02 第二章 酶学与酶工程.ppt

第1页：酶工程课程英文标题页

Enzyme Engineering 酶工程（退出）。

第2页：第二章酶学与酶工程 章节目录

第二章 酶学与酶工程

• 第一节 酶的分类、组成、结构特点和作用机制
• 第二节 酶作为催化剂的显著特点
• 第三节 酶抑制作用的概念和分类
• 第四节 可逆抑制作用
• 第五节 不可逆抑制作用
• 第六节 酶抑制剂的应用

第3页：第一节目录 酶的分类组成与作用机制

第一节 酶的分类、组成、结构特点和作用机制

• 一．酶的分类：
• 二．酶的组成和结构特点
• 三．酶的作用机制

第4页：酶的七大类分类目录

一．酶的分类

• 1．氧化还原酶
• 2．转移酶
• 3．水解酶
• 4．裂合酶
• 5．异构酶
• 6．连接酶（合成酶）
• 7．核酸酶（催化核酸）

第5页：氧化还原酶

氧化还原酶（Oxidoreductase）

包括脱氢酶（Dehydrogenase）、氧化酶（Oxidase）、过氧化物酶、氧合酶、细胞色素氧化酶等。

第6页：转移酶

转移酶（Transferase）

包括酮醛基转移酶、酰基转移酶、糖苷基转移酶、含氮基转移酶等。

第7页：水解酶

水解酶（Hydrolase）

脂肪酶、糖苷酶、肽酶等，水解酶一般不需辅酶。

第8页：裂合酶

裂合酶（Lyase）

这类酶可脱去底物上某一基团留下双键，或可相反地在双键处加入某一基团。

第9页：异构酶

异构酶（Isomerase）

此类酶为生物代谢需要对某些物质进行分子异构化，分别进行外消旋、差向异构、顺反异构等。

第10页：连接酶（合成酶）

连接酶（合成酶，Ligase or Synthetase）

这类酶关系很多生命物质的合成，其特点是需要三磷酸腺苷等高能磷酸酯作为结合能源，有的还需金属离子辅助因子。分别形成C-O键（与蛋白质合成有关）、C-S键（与脂肪酸合成有关）、C-C键和磷酸酯键。

