第一章 酶和酶工程

例如核糖核酸酶 P，磷酸果糖激酶等
82年研究发现:
1) 四膜虫 rDNA 有插入顺序 , 有的没有 , 有的有 , 且有 长有短，说明有无插入顺序与生存无关 2) 四膜虫前体rRNA在低浓度阳离子下，切去一个 内含子，余下部分连成 rRNA 。这种自我剪切靠 自己前体rRNA。
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第二个例子：RNase P
蛋白质部分
条件下，有RNase P作用。
RNA部分用SDS-酚抽提
或者蛋白酶作用，都不受影响。
体外转录
从E.coli的基因在体外转录，得到的产物RNase P 前体，同样能加工tRNA前体RNase P-RNA 前体 和RNase P-蛋白质可以重组成全酶 36
这些例子说明绝大部分酶是蛋白质，或主要是蛋白 质为核心的酶作为催化剂，但随科学发展不排斥有其他 类型的催化剂存在。 Cech ( 山 奇 ) 提 出 Enzyme( 蛋 白 质 性 质 ) ， Ribozyme(RNA性质) 酶是生物催化剂
磷酸化
去磷酸化
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有两个值得注意的问题： ①由于可逆共价修饰酶之间的互变是由酶催化的，可很快 改变细胞内的活性酶的酶量，从而放大了起始信号；不 同环境，其放大的程度不同。 ②可逆共价修饰酶对不同代谢环境应答的调节功能，远远 超过不可逆共价修饰调节酶。可逆共价修饰可看成它对 外界条件变化是随时准备好了的； 只要有一个恰当的刺激影响，其可逆系统能快速地活化， 几乎体内所需酶都变成活化形式，而当刺激一旦去除， 这个系统即可变回其静止状态（即非活性形式）。 而不可逆共价修饰酶反应虽然也有一个快速增加酶活性的 放大作用，但是它的反应是向一个方向，一旦结束，需 要重新补充。

专一性种类： 1)立体专一性 对底物或形成的产物具有立体异构体时，酶能识 别。
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光学专一性： 光学异构体的识别。

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例
L-glu脱氨酶
识别L-glu 不识别D-glu
2)顺反专一性 (几何） 能识别顺反异构体 多数脱H酶对NAD+，NAD(P)+上的尼克酰胺环C上二个H加 以识别，作用于a(左边)脱氢或加氢 A型专一性 (A)H H(b) B型专一性

专家预测在 21世纪的酶学和酶工程方面研究方 向、进展、热点问题涉及到许多方面，会作介 绍。 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。 9
2.酶学知识的认识？ 核酸与酶 核酸是遗传物质，其生物遗传性状，以蛋白 质的形式表现出来的，所以我们看得到。 生物遗传性状能一代代传下去，靠的是酶的功劳。 例如： a.核酸合成、复制要靠酶，出了差错，要靠修复酶 进行纠正。 b.蛋白质合成中，一旦错误氨基酸参入，就要有 专门的酶去识别、 切除、再合成。
最近，中科院上海科学研究院神经科学研究
所袁小兵博士等在新的“自然﹒细胞生物学”杂
志上发表原创工作，首次发现，神经细胞内有二
种酶（RHO GTP酶）即CDC42酶和RhoA酶。
二个酶对神经纤维的生长导向作出精细的调
节，对疼痛和止痛起调节。
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1.酶工程方面： 如酶的固定化问题，定向固定化问题 。 非水溶液（有机溶剂）中的酶反应问题； 人工合成酶问题 酶如何不被体内酶识别、降解问题； 酶活性检测如何更加简便、特异、快速、灵敏的方法 学问题； 核酶、抗体酶、模拟酶、杂交酶等问题
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例如下述反应：
蛋白质 --→氨基酸, 核 酸---→核苷酸, 脂 肪---→脂肪酸，
热力学上讲，上述反应都能进行，且能彻底 水解。但在通常情况下，其速度极慢。 如用少量化学催化剂(酸、碱),反应就可以加 快。加酶同样可以使反应加快。 酸、碱是催化剂，酶也是催化剂。
两者的区别在哪里？
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酶是一种特殊的催化剂(显著特点) 1）效率极高的催化剂(催化能力强) 以转换数作为标准，来比较其效率 转换数：以每个酶分子每分钟催化底物的分子 数（turnover number） β -半乳糖苷酶 1.2万 β -淀粉酶 110万, 碳酸酐酶 3600万 如2H2O2 -----2H2O + O2 用铁离子， ～6 x 10 -4 mol/mol.s 血红素， 6 x 10 -1 mol/mol.s
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酶发挥作用，不少酶需要辅助因子: 辅助因子:是一类小分子物质(辅酶物质和活化剂）
辅酶物质 结构是复杂的有机分子 (如Vb维生素) 酶:辅酶 有一定比列 除去辅酶，一般无活性 辅酶不能替代 活化剂 离子化合物(Mg++,Zn++) (如内切酶需Mg++；酰化酶中的钴） 无严格关系,去除离子,有活性,但低些 可由其他离子替代(Mg++←-→Zn++）
1）所有的酶都由生物体产生（甚至包括病毒）
2）与生命活动密切相关 酶执行四大类型的功能
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a)执行具体的生理功能：乙酰胆碱酯酶 --神经冲动 传导 b) 消除毒物 , 保护自身：内切核酸酶 ------ 水解外源 DNA c) 起到信号转化，传递：协同激素等的作用 d)糖代谢中cAMP使微量肾上腺素转化放大,使糖代 谢增强。建立催化代谢反应的各条代谢途径相互 联系。
上述反应用吡哆醛，酮离子催化，均可以进行。 用酶催化，则用转氨酶，脱羧酶，异构酶 b) 底物专一性 只能作用于一种或一类底物 底物专一性表现： 绝对专一性（特点: 一种底物,一个反应） 尿酶 --→ 尿素，碳酸酐酶 ---→ 碳酸 相对专一性 大多数酶为相对专一性，允许底物 分子上有小变动
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专一性的相关解释 1)锁与钥匙关系 2)诱导契合假设 [S] 可诱导[E]物象发生变化，有利于[S]进入活 性中心，有利于催化反应。
无乳糖，调节蛋白与操纵基因结合，启动子无法启动。 25 有乳糖，调节蛋白与乳糖结合，启动子启动转录，合成酶。
2．色氨酸操纵子（阻止合成）
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二．酶共价结构的可逆调节酶的活性
糖元n + H3PO4 糖元n -1 + α-D-葡萄糖-1-P 磷酸化酶b，需要AMP或者其他配体才有活性，磷 酸化酶a 却却没有AMP时才有活性。 它们的区别是b a由磷酸化酶激酶作用，而a b 由磷酸化酶磷酸酶作用。
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第1章
酶学和酶工程
酶的概念和作用特点
酶是催化剂
酶是使化学反应加速，
本身不发生变化，
不被消耗的物质。
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特点：
1）不改变酶反应性质（方向、平衡点） 热力学研究的问题，由性质决定。 动力学研究的问题，由性质决定外， 还与外在条件有关。 2）使反应加速 3）是一个外在（外加）因素，本身不发生 变化。 举几个例子
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3）调节性

