1、第四章 酶 enzyme, 4.1 酶的概念、化学本质及其组成 4.2 酶的分类和命名 4.3 酶的作用机制 4.4 酶促反应动力学 4.5 酶活性的调节 4.6 酶的活力测定及分离提纯 4.7 酶工程简介 4.8 维生素和辅酶,(一)酶和一般催化剂的比较,1.用量少而催化率高。2.它能够改变化学反应的速度，但是不能改变化学反应平衡。酶本身在反应前后也不发生变化。3.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。,4.1 酶的概念,4.1.1 酶催化作用的特点,（二）酶作为生物催化剂的特点, 1.酶易失活 2.酶具有很高的催化效率高 3.酶具有高度专一性 4.酶活性受到调
2、节和控制 5.有些酶活性与辅助因子有关,1.酶易失活,酶是由生物细胞产生的生物大分子，凡能使生物大分子变性的因素均能使酶失去催化活性。如：高温、强酸、强碱和重金属盐等。,2.酶具有很高的催化效率高,所谓高度专一性（specificity）是指酶对催化的反应和反应物有严格的选择性。被作用的反应物，通常称为底物（substrate）。酶往往只能催化一种或一类反应，作用于一种或一类物质。而一般催化剂没有这样严格的选择性。氢离子可以催化淀粉、脂肪和蛋白质的水解，而淀粉酶只能催化淀粉糖苷键的水解，蛋白酶只能催化蛋白质肽键的水解，脂肪酶只能催化脂肪酯键的水解，而对其他类物质则没有催化作用。,酶作用的专一性
3、，是酶最重要的特点之一，也是和一般催化剂最主要的区别。,3.酶具有高度的专一性,（1）调节酶的浓度（2）通过激素调节酶活性（3）反馈抑制调节酶活性（4）抑制剂和激活剂对酶活性的调节（5）其他调节方式,通过别构调控、酶原的激活、酶的可逆共价修饰和同工酶来调节酶活性。,4.能酶活性受到调节和控制,一是诱导或抑制酶的合成；二是调节酶的降解。例如乳糖操纵子可以合成-半乳糖苷酶、半乳糖苷通透酶和硫半乳糖苷转乙酰酶，它们可以受乳糖或诱导物异丙基硫代-D-半乳糖苷（IPTG）的诱导而促进合成。乳糖或IPTG可以与原来存在于该系统的阻遏物结合，使阻遏物和DNA的结合能力降低约1 000倍，解除抑制，使3种酶的
4、合成加快，酶浓度提高。大肠杆菌有一种所谓的葡萄糖效应，就是当有葡萄糖存在下，不利用乳糖，表明葡萄糖抑制上述3个酶的合成。,（1）调节酶的浓度,有些酶的专一性是由激素调控的，例：哺乳动物乳腺组织中合成乳糖是由乳糖合成酶催化的，该酶由两个亚基即催化亚基和调节亚基组成。催化亚基单独存在时不能催化合成乳糖，但能催化半乳糖以共价键的方式连接到蛋白质上形成糖蛋白。调节亚基实际上就是乳汁中的a-乳清蛋白，其本身无催化活性，但当与催化亚基结合后，就可以改变催化基的专一性，催化半乳糖和葡萄糖反应生成乳糖：调节亚基合成是受激素控制的。在怀孕期间，催化亚基和调节亚基在乳腺中合成，但调节亚基合成的很少，当分娩后，由于
5、激素急剧增加，调节亚基大量合成，并和催化亚基结合成乳糖合成酶，大量合成乳糖以适应生理的需要。,激素通过与细胞膜或细胞内受体相结合而引起一系列生物学效应，以此来调节酶活性。,（2）通过激素调节酶活性,许多小分子物质的合成是由一连串的反应组成的，催化此物质生成的第1步的酶，往往被它们终端产物抑制。这种抑制叫反馈抑制。,例如由苏氨酸生物合成为异亮氨酸，要经过5步，反应第1步由苏氨酸脱氨酶催化，当终产物异亮氨酸浓度达到足够水平时，该酶就被抑制，异亮氨酸结合到酶的一个调节部位上，通过可逆的别构作用对酶产生抑制。当异亮氨酸的浓度下降到一定程度，苏氨酸脱氨酶又重新表现活性，从而又重新合成异亮氨酸。,（3）反
6、馈抑制调节酶活性,酶受大分子抑制剂或小分子物质抑制，从而影响酶的活性。例如大分子物质胰蛋白酶抑制剂，可以抑制胰蛋白酶的活性。小分子的抑制剂如一些反应产物，像1，3-二磷酸甘油酸变位酶的活性受到它的产物2，3-二磷酸甘油酸的抑制，从而对这一反应进行调节。,5.有些酶活性与辅助因子有关,（4）抑制剂和激活剂对酶活性的调节,证明酶的化学本质是蛋白质的主要依据是：1.酶经酸碱水解后的最终产物是氨基酸，酶能被蛋白酶水解而失活；2.酶是具有空间结构的生物大分子，凡使蛋白质变性的因素都可使酶变性失活；3.酶是两性电解质，在不同pH下呈现不同的离子状态，在电场中向某一电极泳动，各白具有特定的等电点；4.酶和蛋