第11页：核酶

核酸酶（催化核酸）Ribozyme

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。

第12页：酶用于生物催化的概况

酶用于生物催化的概况

第13页：酶的组成和结构特点

二．酶的组成和结构特点

• 1．单体酶
• 2．寡聚酶
• 3．多酶复合体

第14页：多酶复合体的组成部分

多酶复合体的组成部分

辅因子

酶蛋白中非蛋白质部分，可以是无机离子，也可以是有机化合物。

辅酶

有机辅因子与酶蛋白结合松散即为辅酶。

辅基

有机辅因子与酶蛋白结合紧密即为辅基。

第15页：酶的作用机制目录

三．酶的作用机制

• 1．酶的作用过程
• 2．酶与底物的结合模型
• 3．酶的催化作用

第16页：酶的活性部位

酶的活性部位

是它结合底物和将底物转化为产物的区域，通常是整个酶分子相当小的部分，它是由在线性多肽中可能相隔很远的氨基酸残基形成的三维实体。

第17页：酶与底物结合模型的两种类型

酶与底物的结合模型

• a．锁和钥匙模型
• b．诱导契合模型

第18页：锁和钥匙模型

a．锁和钥匙模型：底物与酶活性部位如同钥匙与锁，构象上预先互补、刚性契合。本页主体为模型示意图，具体结构标注建议对照原图补充。

第19页：诱导契合模型

b．诱导契合模型：底物接近酶时诱导酶蛋白构象改变，使活性部位与底物形成互补契合。本页主体为模型示意图，具体结构标注建议对照原图补充。

第20页：酶的催化作用目录

3．酶的催化作用

• （1）研究方法
• （2）影响酶的催化作用

第21页：酶催化作用的研究方法

（1）研究方法

• a. 从非酶系统模式获得催化作用规律
• b. 从酶的结构与功能研究中得到催化作用机理的证据

第22页：影响酶催化作用的因素

（2）影响酶的催化作用

• a. 广义的酸碱催化
• b. 共价催化
• c. 邻近效应及定向效应
• d. 变形或张力
• e. 酶的活性中心为疏水区域

第23页：广义的酸碱催化

a. 广义的酸碱催化：能供给质子的物质即为酸，能接受质子的物质即为碱。

• 例：HA = A- + H+，HA为酸，A-为碱
• 酸催化：HA（酸）+ A = AXH
• 碱催化：AXH + B-（碱）= Y + BH + A-

第24页：共价催化

共价催化

底物与酶以共价方式形成中间物。这种中间物可以很快转变为活化能大为降低的转变态，从而提高催化反应速度。

第25页：亲电试剂与亲核试剂

亲电试剂

一种试剂具有强烈亲和电子的原子中心。

亲核试剂

一种试剂具有强烈供给电子的原子中心。

第26页：邻近效应及定向效应

邻近效应及定向效应

所谓邻近效应就是底物的反应基团与酶的催化基团越靠近，其反应速度越快。

第27页：变形或张力

d．变形或张力：底物与酶结合后被诱导变形、产生张力，从而更易达到过渡态。本页主体为示意图，具体标注建议对照原图补充。

第28页：酶的活性中心为疏水区域

酶的活性中心为疏水区域

酶的活性中心为酶分子的凹穴，此处常为非极性或疏水性的氨基酸残基。

第29页：第一节内容小结

第一节结束

• 酶的分类：氧化还原酶、转移酶、水解酶、裂合酶、异构酶、连接酶
• 酶的组成和结构特点：单体酶、寡聚酶、多酶复合体
• 酶的作用机制：酶的作用过程、酶与底物的结合模型（锁和钥匙模型、诱导契合模型）、酶的催化作用（广义的酸碱催化、共价催化、邻近效应及定向效应、变形或张力、酶的活性中心为疏水区域）

第30页：第一节结束

第一节结束，点击返回。

第31页：第二节目录 酶作为催化剂的显著特点

第二节 酶作为催化剂的显著特点

• 一．催化能力
• 二．专一性
• 三．调节性

第32页：酶的催化能力

催化转换数

每个酶分子每分钟催化底物转化的分子数，一般为10³ min^-1，碳酸酐酶最高为3.6×10⁷ min^-1。

有酶加入比无酶参加，反应速度一般要高10⁷~10¹³。

第33页：酶的专一性

二．专一性

• 绝对专一：只催化一种底物进行快速反应，甚至是立体专一性
• 相对专一性：基团专一和键专一

第34页：酶的调节性

三．调节性

• 1. 酶浓度的调节
• 2. 激素调节
• 3. 共价修饰调节
• 4. 限制性蛋白水解作用与酶活力调控
• 5. 抑制剂的调节
• 6. 反馈调节
• 7. 金属离子和其他小分子化合物的调节

第35页：第二节内容小结

第二节结束

• 催化能力
• 专一性：绝对专一、相对专一
• 调节性：酶浓度的调节、激素调节、共价修饰调节、限制性蛋白水解作用与酶活力调控、抑制剂的调节、反馈调节、金属离子和其他小分子化合物的调节

第36页：第二节结束

第二节结束，点击返回。

第37页：第三节目录 酶抑制作用的概念和分类

第三节 酶抑制作用的概念和分类

• 一 概念
• 二 抑制程度的表示
• 三 抑制作用的分类
• 四 抑制作用的定义

第38页：降低酶反应速度的四种作用

一 概念：能降低酶催化反应速度的因素

• 1. 失活作用
• 2. 抑制作用
• 3. 去激活作用
• 4. 阻遏作用

第39页：失活作用

失活作用

指由于一些物理因素和化学试剂部分或全部破坏了酶的三维结构，即引起酶蛋白变性，导致部分或全部丧失活性。

第40页：抑制作用

抑制作用

指在酶不变性的情况下，由于必需基团或活性中心化学性质的改变而引起的酶活性的降低或丧失。

第41页：去激活作用

去激活作用

某些酶只有在金属离子存在下才有活性，去除金属离子也会引起这些酶活性的降低或丧失。

第42页：阻遏作用

阻遏作用

指某些因素（如激素或药物等）使细胞内酶蛋白的合成减少，反应速度的降低是由于酶分子数量的减少，每分子酶的催化效力并无变化。

第43页：抑制程度的表示说明

二．抑制程度的表示：一般用反应速度的变化来表示。若以不加抑制剂时的反应速度为V₀，加入抑制剂后的反应速度为V_i，则酶的抑制程度有下列几种表示方法。

第44页：抑制程度的四种表示方法

二．抑制程度的表示

• 1．相对活力分数（残余活力分数）a = V_i/V₀
• 2．相对活力百分数（残余活力百分数）a% = V_i/V₀ × 100%
• 3．抑制分数，指被抑制而失去活力的分数 i = 1 - a = 1 - V_i/V₀
• 4．抑制百分数 i% = (1 - a) × 100% = (1 - V_i/V₀) × 100%

