酶催化

一、酶的特性
酶反应优点
效率高 速率快 专一性 降低活化能
酶反应缺点
提取工艺复杂 价格非常昂贵 反应容易失活 不能重复使用
二、酶的分类
1961年国际酶学委员会（Enzyme Committee, EC）根 据酶所催化的反应类型和机理，把酶分成6大类:
六大类酶的特征
1、氧化还原酶 Oxidoreductase
2、转移酶 Transferase
• 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。
A· + B X A +B· X
• 根据X分类：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。 • 例如， 谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。
CH3CHCOOH HOOCCH2CH2CCOOH NH2 CH3CCOOH O O HOOCCH2CH2CHCOOH NH2
2. 高效性
反应速度是无酶催化/普通人造催化剂催 化反应速度的106-1016倍。
且无副反应
酶的催化
mol/mol.S
双氧水裂解
(血红蛋白） （过氧化氢酶）
Hale Waihona Puke 用α-淀粉酶催化淀粉水解，1克结晶酶在 65°C条件下可催化2吨淀粉水解。
例如，过氧化氢的分解，在 无催化剂存在时，该分解反应的 活化能为75.31kJ/mol，在用过氧 化氢酶催化时，该分解反应的活 化能仅为8.37kJ/mol。
低水含量的油包水(W /O )微乳液。
——反胶束溶液：透明的、热力学稳定。
——反胶束极性内核中的水与常态水物理性质不同：黏度
较高，酸度与极性低。 “水池”中的水可溶解某些原本
不溶的物质，如脂肪酶等生物活性物质。
反胶束体系中的酶催化反应的特点
——稳定微环境,可进行水不溶性化合物催化转化
——在反胶束体系下酶稳定性有很大提高
P CH2OH
O
CH2OH OH OH
OH
6、合成酶 Ligase or Synthetase
• 合成酶，又称为连接酶，能够催化C-C、 C-O、C-N 以及C-S 键的形成反应。这类 反应必须与ATP分解反应相互偶联。
A + B + ATP A· + ADP +Pi B
• 例如，丙酮酸羧化酶催化的反应。
酶的化学修饰
B 交联反应
用双功能试剂使酶分子间或分子内发
生交联反应，经过交联后的酶对热变性 和蛋白质水解酶的稳定性增加。
酶的化学修饰 C 大分子修饰作用： 可溶性高分子化合物如肝素、葡聚糖、聚 乙二醇可修饰酶蛋白的侧链，提高酶的稳 定性，改变酶的一些重要性质。
酶的固定
酶的固定化——是把水溶性酶经物理（吸 附法与包埋法）或化学方法（共价偶联法 与交联法）处理后，使酶与惰性载体结合 或将酶包埋起来成为一种不溶于水的状态。
酶的专一性
绝对专一性
结构专一性 相对专一性 立体异构 专一性 族专一性
键专一性
旋光异构专一性 几何异构专一性
利用酶催化的这种高度的多 种专一性，有可能制备出化学催 化反应所不能得到的化合物，这 也有利于提高产物的分离纯度。
一、酶的特性
酶催化作用特性
4. 可调节性
（1）酶浓度的可调性 （2）通过激素调节酶活性 （3）反馈抑制调节酶活性 （4）抑制剂和激活剂 （5）别构调控、共价修饰、同工酶等
绝大多数的酶都是蛋白质。
一、酶的特性
酶催化的生物 化学反应，称 为酶促反应 Enzymatic reaction。 在酶的催化下 发生化学变化 的物质，称为 底物 substrate。
一、酶的特性
酶和一般催化剂的共性 用量少而催化效率高； 它能够改变化学反应的速度，但是不 能改变化学反应平衡； 酶能够稳定底物形成的过渡状态，降 低反应的活化能，从而加速反应的进 行。
• 氧化-还原酶催化氧化-还原反应，催化氢的转移 或电子传递。
AH2 + B（O2） A + BH2（H2O2，H2O）
• 主要包括脱氢酶(dehydrogenase)和氧化酶 (Oxidase)。 • 如，乳酸(Lactate)脱氢酶催化乳酸的脱氢反应。
CH3CHCOOH NAD OH
+
CH3CCOOH NADH O