7、白质一样，具有不能通过半透膜等胶体性质；5.酶也有蛋白质所具有的化学呈色反应。,4.1.2 酶的化学本质及其组成,（一）酶的化学本质,单纯蛋白酶：它们的组成为单一蛋白质。结合蛋白酶：某些酶，例如氧化-还原酶等，其分子中除了蛋白质外，还含有非蛋白组分。结合蛋白酶的蛋白质部分称为酶蛋白，非蛋白质部分包括辅酶及金属离子(或辅因子cofactor)。酶蛋白与辅助成分组成的完整分子称为全酶。单纯的酶蛋白无催化功能。,（二）酶的化学组成,辅助因子分类（按其与酶蛋白结合的紧密程度）,辅酶 (coenzyme):与酶蛋白结合疏松，可用透析或超滤的方法除去。,辅基 (prosthetic group):与酶蛋白
8、结合紧密，不能用透析或超滤的方法除去。,1.单体酶：由一条多肽链构成的酶。大多数的水解酶。2.寡聚酶：由两条及两条以上的多肽链构成的酶。如：糖代谢的酶。3.多酶体系：由几个功能上相关的酶嵌合而成的酶的络合物。丙酮酸脱氢酶系。4.多功能酶：一些多酶体系在进化过程中由于基因的融合，多种不同催化功能存在于一条多肽链中，这类酶称为多功能酶。,（三）单体酶、寡聚酶、多酶复合体,酶的专一性 又称为特异性，是指酶只能催化一种底物或一类结构相似的底物，酶对所催化底物严格的选择特性为酶的专一性。,酶作用的专一性,结构专一性,立体异构专一性,族（基团、键）专一性,绝对专一性,光学异构专一性,几何异构专一性,4.1
9、.3 酶的专一性,（一）酶的专一性,基团、键专一性：可作用于一类或一些结构很相似的底物。,绝对专一性：只能作用于某一底物。,2NH3 + CO2, 1.“三点结合”的催化理论 2.锁钥学说 3.诱导契合学说,（二）关于酶作用专一性的假说,认为酶与底物的结合处至少有三个点，而且只有一种情况是完全结合的形式。只有这种情况下，不对称催化作用才能实现。,1.“三点结合”的催化理论,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。,2.锁钥学说,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.,3.诱导契合学说
10、,4.2 酶的命名与分类The Naming and Classification of Enzyme, 酶的命名,习惯命名系统命名,国际系统分类法及酶的编号 六大类酶的特征和举例,（一）习惯命名法,（1）根据其催化底物来命名；如：淀粉酶。（2）根据所催化反应的性质来命名；如：转氨酶。（3）结合上述两个原则来命名，如：谷丙转氨酶。（4）有时在这些命名基础上加上酶的来源或其它特点。如小牛小肠碱性磷酸酶。,（二）国际系统命名法,系统名称包括底物名称、构型、反应性质，最后加一个酶字。 例如：习惯名称:谷丙转氨酶系统名称:丙氨酸：-酮戊二酸氨基转移酶酶催化的反应: 谷氨酸 + 丙酮酸 -酮戊二酸 +
11、丙氨酸,1.氧化还原酶类：催化氧化还原反应。2.转移酶类： 催化基团转移反应。 3.水解酶类：催化水解反应。这是特殊的一类转移酶，水作为转移的基团的受体。4.裂解酶类：催化非水解和非氧化的底物的消除反应，或裂解，生成一个双键。 5.异构酶类： 催化异构化反应。 6.连接酶类： 催化两个底物的连接反应或称之交联反应。,（三）国际系统分类法及酶的编号,酶 的 编 号,氧化-还原酶催化氧化-还原反应。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。,1.氧化还原酶类,（四）六大类酶的特征和举例,转移酶催化基团转移反应，即将
12、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。,2.转 移 酶 类,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：,3.水 解 酶 类,主要包括醛缩酶、水化酶（脱水酶）及脱氨酶等。裂合酶催化从底物分子中移去一个基团或原子而形成双键的反应及其逆反应。例如， 苹果酸裂合酶即延胡索酸水合酶催化的反应。,4.裂解酶类,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。,5.异构酶类,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。
