1、Enzyme EngineeringEnzyme Engineering本課程講授酶學和酶工程的相關知識，包括酶的生產、酶的改性以及酶的應用課程性質專業基礎課，34+30=64學時，3學分適用對象：生物工程專業先修課程有機化學、生物化學、微生物學、發酵工程Enzyme EngineeringEnzyme Engineering教材和教學參考書教材：，郭勇編著，科學出版社，2009Enzyme EngineeringEnzyme Engineering教材和教學參考書教學參考書，羅貴民主編，化學工業出版社，2008，袁勤生主編，華東理工大學出版社，2001，周曉云主編，中國輕工業出版社，2007

2、Enzyme EngineeringEnzyme Engineering課程主要內容酶和酶工程概論（第一章）酶的生產微生物發酵產酶（第二章）動植物細胞培養產酶（第三章）酶的提取與分離純化（第四章）酶的改性酶分子修飾（第五章）酶、細胞、原生質體固定化（第六章）酶非水相催化（第七章）酶定向進化（第八章）酶的應用酶反應器（第九章）酶的應用（第十章）Enzyme EngineeringEnzyme Engineering教學目的和要求以酶學的內容為基礎，酶的工程應用為主，融入各章節內容中。通過本課程的學習，要求系統地掌握酶的生產、改性與應用的技術過程。理解和掌握酶工程的主要理論、概念，掌握酶工程的研究

3、方法，熟悉工程應用。了解相關的新進展。考核方式期末筆試（閉卷）Enzyme EngineeringEnzyme EngineeringEnzyme EngineeringEnzyme Engineering酶（酶（enzyme）定義：定義：活細胞產生的一類具有催化功能的生物分子，又活細胞產生的一類具有催化功能的生物分子，又稱為生物催化劑。稱為生物催化劑。分類：分類：蛋白類酶（蛋白類酶（protein enzyme，P酶）酶）由蛋白質構成，部分含有金屬及輔基，不含核酸成分由蛋白質構成，部分含有金屬及輔基，不含核酸成分核酸類酶（核酸類酶（RNA enzyme，R酶）酶）是具有催化能力的是具有催化能

4、力的RNA分子內催化和分子間催化分子內催化和分子間催化Enzyme EngineeringEnzyme Engineering酶工程（酶工程（enzyme engineering）將酶或者微生物細胞、動植物細胞、細胞器等在一定的將酶或者微生物細胞、動植物細胞、細胞器等在一定的生物反應裝置中，利用酶所具有的生物催化功能，借助生物反應裝置中，利用酶所具有的生物催化功能，借助工程手段將相應的原料轉化成有用物質并應用于社會生工程手段將相應的原料轉化成有用物質并應用于社會生活的一門科學技術活的一門科學技術現代酶學理論與化工技術的交叉現代酶學理論與化工技術的交叉應用領域應用領域食品工業食品工業輕工業輕工業

5、醫藥工業醫藥工業Enzyme EngineeringEnzyme Engineering本章主要內容本章主要內容酶的基本概念和發展歷史酶的基本概念和發展歷史酶催化作用特點酶催化作用特點影響酶催化作用的因素影響酶催化作用的因素酶的分類與命名酶的分類與命名酶的活力測定酶的活力測定酶的生產方法酶的生產方法酶工程發展概況酶工程發展概況Enzyme EngineeringEnzyme Engineering酶的基本概念和發展歷史酶的基本概念和發展歷史遠古時代遠古時代 古老的古老的“食品工業食品工業”中國夏禹時代：釀酒、釀醋中國夏禹時代：釀酒、釀醋 粬粬醪、醴、糵、麴醪、醴、糵、麴(曲，粬曲，粬)兩周時代

