酶工程 (2)

第二章

1.六大类酶基本概念和特点

（1）氧化还原酶：催化氧化还原反应，需要电子供体或受体

（2）转移酶：催化基团转移反应，即将一个底物分子的基团或原子转移到另一个底物的分子上

（3）水解酶：催化底物的加水分解反应

（4）裂合酶：脱去底物上某一基团留下双键，或可相反地在双键外加入某一基团。

（5）异构酶：催化生成异构体反应的酶，分别进行外消旋，差向异构，顺反异构，醛酮异构，分子内转移，分子内裂解等

（6）连接酶：需要三磷酸腺苷等高能磷酸酯作为结合能源，有的还需要金属离子辅助因子。

应用最多的是氧化还原酶，利用率最高的是水解酶

2.必需基团及其作用特点

必需基团包括：（1）活性部位，包括结合基团和催化基团

（2）维持酶空间结构的基团

必需基团是酶分子氨基酸残基侧链的化学基团中，一些与酶活性密切相关的基团。必需基团在空间结构上相互靠近，组成具有特定空间结构的区域，能与底物特异性结合并将其转化为产物

3.两种酶与底物的结合模型

（1）锁钥模型：底物结合部位由酶分子表面的凹槽或空穴组成，这是酶的活性中心，它的形状与底物分子形状互补。底物分子或其一部分像钥匙一样，可专一地插入酶活性中心，通过多个结合位点的结合，形成酶—底物复合物，同时酶活性中心的催化基团正好对准底物的有关敏感键，进行催化反应。

三点结合学说指出，底物分子与酶活性中心的基团必须三点都互补匹配，酶才作用于这个底物。

（2）诱导锲合模型：酶分子与底物分子接近时，酶蛋白质受底物分子诱导，构象发生有利于与底物结合的变化，酶与底物在此基础上互补楔合，进行反应。

4.影响酶催化作用的五种模型

（1）广义的酸碱催化

能供给质子的物质即为酸，能接受质子的物质即为碱。广义的酸碱催化就是指组成酶活性中心的极性基团，在底物的变化中起质子的供体或受体的作用，这就是广义的酸碱催化。发生在细胞内的许多类型的有机反应都是广义的酸碱催化。

组氨酸的咪唑基值得特别注意，因为它既是一个很强的亲核基团，又是一个有效的广义酸碱功能基团。

影响酸碱催化速率的因素：一是酸碱的强度，在这些功能基团中，组氨酸的咪唑基的解离情况pK值为6.0，在生理pH条件下，既可以作质子的供体又可作质子的受体。因此，咪唑基是催化中最有效最活泼的一个催化功能基团；二是这些功能基团供出质子或接受质子的速度，其中的咪唑基的情况特别突出，它供出或接受质子的速度十分迅速，其半衰期小于10-10秒。而且，供出或接受质子的速度几乎相等。由于咪唑基有如此的优点，所以虽然组氨酸在大多数蛋白质中含量很少，却很重要，在许多酶的活性中心处都含有组氨酸

（2）共价催化

酶活性中心处的极性基团，在催化底物发生反应的过程中，首先以共价键与底物结合，生成一个活性很高的共价型的中间产物，此中间产物很容易向着最终产物的方向变化，故反应所需的活化能大大降低，反应速度明显加快。

常见形式是酶的催化基团中亲核原子对底物的亲电原子攻击。

（3）邻近效应和定向效应

邻近效应：在酶促反应中，由酶和底物分子之间的亲和性，底物分子有向酶的活性中心靠近的趋势，最终结合到酶的活性中心，使底物在酶活性中心的有效浓度增加。

定向效应：当专一性底物向酶活性中心靠近时会诱导酶分子的构象发生改变，使酶活性中心的相关基团和底物的反应基团正确定向排列，同时使反应基团之间的分子轨道以正确方向严格定位，使酶促反应易于进行。

（4）变形或张力

变化的酶分子使底物分子的敏感键产生张力，甚至变形，从而促进底物-酶络合物进入过渡态，降低了反应活化能，加速酶促反应，实际上即为诱导锲合的动态过程。

（5）酶的活性中心为疏水区域

酶的活性中心凹穴内相对地说是非极性的，而在疏水的非极性区介电常数低，因此，酶的催化基团被低介电环境所包围，在某些情况下排除高极性的水分子。这样，底物分子敏感键和酶的催化基团之间就会有很大的反应力，有助于加速酶的反应。

水的极性过高，形成离子层，干扰离子键和氢键形成。

5.专一性的分类

绝对专一：只催化一种底物进行快速专一反应，甚至是立体专一性

相对专一：基团专一和键专一，即可以催化一类化合物或一种化学键

6.酶作为催化剂的调节性

（1）酶浓度的调节

两种方式：一为诱导抑制酶的合成，二为调节酶的降解

（2）激素调节

由催化亚基和调节亚基组成，调节亚基无催化功能，由激素控制，在于改变催化亚基的专一性

（3）共价修饰调节

在一种酶分子上共价引入一个基团从而改变它的活性，引入的基团又可以被第三种酶催化

特征：至少需要三种酶，共价键的变化，级联放大作用，反应需要能量

（4）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，细胞内合成的新生肽大多以无活性前体形式存在，一旦需要才通过限制水解作用使前体转变

（5）抑制剂的调节

（6）反馈调节

催化第一步的酶被终端产物抑制

（7）金属离子和其他小分子化合物的调节

7.能降低酶催化反应速度的因素及其机理

（1）失活作用

物理或化学因素部分或全部破坏酶的三维结构，引起酶的变性，导致部分或全部丧失活性

（2）抑制作用

在酶不变性的情况下，由于必需基团或活性中心化学性质的改变而引起的酶活性丧失或降低

（3）去激活作用

某些酶只有在金属离子存在下才有活性，去除金属离子会引起这些酶活性的降低或丧失。当金属离子去除后，底物与酶的结合减少，实际上是降低了底物的有效浓度。

（4）阻遏作用

某些因素使细胞内酶蛋白的合成减少，反应速度的降低是由于酶分子数量的减少，每分子酶的催化效力并没有变化，而抑制作用指的是一定量酶分子催化效力的减少，不涉及酶分子合成的问题。

8.抑制作用的分类