目前已经发现和鉴定了约3700 多种酶, 但能大规 模生产和应用的只有十多种。主要因为大多数自 然酶脱离生理环境后不稳定, 而生产和应用的条 件与生理环境差别很大。因此, 采用化学方法对 酶进行修饰和改造是非常必要的
酶的化学修饰 A 修饰酶的功能基团
如酶分子表面的氨基、羧基、羟基等可以和某
些化学试剂反应, 使酶分子结构改变, 从而改善 酶的性质
酯酶
RCH2COOR' RCH2COOH + R'OH
酶的反应专一性
——若一种酶只能催化某化合物在热力学 上可能进行的许多反应中的一种反应，这 种专一性称为酶的反应专一性，具有不同 反应专一性的酶只各自催化不同的反应。 ——例如，对同一反应物葡萄糖，以葡糖 氧化酶为催化剂可得葡糖酸；以葡糖异构 酶为催化剂可得果糖；以己糖激酶为催化 剂可得葡糖-6-磷酸。
——相对专一性 ——酶的反应专一性
绝对专一性
——一种酶若只能催化一种化合物进行一种反应， 这种专一性称为绝对专一性。 ——例如脲酶只能催化尿素水解生成二氧化
碳和水.对N-取代的尿素×。
相对专一性
——若一种酶能够催化一类具有相同化学键
或基团的物质进行某种类型的反应，称之为相 对专一性。 ——如脂肪酶可以催化所有酯类化合物水解。
目前在有机介质中已成功用酶进行了氧化、、脱 氢、脱氨、还原、羟基化、甲基化、环氧化、酯 化、酰胺化、磷酸化、开环反应、异构化、侧链 切除、缩合及卤化等反应
不同反应体系中的酶催化反应
2） 反胶束体系中的酶催化反应
——反胶束(团) ( 10~100nm )：表面活性剂溶解在非极性
溶剂中形成的、围绕一个极性核的纳米级聚集体，是一种
酶
溶液 状态
载体（海藻酸钙、琼脂、 卡拉胶、壳聚糖） 固定化（吸附、共价 结合、交联、包埋）
固定化优点：
稳定性提高，酶易于分离重复使用。
吸附法：使酶被吸附于惰性固体的 表面，或吸附于离子交换剂上。 包埋法：使酶包埋在凝胶的格子中 或聚合物半透膜小胶囊中。
有机介质中的酶催化反应的特点
有利于疏水性底物的反应
可改变反应平衡移动的方向 所有有水参与的副反应将受到抑制 在有机溶剂中酶的热稳定性显著提高 产物纯化容易，酶容易回收再利用
在有机溶剂中酶的热稳定性提高
猪胰脂肪酶在醇和醋中进行催化反应， 在100℃高温下，其半衰期长达26h,其活 性比在20℃ 时还高。 胰凝乳蛋白酶在60℃水中，几分钟就产 生不可逆失活；而在100℃辛烷中，其半 衰期长达几小时
60
40
20
0 2 3 4 5 6 pH 7 8 9 10
温度的影响
• 一方面是温度升高,酶 促反应速度加快。 • 另一方面,温度升高,酶 的高级结构将发生变化 或变性，导致酶活性降 低甚至丧失。 • 因此大多数酶都有一个 最适温度。 在最适温 度条件下,反应速度最 大。
100
80
Relative Activity (%)
• 例如， 延胡索酸水合酶催化的反应。
HOOCCH=CHCOOH H2O HOOCCH2CHCOOH OH
5、异构酶 Isomerase
• 异构酶催化各种同分异构体的相互转化， 即底物分子内基团或原子的重排过程。 • 例如，6-磷酸葡萄糖异构酶催化的反应
A B
P CH2OH
O OH OH OH OH
超临界流体中的酶催化反应的特点
——加速传质控制反应（高扩散系数、低粘度 和低表面张力） ——简化产物分离和回收过程 （改变压力） ——反应条件温和（临界温度均小于100℃， 不会使产物热分解） ——不存在反应产物中溶剂残留（超临界流体 在常压下是气体）
四、酶催化的最新研究进展
2）模拟酶-分为三个层次 (1)模拟物只含有与生物活性酶相同的金属离子— 第一级近似。
一、酶的特性
酶催化作用特性 易失活(酶反应条件相对温和) 酶的催化能力高(高效性） 酶的专一性强
酶活力受到调节
一、酶的特性
酶催化作用特性
1. 易失活（反应条件温和）
除个别RNA为催化自身反应的酶外，其 余所有的酶都是蛋白质。
常温(20-40）、常压、中性（pH 5-8）
一、酶的特性
酶催化作用特性
丙酮酸
+ CO2 草酰乙酸
ATP:腺嘌呤核苷三磷酸
三、酶催化反应的速度和影响因素
1、 底物浓度对酶促反应速度的影响
