第一章 酶学与酶工程

习惯命名比较简单，应用历史较长，尽管 缺乏系统性，但现在还被人们使用。
（二）国际系统命名法 国际系统命名法原则是以酶的整体反应为基
础的，规定每种酶的名称应当明确标明酶的底物 及催化反应的性质。如果一种酶催化两个底物起 反应，应在它们系统名称中包括两个底物的名 称，并以“：”号将它们隔开。若底物之一是水 时，可将水略去不写。
1894年Fisher提出酶与底物作用的“锁与钥 匙” 学说。
1903年Henri提出酶与底物作用的中间复合 物学说。
1913年Michaelis等导出米氏方程,1925年 Briggs等进一步修改米氏方程并提出稳态学说。
1926年Summer提取出脲酶的结晶。 1930~1936年Northrop等得到了胃蛋白酶、 胰蛋白酶等的结晶并证实酶是蛋白质的化学本 质。
第一章 酶学与酶工程
酶是一种在生物体内具有新陈代谢催化剂作用 的蛋白质。它们可特定地促成某个反应而它们本身 却不参与反应，且具有反应效率高、反应条件温和、 反应产物污染小、能耗低和反应易控制等特点。
酶工程就是利用酶催化的作用，在一定的生物 反应器中，将相应的原料转化成所需要的产品。它 是酶学理论与化工技术相结合而形成的一种新技术。
Crystals of pyruvate kinase, an enzyme of the glycolytic pathway. The protein in a crystal is generally characterized by a high degree of purity and structural homogeneity
5. 异构酶类（Isomerases）:
These enzymes catalyze the conversion of a molecule into an isomer. The cis-trans interconversion of maleate and fumarate is an example.
该学说认为酶表面并没有一种与底物互补 的固定形状，而只是由于底物的诱导才形 成了互补形状.
三、酶的化学本质及其组成
（一）酶的化学本质 酶的化学本质除有催化活性的RNA之外几
乎都是蛋白质。 注意：不能说所有的蛋白质都是酶，只是
具有催化活性的蛋白质才称酶。 （二）酶的化学组成
从化学本质来看，酶可以分为： 1. 单纯蛋白质（simple protein） 2. 缀合蛋白质（conjugated protein）
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。
CH2OH O OH
OH OH
OH
CH2OH
CH2OH
O OH
OH OH
(6) 合成酶 Ligase or Synthetase
二、酶催化作用的特点
酶是一类有催化功能的大分子物质，这些 物质的化学本质绝大多数属于蛋白质，少数为 RNA类。 （一）酶和一般催化剂的共性 1. 用量少而催化效率高； 2. 不改变化学反应的平衡点； 3. 可降低反应的活化能。
• 在一个反应体系里，任何反应物分子都有进行化学 反应的可能，但并非全部反应物分子都进行化学反 应。只有那些具有较高能量，处于活化态的分子 （活化分子）才能在分子碰撞中发生化学反应。
酶的专一性
结构专一性
立体结构专一性
2. 酶易失活 3. 酶活性受到调节和控制 4. 酶具有很高的催化效率
绝对专一性 族的专一性 键的专一性 旋光异构专一性
几何异构专一性
锁钥学说：
认为整个酶分子的天然构象是具有刚性 结构的，酶表面具有特定的形状。酶与 底物的结合如同一把钥匙对一把锁一样
诱导契合学说
(Oxidase)。 如，乳酸(Lactate)脱氢酶催化乳酸的脱氢反应。
CH3CHCOOH NAD+ OH
CH3CCOOH NADH H+ O
(3) 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。 例如， 谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。
编 号之前冠以EC（Enzyme Commision)。
1. 氧化还原酶类（Oxidoreductases）：
Any enzyme which catalyzes a reduction has to also catalyze the reverse (oxidation) reaction, thus the double-barreled name "oxidoreductase."
4. 裂合酶类（Lyases）: Reactions which add a small molecule such
as water or ammonia to a double bond (and the reverse, elimination, reactions) are catalyzed by lyases.