6、：飴糖、食醬、腌菜兩周時代：飴糖、食醬、腌菜豆豆：兩周時代的重要禮器和食器，盛放腌菜：兩周時代的重要禮器和食器，盛放腌菜春秋戰國時代：用麴治療消化不良的疾病春秋戰國時代：用麴治療消化不良的疾病公元十世紀：制豆醬公元十世紀：制豆醬利用曲霉中的蛋白酶水解豆類蛋白得到利用曲霉中的蛋白酶水解豆類蛋白得到Enzyme EngineeringEnzyme Engineering酶的基本概念和發展歷史酶的基本概念和發展歷史遠古時代遠古時代 古老的古老的“食品工業食品工業”古埃及、古巴比倫時代：麥粉發酵釀古埃及、古巴比倫時代：麥粉發酵釀造啤酒造啤酒磨粉、去糠、打碎磨粉、去糠、打碎麥芽萌發、浸潤麥芽萌發、浸潤成

7、酒發酵、裝瓶成酒發酵、裝瓶Enzyme EngineeringEnzyme Engineering酶的基本概念和發展歷史酶的基本概念和發展歷史近代近代 十八世紀始，酶學的萌芽和初步發展十八世紀始，酶學的萌芽和初步發展18世紀中后期，法國科學家世紀中后期，法國科學家Raumur（雷默爾）（雷默爾）buzzard（禿鷹）的胃液對肉塊具有消化作用，這是一種化學變化（禿鷹）的胃液對肉塊具有消化作用，這是一種化學變化而非物理變化過程（如溶解），而且這個化學變化是在很而非物理變化過程（如溶解），而且這個化學變化是在很“溫和溫和”的條件下實現的的條件下實現的1783年，年，Spallazani（斯帕拉扎尼）

8、（斯帕拉扎尼）通過實驗闡明了不僅鳥的胃液，其它動物和人的胃液也有類似的消通過實驗闡明了不僅鳥的胃液，其它動物和人的胃液也有類似的消化作用，這個作用還與溫度、胃液加量有關，而且在體外是不穩定化作用，這個作用還與溫度、胃液加量有關，而且在體外是不穩定的，活性會逐漸喪失的，活性會逐漸喪失最早的酶學實驗最早的酶學實驗Enzyme EngineeringEnzyme Engineering酶的基本概念和發展歷史酶的基本概念和發展歷史近代近代 十八世紀始，酶學的十八世紀始，酶學的萌芽和初步發展萌芽和初步發展19世紀中葉，世紀中葉，Pasteur認為酵母中存在一種使葡萄糖轉認為酵母中存在一種使葡萄糖轉化為酒

9、精的物質，但他認為只有化為酒精的物質，但他認為只有活的酵母細胞才能進行發酵活的酵母細胞才能進行發酵1878年，年，Khne“Enzyme” 的誕生：的誕生：En（在）（在）+ Zyme（酵母），表示酶在酵母中（酵母），表示酶在酵母中Enzyme EngineeringEnzyme Engineering酶的基本概念和發展歷史酶的基本概念和發展歷史近代近代 十八世紀始，酶學的萌芽和初步發展十八世紀始，酶學的萌芽和初步發展1894年，年，Takamine Joichi（高峰讓吉）（高峰讓吉）利用米霉菌固體培養法生產高峰淀粉酶（第一個商品酶制劑），其利用米霉菌固體培養法生產高峰淀粉酶（第一個商品酶制

10、劑），其方法至今仍被采用。方法至今仍被采用。1896年（另一說年（另一說1897年），年），Buchner（巴克納）兄弟（巴克納）兄弟發現酵母粗提液也能將糖發酵成酒精發現酵母粗提液也能將糖發酵成酒精表明起作用的非細胞本身，在細胞外也可以發生作用表明起作用的非細胞本身，在細胞外也可以發生作用此項發現促進了酶的分離和對其理化性質的研究，也促進了生命過此項發現促進了酶的分離和對其理化性質的研究，也促進了生命過程中酶系統的研究。一般認為酶學研究始于此程中酶系統的研究。一般認為酶學研究始于此Buchner獲得了獲得了1911年諾貝爾化學獎年諾貝爾化學獎Enzyme EngineeringEnzyme E

