的 平 衡 点 ； 3.通 过 降 低 活 化 能 加 快 化 学 反 应 速 度 。酶 的 催 化 高 效 性通 常 要 高 出 非 生 物 催 化 剂 催 化 活 性 的 1061013倍 。2H 2O2 2H2O+O2 1mol过 氧 化 氢 酶 5 106 molH 2O21mol离 子 铁 6 10-4molH 2O2 酶酒 1961年 国 际 酶 学 委 员 会 （ EnzymeCommittee,EC） 根 据酶 所 催 化 的 反 应 类 型 和 机 理 ， 把 酶 分 成 6大 类 ：1. 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 。AH2+B（ O2） A+BH2（ H2O2， H2O）（ 1） 脱 氢 酶 类 ： 催 化 直 接 从 底 物 上 脱 氢 的 反 应 。AH 2+B A+BH2（ 需 辅 酶 或 辅 酶 ） （ 2） 氧 化 酶 类 催 化 底 物 脱 氢 ， 氧 化 生 成 H 2O2：AH2+O2 A+H 2O2（ 需 FAD或 FMN） 催 化 底 物 脱 氢 ， 氧 化 生 成 H 2O：2AH2+O2 2A+2H 2O（ 3） 过 氧 化 物 酶ROO+H2O2 RO+H2O+O2（ 4） 加 氧 酶 （ 双 加 氧 酶 和 单 加 氧 酶 ）O 2+ OHOH C=OC=OOHOH （ 顺 ， 顺 -已 二 烯 二 酸 ） RH +O2+还 原 型 辅 助 因 子 ROH +H2O+氧 化 型 辅 助 因 子（ 又 称 羟 化 酶 ）2. 转 移 酶 类 ： 催 化 化 合 物 中 某 些 基 团 的 转 移 。AX+B A+BX根 据 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 。3. 水 解 酶 类 ： 催 化 加 水 分 解 作 用 。AB+H 2O AOH +BH 4. 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=OCOOHCC键 CH3C=OH +CO2CO键 CH 2COOHH OCHCOOH HCCOOHHOOCCH +H 2O CN键 COOHCHNH 2CH 2COOH COOHCHHCCOOH+NH 35. 异 构 酶 ： 催 化 各 种 异 构 体 之 间 的 互 变 。A B常 见 的 有 消 旋 和 变 旋 、 醛 酮 异 构 、 顺 反 异 构 和 变 位 酶 类 。 6. 合 成 酶 类 ： 催 化 有 ATP参 加 的 合 成 反 应 。A+B+ATP AB+ADP+Pi乳 酸 脱 氢 酶 EC1.1.1.27 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 NAD +该 酶 在 亚 亚 类 中 的 流 水 编 号 酶 的 命 名 有 两 种 方 法 ： 系 统 名 、 惯 用 名 。系 统 名 ： 包 括 所 有 底 物 的 名 称 和 反 应 类 型 。乳 酸 +NAD+ 丙 酮 酸 +NADH+H+乳 酸 ： NAD+氧 化 还 原 酶惯 用 名 ： 只 取 一 个 较 重 要 的 底 物 名 称 和 反 应 类 型 。乳 酸 ： NAD +氧 化 还 原 酶 乳 酸 脱 氢 酶对 于 催 化 水 解 反 应 的 酶 一 般 在 酶 的 名 称 上 省 去 反 应 类 型 。 （ 一 ） 大 多 数 酶 是 蛋 白 质1926年 J.B.Sumner首 次 从 刀 豆 制 备 出 脲 酶 结 晶 ， 证 明 其 为蛋 白 质 ， 并 提 出 酶 的 本 质 就 是 蛋 白 质 的 观 点 。酶 是 蛋 白 质 的 证 据 。1982年 T.Cech发 现 了 第 1个 有 催 化 活 性 的 天 然 RNAribozyme（ 核 酶 ） ， 以 后 Altman和 Pace等 又 陆 续 发 现 了 真正 的 RNA催 化 剂 。核 酶 的 发 现 不 仅 表 明 酶 不 一 定 都 是 蛋 白 质 ， 还 促 进 了 有关 生 命 起 源 、 生 物 进 化 等 问 题 的 进 一 步 探 讨 。 （ 二 ） 酶 的 辅 因 子酶 单 纯 酶结 合 酶 （ 全 酶 ） =酶 蛋 白 +辅 因 子辅 因 子 辅 酶 ： 与 酶 蛋 白 结 合 得 比 较 松 的 小 分 子 有 机 物 。辅 基 ： 与 膜 蛋 白 结 合 得 紧 密 的 小 分 子 有 机 物 。金 属 激 活 剂 ： 金 属 离 子 作 为 辅 助 因 子 。酶 的 催 化 专 一 性 主 要 决 定 于 膜 蛋 白 部 分 ， 辅 因 子 通 常 是作 为 电 子 、 原 子 或 某 些 化 学 基 团 的 载 体 。 （ 三 ） 单 体 酶 、 寡 聚 酶 和 多 酶 复 合 物1.单 体 酶 （ monomeric enzyme)： 仅 有 一 条 具 有 活 性 部 位 的多 肽 链 ， 全 部 参 与 水 解 反 应 。2.寡 聚 酶 (oligomeric enzyme)： 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 非共 价 键 结 合 。3.