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酶学Enzymology--研究酶的性质、结构和作用原理、作用规律、生物学功能、酶工程学以及酶应用的科学。生命的两个基本条件•生命有机体必须能够复制自身；•有机体必须能够有效和选择性地催化化学反应。酶是生物催化剂(Catalyst)生物无论多少复杂、多样，都需要酶（enzyme)。酶和生命活动密切相关，几乎参加了所有的生命活动和生命过程。催化剂是一类能改变化学反应速度但不改变反应性质、方向、平衡点的物质，在反应前后自身不发生化学变化。酶的生物学功能新陈代谢糖、脂、蛋白质、核酸等生物合成和降解代谢及其代谢调节。分子生物学的“钥匙”（工具酶）限制性内切酶、连接酶、聚合酶、反转录酶、核酸酶、磷酸酯酶等。广泛的生物学意义细胞生长、分化及凋亡、信号转导、神经活动、肌肉收缩、肿瘤发生等。酶Enzyme希腊语原意:inyeast生命体内催化化学反应的物质细胞中大部分球蛋白为酶酶是由生物活细胞产生的，能在体内体外起同样催化作用的一类具有活性中心和特殊构象的生物大分子，酶是生物催化剂。化学反应的活化能一个化学反应中，开始时，反应物（S）的平均能量水平较低（初态，initialstate)（A），在反应的任何一刻，反应物中都有一部分分子具有比初态更高一些的能量，高出的这部分能量为活化能（activationenergy)，使这些分子进入过渡态（transitionstate)，即活化态（A*)，这时就能形成或打破一些化学键，形成新的物质--产物(P）。这些具有较高能量、处于活化态的分子为活化分子，反应物中这种分子愈多，反应速度就愈快。活化能就是在一定温度下1mol底物全部进入活化态所需要的自由能（J/mol）。酶能降低反应的活化能酶与其他催化剂一样，能降低化学反应的活化能。催化反应中只需较少的能量就可使反应物进入“活化态”，与非催化反应比，活化分子的数量大大增加，加快了反应速度。如H2O2的分解，没有催化剂时的活化能为75.24kJ/mol，用胶态钯作催化剂，活化能只需48.9kJ/mol；而过氧化氢酶催化时，活化能下降到8.36kJ/mol以下。酶作为催化剂参加一次化学反应后立即恢复到原来状态，继续催化反应。酶为什么能催化生化反应酶的化学本质是蛋白质1、酶溶液是高分子胶体，而且是两性电解质，在电场中可发生泳动，活性-pH曲线与两性离子的解离曲线相似。2、导致蛋白质变性的因素往往也能使酶变性。3、通常能被蛋白水解酶水解丧失活性。4、高度纯化的酶的化学组成表现为蛋白质。5、根据RNase的一级结构，从氨基酸合成了有相同催化活性的蛋白质产物。有些酶不是蛋白质上世纪70-80年代，发现核糖核酸酶P等酶，除蛋白质外还包含RNA（对RNaseP，RNA占77%），且后者在催化过程起着不可或缺的作用。Altman发现该酶可耐受胰蛋白酶的作用，但RNaseA处理失去活性；将蛋白质与RNA分开后，单独都不表现RNaseP活性；重组后恢复活性。Cech在研究rRNA加工中发现rRNA前体本身就具有催化能力。之后，Altman和Pace两家实验室同时证明RNA的催化能力-核酶（Ribozyme）。Cech和Altman因此获1989诺贝尔奖。其后，还有大量RNA催化剂的报道，甚至还有DNA催化剂及糖催化剂的报道。但这些并不否定“酶的化学本质是蛋白质”的结论。酶作为生物催化剂1、所有的酶都是由生物体产生的，几乎所有的生物包括病毒都能编码和合成酶。2、酶与生命活动密切相关（1）酶参与了生物体内所有的生命活动和生命过程。（执行具体生理机能；清除有害物质；协同激素等生理活性物质在体内发挥信号转换、传递和放大作用，调节生理过程和生命活动；催化代谢反应）。（2）酶的组成和分布是生物进化及组织功能分化的基础。（3）酶能在多种水平上进行调节以适应各种生命活动的需要。酶的特点酶具有一般催化剂的特点，如加快反应速度、反应前后无变化、不改变反应的平衡点。