酶工程课程复习资料整理.docx

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酶工程课程复习资料整理

绪论

一．酶是生物催化剂

酶是具有生物催化功能的生物大分子，按其化学组成的不同可以分为两类：

蛋白类酶（P-酶）与核酸类酶（R-酶）。

Ø理解：

1、酶是由生物细胞产生

2、酶发挥催化功能不仅在细胞内，在细胞外亦可

二．酶学研究简史

1897年，Buchner兄弟发现，用石英砂磨碎的酵母细胞或无细胞滤液能和酵母细胞一样进行酒精发酵。

标志着酶学研究的开始。

Ø说明：

酶分子不仅只是在细胞内起作用，而且在细胞外同样具有催化功能。

这一发现开启了现代酶学，乃至现代生物化学的大门。

三．酶工程的现状：

目前大规模利用和生产的商品酶还很少。

第一章．酶学概论

第一节．酶作为生物催化剂的显著特点

一．酶作为生物催化剂的显著特点：

高效、专一

二．同工酶（概）：

能催化相同的化学反应，但其酶蛋白本身的分子结构组成不同的一组酶。

三．共价修饰调节

1．概念：

通过其它的酶对其结构进行共价修饰，从而使其在活性形式和非活性形式之间相互转变。

2．常见修饰类型：

磷酸化与去磷酸化；腺苷酸化与脱腺苷酸化；尿苷酸化与脱尿苷酸化；泛素化；类泛素化

3．例子：

糖原磷酸化酶——磷酸化形式有活性

（葡萄糖）n+Pi→（葡萄糖）n-1+1-磷酸葡萄糖

4．常见磷酸化部位：

丝氨酸/苏氨酸，酪氨酸和组氨酸

四．酶活性调节方式

Ø要能判断所举酶的例子是什么类型调节

1.别构调节

2.激素调节：

如乳糖合酶

修饰亚基的水平是由激素控制的。

妊娠时，修饰亚基在乳腺生成。

分娩时，由于激素水平急剧的变化，修饰亚基大量合成，它和催化亚基结合，大量合成乳糖。

3.共价修饰调节：

如糖原磷酸化酶、磷酸化酶b激酶

4．限制性蛋白水解作用与酶活性控制。

如酶原激活

5．抑制剂和激活剂的调节

6．反馈调节

7．金属离子和其它小分子化合物的调节

8．蛋白质剪接

五．反馈调节（概）：

催化某物质生成的第一步反应的酶的活性，往往被其终端产物所抑制。

这种对自我合成的抑制叫反馈抑制。

A-J：

代谢物

实线箭头：

酶促催化步骤

虚线箭头：

反馈抑制步骤

代谢途径的第一步和共同底物进入分支途径的分支点是反馈抑制的最为重要的位点。

六．蛋白质剪接（概）：

一个单一的前体蛋白通过剪接机制可以产生多种蛋白质（酶）分子，从而具有不同的功能或活性。

蛋白质剪接中，被切去的肽段称为内含肽（intein），连接起来形成成熟蛋白质的肽段称为外显肽（extein）。

蛋白质剪接的机制目前仍然是不清楚的。

第二节酶的组成、分类和命名

一．酶的化学组成

Ø掌握酶蛋白和辅因子在酶促反应中的作用，一个决定了酶和底物结合的性质，即酶的专一性，还有决定了酶催化反应的类型。

二．国际系统分类法及编号

1．六大蛋白类酶

①氧化还原类酶AH2+B→A+BH2

②转移酶AB+C→A+BC

③水解酶AB＋H2O→AOH+BH

④裂合酶AB→A+B

⑤异构酶

⑥连接酶或合成酶

A+B+ATP→AB＋ADP+Pi（或AB＋AMP+PPi）——在ATP供能下，将A和B结合在一起

2．两个比较容易混淆的酶

1）氧化磷酸化与光合磷酸化中，以跨膜质子动力势为动力推动ATP形成的酶是ATP合成酶还是ATP合酶？

催化的反应：

ADP+Pi→ATP裂合酶的逆向反应

合成酶：

synthetase;合酶：

synthase

Ø答：

应该叫做合酶

2）DNA（RNA）聚合酶属于六大类酶中的什么类型？

催化的反应：

dATP+DNADNA-dAMP+PPi

dATP=dAMP+PPi

Ø通式：

AB+C→AC+B所以属于转移酶