13、这类反应必须与ATP分解反应相互偶联。A + B + ATP + H-O-H = AB + ADP +Pi 例如，丙酮酸羧化酶催化的反应。 丙酮酸 + CO2 草酰乙酸,6.连接酶类,4.3 酶促反应的机制,4.3.1 酶的催化作用与活化能,E(enzyme),S (substrate),P（product）,中间产物学说,E(enzyme),4.3.2 酶催化的通式: 中间产物学说,4.3.3 酶的活性中心,必需基团：酶分子中与酶活性相关的基团 （羟基、巯基、咪唑基和羧基）,活性中心内必需基团结合和催化活性中心外必需基团维持酶构象,活性中心：酶分子与底物结合并将底物转化为产物 的空间结构区域
14、,结合基团：与底物结合，形成酶底物复合物催化基团：把底物转化为产物,酶的活性中心,4.3.4 决定酶作用特异性的机制诱导契合学说,E + S ES E + P,邻近效应与定向排列,酸碱催化,微环境影响,“张力”和“变形”学说,共价催化学说,4.3.5 决定酶作用高效率的机制,4.3.6.1 丝氨酸蛋白酶4.3.6.2 溶菌酶的作用机制,4.3.6 酶催化机制的举例,酶原：无活性的酶的前体酶原激活本质：形成活性中心的过程常见酶原：消化道的蛋白酶以及血液中的凝血酶和纤维蛋白溶解酶,意义：避免细胞的自身消化及血管内凝血， 保证酶在特定的部位和环境中发挥作用,4.3.7 酶原与酶原激活,各种蛋白酶的激
15、活,4.4 酶促反应动力学,酶浓度E 底物浓度S 温度（T） 酸碱度（ pH ） 抑制剂（I） 激活剂（A）,4.4.1 酶促反应速度的测量,4.4.2 酶浓度对酶促反应速度的影响,条件：底物浓度足够大,反应速度与酶浓度成正比,SE,V = K3 E,4.4.3 底物浓度对酶促反应速度的影响,Km,矩形双曲线图形,1913年Michaelis和Menten提出反应速度与底物浓度关系的数学方程式，即米曼氏方程式，简称米氏方程式(Michaelis equation)。,（一）米曼氏方程式的推导,中间产物学说,E + S,k1,k2,k3,ES,E + P,基于三个假设： 反应速度取其初速度，即底
16、物的消耗量很小（一般 在5以内）时的反应速度，产物的生成量极少，逆 反应可不予考虑（P0）。 底物的浓度显著地超过酶浓度，即S E，S 的减少可忽略不计。 建立稳态,当v=Vmax/2时,KmS,1. Km值等于酶促反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度，单位是mol/L。,（二）Km与Vmax的意义,2. Km可近似表示酶对底物的亲和力（Km越小，代表E与S亲和力越大）,3.Km是酶的特征性常数之一,当K2 K3时， Km Ks,4. Vmax定义：Vm是酶完全被底物饱和时的反应速度，与酶浓度成正比。,意义：Vmax=K3 E如果酶的总浓度已知，可从Vmax计算酶的转换数(turnover
17、number)，即动力学常数K3。,定义 当酶被底物充分饱和时，单位时间内每个酶分子催化底物转变为产物的分子数。意义 可用来比较每单位酶的催化能力。,酶的转换数,（三）m值与max值的测定,双倒数作图法(double reciprocal plot)，又称为 林-贝氏(Lineweaver- Burk)作图法,（林贝氏方程）,双倒数作图法,双重影响,最适温度 (optimum temperature)：酶促反应速度最快时的环境温度。,* 低温的应用,4.4.4温度对反应速度的影响,4.4.5 pH对反应速度的影响,最适pH (optimum pH)：酶催化活性最大时的环境pH。,0,酶活性,p
