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1、,酶通论,ENZYME,酶的概念,酶的发现：人们对酶的认识经历了一段漫长的道路。十八世纪上半叶，那时人们对于胃是怎样消化食物的还不了解。有的科学家认为矫健勇猛的山鹰能消化肉类食物，是依靠粗糙的胃壁将肉磨碎的。因此，有人认为消化是一个磨碎的物理过程。1752年，法国物理学家Sbalansani 怀疑这个见解。他做了一个有趣的试验，他把一块生肉塞进一个小金属管子里，管子的两头用金属盖板盖牢，盖板上预先打了许多小孔，让鹰把管子吞下。装在管子里的生肉，鹰的胃壁是研磨不到的。可是过了一段时,间，Sbalansani杀了鹰，从胃中取出了小金属管却发现管内的生肉不见了，只留下一些淡黄色的液体。这是什么原因？
2、Sbalansani经过反复思考后认为，胃的消化过程主要是一个化学过程。这是一个重要的发现，但这个化学过程性质如何，在当时是无从设想。1860年，法国的微生物学家、化学家（近代微生物的奠基人）路易.巴斯德（Louis Pasteur),在关于发酵作用过程的著名研究中，他证明了象葡萄糖之类的有机物质溶液，如果经过消毒，装在严密封闭了容器中，是完全稳定的。可是如果让这些液体与空气接触，它会发酵。发酵的原因，Pasteur认为，是随着空气污染进来的酵母菌细胞所引起的。后来，法国出现了葡萄酒变酸的讨厌现象，大桶大桶的葡萄酒倒入大海，使得当时的法国损失很大。法国政府委托Pasteur进行研究。Paste
3、ur证实了葡萄酒变酸是由另外一些微生物（乳酸菌）的存在所引起的。,从而挽救了面临倒闭的法国葡萄酒制造公司。之后，巴斯德作出了结论：发酵现象是由微生物活细胞活动引起的，没有活细胞不可能引起发酵。这种错误的结论，使得酶学的研究延迟了几十年。从Pasteur 这一重大发现之后，过了二十多年，才有了进一步新的发展。Buchner兄弟俩（Hans&Eduard)对发酵原理的研究开造了一个新途径，酶化学也是从这里开始的。和其他的大发现一样，Buchner兄弟俩的发现也有点偶然的意味。他们本来的目的是想制作不含细胞的酵母菌浸液来供药剂之用。他们用沙和酵母菌一起研磨，再加压,酶的发现,酶的发现,榨出一些液汁。
4、待取得了榨汁后，就存在如何防腐的问题。兄弟俩最初是打算用动物来作实验，不好用强烈的防腐剂，所以他们就采用家常食物保存中惯用的办法，搁了许多蔗糖下去。这样一来就引起了一个重大发现。酵母菌榨汁可以使蔗糖发酵，使糖发酵产生酒精和二氧化碳。在这里，第一次发现了没有活细胞存在的发酵现象。酵母菌榨汁中，显然含有一种或多种催化剂，通过这些催化剂，活酵母菌才能使糖发酵成酒精。后来又发现其他类似的生物催化剂，统称为酵素酶（enzyme),从而说明了发酵是酶作用的化学本质，为此Buchner兄弟获得了1911年诺贝尔化学奖。,酶的生物学意义,生物体内不断进行着各种化学变化，绿色植物和某些细菌能以十分简单的物质，如
5、水、一氧化碳和无机盐为原料合成各种复杂的有机物，并把太阳能变成化学能，储藏在有机物中；而其他生物以植物又能分解这些复杂有机物，从中取得能量。例如动物以植物体中的淀粉等复杂物质为食物，淀粉被降解成单糖，并在细胞内进一步分解成CO2和H2O，同时释放出能量供生物体生长、发育、运动等种种生命活动所用。,酶的生物学意义,研究酶的化学本质及其作用机制，对于了解生命活动规律，指导生产实践具有重大意义,在实验室中，复杂有机物的合成与分解必须要有高温、强酸或强碱等剧烈的条件下才能进行，而在生物体内虽然条件十分温和，许多复杂的化学变化却进行得极为顺利和迅速。例如，动物吃下的肉食在消化道内只需要几小时便被完全消化
6、分解。微生物能在条件合适时，几十分钟增殖一代，在这几十分钟内合成了新细胞内全部复杂物质（protein,DNA,RNA,多糖，脂肪等）。有人计算，一个人每天合成100万亿个新细胞，也就是12亿/秒，但每天死亡20-40万亿个细胞。这是什么物质在起着如此神秘的作用？这就是生物催化剂酶的作用。,一、酶催化作用特点,酶是生物体内产生的具有催化功能的蛋白质（Enzyme),或少量有催化功能的RNA（Ribozyme)。什么叫催化剂？物理化学家认为：当一种物质加到化学变化的系统中，可使化学反应的速度改变，而本身在变化的前后，化学性质没有改变，则该物质称为催化剂。酶和一般化学催化剂一样，它只加速化学反应进