Ø要记住各大类酶的编号，作用特点，会判断反应类型

第三节酶的活力测定

一．酶活力（概）：

在一定条件下，酶所催化的化学反应速度，它可以用单位时间内底物的减少量或产物的增加量表示。

二．酶活力测定方法的注意事项：

1．底物及底物浓度的选择

a.根据其专一性选择底物；

b.一般采用高底物浓度测定法（10-20Km），

因为高底物浓度时反应速度无限接近于最大速度，10-20Km，接近又不浪费

Ø注意：

不是所有酶测定酶活是都采用高底物浓度测定法，有底物抑制作用的酶（即在高底物浓度条件下活性降低的酶不能用这种方法）

三．比活力（概）：

在特定条件下，每毫克（mg）酶蛋白所具有的酶活力单位数，即：

酶比活力=酶活力（单位）/mg蛋白。

它是酶纯度的一个指标。

四．酶的转换数（概）：

又称为摩尔催化活性，是指每个酶分子每分钟催化底物转化的分子数。

即每摩尔（或微摩尔）酶每分钟催化底物转变为产物的摩尔（或微摩尔）数，是酶催化效率的一个指标。

通常用每微摩尔酶的酶活力单位数表示，单位为min-1。

五.酶的催化周期（概）：

是指酶进行一次催化所需的时间，单位为毫秒或微秒。

在数值上等于酶的转换数的倒数。

第四节酶的结构与功能

一．酶分子中的氨基酸残基对酶促反应的不同贡献

Ø四种残基，列出作用后要能判断是哪一种类型

二．酶的活性部位（中心）

Ø掌握概念和结构组成的两部分

1．概念：

酶分子中，显示酶的催化活性的特殊部位称为活性部位。

2．结构组成：

*底物结合部位与催化部位并不是绝对的，活性中心的某些基团同时兼有这两种功能。

三．酶活性基团的鉴定：

Ø掌握两种物理方法的特点

Ø掌握酶分子三种失活所对应的集团

四．酶的结构改变对其催化功能的影响

Ø掌握：

破坏了哪一种集团以后会引起怎样的结果

（一）酶的一级结构改变对其催化功能的影响

1．主链断裂

①切除非贡献残基—几乎不影响酶活（但不能过长）

②切除接触残基、辅助残基和结构残基—酶活性丧失

③酶原激活—显示出催化活性；实质：

活性中心的形成和暴露。

2．二硫键断裂

影响空间构象—酶活性丧失

不影响空间构象—不影响酶活性

（二）酶的二、三级结构改变对其催化功能的影响——酶活丧失

（三）酶的四级结构破坏对其催化功能的影响

第五节酶的作用机制

一．酶和底物结合的作用力

Ø注意：

它们都是非共价结合

离子键：

底物上的一个带电荷的基团与酶分子的另一种带相反电荷基团的作用。

本质：

静电吸引力。

氢键：

底物与酶蛋白的两个电负性较大的原子，如N,O共同享有氢原子而形成的结合力。

范德华力：

底物与酶蛋白的两个原子在相距0.3-0.4nm时存在的一种非专一性的吸引力，弱，专一性小。

当酶与底物处于立体互补时，大量的范德华键的形成就导致了酶的专一性的出现。

二．酶催化反应降低活化能的来源

1．酶分子中的催化功能基团（特定的氨基酸残基侧链、金属离子和辅酶）与底物形成瞬时的共价键，并激活底物参与化学反应，甚至有时底物分子上的某些基团还可以暂时性的转移到酶分子的功能基上。

这些可以提供另外的低能途径来降低反应的活化能。

（次要）

2．酶促反应降低的活化能主要来源于酶与底物间的非共价相互作用（结合能）。

ES复合物中每一个弱的相互作用的形成，都伴随有少量的能量释放。

由于这部分结合能的释放，部分的抵消了非酶反应时所需要吸收的能量，因此反应的活化能水平大大降低。

而这种弱的相互作用在酶催化反应的过渡态时更为有效。

三．一个所谓进化完全的酶必须具备与基态底物弱结合而与过渡态底物强结合的性质。

四．能障

1．概念：

（大概理解一下，这个不准确）S与P之间还存在有能障（energybarrier），这个能障用于反应过程中基团的重新排列、不稳定的瞬时电荷的形成、化学键的重排，以及其它反应所要求的转变步骤等