通常所谓抑制率是指抑制分数或抑制百分数。

第45页：抑制作用的分类

三．抑制作用的分类

• 不可逆抑制作用（非专一性不可逆抑制作用；专一性不可逆抑制作用）
• 可逆抑制作用（竞争性抑制作用、非竞争性抑制作用、反竞争性抑制作用、混合型抑制）

第46页：抑制作用的定义目录

四．抑制作用的定义

• 1．不可逆抑制作用
• 2．可逆抑制作用

第47页：不可逆抑制作用

不可逆抑制作用

抑制剂与酶的必需基团以共价键结合而引起酶活性丧失，不能用透析、超滤或凝胶过滤等物理方法去除抑制剂而使酶复活者，称为不可逆抑制作用。

第48页：可逆抑制作用

可逆抑制作用

抑制剂与酶以非共价键结合而引起酶活性的降低或丧失，能用物理的方法除去抑制剂而使酶复活者称为可逆抑制作用。

第49页：可逆抑制与不可逆抑制的鉴别方法

五．可逆抑制和不可逆抑制作用的鉴别：除了根据透析、过滤等物理方法视其能否去除抑制剂来区别不可逆抑制和可逆抑制作用外，还可以利用下列两种动力学方法加以鉴别。

第50页：可逆与不可逆抑制的动力学鉴别

本页为两种动力学鉴别方法的图示承上页，源文件仅提取到导航文字，图示内容建议对照原图补充。

第51页：鉴别方法1

方法1：动力学鉴别方法之一（本页主体为作图示意图，具体作图方式与判读结论建议对照原图补充）。

第52页：鉴别方法2

方法2：动力学鉴别方法之二（本页主体为作图示意图，具体作图方式与判读结论建议对照原图补充）。

第53页：第三节内容小结

第三节结束

• 一 概念：失活作用、抑制作用、去激活作用、阻遏作用
• 二 抑制程度的表示：相对活力分数、相对活力百分数、抑制分数、抑制百分数
• 三 抑制作用的分类：不可逆抑制作用、可逆抑制作用
• 四 抑制作用的动力学方法鉴别

第54页：第三节结束

第三节结束，点击返回。

第55页：第二章章目录（第四节前）

第二章 酶学与酶工程

• 第一节 酶的分类、组成、结构特点和作用机制
• 第二节 酶作为催化剂的显著特点
• 第三节 酶抑制作用的概念和分类
• 第四节 可逆抑制作用
• 第五节 不可逆抑制作用
• 第六节 酶抑制剂的应用