11、ngineering酶的基本概念和發展歷史酶的基本概念和發展歷史近代近代 酶作用動力學說的提出酶作用動力學說的提出1902年，年，Henri （亨利）（亨利） 中間產物學說中間產物學說 底物轉化成產物之前，必須先與酶形成復合物底物轉化成產物之前，必須先與酶形成復合物1913年，年，Michaelis（米徹利斯）和（米徹利斯）和Menten（曼吞）（曼吞） 米氏方程米氏方程 maxmS=+ SVVKE + S ES E + Pk1k-1k2Enzyme EngineeringEnzyme Engineering酶的基本概念和發展歷史酶的基本概念和發展歷史近代近代 酶的本質和結構研究酶的本質和結構

12、研究1926年，年，J. Sumner（薩姆納）（薩姆納）從從刀豆刀豆中提取脲酶（中提取脲酶（urease），首），首次獲得酶的結晶體次獲得酶的結晶體1937年又獲得過氧化氫酶結晶年又獲得過氧化氫酶結晶證實了酶是蛋白質證實了酶是蛋白質獲得獲得1946年諾貝爾化學獎年諾貝爾化學獎H2NNH2OH2OUrease2NH3CO2+Enzyme EngineeringEnzyme Engineering酶的基本概念和發展歷史酶的基本概念和發展歷史現代酶學現代酶學 快速發展時期快速發展時期核酸類酶（核酸類酶（Ribozyme）的發現）的發現1982年，年，Cech（切克）發現四膜蟲的（切克）發現四膜蟲的

13、26S rRNA前體在完全沒有蛋白質的情況下進行自前體在完全沒有蛋白質的情況下進行自我加工，催化得成熟的我加工，催化得成熟的rRNA。1983年，年，Atman和和 Pace等人發現核糖核酸等人發現核糖核酸酶酶P中的中的RNA組分組分M1 RNA具有核糖核酸酶具有核糖核酸酶的催化活性，單獨催化的催化活性，單獨催化tRNA前體切除部分核前體切除部分核苷酸而成為成熟的苷酸而成為成熟的tRNAThomas CechEnzyme EngineeringEnzyme Engineering酶的基本概念和發展歷史酶的基本概念和發展歷史現代酶學現代酶學 快速發展時期快速發展時期核酸類酶發現的核酸類酶發現的重

14、大意義重大意義RNA具有酶的催化活性，向酶的化學本質是蛋白質這一傳統概具有酶的催化活性，向酶的化學本質是蛋白質這一傳統概念提出了挑戰念提出了挑戰在理論上，對于生物起源和生命進化的研究具有重要啟示。在理論上，對于生物起源和生命進化的研究具有重要啟示。核酸類酶具有內切酶活性，可定點切割核酸類酶具有內切酶活性，可定點切割mRNA，破壞，破壞mRNA，抑制基因表達，為基因、病毒和腫瘤治療提供了可行途徑。抑制基因表達，為基因、病毒和腫瘤治療提供了可行途徑。Enzyme EngineeringEnzyme Engineering第二節 酶催化作用的特點催化劑的共性催化劑的共性1.用量少而催化效率高用量少而

15、催化效率高2.能夠改變化學反應的速率，但是不能改變化學反應平衡能夠改變化學反應的速率，但是不能改變化學反應平衡3.降低反應的活化能，從而加速反應的進行降低反應的活化能，從而加速反應的進行4.一般要與反應物形成過渡態一般要與反應物形成過渡態酶催化反應的特性酶催化反應的特性1.專一性強專一性強2.催化效率高催化效率高3.催化反應的條件溫和催化反應的條件溫和Enzyme EngineeringEnzyme Engineering酶催化作用的特點一酶催化作用的特點一催化作用的專一性催化作用的專一性專一性：一定條件下，一種酶只能催化一種或一類結構相似的底專一性：一定條件下，一種酶只能催化一種或一類結構相