7、行的速度，而不改变化学反应的平衡点。Enzymes,like all other catalysts,does not affect reaction equilibria,only accelerate reactions.酶除了具有一般化学催化剂的特点外，还有它特有的一些特征：,1.酶催化的反应温度在较温和的条件下，在接近生物体体温和接近中性的条件下就能发挥其作用。而一般化学催化剂催化的反应往往需要在高温高压的条件下进行。例如，固氮微生物（豆类、花生根瘤中）在常温常压下以其固氮酶固定空气中的氮气，而在合成氨工业上（氨厂）要使用铁作催化剂，300个大气压和500oC的高温，才能将空气中的氮转
8、变成氨 N2+3H2 2NH3,Fe,300大气压，500oC,2.酶比一般催化剂的效率要高得多 酶的催化效率比一般催化剂高107-1013倍。例如过氧化氢（H2O2）分解成水和氧气。2 H2O2 2H2O+O2 在生物体内这一反应由过氧化氢酶催化，但同一反应也可以由铁离子催化。然而，过氧化氢酶催化的速度就比铁离子催化的反应速度大107倍，即大一百万倍。,4.酶在强酸、强碱、高温条件下因酶蛋白变性而失去活性。5。酶的作用具有高度的专一性。这是它与一般化学催化剂之间最显著的差别。酸能催化蛋白质水解，也能催化多糖和脂肪水解。但是酶不同在于蛋白酶只能催化蛋白质水解，淀粉酶只能催化淀粉水解。例如，脲酶
9、只能催化尿素水解成CO2和NH3。H2N-CO-NH2+H2O CO2+NH3将尿素分子作细微的改变，例如用甲基取代一个氢原子：CH3-CO-NH2，它就不再能被脲酶催化水解了。,三、酶的命名及分类,1。习惯命名法:（1）根据其催化底物来命名；（2）根据所催化反应的性质来命名；（3）结合上述两个原则来命名，（4）有时在这些命名基础上加上酶的来源或其它特点。,酶的命名,2。国际系统命名法,1961年，国际生化协会酶学委员会（The Commission on Enzymes of the International Union of Biochemistry)规定:每一个酶有一特定的编号外，还有
10、一个系统名称。这个名称要体现出底物和反应的性质。如：醇：辅酶氧化还原酶。这个系统命名表明该酶是氧化还原酶，底物（substrate)是醇和辅酶，两个底物必须都写出并用：将其分开。但两个底物中有一个是水则可将水略去不写。这种命名原则很严谨，一种酶只可能有一个名称和一个编号。,2。国际系统命名法,酶的习惯名称较方便为众人所熟悉，所以一般在习惯名称后面用栝号注明系统命名及编号。例如，乙醇脱氢酶（EC 1.1.1.1 醇：NAD氧化还原酶）。又如：酶学委员会乳酸脱氢酶（EC 1.1.1.27),表示第一大类，即氧化还原酶类表示第一亚类，被氧化基团为CHOH基表示第一亚亚类，氢受体为NAD+表示乳酸脱氢
11、酶在此亚亚类中的顺序号,3.酶的分类,催化氧化-还原反应。AH2+B A+BH2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 Oxidoreductase,3.酶的分类,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。AR+B A+BR,(2)转移酶 Transferase,谷丙转氨酶,Ala,-酮戊二酸,Glu,3.酶的分类,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
12、肪酶(Lipase)催化的脂的水解反应：,(3)水解酶 hydrolase,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。AB A+B主要包括醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。CH2OPO3H2 CH2OPO3H2+,(4)裂合酶 Lyase,C=O,H0-C-H,H-C-OH,H-C-OH,CH2OPO3H2,C=O,CH2OH,H-C=O,H-C-OH,CH2OPO3H2,醛缩酶,1，6-二磷酸果糖,磷酸二羟丙酮,3-磷酸甘油醛,3.酶的分类,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 Isomer