第56页：第四节目录 可逆抑制作用

第四节 可逆抑制作用

• 一 竞争性抑制作用
• 二 反竞争性抑制
• 三 非竞争性
• 三 其他可逆抑制

第57页：竞争性抑制作用目录

一 竞争性抑制作用

• 1. 竞争性抑制作用的含义
• 2. 竞争性抑制作用的机理
• 3. 竞争性抑制作用举例
• 4．过渡态的类似物作为竞争性的抑制剂

第58页：竞争性抑制作用的含义

1. 竞争性抑制作用的含义：抑制剂与底物竞争酶的同一结合位点（本页主体为示意图，竞争结合的图示细节建议对照原图补充）。

第59页：竞争性抑制作用的机理

2. 竞争性抑制作用的机理

• 抑制剂与底物在结构上有类似之处
• 可能结合在底物所结合的位点（如结合基团）上，从而阻断了底物和酶的结合
• 降低酶和底物的亲和力

第60页：竞争性抑制作用的药物实例

3. 竞争性抑制作用举例：某些药物或体内代谢物对酶的竞争性抑制作用

注：源文件「抗通风」按标准术语修正为「抗痛风」，「6-氨基已酸」修正为「6-氨基己酸」。

第61页：过渡态类似物作为竞争性抑制剂

过渡态底物

指底物和酶结合成中间复合体后被活化的过渡形式，一般用S*表示，由于其能障小，和酶结合就紧密得多。因此过渡态类似物可作为高效的竞争性抑制剂。

第62页：过渡态类似物抑制剂（一）

4．过渡态的类似物作为竞争性的抑制剂（图示一）：本页主体为示意图，具体结合模式建议对照原图补充。

第63页：过渡态类似物抑制剂（二）

4．过渡态的类似物作为竞争性的抑制剂（图示二）：本页主体为示意图，具体结合模式建议对照原图补充。

第64页：反竞争性抑制

二．反竞争性抑制：抑制剂与酶-底物复合物结合（本页主体为作用示意图，动力学关系式建议对照原图补充）。

第65页：反竞争性抑制举例

反竞争性抑制举例

• 单底物酶：如芳香基硫酸基的肼解，氰化物抑制芳香硫酸酯酶的作用
• 多底物：如双底物乒乓机制中，任何一个底物的竞争性抑制剂也是另一底物的反竞争性抑制剂

第66页：非竞争性抑制

三．非竞争性抑制：K_i = K_i′，抑制剂与游离酶、酶-底物复合物的结合能力相同。

第67页：非竞争性抑制举例

非竞争性抑制举例：本页主体为示例图示，具体酶与抑制剂名称建议对照原图补充。

第68页：混合型抑制

四．混合型抑制：抑制剂既可结合游离酶又可结合酶-底物复合物，且K_i ≠ K_i′（本页主体为动力学图示，具体作图建议对照原图补充）。

第69页：其他可逆抑制类型

五．其他可逆抑制

• 1．部分抑制
• 2．底物抑制
• 3．产物抑制

第70页：部分抑制

部分抑制

假如混合型抑制中ESI复合物也能释放产物即为部分抑制。

第71页：底物抑制

2．底物抑制：底物浓度过高时反应速度反而下降（本页主体为曲线示意图，具体曲线与判读建议对照原图补充）。

第72页：产物抑制

产物抑制

产物对酶反应的抑制作用在生物体中较为常见。在细胞内，酶反应的产物虽然不断被另外的酶作用，但S和P总是同时存在的，因此考虑产物对反应速度的影响可能具有一定的意义。

第73页：第四节内容小结

第四节结束

• 竞争性抑制作用：含义、机理、举例、过渡态类似物作为竞争性抑制剂
• 反竞争性抑制：概念、举例
• 非竞争性抑制
• 混合型抑制
• 其他可逆抑制：部分抑制、底物抑制、产物抑制

第74页：第四节结束

第四节结束，点击返回。

第75页：第五节目录 不可逆抑制作用

第五节 不可逆抑制作用

• 一．非专一性的不可逆抑制作用
• 二．专一性不可逆抑制剂

第76页：非专一性不可逆抑制作用

一．非专一性的不可逆抑制作用

• 概念：抑制剂能和酶上的一类或几类基团反应
• 类型：酰化剂、烃基化剂、含活泼双键的试剂、亲电试剂、氧化剂、还原剂

第77页：专一性不可逆抑制剂的类型

二．专一性不可逆抑制剂的类型

• 1．Ks型结合型不可逆抑制剂
• 2．Kcat型催化型不可逆抑制剂（自杀底物）

第78页：Ks型结合型不可逆抑制剂

Ks型结合型专一性不可逆抑制剂

抑制剂只能专一地与某种酶结合而引起的不可逆抑制作用。

• 对甲苯磺酰-L-苯丙氨酰氯甲酮（TPCK）抑制胰凝乳蛋白酶
• 对甲苯磺酰-L-赖氨酰氯甲酮（TLCK）抑制胰蛋白酶

第79页：Kcat型催化型不可逆抑制剂

Kcat型催化型不可逆抑制剂（自杀底物）

抑制剂能专一地与某种酶结合并发生催化反应，而反应的产物中含有一个基团可以与酶分子活性中心的基团共价结合，导致酶分子不可逆地丧失催化活性。

第80页：自杀底物的两个来源

Kcat型不可逆抑制剂（自杀底物）

• （1）天然酶的自杀底物
• （2）治疗用人工合成的酶自杀底物

第81页：天然酶的自杀底物

天然酶的自杀底物

Ackee（Blighia sapida）植物未成熟果实的假种皮中含有一种有毒的降糖氨酸（即甲叉环丙基丙氨酸）。

第82页：人工合成的酶自杀底物疗法

治疗用人工合成的酶自杀底物：用于治疗高血压、癫痫、抗青霉素的菌株、肿瘤治疗、治疗震颤麻痹症、痛风症的自杀底物疗法。

注：源文件「震颠麻痹症」按标准医学术语记作「震颤麻痹症」。

第83页：第五节内容小结

第五节结束

• 非专一性的不可逆抑制作用：酰化剂、烃基化剂、含活泼双键的试剂、亲电试剂、氧化剂、还原剂
• 专一性不可逆抑制剂：Ks型专一性不可逆抑制剂、Kcat型不可逆抑制剂（自杀底物）