16、似的底物進行某種類型反應的特性物進行某種類型反應的特性.絕對專一性：絕對專一性：一種酶一種酶只能催化一種底物只能催化一種底物進行一種反應進行一種反應相對專一性：相對專一性：一種酶催化一種酶催化一類結構相似的底物一類結構相似的底物進行某種相同類型進行某種相同類型的反應的反應Enzyme EngineeringEnzyme Engineering絕對專一性：絕對專一性：一種酶一種酶只能催化一種底物只能催化一種底物進行一種反應進行一種反應構型專一性構型專一性 立體異構選擇性立體異構選擇性如：乳酸脫氫酶催化丙酮酸進行加氫反應生成的產物是如：乳酸脫氫酶催化丙酮酸進行加氫反應生成的產物是L-乳酸。乳酸。而

17、而D-乳酸脫氫酶催化丙酮酸生成的是乳酸脫氫酶催化丙酮酸生成的是D-乳酸。乳酸。專一底物專一底物 如脲酶催化尿素的分解反應如脲酶催化尿素的分解反應C H3COCOO HN A D HN A D+C H3CO HCOO HH乳乳 酸酸 脫脫 氫氫 酶酶丙丙 酮酮 酸酸L -乳乳 酸酸C H3COCOO HN A D HN A D+C H3CHCOO HH OD D 乳乳 酸酸 脫脫 氫氫 酶酶丙丙 酮酮 酸酸D -乳乳 酸酸Enzyme EngineeringEnzyme Engineering相對專一性：相對專一性：一種酶催化一種酶催化一類結構相似的底物一類結構相似的底物進行某種相同類型進行某種

18、相同類型的反應的反應鍵專一性鍵專一性 作用于相同化學鍵的一類底物，如酯酶作用于相同化學鍵的一類底物，如酯酶基團專一性基團專一性 作用于相同基團的一類底物，如胰蛋白酶，水解作用于相同基團的一類底物，如胰蛋白酶，水解含有賴氨酰或精氨酰羰基的肽鍵，如酰胺類、脂類、蛋白質等等都含有賴氨酰或精氨酰羰基的肽鍵，如酰胺類、脂類、蛋白質等等都可被胰蛋白酶水解。可被胰蛋白酶水解。Enzyme EngineeringEnzyme Engineering補充：為什么酶催化具有專一性？補充：為什么酶催化具有專一性？酶催化作用專一性的機制酶催化作用專一性的機制酶分子的活性中心，一般都含有多個具有催化活性的手性中心，酶分

19、子的活性中心，一般都含有多個具有催化活性的手性中心，這些手性中心對底物分子構型取向起著這些手性中心對底物分子構型取向起著誘導和定向誘導和定向的作用，使反的作用，使反應可以按應可以按單一方向單一方向進行進行酶能夠區分對稱分子中等價的潛手性基團，即一個具有潛手性基酶能夠區分對稱分子中等價的潛手性基團，即一個具有潛手性基團的底物與酶結合后，將向著與酶結合位點構象相匹配的構型的團的底物與酶結合后，將向著與酶結合位點構象相匹配的構型的方向發生轉化方向發生轉化Enzyme EngineeringEnzyme Engineering酶催化作用專一性的相關學說酶催化作用專一性的相關學說1、“三點結合三點結合”

20、的催化理論的催化理論酶與底物的結合處至少有三個點，而且只有一種情況是完全結合的酶與底物的結合處至少有三個點，而且只有一種情況是完全結合的形式。只有這種情況下，不對稱催化作用才能實現形式。只有這種情況下，不對稱催化作用才能實現EnzymeEnzymeEnzyme EngineeringEnzyme Engineering酶催化作用的特點酶催化作用的特點專一性專一性酶催化作用專一性的相關學說酶催化作用專一性的相關學說2、鎖鑰學說、鎖鑰學說整個酶分子的天然構象是剛性的，酶表面具有特定的形狀整個酶分子的天然構象是剛性的，酶表面具有特定的形狀酶與底物的結合，如同一把鑰匙對一把鎖一樣酶與底物的結合，如同一