• 在低底物浓度时, 反应 速度与底物浓度成正比， 表现为一级反应特征。 • 当底物浓度达到一定值， 几乎所有的酶都与底物 结合后，反应速度达到 最大值（Vmax），此时 再增加底物浓度，反应 速度不再增加，表现为 零级反应。
如超氧化物歧化酶(SOD)是以铜为辅基的蛋白质配合物，而铜 的某些氨基酸或羟基配合物，可用作模拟物。
(2)模拟活性中心结构。三亚乙基四胺合成铁配合物来
模拟过氧化氢酶。 (3)整体模拟。活性中性必须处在一个特定的微环境和 整体结构之中，所以高级模拟是包括微环境在内的整个 活性部分。
四、酶催化的最新研究进展 3） 酶的化学修饰和固定
• enzyme是希腊文 en = in ， zyme = yeast
一、酶的特性
什么是酶？ • 酶是生物催化剂
• 生物体一切生化反应都需酶催化才能进行！
• 性能远远超过人造催化剂 定义：由活细胞产生的、 有高度专一性和高效 催化作用的生物大分子。所以又称为生物 催化剂(Biocatalysts)
酶催化新材料与新反应
第五讲
2012年12月6日
一、酶的特性
酶研究的简史
• • • • 人们对酶的认识起源于生产与生活实践。 夏禹时代，人们掌握了酿酒技术。 公元前12世纪周朝，人们酿酒，制作饴糖和酱。 春秋战国时期已知用麴(曲)治疗消化不良的疾病。
• 酶者，酒母也
enzyme ("in yeast")
3、水解酶 hydrolase
• 水解酶催化底物的加水分解反应。
AB + H2O AOH + BH
• 主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。 • 例如，脂肪酶(Lipase)催化的脂的水解反应：
R COOCH2CH3 H2O RCOOH CH3CH2OH
4、裂合酶 Lyase
• 裂合酶催化从底物分子中移去一个基团或 原子形成双键的反应及其逆反应。 • 主要包括醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。
60
40
20
0 10 20 30 40 50 60
O
70
80
90
Temperature C
Arrhenius方程
四、酶催化的最新研究进展
不同反应体系中的酶催化反应 模拟酶的研究 酶的化学修饰和固定化酶
不同反应体系中的酶催化反应
1）有机介质中的酶催化反应
80年代中期美国科学家首先用实验证明，酶能在有机溶 剂中进行酶催化反应，从而开辟了非水酶学这一崭新的 研究领域，大大扩展了酶的应用范围
H+
（1）脱氢酶类：催化直接从底物上脱氢的反应
AH2 +B A +BH2（需辅酶Ⅰ或辅酶Ⅱ）
（2）氧化酶类
①催化底物脱氢，氧化生成H2O2：
AH2 + O2
2AH2 + O2
A + H2O2（需FAD或FMN）
2A + 2H2O
②催化底物脱氢，氧化生成H2O：
（3）过氧化物酶
ROO + H2O2 RO + H2O + O2
100
80
Rate of Reaction(v)
60
40
20
0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Concentration of Substrate(umol/L)
pH 的影响
100
80
• 在一定的pH 下, 酶具有最大的催 化活性,通常称 此pH 为最适 pH。
Relative Activity (%)
——比表面积大
——产物回收可通过相变调节,降低分离能耗 ——减少有水引起副反应
不同反应体系中的酶催化反应
3）超临界流体中的酶催化反应
——超临界流体(SCF)：一种温度和压力都处于临界 点以上，性质介于液体和气体之间的流体。
SCF的特点 （1）近似于气体的流动行为—粘度小、传质系数大 （2）液相相近的溶解能力和传热系数 （3）可以得到处于气态和液态之间的任一密度 （4）在临界点附近，压力的微小变化可导致密度的 巨大变化。通过调节压力来控制SCF的物化物质
一、酶的特性
酶催化作用特性
3.专一性(特异性）
Specificity: 酶对催化的反应和反应物有严格的选 择性。 一种酶仅能作用于一种物质或一类结构相 似的物质进行某一种反应
——酶的专一性是酶作为催化剂最重要的特性， 也是酶催化反应过程优于一般化学反应过程的 最重要的理由之一
酶的专一性
——绝对专一性