酶还具有自身的特点：1、催化效率高：比非催化反应高108-1020，比其他催化反应高107-1013。2、酶活性受环境变化的影响，易失活。3、生物体内，酶活性受到其他因素的调节和控制。4、酶的催化作用具有高度专一性：结构专一性（绝对专一性和相对专一性）和立体异构专一性。1713年Reaumur（法）胃液消化作用研究1783年Spallamzan发现鸟的胃液能消化肉1814年Kirchhoff发现稀酸对淀粉的分解作用【麦芽抽提液加入淀粉后能生成麦芽糖,即麦芽抽提液中必定有能水解淀粉的水溶性物质→ferment(酵素)】1826年Mitscherlich提倡水溶性酵素为unorganizedferment1830年Kuhlne，首次使用Enzyme这一术语1833年Payen&Persoz从麦芽抽提液得到了ferment,称diastase【溶于水、稀酸,但不溶于高浓度酒精,即现在的amylase】1835年Berzelius提出ferment起的是催化作用酶学研究史11857年Pasteur认为发酵分几个阶段进行,每一步都有特定的酶参与,但酶只在活体细胞中才能起作用。1894年Bertrand发现了水解酶以外的酶。1897年Buchner兄弟以“没有酵母的酒精发酵”证明了酶可以离开细胞起作用。1910年Halden&Young发现酶是蛋白质与耐热性低分子量化合物(cofactor)的复合物,提出蛋白质只是担体。1913年米氏方程建立。1926年Sumner得到了Urease的结晶【12年后,Northrop结晶化了Pepsin,Trypsin等蛋白酶】结晶中测定不到cofactor。酶学研究史21929年Warburg发现呼吸链诸酶中的血红素【1935-1936年维生素与辅酶的关系的解明】1929年Sabbarow发现ATP【1939-1940年，F.Lipmann解明高能磷酸化合物的生理意义】1959年SutherlandcAMP的发现-酶与激素的关系1970年Restrictionenzyme的发现-基因工程1982年ThomasR.Cech和SidneyAltman在研究RNA分子剪切机理时发现RNA分子也有催化能力。酶学研究史3现代酶学的发展方向现代酶学沿着两个方向发展：酶的分子生物学和酶工程（学）。酶分子生物学的任务是深入揭示酶的结构与功能的关系、酶的催化机制与调节机制、酶与生命活动的关系、进一步设计和改造酶、在基因水平进行酶的调节和控制。酶工程（学）的任务是要解决如何更经济有效地进行酶的生产、制备和应用。将基因工程、分子生物学成果用于酶的生产。进一步开发固定化酶技术和酶反应器。酶学研究诺贝尔奖获得者•1907Buchner,E.酵母无细胞提取液的酒精发酵作用•1929Euler-Chelpin,H.&Harden,A.糖发酵及其有关酶•1931Warburg,O.呼吸酶及其作用机制•1946Northrop,J.,Stanley,W.,&Sumner,J.（脲）酶结晶•1947Cori,C.,&Cori,G.糖原磷酸化酶•1955Theorell,A.氧化酶•1959Kornberg,A.DNA聚合酶•1971SutherlandcAMP（腺苷酸环化酶，第二信使）•1975Baltimore,D.,Dulbecco,R.,&Temin,H.逆转录酶•1978Arber,W.,Nathans,D.&Smith,H.DNA限制性内切酶•1982(9)ThomasRCech&S.Altman核酶的发现•1992Fischer,E.,&Krebs,E糖原磷酸化酶可逆磷酸化•1994Rodbell,M.,&Gilman,A.G蛋白酶的分类全酶(holoenzyme)||酶蛋白（apoenzyme)+辅助因子（cofactor)cofactor酶的结构概念辅基prostheticgroup辅酶co-enzyme金属离子(也可归入辅基)结合力强酶的分子组成单纯蛋白酶结合蛋白酶决定催化反应的特异性（选择E催化的S）—酶蛋白+辅助因子有机小分子金属离子（全酶）辅基辅酶（B族Vit）决定催化反应的类型（递电子、氢或一些基团）辅基与辅酶：与酶蛋白共价结合，牢而不易分离（辅基）与酶蛋白非共价结合，疏松而易分离（辅酶）酶的辅助因子包括金属离子和有机化合物，本身无催化作用，除稳定酶的构象外，一般在酶促反应中运输转移电子、原子或某些功能基团。