21、把鑰匙對一把鎖一樣EnzymeEnzymeSubstrate do not matchthe binding siteSubstrate can matchthe binding siteEnzyme EngineeringEnzyme Engineering酶催化作用的特點酶催化作用的特點酶催化作用專一性的相關學說酶催化作用專一性的相關學說3、誘導契合學說、誘導契合學說該學說認為酶表面并沒有一種與底物互補的固定形狀，而只是由于該學說認為酶表面并沒有一種與底物互補的固定形狀，而只是由于底物的誘導才形成了互補形狀底物的誘導才形成了互補形狀EnzymeEnzyme+SubstrateProduct

22、-1Product-2Transition stateconformationEnzyme EngineeringEnzyme Engineering酶催化作用的特點二酶催化作用的特點二酶催化作用效率高酶催化作用效率高酶的催化作用可使反應速度提高酶的催化作用可使反應速度提高1071013倍倍例如：例如：H2O2的分解反應的分解反應Fe3+催化，效率為催化，效率為610-4 mol/(mols)過氧化氫酶催化，效率為過氧化氫酶催化，效率為6106 mol/(mols)過氧化氫酶將過氧化氫酶將H2O2分解反應的活化能從分解反應的活化能從75.24 kJmol-1 降低到降低到8.36 kJmol-

23、1非酶催化劑非酶催化劑鈀鈀，將，將H2O2分解反應的活化能從分解反應的活化能從75.24 kJmol-1 降低到降低到48.94 kJmol-1 Catalyst122222H O H O + OEnzyme EngineeringEnzyme Engineering酶催化作用的特點酶催化作用的特點酶催化作用效率高酶催化作用效率高活化能活化能：在一定溫度條件下，：在一定溫度條件下，1mol的初態分子轉化為活化分的初態分子轉化為活化分子所需的自由能稱為活化能，子所需的自由能稱為活化能，單位單位J/mol。酶與非酶催化時所需的活化酶與非酶催化時所需的活化能示意圖能示意圖圖中酶催化反應和非酶催化圖中

24、酶催化反應和非酶催化反應的活化能差異顯著反應的活化能差異顯著非酶催化反應非酶催化反應酶催化反應酶催化反應活化能活化能反應過程反應過程Enzyme EngineeringEnzyme Engineering酶催化作用的特點三酶催化作用的特點三酶促反應條件溫和酶促反應條件溫和酶促反應一般在酶促反應一般在pH 58水溶液中進行，溫度范圍為水溶液中進行，溫度范圍為2040 oC，即通常的生理條件即通常的生理條件高溫或其它苛刻的物理或化學條件，將引起酶的失活高溫或其它苛刻的物理或化學條件，將引起酶的失活原因：原因：酶催化所需活化能低酶催化所需活化能低酶是生物大分子，易變性而失活酶是生物大分子，易變性而失

25、活Enzyme EngineeringEnzyme Engineering第三節 影響酶催化作用的因素底物濃度底物濃度酶濃度酶濃度溫度溫度反應體系反應體系pH值值抑制劑抑制劑激活劑激活劑Enzyme EngineeringEnzyme Engineering影響酶催化作用的影響酶催化作用的因素因素一一底物濃度對酶活的影響底物濃度對酶活的影響米氏米氏方程（米徹利斯和曼吞）方程（米徹利斯和曼吞）當底物濃度較低時，酶促反應當底物濃度較低時，酶促反應速率與底物濃度成正比，符合速率與底物濃度成正比，符合一級反應動力學一級反應動力學當底物濃度很高時，反應速率當底物濃度很高時，反應速率不隨底物濃度的改變而變