第84页：第五节结束

第五节结束，点击返回。

第85页：第六节目录 酶抑制剂的应用

第六节 酶抑制剂的应用

• 一 医学上的应用
• 二 农业生产上的应用
• 三 工业生产上应用

第86页：青霉素类药物的抑菌与耐药

一 医学上的应用：青霉素类药物

长期使用青霉素，细菌中产生β-内酰胺酶，可水解青霉素中的内酰胺环，使之成为不杀菌的青霉酸酰（不能形成D-丙氨酸-D-丙氨酸结构，丧失了杀菌能力）。

第87页：青霉素类药物作用示意

1．青霉素类药物（结构示意图）：本页主体为青霉素结构与作用示意，具体结构标注建议对照原图补充。

第88页：青霉素竞争抑制转肽酶

青霉素与转肽酶底物两者结构类似，故可竞争性地抑制转肽酶，导致胞壁合成障碍。

第89页：传统化学法生产β-内酰胺抗生素路线

图1.1 传统化学法生产β-内酰胺抗生素路线：本页以路线图方式给出传统化学合成工艺，各步中间体与试剂建议对照原图补充。

第90页：酶法生产β-内酰胺类抗生素路线

图1.2 酶法生产β-内酰胺类抗生素路线图：以青霉素G酰化酶（PGA）制备6-氨基青霉烷酸（6-APA），并进一步获得7-ADCA与7-ACA。PGA for penicillin G acylase；6-APA for 6-aminopenicillinic acid；7-ADCA for 7-aminodeacetoxycephalosporanic acid；7-ACA for 7-aminocephalosporanic acid。

第91页：青霉素G酰化酶的合成与后加工

图1.3 青霉素G酰化酶在大肠杆菌中的合成与后加工：pac基因编码多肽前体preproPAC，自N端至C端依次为信号肽（S）、α亚基（α）、连接肽（C）与β亚基（β）。

第92页：青霉素酰化酶的三维结构图

图1.4 青霉素酰化酶的三维结构图：MOLSCRIPT表示的异二聚体，A链（红色）缠绕B链（蓝色）。（Duggleby, H.J. Nature, 1995, 373: 264-268）

第93页：青霉素酰化酶的亚基组成

青霉素酰化酶的结构

• 不同来源的青霉素酰化酶都由α、β两个亚基组成，α亚基分子量约24k，β亚基分子量约65k
• E. coli来源的PGA结构基因全长2538个核苷酸，编码846个氨基酸组成的前体蛋白，包括26个氨基酸的信号肽、209个氨基酸的α亚基、54个氨基酸的连接肽和557个氨基酸的β亚基

第94页：青霉素酰化酶的催化活性中心

青霉素酰化酶的催化活性中心

• 采用多底物竞争性抑制，用X射线晶体衍射测定了酶与苯乙酸、3,4-二羟基苯乙酸、2,5-二羟基苯乙酸、p-硝基苯乙酸复合物的三维结构
• 底物结合区域构象的变化可能作为酶自催化的开关；PGA活性高度依赖于Asn B241，B241 Asn导致形成阳离子的洞，包括底物与Ser B1
• Arg A263参与底物结合并协助Asn B241定位；Phe 146是底物进入活性中心的开关
• 青霉素酰化酶的催化活性中心是Ser-Asn二联体

第95页：青霉素酰化酶催化水解机理

图1.6 青霉素酰化酶催化水解青霉素G机理示意图：酰胺键的羰基碳原子被Ser1进攻，经四面体过渡态形成共价酰基-酶中间体，并由Asn241与Ala69的氢键稳定；该中间体形成丝氨酰-酶并释放6-APA；酰基-酶再被水进攻形成第二个四面体中间体，最终分解释放苯乙酸（PAA）。虚线表示可能的氢键。

第96页：有机磷农药抑制乙酰胆碱酯酶

二 农业生产上的应用：农药杀虫的机理是抑制生物体中的靶酶。例如有机磷的杀虫原理主要是胆碱对生物体神经突触后膜上的乙酰胆碱酶（AChE）的抑制，造成突触间隙乙酰胆碱的积蓄，持续地作用于受体，引起一系列反应使病虫神经过度兴奋而死亡。

第97页：多酚氧化酶抑制剂与酶促褐变

三 工业生产上应用：食品加工过程中由于多酚氧化酶的作用发生酶促褐变，使果蔬类加工食品货架寿期缩短。多酚氧化酶是含铜金属蛋白，因而许多金属螯合剂是其抑制剂。

第98页：酶抑制剂应用研究热点

四．应用研究热点

• 1. 转换酶抑制剂的临床应用进展
• 2. HIV蛋白酶抑制剂的研究进展

第99页：第六节结束

第六节结束，点击返回。