13、ase,6-磷酸葡萄糖,6-磷酸果糖,A B,CHO C-OHHOC-H H-C-OH H-C-OH C-2OPO3H2,CH2OH C=OHOC-H H-C-OH H-C-OH C-2OPO3H2,3.酶的分类,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。这类反应必须与ATP分解反应相互偶联。A+B+ATP+H-O-H=A B+ADP+Pi 例如，丙酮酸羧化酶催化的反应。丙酮酸+CO2 草酰乙酸,(6)合成酶 Ligase or Synthetase,3.酶的分类,核酸酶是唯一的非蛋白酶。它是一类特殊的RNA，能够催化RNA分子中的磷酸酯键的水解及其逆反应
14、。,核酸酶（催化核酸）ribozyme,四、酶的化学本质及专一性,（一）酶是蛋白质 实验证据如下：（1）元素组成与分子量一致（2）化学结构和立体结构一致（3）物理、化学性质一致（二）酶的辅因子 酶,简单酶结合酶 酶蛋白 辅因子 辅酶（松）辅基（紧）,（三）单体酶、寡聚酶和多酶络合物,1。单体酶 分子量13000-350002。寡聚酶 分子量35000-几百万3。多酶络合物 一般由2-6个功能相同的酶组成。分子量在几百万以上。,四、酶的作用专一性（specificity),酶作用的专一性是酶有别于一般催化剂的最重要的特点。酶的高度专一性，对生命活动有重要意义，它是新陈代谢得以有条不紊地进行的保证
15、之一，也是酶比其他催化剂的优越之处。（一）酶作用的决对专一性和相对专一性（1）键的专一性 不同的酶，其专一性程度可以很不相同。一些酶对底物的专一性要求较低，能作用于结构类似的一系列化合物，通常称为相对专一性。例如，酯酶可以水解任何醇与醇所形成的酯，它不受酯键两端基团R和R的限制。,OR=C-O-R+H2O RCOOH+ROH,又如二肽酶可以水解二肽的肽键，而不管这个二肽是由哪两种氨基酸组成的。OH2N-C-CNH-CCOOH R R,(2)基团专一性 还有一些酶对底物的要求较高，不但要求底物具有一定的化学键，而且对键的某一端所连的基团也有一定的要求。例如，-葡萄糖苷酶能催化任何-葡萄糖苷的水解
16、。此酶要求底物,是D-葡萄糖通过-糖苷键所形成的糖苷，但不要求R基团。R基可以是直链的，支链的或环状的脂肪族基团或芳香环。,o,R,+ROH,OH,胰蛋白酶能够水解碱性氨基酸，如精氨酸或赖氨酸的羧基形成的肽键，而对此肽键氨基端的氨基酸残基没有什么要求。NH-C-CONHCH Lys R Arg,或,此外，还有一些酶对底物的要求是绝对专一性（absolute specificity)。除一种底物外，不作用任何其他物质。对底物分子作任何细微的改变，酶就不能对它催化作用了。例如脲酶只能作用于尿素，催化其水解产生NH3和CO2。R如果在尿素分子上加进一个甲基，脲酶就不能催化这个反应。H2N-CO-NH
17、2+H2O 2NH3+CO2H3C-NH-CO-NH2+H2O,（二）立体异构专一性,几乎所有的酶对于立体异构体都具有高度的专一性。也就是说，酶只能催化一种立体异构发生化学变化，而对另一种立体异构体则无作用。例如，乳酸脱氢酶只能催化 L-乳酸脱氢变为丙酮酸。CH3 CH3 CH3 但该酶对 HO-C-H C=O H-C-OH D-型乳酸 COOH COOH COOH 则无作用,（三）酶活力,1。酶活力单位(activity unit,U)国际单位IU=在最适条件（25oC)下，1分钟内转化1mol底物的酶量。2。比活力（specific activity)U/mg protein,Red balls=active enzymes.Other color balls=other proteins.The total activity is the same for the two cups but the specific activity is higher for the right cup.,五、核酶、抗体酶和固定化酶,核酶（Ribozyme)抗体酶（Abzyme)固定化酶（Immobilized enzyme),