26、化，不隨底物濃度的改變而變化，符合零級反應動力學符合零級反應動力學 maxmS=+ SVVKVS0VmaxEnzyme EngineeringEnzyme Engineering影響酶催化作用的影響酶催化作用的因素二因素二酶濃度的影響酶濃度的影響在底物濃度足夠高的情況下，在底物濃度足夠高的情況下，酶催化反應速率與酶濃度成酶催化反應速率與酶濃度成正比：正比： Vk EVE0Enzyme EngineeringEnzyme Engineering影響酶催化作用的影響酶催化作用的因素三因素三溫度對酶反應速率的影響表現：溫度對酶反應速率的影響表現：影響酶的穩定程度，酶蛋白在過高溫度下將發生熱變性影響酶

27、的穩定程度，酶蛋白在過高溫度下將發生熱變性影響最大反應速率影響最大反應速率影響酶和底物的結合影響酶和底物的結合影響酶和底物分子中某些解離基團的影響酶和底物分子中某些解離基團的pKa值值Enzyme EngineeringEnzyme Engineering影響酶催化作用的因素影響酶催化作用的因素最適溫度最適溫度（optimum temparature）酶反應速率隨著溫度的升高達到一酶反應速率隨著溫度的升高達到一個最大值時所對應的溫度個最大值時所對應的溫度它不是酶催化反應的特征值，受作它不是酶催化反應的特征值，受作用時間、底物濃度、酶濃度及反應用時間、底物濃度、酶濃度及反應的的pH等條件影響等條

28、件影響溫度提高時，在反應速率增加的同溫度提高時，在反應速率增加的同時，酶蛋白變性失活的速率也迅速時，酶蛋白變性失活的速率也迅速增加，所謂的最適溫度，實際上是增加，所謂的最適溫度，實際上是這兩種因素綜合影響的結果這兩種因素綜合影響的結果VTemperature0OptimumtemparatureToptEnzyme EngineeringEnzyme Engineering影響酶催化作用的影響酶催化作用的因素四因素四pH值對酶反應速率的影響值對酶反應速率的影響多數情況下，酶反應速度隨多數情況下，酶反應速度隨pH的變化呈鐘罩形曲線的變化呈鐘罩形曲線最適最適pH（optimum pH）酶反應速率隨

29、酶反應速率隨pH變化達到最大變化達到最大值時所對應的值時所對應的pH值值不是常數，受許多因素影響不是常數，受許多因素影響pH optOptimum pHVpH0Enzyme EngineeringEnzyme Engineering影響酶催化作用的因素影響酶催化作用的因素pH對酶及其反應系統的影響表現：對酶及其反應系統的影響表現：1、改變酶空間構象，使酶可逆或不可逆變性失活、改變酶空間構象，使酶可逆或不可逆變性失活當酶液的當酶液的pH值恢復到最適值恢復到最適pH時，活力可完全恢復的稱為可逆失活，時，活力可完全恢復的稱為可逆失活，反之，則稱為不可逆失活反之，則稱為不可逆失活2、改變反應系統的組成

30、成分，主要是影響酶、底物和酶底物復、改變反應系統的組成成分，主要是影響酶、底物和酶底物復合物的結合合物的結合/解離狀態解離狀態影響酶活性中心基團的解離狀態，使底物不能分解為產物影響酶活性中心基團的解離狀態，使底物不能分解為產物影響酶分子中底物結合部位的解離狀態，使其不能與底物結合影響酶分子中底物結合部位的解離狀態，使其不能與底物結合影響底物的解離狀態，使底物不能與酶相結合，或結合后不能生成影響底物的解離狀態，使底物不能與酶相結合，或結合后不能生成產物產物Enzyme EngineeringEnzyme Engineering影響酶催化作用的影響酶催化作用的因素五因素五抑制劑對酶反應速率的影響抑