多 酶 复 合 物 (multienzyme system)： 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 。 丙 酮 酸 脱 氢 酶 系 （ E.coli） ： 丙 酮 酸 脱 氢 酶 （ E ） 、 硫辛 酰 转 乙 酰 酶 （ E ） 和 二 氢 硫 辛 酰 脱 氢 酶 （ E ） 。E E E 碱 性 E E E+ E E+脲 活 性 部 位 和 必 需 基 团必 需 基 团 ： 这 些 基 团 若 经 化 学 修 饰 使 其 改 变 ， 则 酶 的 活性 丧 失 。活 性 部 位 ： 酶 分 子 中 直 接 与 底 物 结 合 ， 并 和 酶 催 化 作 用直 接 有 关 的 部 位 。必 需 基 团 活 性 部 位维 持 酶 的 空 间 结 构结 合 基 团催 化 基 团 专 一 性催 化 性 质 酶 作 用 的专 一 性 结 构 专 一 性立 体 异 构 专 一 性 族 （ 基 团 ） 专 一 性绝 对 专 一 性 族 专 一 性 ： 可 作 用 于 一 类 或 一 些 结 构 很 相 似 的 底 物 。RCOO-+ROH+H+酯 酶 ： RCOR+H2OO OCH2OHOHOH OH15-葡 萄 糖苷 酶 O R +H2O OCH2OH OHOHOH OH15 + ROH绝 对 专 一 性 ： 只 能 作 用 于 某 一 底 物 。脲 酶 ： H 2NCNH2+H2OO 2NH3+CO2 （ 一 ） 酶 的 催 化 作 用 与 分 子 活 化 能化 学 反 应 自 由 能 方 程 式G =H -TS（ G是 总 自 由 能 的 变 化 ， H是 总 热 能 的 变 化 ， S是 熵的 变 化 ）当 G 0， 反 应 不 能 自 发 进 行 。当 G 0， 反 应 能 自 发 进 行 。活 化 能 ： 分 子 由 常 态 转 变 为 活 化 状 态 所 需 的 能 量 。 是 指在 一 定 温 度 下 ， 1mol反 应 物 全 部 进 入 活 化 状 态 所 需 的 自由 能 。 （ 过 渡 态 ） 促 使 化 学 反 应 进 行 的 途 径 ：1. 用 加 热 或 光 照 给 反 应 体 系 提 供 能 量 。2. 使 用 催 化 剂 降 低 反 应 活 化 能 。酶 和 一 般 催 化 剂 的 作 用 就 是 降 低 化 学 反 应 所 需 的 活 化 能 ，从 而 使 活 化 分 子 数 增 多 ， 反 应 速 度 加 快 。（ 二 ） 中 间 产 物 学 说E+ S ES E+P中 间 产 物 存 在 的 证 据 ： 1.同 位 素 32P标 记 底 物 法 （ 磷 酸 化酶 与 葡 萄 糖 结 合 ） ； 2.吸 收 光 谱 法 （ 过 氧 化 物 酶 与 过 氧化 氢 结 合 ） 。 （ 三 ） 诱 导 嵌 合 学 说“锁 钥 学 说 ” （ Fischer， 1890） ： 酶 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 。诱 导 嵌 合 学 说 （ Koshland， 1958） ： 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 ） 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 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 样 才 能 使 酶 与 底 物 完 全 吻 合 ， 结 合 成 中间 产 物 。（ 四 ） 使 酶 具 有 高 催 化 效 率 的 因 素酶 分 子 为 酶 的 催 化 提 供 各 种 功 能 基 团 和 形 成 特 定 的 活 性 中心 ， 酶 与 底 物 结 合 成 中 间 产 物 ， 使 分 子 间 的 催 化 反 应 转 变为 分 子 内 的 催 化 反 应 。 1. 邻 近 定 向 效 应 ： 酶 与 底 物 结 合 成 中 间 产 物 过 程 中 ， 底 物 分子 从 稀 溶 液 中 密 集 到 活 性 中 心 区 ， 并 使 活 性 中 心 的 催 化 基 团与 底 物 的 反 应 基 团 之 间 正 确 定 向 排 列 所 产 生 的 效 应 。2. “张 力 ” 与 “ 形 变 ” ： 酶 与 底 物 的 结 合 ， 不 仅 酶 分 子 发 生 构象 变 化 ， 同 样 底 物 分 子 也 会 发 生 扭 曲 变 形 ， 使 底 物 分 子 的 某 些键 的 键 能 减 弱 ， 产 生 键 扭 曲 ， 降 低 了 反 应 活 化 能 。3. 酸 碱 催 化 ： 通 过 想 反 应 物 （ 作 为 碱 ） 提 供 质 子 或 从 反 应 物（ 作 为 酸 ） 夺 取 质 子 来 达 到 加 速 反 应 的 一 类 催 化 。 （ 广 义 酸碱 催 化 ， Bronsted的 酸 碱 定 义 ）蛋 白 质 中 起 酸 或 碱 催 化 的 功 能 基 团 有 氨 基 、 羧 基 、 咪 唑 基 、巯 基 和 酚 基 。影 响 酸 碱 催 化 反 应 速 度 的 两 种 因 素 ： （ 1） 酸 或 碱 的 强 度（ pK） ； （ 2） 质 子 传 递 的 速 度 。 His的 咪 唑 基 最 活 跃 。 靠 近 定 向 形 变