18、H,胃蛋白酶,淀粉酶,胆碱酯酶,2,4,6,8,10,4.4.6 激活剂对反应速度的影响,激活剂(activator)使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加的物质。 必需激活剂 (essential activator) 非必需激活剂 (non-essential activator),4.4.7 抑制剂对反应速度的影响,酶的抑制剂(inhibitor)凡能使酶的催化活性下降而不引起酶蛋白变性的物质统称为酶的抑制剂。,区别于酶的变性,抑制剂对酶有一定选择性，而变性的因素对酶没有选择性,抑制作用的类型,不可逆性抑制 (irreversible inhibition),可逆性抑制 (reversib
19、le inhibition)：,竞争性抑制 (competitive inhibition)非竞争性抑制 (non-competitive inhibition)反竞争性抑制 (uncompetitive inhibition),(一) 不可逆性抑制作用,* 概念抑制剂通常以共价键与酶活性中心的必需基团相结合，使酶失活，不能用透析、超滤等方法予以除去。 * 举例有机磷化合物 羟基酶解毒 - - - 解磷定(PAM)重金属离子及砷化合物 巯基酶解毒 - - - 二巯基丙醇(BAL),有机磷化合物对羟基酶的抑制,路易士气,失活的酶,巯基酶,失活的酶,酸,BAL,巯基酶,BAL与砷剂结合物,（二）
20、可逆性抑制作用,* 概念抑制剂以非共价键与酶或酶-底物复合物可逆性结合，使酶的活性降低或丧失；抑制剂可用透析、超滤等方法除去。,竞争性抑制非竞争性抑制反竞争性抑制,* 类型,1、竞争性抑制,概念：抑制剂结构与底物结构相似，互相竞争 酶的活性中心，从而抑制酶的活性,* 特点,抑制程度取决于抑制剂与酶的相对亲和力及S；,I与S结构类似，竞争酶的活性中心；,动力学特点：Vmax不变，表观Km。,抑制剂,无抑制剂,1/v,1/S,* 举例,1.丙二酸对琥珀酸脱氢酶的抑制,2. 磺胺药对细菌FH2合成酶的抑制,3. 抗代谢物的抗癌作用,2. 非竞争性抑制,抑制剂与酶活性中心外的必需基团结合，底物与抑制剂
21、之间无竞争关系。,* 特点,抑制剂与酶活性中心外的必需基团结合；,抑制程度取决于I；,动力学特点：Vmax，表观Km不变。,抑制剂,1/v,1/S,无抑制剂,2. 反竞争性抑制,抑制剂仅与酶和底物形成的中间产物结合，使ES的量下降。,* 特点,抑制剂只与ES结合；,抑制程度取决与I及S；,动力学特点：Vmax，表观Km。,抑制剂,1/V,1/S,无抑制剂,各种可逆性抑制作用的比较,调节对象 关键酶,4.5 酶 活 性 的 调 节The Regulation of Enzyme,一般位于代谢途径的起始或分支处；催化单向不可逆反应；活性较低，活性最低者又称为限速酶；是可调节酶。,关键酶：,一 、酶
22、活性的调节,（一）酶原与酶原的激活,酶原 (zymogen)有些酶在细胞内合成或初分泌时只是酶的无活性前体，此前体物质称为酶原。,酶原的激活在一定条件下，酶原向有活性酶转化的过程。,酶原激活的机理,胰蛋白酶原的激活过程,酶原激活的生理意义,避免细胞产生的酶对细胞进行自身消化，并使酶在特定的部位和环境中发挥作用，保证体内代谢正常进行。有的酶原可以视为酶的储存形式。在需要时，酶原适时地转变成有活性的酶，发挥其催化作用。,（二）变构酶,变构效应剂 (allosteric effector),变构调节 (allosteric regulation),变构酶 (allosteric enzyme),变构
23、部位 (allosteric site),一些代谢物可与某些酶分子活性中心以外的部位可逆地结合，使酶构象改变，从而改变酶的催化活性，此种调节方式称变构调节。,变构酶的特点,通常具有四级结构，存在协同效应； 含有催化亚基和调节亚基（或催化部位和调节部位）。 S-v关系曲线为S形。,变构激活,变构抑制,变构酶的S形曲线,S,V,无变构效应剂,变构调节举例,变构调节,（三） 酶的共价修饰调节,共价修饰(covalent modification)在其他酶的催化下，酶蛋白肽链上的一些基团可与某种化学基团发生可逆的共价结合，从而改变酶的活性，此过程称为共价修饰。,常见类型磷酸化与脱磷酸化（最常见）乙酰化
