酶工程

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4.酶的结构和催化机制
• 4.3 酶的催化机制
• 相关概念 • 底物：酶催化反应中的反应物。 • 产物：酶催化反应中的生成物。 • 酶：具有催化功能的物质。酶参与底物转化为产物的反应，但在 反应过程中不消耗，即酶在一个反应完成后，酶分子本身立即恢 复原状，又继续参加下次反应。
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（1）高效性
• 通常可以在常温常压以及温和的酸碱度下高效的进行。 • 酶的催化能力比无催化剂时要高出108~1020，比一般催化剂的催 化能力大103-1013倍。 • 例如： • • 1mol铁离子催化： 6×10-4mol； • 1mol过氧化氢酶催化：5×106 mol。 • 刀豆脲酶催化尿素水解比非催反应速率大1014倍。
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（1）氧化还原酶类
• 作用：催化氧化-还原反应 • 通式： • 种类：脱氢酶(dehydrogenase)和氧化还原酶(Oxidase) • 例如乳酸脱氢酶反应式：
（2）转移酶类
作用：催化基团转移反应 通式： 种类：酮醛基转移酶、酰基转移酶、 糖苷基转移酶、含氮基转移酶等； 例如谷丙转氨酶反应式：
（4）蛋白类酶的系统名、惯用名
系统名：包括所有底物的名称和反应类型。 乳酸 + NAD+
丙酮酸 + NADH + H+
乳酸：NAD+氧化还原酶
习惯命名法：只取一个较重要的底物名称和反应类型。
乳酸：NAD+氧化还原酶 乳酸脱氢酶
注：对于催化水解反应的酶一般在名称上省去反应类型！ 如：蛋白酶、淀粉酶
Systematic name
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氧化还原酶类（oxidoreductases）：促进氧化还原反应，如脱 氢酶、氧化酶 转移酶类（transferases）：是一个底物的基团或原子转移到另 一底物分子上，如转氢酶 水解酶类（hydrolases）：是底物加水分解，如蛋白水解酶 裂合酶类（lyases）：是底物失去或加上某一部分，如脱羧酶、 羧化酶 异构酶类（isomerases）：是底物分子内部排列改变，如变位 酶 合成酶类（ligases）：使两个底物结合，如谷氨酰胺合成酶
• 4.2酶的活性中心
• 定义：指酶蛋白上与催化有关的一个特定区域，其中包括催化过程 中关键的催化基团以及与底物结合有关的结合基团。 • 酶的活性中心一旦被破坏，酶将失去其催化活性。 • 在酶蛋白分子的众多氨基酸残基中，构成酶的活性中心的只有少数 几个氨基酸残基，这些氨基酸残基在肽链中处于不同位置，甚至处 在不同的肽链中，通过肽链的盘绕、折叠形成酶蛋白的空间结构后， 这些氨基酸残基集中在一起而形成酶的活性中心。
（3）水解酶类
• 作用：催化底物的加水分解反应 • 通式： • 种类：淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。 • 例如磷酸二酯酶催化脂的水解反应：
（4）裂合酶类
• 作用：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 • 通式： • 种类：醛缩酶、水化酶、脱氨酶等 • 例如醛缩酶催化反应：
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降低反应活化能
活化能：分子从常态转变为容易发生化学反应的活跃状 态所需要的能量。
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中间复合物
• 1902年，亨利(Henri)根据蔗糖酶催化蔗糖水解的实验结果，提出 中间产物学说。他认为在底物转化成产物之前，必须首先与酶形 成中间复合物，然后再转变为产物，并重新释放出游离的酶，即：
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课程内容
酶工程的产生及发展 酶学基础 酶工程 酶固定化
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一、酶工程的产生及发展
• 1.人类对酶的认识历程 • 人们对酶的认识起源于生产与生活实践! • 古代酶学 • 近代酶学
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酶的基本概念
• 传统定义：酶是过细胞产生的具有催化活性的蛋白质。 • 定义的发展：酶是生物催化剂（工业） 酶是生物细胞产生的具有催化能力的生物催化剂。
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酶的高效催化机制
• 共价催化机制
• 在酶催化过程中，首先酶与底物形成一种中间复 合物。这种中间复合物是由于酶的某些基团攻击 底物的某些特定基团而形成的共价中间产物，这 种催化理论称为共价催化机制。 • 共价催化可分为亲核催化和亲电催化两类。
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酶的高效催化机制
• 酶的化学组成和性质 • 酶的分类与命名 • 酶催化反应作用的特点 • 酶的结构和催化机制 • 影响酶催化反应速度的因素