31、制劑對酶反應速率的影響凡能降低酶催化反應速率的物質都稱之為凡能降低酶催化反應速率的物質都稱之為抑制劑抑制劑抑制劑與酶的必需基團（包括活性基團及輔基）結合，改變其結抑制劑與酶的必需基團（包括活性基團及輔基）結合，改變其結構與性質，引起酶反應速率下降。（抗壞血酸抑制蔗糖酶）構與性質，引起酶反應速率下降。（抗壞血酸抑制蔗糖酶）抑制劑對酶有選擇性，不包括酶蛋白的水解及變性失活作用。抑制劑對酶有選擇性，不包括酶蛋白的水解及變性失活作用。酶抑制劑的特點酶抑制劑的特點:在化學結構上與被抑制的底物分子或底物的過渡狀態相似在化學結構上與被抑制的底物分子或底物的過渡狀態相似能夠與酶的活性中心以非共價或共價的方式形

32、成比較穩定的復合物能夠與酶的活性中心以非共價或共價的方式形成比較穩定的復合物Enzyme EngineeringEnzyme Engineering影響酶催化作用的因素影響酶催化作用的因素抑制劑抑制劑抑制類型抑制類型不可逆抑制不可逆抑制抑制劑與酶的活性中心發生了抑制劑與酶的活性中心發生了化學反應化學反應，或，或共價共價地連接到酶分子的地連接到酶分子的必需基團上，阻礙了底物的結合或破壞了酶的催化基團必需基團上，阻礙了底物的結合或破壞了酶的催化基團不能用透析或稀釋的方法除去抑制劑，酶活性難以恢復。可逆抑制不能用透析或稀釋的方法除去抑制劑，酶活性難以恢復。可逆抑制作用與時間有關。作用與時間有關。可逆

33、抑制可逆抑制抑制劑與酶蛋白以解離平衡為基礎，以抑制劑與酶蛋白以解離平衡為基礎，以非共非共價方式結合，引起酶活價方式結合，引起酶活性性暫時性喪失暫時性喪失抑制劑可以通過物理方法（如透析等）被除去，并且能部分或全部抑制劑可以通過物理方法（如透析等）被除去，并且能部分或全部恢復酶的活性。可逆抑制作用與時間無關。恢復酶的活性。可逆抑制作用與時間無關。Enzyme EngineeringEnzyme Engineering影響酶催化作用的因素影響酶催化作用的因素可逆抑制作用的類型可逆抑制作用的類型競爭性抑制競爭性抑制非競爭性抑制非競爭性抑制反競爭性抑制反競爭性抑制Enzyme EngineeringEn

34、zyme Engineering影響酶催化作用的因素影響酶催化作用的因素競爭性抑制：競爭性抑制：是指抑制劑和底物競爭是指抑制劑和底物競爭與酶分子結合而引起的抑制作用。與酶分子結合而引起的抑制作用。抑制劑抑制劑In和底物和底物S對游離酶對游離酶E的結合有的結合有競爭作用，互相排斥競爭作用，互相排斥Active siteof enzymeSubstrateInhibitorSubstrate andinhibitor canbind to theactive siteProductsInhibitor preventsbinding of substrateE + S ES E + P+InEIn

35、k1k-1k2k3k-3Enzyme EngineeringEnzyme Engineering影響酶催化作用的因素影響酶催化作用的因素競爭性抑制的速率曲線競爭性抑制的速率曲線KmVS0Km,app1/2 VmaxVmaxwith inhibitorwithoutinhibitor1/V1/S0-1/Km1/VmaxInEnzyme EngineeringEnzyme Engineering影響酶催化作用的因素影響酶催化作用的因素非競爭性抑制：非競爭性抑制：是指抑制劑與底是指抑制劑與底物分別與酶分子上的不同位點結合物分別與酶分子上的不同位點結合而引起酶活性降低的抑制作用。而引起酶活性降低的抑制

36、作用。酶可同時與底物及抑制劑結合，酶可同時與底物及抑制劑結合，引起引起酶分子構象酶分子構象變化，并導致酶變化，并導致酶活性下降。活性下降。這類物質并不是與底物競爭酶的這類物質并不是與底物競爭酶的活性中心，而是與活性中心，而是與非活性中心非活性中心結結合，所以稱為非競爭性抑制劑。合，所以稱為非競爭性抑制劑。Products formedin the absenceof inhibitorActive siteof enzymeInhibitorsiteSubstrate andinhibitor can bindsimultaneouslyThe presence ofthe inhibitor