24、和脱乙酰化甲基化和脱甲基化腺苷化和脱腺苷化SH与SS互变,酶的磷酸化与脱磷酸化,酶蛋白,SerThrTyr,O,P,ATP,ADP,Pi,H2O,蛋白激酶,蛋白磷酸酶,共价修饰调节的特点,受共价修饰的酶存在有（高）活性和无（低）活性两种形式；具有瀑布效应（级联效应）；是体内经济、有效的快速调节方式。,瀑布效应,二、 酶含量的调节,（一）酶蛋白合成的诱导和阻遏诱导作用(induction)阻遏作用(repression)（二）酶降解的调控,三、 同工酶,* 定义同工酶(isoenzyme)是指催化相同的化学反应，而酶蛋白的分子结构、理化性质乃至免疫学性质不同的一组酶。,* 举例：乳酸脱氢酶(LD
25、H1 LDH5),临床意义,心肌梗死和肝病病人血清LDH同工酶谱的变化,1,酶活性,心肌梗死酶谱,正常酶谱,肝病酶谱,2,3,4,5,七、酶活性测定和酶活性单位,酶的活性,酶的活性单位：在规定条件下，酶促反应在单位时间（s、min或h）内生成一定量（mg、g、mol等）的产物或消耗一定数量的底物所需的酶量。,国际单位(IU)在特定的条件下，每分钟催化1 mol底物转化为产物所需的酶量为一个国际单位。,催量单位(katal)催量(kat)是指在特定条件下，每秒钟使mol底物转化为产物所需的酶量。,kat与IU的换算： 1 IU=16.6710-9 kat,七、酶活性测定和酶活性单位,酶的活性,酶
26、的活性单位：在规定条件下，酶促反应在单位时间（s、min或h）内生成一定量（mg、g、mol等）的产物或消耗一定数量的底物所需的酶量。,国际单位(IU)在特定的条件下，每分钟催化1 mol底物转化为产物所需的酶量为一个国际单位。,催量单位(katal)催量(kat)是指在特定条件下，每秒钟使mol底物转化为产物所需的酶量。,kat与IU的换算： 1 IU=16.6710-9 kat,4.6 酶的活力测定及分离提纯, （一）酶活力的测定 （二）酶的分离和纯化,（一）酶活力的测定, 1.酶活力 2.酶的活力单位 3.酶的比活力 4.酶活力的测定方法,1.酶活力,酶活力是指酶催化某一化学反应的能力。
27、酶活力的大小可以用在一定条件下所催化的某一化学反应的速率来表示。反应速率越大，酶活力越高，反之，酶活力越低。反应速率 单位时间内底物的减少量和产物的生成量。初速度 反应开始时，酶反应速度不变时的速度。,2.酶的活力单位,酶活力单位：一般用活力单位U(Unit)表示，许多酶活力单位都是以最佳条件或某一固定条件下每分钟催化生成一微摩尔产物所需要的酶量为一个酶活力单位。 在最适的反应条件（25）下，每分钟内催化一微摩尔底物转化为产物的酶量定为一个酶活力单位，即： 1IU=1mol/min 在最适条件下，每秒钟内使一摩尔底物转化为产物所需的酶量定为1kat单位，即 1kat=1mol/s 1kat =
28、 6107IU,3.酶的比活力,酶的比活力：是指每毫克酶蛋白所含有的酶活力单位数，它是酶制剂纯度的一个指标。 比活力 = 活力单位数/ 毫克蛋白（氮）酶的收率：指纯化过程中酶活性的收率。,纯化倍数：指提纯后与提纯前酶比活力的比值。,（1）分光光度法 该法要求酶的底物和产物在紫外或可见光部分光吸收不同。简便、迅速、准确。 （2）荧光法 该法要求酶反应的底物或产物有荧光变化。灵敏度很高，可以检测10-12mol/L的样品。（3）同位素测定法 （4）电化学法 有离子选择性电极法、微电子电位法、电流法等。,4.酶活力的测定方法, 1.选材 2.破碎 3.抽提 4.分离及纯化 5.结晶 6.保存,(二）
29、酶的分离和纯化,选择酶含量丰富的新鲜生物材料，一种酶含量丰富的器官或组织往往和含量较低的器官或组织相差上千倍或上万倍。目前常用微生物为材料制备各种酶制剂。 酶的提取工作应在获得材料后立即开始，否则应在低温下保存，-20-70为宜。或将生物组织做成丙酮粉保存。,1.选材,2.破碎,动物组织细胞较易破碎，通过一般的研磨器、匀浆器、高速组织捣碎机就可达到目的。微生物及植物细胞壁较厚，需要用超声波、细菌磨、冻融、溶菌酶或用某些化学溶剂如甲苯、去氧胆酸钠、去垢剂等处理加以破碎，制成组织匀浆。,3.抽提,在低温下，以水或低盐缓冲液，从组织匀浆中抽提酶，得到酶的粗提液。,4.分离及纯化,酶是生物活性物质，在