2．能障的意义：

如果没有能障，细胞内复杂的大分子将会自发地回复到其较为简单的分子形式，细胞所具有的高度复杂有序的结构以及代谢过程都将不复存在。

酶分子正是通过长期进化而来的用于选择性降低细胞生存所必须反应的活化能的。

五．趋近与定向效应（概）：

由于酶分子具有活性中心，活性中心上的基团可以与底物相互接近，并使底物集团与酶活性中心的催化集团按照正确的方位几何定向，有利于种间产物的形成和催化反应的进行。

六．构象变化效应（概）：

当酶分子与底物分子互相接近时，由于两者的相互作用，酶分子和底物分子都会发生构象变化，从而更有利于酶与底物的结合和反应，使反应速度大大提高。

七．多元催化（概）：

由于酶和底物的结合，在酶促催化过程中通常可以几个基元反应配合在一起共同作用，从而使酶反应加速。

八．酸碱催化

1．概念：

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，从而有利于过渡态的形成和稳定，使得反应所需的活化能降低，使反应加速进行

2．影响因素：

a.酸碱强度

b.供出或接受质子的速度

Ø为什么组氨酸含量少，但却很重要，主要从上面两个角度进行探讨，它在这两个方面有什么优势

九．共价催化

①概念：

在酶的催化作用中，底物和酶形成一个反应活性很高的共价中间产物，这可以通过提供另外的低能途径而降低反应所需的活化能，使反应加速进行。

②分类

Ø以下两种催化，到底是酶上还是底物上有亲电集团

酶底物

亲核催化亲核基团（富电子）攻亲电基团（缺电子）

亲电催化亲电基团（缺电子）击亲核基团（富电子）

十．微环境效应（概）：

酶的活性中心上的催化基团处于一种特殊的疏水反应环境，使得酶的催化基团被低介电环境所包围，并可以排除高极性的水分子。

这样，底物分子的敏感键和酶的催化基团之间就会有很大的反应力，从而加速酶反应。

这种作用称为微环境效应。

十一.酶活性部位的柔性（我国科学家邹承鲁先生首次提出）

1．概念：

天然状态的酶具有完整的三维空间结构，其中活性部位跟其它结构部位相比，具有较大的柔性，也就是说酶活性部位基团的运动性较大。

因此，当低浓度的变性剂作用时，酶分子整体刚性部分构象保持完整，而较柔性的活性部位的局部结构已发生明显变化，如活性基团的相互靠近和立体取向受到破坏，导致酶活性的丧失。

2．意义：

酶活性部位的柔性是酶充分表现其活性所必需的

①满足底物结合诱导的构象调整（诱导契合），使得活性部位的活性基团形成一定的空间取向，以保持一个适应催化反应的空间微环境；

②残基侧链活性基团的运动更加有利于催化的高效性；

③很多酶的催化效率和底物专一性受到其它因素的调节，这就要求酶的活性部位保持一定的柔性，使其局部环境受到调节因素的影响后能发生细微的构象变化，从而调节酶的活性和底物专一性。

3．柔性与刚性之间的辩证关系

酶的柔性和刚性是局部的，也是相对的

①对于局部柔性部位的维持必须要有刚性部分来支撑；

②酶分子既要保持相对稳定的整体结构，又必须要有相对柔性的微环境状态。

正是这种刚柔相济的独特酶分子结构，构成了酶的催化作用高效性和可调节性的结构基础。

十二.辅因子在酶促反应中的作用之金属离子

Ø不会出问答题，但5个作用一定要理解

①使酶稳定于催化活性构象；

②金属离子本身可得到电子或失去电子而发生价态的变化，因而可以作为亲核剂或亲电剂；

③金属离子还可以通过接受或供出电子，激活亲电剂或亲核剂；

④金属离子带正电荷，因此可以掩蔽亲核剂，以防止不需要的副反应发生；

⑤通过配位键，将酶和底物结合在一起，使底物趋近酶分子，并促使酶的活性中心与底物之间的反应基团具有正确的空间定向。

第六节酶催化反应动力学

一．根据中间产物学说推导米氏方程

根据中间产物学说，单底物单产物酶促反应可以表示为：

由于E+S→ES的速度极小，尤其是在反应处于初始阶段时，故k-2可忽略不计。

因而酶催化反应方程可以简化为；

根据稳态学说，有：

即：

由于[E0]=[E]+[ES]，因此上式可以表示为：

则：

Km[ES]=[E0][S]-[ES][S]

因此

由于v0=k2[ES]，vmax＝k2[E0]，所以