酶的命名和分类

2 不管酶的催化反应是正反应还是逆反应，都 用同一个名称。当只有一个方向的反应能够 被证实，或只有一个方向的反应有生化重要 性时，自然以此方向为命名。 NAD+和NADH相互转化的所有反应中 （DH2+NAD+ D+ NADH+H+） 都命名为：DH2：： NAD+氧化还原酶
同工酶，指能催化同一种化学反应，但其酶蛋 白本身的分子结构组成却有所不同的一组酶。 它是研究细胞分化及形态遗传的分子学基础中 的重要研究内容。 如超氧化物歧化酶（SOD）可以分为三大类， 如CuZn-SOD, Mn-SOD和Fe-SOD 另外，乳酸脱氢酶（LDH）也有5种同工酶， 催化同一种反应 同工酶的命名，在系统或习惯命名中，都是一 样的。
微生物细胞产生的酶分类 结构酶：在细胞的生长过程中出于其自身需要而表达， 诱导酶：加入相应的诱导剂后才会表达，诱导剂一般是 该酶所催化反应的底物或产物。 一般而言，野生型微生物需要经过遗传改造后，才能变 为高产酶的菌株。其方法包括 ① 物理诱变育种 ② 化学诱变育种 ③ 基因工程构建
优良菌种的条件 ① 繁殖快、产酶量高、酶的性质符合使用要求，而且最 好能产生分泌到胞外的酶，产生的酶容易分离纯化 ② 菌种不易变异退化，产酶性能稳定，不易受噬菌体的 感染侵袭 ③ 易于培养，能够利用廉价的原料进行酶的生产，并且 发酵周期短。 ④ 菌种不是致病菌，在系统发育上与病原体无关，不产 生有毒物质和其他生理活性物质 ⑤ 不产或尽量少产蛋白酶
（五）、酶的活力和活力单位
酶的活力：指酶催化特定底物转化成产物的速率。 酶的活力常常是制订酶制剂价格的最重要的参考指标 影响酶的活力因素，包括环境条件、底物性质、酶本 身因素等因素 酶活力单位：指单位时间、单位质量酶蛋白所催化的 底物反应或产物生成的物质的量（或质量） 单位质量生物催化剂
三、酶化学本质、来源和生产
酶 工 程（一）
酶工程
一． 二． 三． 四． 五． 六． 七．
概述 酶的命名和分类 酶的化学本质、来源和生产 酶催化反应机理及反应动力学 酶的固定化和固定化酶反应器 酶工程的应用 酶工程的研究进展
一 酶和酶工程的概述
（一）、 酶的概念 （二）、 对酶的认识和研究历程 （三）、 酶工程的概念
（一）、 酶的概念
（三）、 酶工程的概念
酶工程：工业上有目的地设计一定的反应器 和反应条件，利用酶的催化功能，在常温常 压下催化化学反应，生产人类需要的产品或 服务于其它目的的一门应用技术。广义地讲 还包括酶的生产、分离和纯化。 国际酶工程学会（1971年）定义：是研究和开 发酶的生产、酶的分离纯化、酶的固定化、 酶及固定化酶的反应器、酶与固定化酶的应 用等的工程科学。
二 酶的命名和分类
（一）、习惯命名法 （二）、国际系统分类法 （三）、国际系统命名法 （四）、同工酶 （五）、酶的活力和活力单位
（一）、习惯命名
惯用名 常依据酶所作用的底物和反应类型命名。 原则： （1）根据作用底物：如淀粉酶、蔗糖酶、蛋白酶等。 （2）根据反应性质：如水解酶、脱氢酶、转氨酶等。 （3）二者结合：如乳酸脱氢酶、谷丙转氨酶等。 （4）再加上酶的来源、特性：如木瓜蛋白酶、胃蛋白 酶、酸性磷酸酯酶、碱性磷酸酯酶等。
细胞破碎的方法： 动物细胞比较容易破碎，通过一般的研磨器、 匀浆器、捣碎机等可达到目的 细菌细胞壁较厚，破碎需要用超声波、细菌磨、 溶菌酶、某些化学溶剂（如甲苯、去氧胆酸 纳）或冻融等处理 破碎后的分离方法：过滤、沉降等
酶的分离纯化
① 盐析法：eg（NH4）SO4、Nacl，Na2SO4、使
E↓析出之后需超盐处 ② 有机溶剂沉淀法：用30～60%的乙醇、丙酮、 异丙醇等，保持低温-10～-15℃ ③ 等电沉淀法：调节到PI使之絮聚、沉降。 ④ 层析法：亲和层析，离子交换层析，凝胶过滤 曾析，吸附层析等
如 EC1.1.1.27 为乳酸：NAD+氧化还原酶 EC1.1.1.37 为苹果酸：NAD +氧化还原酶 EC1.1.1.1 为乙醇：NAD +氧化还原酶
（三）、国际系统命名法
要求确切表明底物的化学本质及酶的催化性质。 原则如下： 1 酶的系统命名有两部分构成：底物名称（底 物1：底物2） ＋反应名称 如果底物2为水，可略去不写 醇脱氢酶为醇：NAD+氧化还原酶 L—乳酸：NAD+ 氧化还原 酶。
酶的保存：低温、干燥、避光、避氧。
四、酶催化反应机理及反应动力学
（一）酶催化反应的特点 （二）酶催化反应的机理 （三）酶催化反应的速率理论 （四）酶促反应动力学
（一）酶催化反应的特点
1. 2.