30、分离纯化时必须注意尽量减少酶活性损失，操作条件要温和，全部操作一般在05间进行。 根据酶大多属于蛋白质这一特性，用一系列分离蛋白质的方法，如盐析、等电点沉淀、有机溶剂分级、选择性热变性等方法可从酶粗提液中初步分离酶。然后再采用吸附层析、离子交换层析、凝胶过滤、亲和层析、疏水层析及高效液相色谱法等层析技术或各种制备电泳技术进一步纯化酶，以得到纯的酶制品。为了得到比较理想的纯化结果，往往采用几种方法配合使用。,5.结晶,通过各种提纯方法获得较纯的酶溶液后，就可能将酶进行结晶。酶的结晶过程进行得很慢。如果要得到好的晶体也许需要数天或数星期。通常的方法是把盐假如一个比较浓的酶溶液中至微呈混浊为止。有时
31、需要改变溶液的pH及温度，轻轻摩擦玻璃壁等方法以便达到结晶的目的。,6.保存,（1）制成干粉保存 通常将纯化后的酶溶液经透析除盐后冰冻一干燥得到酶粉，低温下可较长日寸期保存。（2）浓盐溶液中保存 将酶溶液用饱和硫酸铵溶液反透析后在浓盐溶液中保存。（3）甘油低温保存 将酶溶液制成25%甘油或50%甘油分别贮于25、或50冰箱中保存。注意酶溶液浓度越低越易变性，因此切记不能保存酶的稀溶液。,4.7 酶工程简介, （一）化学酶工程 （二）生物酶工程,将酶学和工程学相结合，产生了酶工程(enzyme engineering)这样一个新的领域。酶工程主要研究酶的生产、纯化、固定化技术、酶分子结构的修饰和
32、改造以及在工农业、医药卫生和理论研究等方面的应用。,（一）化学酶工程, 1.天然酶 2.固定化酶 3.化学修饰酶 4.人工模拟酶,1.天然酶,工业用酶制剂多属于通过微生物发酵而获得的粗酶，价格低，应用简单，产品种类少，使用范围窄。例如，洗涤剂、皮革生产等用的蛋白酶；纸张制造、棉布退浆等用的淀粉酶；漆生产用的多酚氧化酶；乳制品用的凝乳酶等。天然酶的分离纯化随着各种层析技术及电泳技术的发展，得到长足的进展，目前医药及科研用酶多数从生物材料中分离纯化得到。,2.固定化酶,将水溶性酶用物理或化学方法处理，固定于高分子支持物(或载体)上而成为不溶于水，但仍有酶活性的一种酶制剂形式，称固定化酶(immob
33、ilized enzyme)。,共价偶联法,交联法,溴化氰亚氨碳酸基偶联法,OH,OH,BrCN,H2O,O,O,C=N-E,O-CO-NH-E,OH,O-C-NH-E NH,OH,H2N-E,（多羟基载体）,O-CONH2,OH,（惰性）,O,O,C=NH,（活泼）,OC N,OH,戊二醛交联法,H2N-E,3.化学修饰酶,通过对酶分子的化学修饰可以改善酶的性能，以适用于医药的应用及研究工作的要求化学修饰的途径，可以通过对酶分子表面进行修饰，亦可对酶分子的内部修饰。 其主要方法有：（1）化学修饰功能基 最经常修饰的氨基酸残基既可是亲核的（Ser、Cys、Thr、Lys、His），也可是亲电的
34、（Tyr、Trp），或者是可氧化的（Met）。（2）交联反应 用某些双功能试剂能使酶分子间或分子内发生交联反应。（3）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。,4.人工模拟酶,人们模拟酶的生物催化功能，用化学半合成法或化学全合成法合成了人工酶催化剂。例如将电子传递催化剂Ru(NH3）33与巨头鲸肌红蛋白结合，产生了一种“半合成的无机生物酶”，这样把能与O2结合，而无催化功能的肌红蛋白转变成能氧化各种有机物（如抗坏血酸）的半合成酶，它接近于天然的抗坏血酸氧化酶的催化效率。全合成酶不是蛋白质，而是一些有机物。它们通过并入酶
35、的催化基团与控制空间构象，从而像天然酶那样专一性地催化化学反应。利用环糊精成功地模拟了胰凝乳蛋白酶、RNase、转氨酶、碳酸酚酶等。,人工模拟酶-benzyme,环糊精,催化侧链,催化侧链连接到环糊精上，可模拟胰凝乳蛋白酶,（二）生物酶工程,生物酶工程是酶学和以DNA重组技术为主的现代分子生物学技术相结合的产物，因此，亦可称为高级酶工程（advanced enzyme engineering）。主要包括：用基因工程技术大量生产酶（克隆酶）；对酶基因进行修饰，产生遗传修饰酶（突变酶）；设计新酶基因，合成自然界不曾有的新酶,生物酶工程示意图,酶的蛋白质结构功能,新酶分子蓝图,选择性修饰方案,突变酶