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1.酶的化学组成和性质
单纯酶（单体酶）：由单纯蛋白质组成的酶
酶
结合酶（全酶）：由蛋白质部分和非蛋白质部分 （酶的辅助因子）组成的酶
酶蛋白：由20中氨基酸组成，具有蛋白质一般理化性质。
• 微环境效应
• 微环境是指酶的活性中心上的催化基团所处的一种特殊的疏 水反应环境。由于酶分子活性中心的催化基团处于特殊的疏 水反应环境影响与底物的结合，并影响催化基团的解离，使 反应加速进行，这种作用称为微环境效应。 • 通过X射线衍射研究，发现许多酶分子的活性中心往往有 一个与水溶液有显著不同的环境。胰凝乳蛋白酶和溶菌酶就 是很好的例子。 • 例如，叠氮盐与对硝基氟苯的反应在二甲基亚砜中进行时的 速度比在水中进行时快12000倍。
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酶的专一性机制
• “锁和钥匙”模式
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酶的专一性机制
• “诱导契合”假说
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酶的高效催化机制
• 趋近与定向效应
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酶的高效催化机制
•构象变化效应
• 当酶分子与底物分子互相接近时，由于两者的相 互作用，酶分子和底物都会发生构象变化，从而 有利于酶与底物的结合，这种作用称为构象变化 效应。 • 1.底物诱导酶分子构象的改变 • 2.酶分子诱导底物构象的改变
几个酶镶嵌而成的复合物，这些酶催化将底物转化为产 物的一系列顺序反应。
3.酶催化反应作用的特点
• 催化剂的特征： • （1）只能进行热力学上允许进行的反应； • （2）可以缩短化学反应到达平衡的时间，而不改变反应的平衡 点； • （3）通过降低活化能加快化学反应速度。 • 生物酶的催化特性： • 高效性、专一性
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酶的高效催化机制
• 酸碱催化机制 • 酶的催化作用是酶和底物分子之间通过质子（H+）传递作用，即 酸和碱的相互转变，而降低反应所需的活化能，使反应加速进行， 这种催化理论称为酸碱催化机制。 • 酶蛋白中的酸碱催化基团是由氨基酸残基上的侧链提供的，酸碱 催化基团中，以咪唑基最为常见。
Each enzyme is now classified and named according to the type of chemical reaction it catalyzes. So an enzyme is assigned a fournumber classification and a two-part name. In addition recommended name is suggested by IUB for everyday use.
辅酶 辅基
NAD、FAD、CoQ、CoA、硫辛酸、 传递氢或其他化学基团，或传递电子 TPP、生物素、铁卟啉、磷酸吡 哆醛、四氢叶酸
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2. 酶的分类与命名
• （1）按照分子中起催化作用的主要组分不同，酶可以分为蛋白 类酶（proteozyme，P酶）和核酸类酶（ribozyme，R酶，核酶） 两大类。 • （2）对于核酸类酶由于其研究历史不长，对于分类和命名还没 有统一的原则和规定。 • （3）对于蛋白类酶现在普遍接受的时国际系统分类法及编号。 • 按照1961年国际生化会议的规定，酶可以分为六大类：
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酶活的概念
• 酶活：酶的催化能力的表示单位。 • 酶活单位的定义：在25℃、特定的最是缓冲液的离子强度和pH、 特定的底物浓度等条件下，1min内转化1μmol底物的酶量，或转 化底物的有关基团的1μmol的酶量。（U） • 比活力：1mL酶蛋白所含的酶活力单位。 • 酶的浓度：1mL溶液中的酶单位（U/mL）
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4.酶的结构和催化机制
• 4.1酶的结构
• 蛋白质功能决定于其结构，不仅与其氨基酸组成（一级结构）有 关，而且还与其空间结构有关（二级结构、三级结构、四级结 构）。 • 酶的一级结构是酶具有催化功能的决定性部分。 • 酶的高级结构为酶催化功能所必需的部分。
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4.酶的结构和催化机制
酶工程
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引言
• 酶工程（Enzyme Engineering）是生物工程的主要内容之一，是 酶学、微生物学和化学相互渗透、结合、发展而产生的一门新 的交叉学科。 • 酶工程是从应用的目的出发研究酶，是在一定的生物反应装置 中利用酶的催化性质，将相应的原料转化成有用物质的技术。 • 酶工程的主要内容是通过预先设计，再经过人工操作控制（包 括应用蛋白质工程技术）而获得大量所需的酶制剂，并通过各 种方法发挥其最大的催化功能进行物质转化。
EC. X.X.X.X
乳酸脱氢酶 1. 27 EC 1. 1.