反应条件温和：常温、常压、接近中性的pH值 催化效率高。以分子比表示，酶催化比非催化的反 应速度高108－1020倍，比其他催化反应高107－ 1013。
（二）、国际系统分类法
根据反应性质分为六大类 1、氧化还原酶类：催化氧化还原反应，涉及H 和电子的转移。如脱氢酶类。
2、转移酶类：催化分子间功能基团的转移。如 转氨酶类。
3．水解酶类：催化水解反应。如蛋白酶、淀粉 酶、脂肪酶、蔗糖酶等。
4．裂合酶类：催化非水解地除去底物分子中的 基团及其逆反应的酶。如醛缩酶脱氨酶 脱羧 酶
（二）酶的来源和生产
1 酶的来源 1）直接从动植物获得，即从生物体中分离和提 纯 不足：生产周期长，来源有限，还要受一些自 然条件的限制。 2）化学合成方法 不足：一般只适用于短肽的生产
3） 工业微生物发酵，即通过液体深层发酵或 固态发酵，是工业上酶的主要来源。 其优点如下： ① 微生物种类繁多，制备出的酶种类齐全 ② 微生物繁殖快，生产周期长 ③ 微生物具有较强的适应性和应变能力，可以 通过适应、诱导、诱变以及基因工程等方法 培育出新的高产酶的菌株。
3）在实现目的的情况，可直接用整个细胞作为 生物催化剂 ① 细胞内目标酶的活性很高，可以满足工业过 程对酶活的要求 ② 胞内酶的催化作用必须依赖于辅酶，可以利 用细胞内的辅酶再生系统 ③ 所需要的生物转化过程需要细胞内几种酶的 共同参与
4）酶的分离提纯的步骤 在此过程中，保持酶的活性是最为关键的。因此，全部操作必 须在低温下进行，一般在0～5℃间，还要防止重金属失活、 防止－SH被氧化，不能过度搅拌等
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
一些常用微生物及它们所产生的酶
2. 酶的生产
影响酶生产的主要因素 1）培养基设计：设计好供微生物生长、繁殖、代谢和合成代谢产物 的营养物质和原料。其中诱导酶的生产，需要加入诱导剂 2）发酵方式的选择： ① 固体发酵：又称为表面培养或曲式培养，以麸皮、米糠等为基本 原料，加入适量的无机盐和水作为培养基进行产酶微生物菌种培 养的一种培养技术。 特点：设备简单、便于推广，特别适合于霉菌， 缺点: 发酵条件不易控制，物料利用不完全，劳动强度大，容易 染菌等。 ② 液体深层发酵：又称浸没式培养，利用液体培养基，在发酵罐内 进行的一种搅拌式通气培养方式，发酵过程需要一定的设备和技 术条件，动力消耗也较大，但是原料的利用率和酶的产量都较高。 目前，工业上主要采用液体深层发酵技术生产酶，但是在酒曲培养、 食品工业及一些用于饲料添加剂的酶生产中，仍在应用固态发酵 技术。
酶的催化活力与辅酶、 辅基及金属离子有关。 辅助因子分为辅酶和辅基 辅酶：与酶蛋白松弛结合， 可以通过透析或其他方 法将其从全酶中除去， 如NADH，ATP及各种 维生素 辅基：以共价键和酶蛋白质 结合，不易透析除去， 如Ca2+、Co2+、Zn2+、 Mg2+等金属离子
4.
5. 6.