36、,新酶,克隆酶,产品,效用,发展,酶基因,遗传设计,遗传修饰,DNA重组技术,DNA重组技术,核酶, （一）核酶的概念 （ 二）核酶的种类 （三）核酶的研究意义及应用前景,（一）核酶的概念,（ 二）核酶的种类,（三）核酶的研究意义及应用前景,抗体酶,（一）抗体酶（二）抗体酶的制备原理（三）抗体酶的应用,（一）抗体酶,抗体酶（abzyme）又称催化抗体（catalytic antibody）,是指通过一系列化学与生物技术方法制备出的具有催化活性的抗体，它除了具有相应免疫学性质，还类似于酶，能催化某种活化反应。,（二）抗体酶的制备原理,抗体与酶相似，都是蛋白质分子，酶与底物的结合及抗体与抗原的结合
37、都是高度专一性的，但这两种结合的基本区别在于酶与高能的过度态分子向结合，而抗体则与抗原（基态分子）相结合。利用抗体能与抗原特异结合的原理可用过度态类似物作为半抗原来诱发抗体，这样产生的抗体便能特异地识别反应过程中真正的过渡分子，从而降低反应的活化能。达到催化反应的目的，这种具有催化功能的抗体就被称为催化抗体或抗体酶。,B.酯的羧基碳原子受到亲核攻击形成四面体过渡态,C.设计的磷酸酯类似物,作为抗原去免疫实验动物,磷酸酯类似物(半抗原),对酯水解反应有催化作用的单克隆抗体,免疫,免疫反应,诱导法制备具有酯酶活性的抗体,（三）抗体酶的应用,催化抗体的出现不仅为人们开创了一条人工设计酶的新方法，也使
38、人们对催化过程中催化剂的作用机理和催化剂和底物的相互识别有了进一步认识。 目前已经发现具有催化作用的自身抗体在生物体内的存在，其不仅和疾病相关，可能还参与了生物体内的某些或基本的生物学反应。有可能成为抗体酶研究的新热点。 充分利用抗体的种类繁多以及抗体酶的可诱导、可改造的特点，可望制备出具有治疗和辅助治疗某些疾病或催化某类具有特殊意义反应的抗体酶。抗体酶的研究无疑会对化学、生物学、医学等领域产生深远影响。,4.8 维生素和酶,Vitamin and Coenzyme,概 述,定义： 维生素(vitamin)是机体维持正常功能所必需，但在体内不能合成或合成量很少，必须由食物供给的一组低分子量有机
39、物质。,简史,公元前3500年-古埃及人发现能防治夜盲症的物质，也就是后来的维A。 1600年-医生鼓励以多吃动物肝脏来治夜盲症 1747年-苏格兰医生林德发现柠檬能治坏血病，也就是后来的维C。 1831年-胡萝卜素被发现。 1911年-波兰化学家丰克为维生素命名。 1915年-科学家认为糙皮病是由于缺乏某种维生素而造成的。 1916年-维生素B被分离出来。 1917年-英国医生发现鱼肝油可治愈佝偻病，随后断定这种病是缺乏维D引起的。 1920年-发现人体可将胡萝卜转化为维生素A。,1922年-维E被发现。 1928年-科学家发现维B至少有两种类型。 1933年-维E首次用于治疗。 1948年
40、-大剂量维C用于治疗炎症。 1949年-维B3与维C用于治疗精神分裂症。 1954年-自由基与人体老化的关系被揭开。 1957年-Q10多酶被发现。 1969年-体内超级抗氧化酶被发现。 1970年-维C被用于治疗感冒。 1993年-哈佛大学发表维生素E与心脏病关系的研究结果。,共同特点 易溶于水，故易随尿液排出 体内不易储存，必须经常从食物中摄取,概 述,种类 B族维生素和维生素C,水溶性维生素,Water-soluble Vitamin,一、维生素B1和羧化酶辅酶,B1又称抗神经炎素、硫胺素或噻嘧胺，是最早发现的维生素（一）结构与来源结构：嘧啶环噻唑环，含硫元素和氨基（所以称硫胺素）来源：