有些蛋白质也具有这种作用，被称为蛋白辅酶。与酶蛋白结合松驰的辅助因子，可以通过透析或超滤等除去，被称为辅酶(cofactor或coenzyme)。有一些辅助因子以共价的形式与酶蛋白牢固地结合在一起，不能通过透析或超滤除去，被称为辅基(prostheticgroup)。单体酶、寡聚酶和多酶体系根据酶蛋白分子的特点将酶分为三类：•单体酶(monomericenzyme)，只有一条多肽链，很少，一般是催化水解反应的酶，如胰蛋白酶等。•寡聚酶(oligomericenzyme)，分子量35000-几百万，由几个甚至几十个亚基组成，亚基一般无活性，可以相同也可以，亚基间非共价结合，容易分开，如3-磷酸甘油醛脱氢酶。•多酶体系(multienzymesystem)，由几种酶彼此嵌合形成的复合体，有利于一系列反应的连续进行，分子量一般在几百万。还有人将多种不同催化功能存在于一条多肽链中的酶称为多功能酶(multifunctionalenzyme)或串联酶(tandemenzyme)，由于多酶体系在进化过程中基因的融合造成的。习惯命名法（1961年前）：根据底物的名称：淀粉酶、脂肪酶、蛋白酶根据反应的性质：转氨酶、脱氢酶、脱羧酶以催化的性质和底物名称：乳酸脱氢酶以酶的来源或其他性质：牛小肠碱性磷酸酯酶国际系统命名法：谷丙转氨酶：L-Ala：-酮戊二酸氨基转移酶草酸氧化酶：草酸：氧氧化酶乙酰辅酶A水解酶：乙酰辅酶A：水解酶EC(EnzymeCommision)号的第一个数字1.Oxido-reductases氧化还原酶类2.Transferases转移酶类3.Hydrolases水解酶类4.Lyases/synthases（裂）合酶类5.Isomerases异构酶类6.Ligase/synthetases连接(合成）酶类酶的命名法乳酸脱氢酶lactatedehydrogenase,1.1.1.271961年，国际生物化学学会酶学委员会对自然界存在的酶进行了广泛的研究，对每一个酶给出了一个习惯名称和系统名称。氧化还原酶转移酶水解酶裂合酶（合酶）异构酶连接酶（合成酶）类别EC1.1.1.27酶学委员会EnzymeCommision六大类酶的1-6类作用的基团或键的特点分成的亚类亚类按顺序再编成亚亚类该酶在亚亚类中的次序酶反应动力学--米氏方程研究酶反应速度规律以及各种因素对酶反应速度影响的科学KineticsofEnzyme-catalyzedReactions底物浓度对反应速度的影响前提：I.单底物、单产物反应II.反应速度取其初速度，即反应刚刚开始，产物的生成量极少，逆反应可不予考虑III.底物浓度远远大于酶浓度在其他因素不变的情况下，底物浓度对反应速度的影响呈矩形双曲线关系（rectangularhyperbola)[S]VVmax当底物浓度较低时：底物被酶饱和，反应速度与底物浓度成正比，反应相对于底物为一级反应。firstorderreaction随着底物浓度的增高：反应速度不再成正比例加速，相对于底物反应表现为混合级反应。[S]VVmaxmixedorderreaction[S]VVmax当底物浓度高达一定程度：酶为底物所饱和，反应速度不再随底物浓度增加，达最大反应速度，相对于底物反应为零级反应。zeroorderreactionfirstorderreactionmixedorderreactionzeroorderreaction酶催化应速度与底物浓度的关系酶反应过程中各组分的变化S+EESE+PS:substanceP:productE:enzyme发生在很短的时间内pre-steadystateE