第1大类，氧化还原酶
第1亚类，氧化基团CHOH 第1亚亚类，H受体为NAD+ 该酶在亚亚类中的流水编号
核酸类酶
• 核酸酶是唯一的非蛋白酶，是一类特殊的RNA，能够
催化RNA分子中的磷酸酯键的水解及其逆反应和一些
其它反应。
核酸类酶的分类
辅酶
辅因子 辅基
：具有核苷酸结构，含有微生物和嘌呤碱，或铁卟啉和 其他化合物。与酶蛋白结合得比较松的小分子有机物
：具有核苷酸结构，含有微生物和嘌呤碱，或铁卟啉和其他 化合物与膜蛋白结合得紧密的小分子有机物
金属离子
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辅助因子
种类 金属离子 组成 Mg2+、Zn2+、Fe2+、Cu2+、 Mn2+、Ca2+、Ni2+ 功能 构成酶活性中心的组分；在酶蛋白和底物之间起 桥梁作用；稳定酶蛋白的空间构型；在氧化还原 酶反应中参与电子的传递
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S-SHale Waihona Puke Baidu
活性中心外 必需基团
底物
肽链
活 结合基团 性 中 心 催化基团 必 需 基 团
活性中心
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• 必需基团：必需基团包括活性中心必需基团和活 性中心外必需基团。其中活性中心必需基团包括 结合基团和催化基团，结合基团具有结合酶和底 物的作用，决定酶的专一性，催化基团具有催化 酶和底物反应的作用，决定反应的催化性质。活 性中心外必需基团具有维持酶具有活性的空间结 构。
E+S
k1 k2
ES
k3
E+P
• 过渡态中间产物的形成使反应的活化能大幅降低。
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酶的专一性机制
• 关于酶的作用专一性机制有多种学说。这些学说 有一些共同的特点： • 1.酶的活性中心是酶表现专一性的基础，不仅要 求结合基团与催化基团的存在，而且要求他们有 特定的构象分布； • 2.酶要表现作用必须通过它和底物结合。
自我剪切酶
分子内催化
自我剪接酶
R酶
分子间催化
RNA剪切酶 DNA剪切酶 多肽剪切酶 多糖剪接酶 多功能R酶
其它重要概念
• 寡聚酶 (oligomeric enzyme)：
由几个或多个亚基组成，亚基之间以非共价键结合牢固 地联在一起，单个亚基没有催化活性，所有的亚基都有四级 结构。
• 多酶复合物 (multienzyme system)：
（5）异构酶类
• 作用：催化各种同分异构体的相互转变 • 通式： • 种类：异构酶 • 例如葡萄糖-6-磷酸异构酶催化反应：
（6）连接酶类
• 作用：催化C-C、C-O、C-N 以及C-S 键的形成 • 通式： • A + B + ATP ===AB + ADP +Pi • A + B + ATP ===AB + AMP +Pi • 种类：羧化酶 • 例如丙酮酸羧化酶催化反应：
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生物催化
• 定义：利用酶活有机体作为催化剂实现化学转化工程。 • 地位：
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生物催化合成的主要产品：
产品名称 丙烯酰胺 聚乳酸 阿斯巴甜 生物柴油与汽油 产量 10万吨/年 1.3万吨/年 2万吨/年 1000万吨/年
抗菌素中间体6-APA
0.9万吨/年
酶学基础
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（2）专一性
• 一种酶只能催化一种或一类物质的反应。如：淀粉酶只能催化淀粉 水解，而无机催化剂如酸或碱技能催化淀粉也能催化蛋白质等。 • ①绝对专一性： • 只能催化一种底物的反应，对作用物某一化学键和化学键两端所 连接的基团有选择作用； • ②相对专一性： • 对作用物某一化学键有要求，而化学键两端所连接的基团没有 选择作用； • ③立体异构专一性： • 只对某种构型的化合物有作用，而对其对映体无作用.