41、谷物、豆类的种皮和胚芽，酵母、瘦肉、禽蛋。其中动物中以焦磷酸硫胺素形式存在，高等植物中以游离VB1存在,焦磷酸硫胺素(TPP),TPP是-酮酸氧化脱羧酶的辅酶，也是转酮醇酶的辅酶在神经传导中起一定的作用，抑制胆碱酯酶的活性,（二）生化作用及缺乏症,1. 生化作用,2. 缺乏症 脚气病，末梢神经炎,二、维生素B2,（二）生化作用及缺乏症 生化作用：FMN及FAD是体内氧化还原酶的辅基，主要起氢传递体的作用 缺乏症：口角炎，唇炎，阴囊炎等,（一）化学本质及性质 维生素B2又名核黄素(riboflavin) 体内活性形式为黄素单核苷酸(FMN) 黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD),Vit B2,FMN,A
42、MP,FAD,三、维生素PP,维生素PP包括： 尼克酸(nicotinic acid) 尼克酰胺(nicotinamide),体内活性形式： 尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+) 尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP+),（一）化学本质及性质,NAD+：R为 H,NADP+：R为,尼克酰胺,1. 生化作用 NAD+及NADP+是体内多种脱氢酶（如苹果酸脱氢酶、乳酸脱氢酶）的辅酶，起传递氢的作用。,（二）生化作用及缺乏症,2. 缺乏症 癞皮病,四、维生素B6,（一）化学本质及性质 维生素B6包括吡哆醇，吡哆醛及吡哆胺 体内活性形式为磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺,（二）生化作用及缺乏症 磷酸吡哆醛是氨基酸
43、转氨酶及脱羧酶的辅酶，也是-氨基-酮戊酸合酶（ALA合酶）的辅酶。,五、泛酸,（一）化学本质及性质 泛酸(pantothenic acid)又名遍多酸 体内活性形式为辅酶A(CoA) 酰基载体蛋白(ACP) （二）生化作用及缺乏症 CoA及ACP是酰基转移酶的辅酶，参与酰基的转移作用。,泛酸,4-磷酸泛酰巯基乙胺,CoA的结构式,六、生物素和羧化酶辅酶,VB7或VH结构与来源含硫环状物来源：分布很广，酵母、肝、肾、蛋黄、蔬菜、古物中都存在，很多生物能自身合成，人不能自身合成性质无色长针状晶体，溶于热水而不溶于有机溶剂，耐热，耐酸碱易被氧化功能羧化酶的辅酶，参与CO2固定反应缺乏症：皮肤发炎、肌
44、肉疼痛、毛发脱落、轻度贫血。,七、叶酸,生化作用： FH4是一碳单位转移酶的辅酶 参与一碳单位的转移-合成核苷酸/氨基酸缺乏症：巨幼红细胞贫血,（一）化学本质及性质,（二）生化作用及缺乏症,叶酸(folic acid)又称蝶酰谷氨酸体内活性形式为四氢叶酸(FH4),叶酸,二氢叶酸还原酶,NADPH+H+,NADP+,二氢叶酸,二氢叶酸还原酶,NADPH+H+,NADP+,四氢叶酸,5, 6, 7, 8-四氢叶酸,八、维生素B12,生化作用：参与体内甲基转移作用缺乏症：巨幼红细胞贫血、神经疾患,（一）化学本质及性质,维生素B12又称钴胺素(coholamine)体内活性形式为甲基钴胺素 5 -脱
45、氧腺苷钴胺素,（二）生化作用及缺乏症,九、维生素C,生化作用：参与氧化还原反应，参与体内羟化反应，促进胶原蛋白的合成，促进铁的吸收。缺乏症：坏血病,（二）生化作用及缺乏症,维生素C,脱氢维生素C,十、硫辛酸,生化作用： 硫辛酸(lipoic acid)是硫辛酸乙酰转移酶的辅酶，起转酰基作用。,氧化型,还原型,脂 溶 性 维 生 素,Lipid-soluble Vitamin,共同特点： 均为非极性疏水的异戊二烯衍生物 不溶于水，溶于脂类及脂肪溶剂 在食物中与脂类共存，并随脂类一同吸收 吸收的脂溶性维生素在血液与脂蛋白及某些特殊结合蛋白特异结合而运输 种类： VitA, VitD, VitE, VitK,天然形式：A1（视黄醇） A2（3-脱氢视黄醇）活性形式 ：视黄醇、视黄醛、视黄酸维生素A原：-胡萝卜素,一、维生素A（抗干眼病维生素）,（一）化学本质与性质：,（二）生化作用及缺乏症 1. 生化作用 构成视觉细胞内感光物质（见后图） 参与糖蛋白的合成，维持上皮组织的分化 与健全 其他作用，如影响细胞的分化 2. 缺乏症 夜盲症，干眼病，皮肤干燥等,