酶浓度的调节
– 诱导或抑制酶的合成 – 调节酶的降解




激素调节 共价修饰调节 限制性蛋白水解作用与酶活力调控 抑制剂的调节 反馈调节 金属离子和其他小分子化合物的调节
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酶合成的机制及其调节 DNA-------mRNA---------蛋白质 1．乳糖操纵子（诱导合成）
H2O2 酶， 3 ～ 6 x 10
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mol/mol.s
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这种高效的催化效率，是由于降低了反 应活化能H2O2 活化能 无: 75.24 千焦耳/mol 钯: 48.94 千焦耳/mol H2O2酶: 8.36千焦耳/mol
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另一个原因是酶和底物相互作用有邻近作用 定向作用 这种结果是酶和底物相互诱导产生
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辅酶物质可以按辅酶与酶的结合关系分类 种 类 载体底物 辅 酶 辅 性 质 小分子有机物
与酶结合 作用方式 例 子 松
参与反应
基
紧
松
催化剂一部分
催化剂组成分
FAD黄素腺嘌呤二
核苷酸 FMN黄素单核苷酸
NAD(P)+
辅酶II
硫胺素焦磷酸
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1970年后期, 是发现了少数酶，蛋白质外，还 有RNA参与反应，而且RNA 不能少。

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B. 以酶为研究对象，科学家研究酶本身，搞清楚 酶本身的方方面面，反过来又能更好地利用、开 发酶。

如测定肝癌： 开始用甲胎蛋白，正确率、灵敏度都存在问题， 现在被更加灵敏和正确的测定方法取代，用测定 “岩藻糖苷酶”的变化来预测癌症的发生和发展。 现在，人类基因组图的研究工作进展顺利，越来 越多的基因被发现，但是研究基因表达产物是什 么？它们的结构与功能的关系怎样？远比找基因 困难得多。
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举例：
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糖元代谢途径中酶活性的调 节 受激素触发的磷酸化酶活化的级联反应机制。 激素结合于细胞表面受体
活化cAMP环化酶 3’,5’-环腺苷酸磷酸二酯酶
ATP
cAMP
AMP
R2C2( 无 活 性 蛋 白 激 酶 ) R2( 二 聚 体 调 节 亚 基 )+2C( 有 活 性 催 化 亚 基 )
RNA部分 作用 催化tRNA前体的5’-端成为成熟的内切核酸酶 组成 1/4为protein， 3/4为RNA,RNase P-RNA 叫RNase P-蛋白质 对酶作用 抗胰蛋自酶作用 RNase A对其有水解作用 对RNase P 分离后，RNase ，蛋白质部分都没有活性， 分离 重新合并又有活性 分别处理 没有活性 P-RNA，在﹥20mM Mg++
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A. 以酶为工具的研究 如酶用来治疗疾病： 天门冬酰胺酶（治疗白血病） 多酶片(蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶等帮助消化) 链激酶、尿激酶、葡激酶、纳豆激酶等（清除 血凝块） 防腐（溶菌酶） 洗涤剂用酶（脂肪酶、纤维素酶、蛋白酶） 基因工程用酶（内切酶、连接酶、多聚酶、修 饰酶）等
CONH2
N
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例如：苹果酸脱H酶，异柠檬酸脱H酶 葡萄糖脱H酶等