5．异构酶类：催化同分异构体的相互转变。
6、合成酶：与ATP 分解相偶联，并由二种物 质合成一种物质。如天冬酰胺合成酶 丙酮酸 羧化酶
在每一大类酶中，又根据底物中被作用的基 团或键的特点分为若干亚类，然后再把属于 某一亚类、亚亚类的酶按顺序排好，这样把 已知的酶分门别类地排成一个表，叫做酶表。 类 亚类 亚亚类 序号
举例1：H2O2→H2O＋O2 （ⅰ）Fe2+催化 化105mol/sE的催化能力高1010倍 10-5mol/s （ⅱ）H2O2E催
举例2：已知催化反应最快的是碳酸酐酶。 CO2＋H2O → H2CO3 每个E分子每秒可催化6×105个CO2分子与 水碱H2CO3比非酶催化快107倍。
3. ①
② ③
3）发酵条件控制 营养条件 环境条件，注意溶氧浓度、温度、pH值 特别注意剪气力对蛋白质的影响，因为在高剪 切力下，蛋白质容易失活。 注意发酵的泡沫，因为蛋白质是表面活性剂， 大量的蛋白质积累在发酵液中使得在鼓泡条 件下很容易形成泡沫，影响发酵正常操作。 因此应该考虑除泡装置，并添加消泡剂。
3. 酶的分离和提纯
1）酶的用途及对酶纯度的要求： 科学研究——需要最高的纯度，必要时需要结晶 医用——需要很高的纯度，避免不良反应 食品工业——在安全性的基础上，纯度可低一些 工业用——在达到一定酶活性的基础上，对纯度 要求不高
2）酶的分离提纯在酶生产中投入成本很大 ① 蛋白酶的浓度很低，而分离提纯的费用往往 随着产物初始浓度的下降呈指数式上升。 ② 细胞破碎液或发酵液存在大量与目标酶蛋白 性质类似、分子量接近。 ③ 酶对环境条件敏感，环境中的蛋白酶容易作 用于目标酶，使其失活。
按现代观点，酶工程主要包括以下内容 ① 酶的大量生产和分离纯化及它们在细胞外的应用 ② 新颖酶的发现、研究和应用 ③ 酶的固定化技术和固定化酶反应器 ④ 基因工程技术应用于酶制剂的生产与遗传修饰酶的研究 ⑤ 酶分子改造与化学修饰以及酶结构与功能之间关系的研究 ⑥ 有机介质中酶的反应 ⑦ 酶的抑制剂、激活剂的开发及应用研究 ⑧ 抗体酶、核酸酶的研究 ⑨ 模拟酶、合成酶以及酶分子的人工设计、合成的研究
（一）酶的化学本质 （二）酶的来源和生产
（一）酶的化学本质
除了核酸酶之外，酶都是具有催化功能的蛋白 质。 1 蛋白质的性质
2、酶的化学组成
1 按组成成分 （1）单纯酶：其活性仅仅取决于蛋白质结构，如脲酶、蛋白酶、 淀粉酶、脂肪酶及核糖核酸酶。 （2）结合酶：只有结合非蛋白组分后（辅助因子）后才表现出活 性 全酶=酶蛋白＋辅助因子 2、按酶分子大小 （1）单体酶：一般有有1条多肽链组成，几乎都是水解E， Mr=13000～35000，不含四级结构，如溶解酶，胰蛋白酶等 （2）寡聚酶：由几个亚基通过非共价键结合，Mr=35000～数百 万，具有四级结构，如磷酸化酶a和3-磷酸甘油醛脱氢酶 （3）多酶复合体：由几种酶嵌合而成的复合体，靠共价键连接 Mr﹥几百万。 （4）核酶 少数RNA 具有自我拼接加工的催化活性。
酶的作用专一性。通常把酶作用的物质称为该酶的底物 （substrate)。一种酶只作用于一种或一类底物。 反应专一性（键专一性）：这些酶的专一性较低，能够催 化具有相同化学键或基团的底物进行某种类型的反应。如 酯酶 底物专一性：只能催化特定底物发生特定的反应。如脲酶 只能催化尿素，而且只能是水解反应 立体化学专一性：表现为对底物的构象有特殊的要求。如 L－乳酸脱氢酶只能催化L-乳酸的氧化，而对D-乳酸则不 起作用。
酶是生物催化剂，主要是蛋白质，也有核 酸，能在比较温和的条件下高效率的起催化 作用，使生物体内的各种物质处于不断的新 陈代谢中。 生物体内→新陈代谢→各种化学反应→条 件温和（37℃，近中性），速度快，有条不 紊。
（二）、 对酶的认识和研究历程
人们对酶的认识起源于生产实践，人类几千年前，都开始制 作发酵及食品。 1833 年，Pagon Persoz 从麦芽中得到一种能水解淀粉的物 质——淀粉酶。 1878 年，Kühne 将这类生物催化剂统称为“酶”（Enzyme） 1887年，Buechner兄弟发现不含酵母细胞的酵母提取液也 能使糖生成酒精，证实了发酵与细胞活力无关，并表明了酶 能以溶解的、有活性的状态从破碎的细胞中分离出来。 1926 年，Sumner 从刀豆中提取脲酶，得到结晶，证明是蛋 白质。后来，先后获得胃蛋白酶，胰蛋白酶的结晶 1969 年人工合成牛胰核糖核酸酶。 1983 年，发现核酸的催化功能——1989 获诺贝尔奖