（四）根据酶的ห้องสมุดไป่ตู้在状态分为：胞内酶、 胞外酶
1.胞内酶：在合成分泌后定位于细胞内发生作用的 酶，大多数的酶属于此类。 2.胞外酶：在合成后分泌到细胞外发生作用的酶， 主要为水解酶。
四、酶的命名和分类
（一）习惯命名法 1961年以前使用的酶的名称都是习惯沿用
的，称为习惯名。主要依据两个原则： 1. 根据酶作用的底物命名； 2. 根据酶催化反应的性质及类型命名；有的酶 结合上述两个原则来命名。
（三）国际系统分类法及酶的编号
国际酶学委员会，根据各种酶所催化反应的类型， 把酶分为6大类，即氧化还原酶类、转移酶类、水解 酶类、裂合酶类、异构酶类和连接酶类。分别用1、2、 3、4、5、6来表示。再根据底物中被作用的基团或 键的特点将每一大类分为若干个亚类，每一个亚类又 按顺序编成1、2、3、4……等数字。每一个亚类可 再分为亚亚类，仍用1、2、3、4……编号。每一个 酶的分类编号由4个数字组成，数字间由“·”隔开，
比活力用每mg蛋白质所含有的酶活力单位数表示。对 同一种酶比活力愈大，纯度愈高。 4. 酶的转换数：kat值
kat值以一定条件下每秒钟每个酶分子转换底物的 分子数来表示酶的催化效率。 5. 酶活力的测定方法 （1）分光光度法（spectrophotometry） （2）荧光法（fluorometry） （3）同位素测定方法 （4）电化学方法（electrochemical method）
• 活化能：在一定温度下，1摩尔底物全部进入活化 态所需要的自由能（kJ/mol)
• 分子由基态达到活化态的途径有二：
• 1、给反应体系加热或用光照射，从而使反应分子 获得所需的活化能量；
• 2、使用催化剂，使其瞬时地与反应物结合成过渡 态，降低反应活化能，使反应沿着一个活化能垒较 低的途径进行。
（二）酶作为生物催化剂的特点 1. 酶具有高度的专一性
（三）单体酶、寡聚酶、多酶复合体 根据酶蛋白分子的特点，可将酶分为以下几类： 1. 单体酶（monomeric enzyme）：一般由一条 多肽链组成，如溶菌酶；但有的单体酶是由多 条肽链组成，肽链间二硫键相连构成一整体。 2. 寡聚酶（oligomeric enzyme）：是由两个或 两个以上的亚基组成的酶，这些亚基可以是相 同的，也可以是不同的。 3. 多酶复合体（multienzyme complex）：是由 几种酶非共价键彼此嵌合而成。
缀合蛋白质（全酶）=蛋白质（脱辅酶， apoenzyme或apoprotein）+辅助因子
（cofactor） 辅助因子是指一些对热稳定的非蛋白质小
分子物质或金属离子，包括：
（1）辅酶（coenzyme）：与脱辅酶结合比较松 弛的小分子有机化合物，通过透析方法即可出 去，如辅酶Ⅰ等。 （2）辅基（cofactor）：以共价键和脱辅酶结 合，不能通过透析出去。
酶工程的应用主要集中于食品工业、轻工业以 及医药工业中。
第一节 酶学概述
新陈代谢是生命活动的基础，是生命活动 最重要的特征。而构成新陈代谢的许多复杂而 有规律的物质变化和能量变化，都是在酶催化 下进行的。生命的生长发育、繁殖、遗传、运 动、神经传导等生命活动都与酶的催化过程紧 密相关，可以说，没有酶的参与，生命活动一 刻也不能进行。
酶活力的大小可以用一定条件下所催化的 某一化学反应的反应速度（reaction velocity）来 表示，两者呈线性关系。
酶反应速度可用单位时间内底物的减少量 或产物的增加量来表示。
Time
2. 酶的活力单位（U，activity unit） 酶活力的大小及酶含量的多少，用酶活力单位表
示，即酶单位（U）。酶单位的定义是：在一定条件 下，一定时间内将一定量的底物转化为产物所需要的酶 量。这样酶的含量就可以用每克酶制剂或每毫升酶制剂 含有多少酶单位来表示（U/g或U/ml）。
1963年Hirs等测定了RNase的氨基酸顺序。 1965年Phillips首次用X射线晶体衍射技术阐明 鸡蛋溶菌酶的三维结构。 1969年Merrifielid等人工合成具有酶活性RNase。 20世纪 80年代初Cech等发现具有催化功能的 RNA——核酶（ribozyme）。 1986年Schultz等人研制成了抗体酶（abzyme）。 1997年Boyer等人阐明了ATP合酶合成和分解 ATP的分子机制。
6. 连接酶类（Ligases）:
These enzymes catalyze reactions which make bonds to join together (ligate) smaller molecules to make larger ones.
(1) 水解酶 hydrolase
1961年国际酶学委员会规定“国际单位”表示酶 活 力；1972年又推荐一种新的酶活力单位——Katal（简 称Kat）单位。一个katal单位是指在最适反应条件下， 1每秒钟催化1moL底物转化为产物所需要的酶量。 1Kat＝6107IU，1IU=16.7nKat