37、slows the rate ofproduct formationEnzyme EngineeringEnzyme Engineering影響酶催化作用的因素影響酶催化作用的因素非競爭性抑制的速率曲線非競爭性抑制的速率曲線with inhibitorVmax,app1/2 VmaxVS0Km1/2 Vmax,appVmaxwithout inhibitor1/V1/S0-1/Km1/VmaxInEnzyme EngineeringEnzyme Engineering影響酶催化作用的因素影響酶催化作用的因素反競爭性抑制：反競爭性抑制：是指在底物與是指在底物與酶分子結合生產中間復合物后，酶分子結

38、合生產中間復合物后，抑制劑再與中間復合物結合而引抑制劑再與中間復合物結合而引起的抑制作用。起的抑制作用。抑制劑抑制劑In不能和游離酶結合，不能和游離酶結合，只和酶底物復合物只和酶底物復合物ES結合結合成無活性的成無活性的三元復合物三元復合物ESIn，也是說也是說S和和E的結合不僅不排的結合不僅不排斥斥In，反而促進，反而促進In和和E的結合。的結合。E + S ES E + Pk1k-1k2+InESInKInEnzyme EngineeringEnzyme Engineering影響酶催化作用的因素影響酶催化作用的因素反競爭性抑制的速率曲線反競爭性抑制的速率曲線with inhibitor1

39、/2 Vmax,app1/2 VmaxVmax,appKm,appVS0KmVmaxwithout inhibitor1/V1/S0-1/Km1/VmaxInEnzyme EngineeringEnzyme Engineering 影響酶催化作用的影響酶催化作用的因素六因素六激活劑對酶反應速率的影響表現：激活劑對酶反應速率的影響表現：能夠增加酶催化活性，或使酶催化活性顯能夠增加酶催化活性，或使酶催化活性顯示出來的物質稱為酶的激活劑或活化劑。示出來的物質稱為酶的激活劑或活化劑。常見的激活劑有無機離子（常見的激活劑有無機離子（Ca2+、Mg2+、Co2+、Zn2+、Mn2+、Cl-等）和某些有機分

40、等）和某些有機分子等。部分酶也可以作為激活劑子等。部分酶也可以作為激活劑激活作用的類型激活作用的類型激活劑激活劑A與游離酶與游離酶E相結合，形成活性相結合，形成活性酶復合物酶復合物EA激活劑激活劑A與底物與底物S相結合，形成復合的相結合，形成復合的活性底物活性底物SA激活劑激活劑A與游離酶與游離酶E、酶底物復合物、酶底物復合物ES形成三元復合物形成三元復合物EASEA + S EAS EA + P+AEk2KaKmEA + S EAS EA + P+AEk2+AES+ SKaKaKmKmEnzyme EngineeringEnzyme Engineering第四節第四節 酶的分類與命名酶的分類

41、與命名蛋白類酶（蛋白類酶（proteozyme，P酶）酶）國際酶學委員會提出的酶的命名與分類方案國際酶學委員會提出的酶的命名與分類方案六大類酶六大類酶核酸類酶（核酸類酶（ribozyme，R酶）酶）分子內催化分子內催化R酶（酶（in cis ribozyme）分子間催化分子間催化R酶（酶（in trans ribozyme）Enzyme EngineeringEnzyme Engineering酶的分類與命名酶的分類與命名一蛋白類酶（一蛋白類酶（P酶）的命名規則酶）的命名規則推薦命名法推薦命名法 底物名底物名 + 催化反應類型催化反應類型 + 酶酶“水解酶水解酶”可以省略可以省略“水解水解”二

42、字（如淀粉酶、蛋白酶等）二字（如淀粉酶、蛋白酶等）有時可以加上酶的來源或特性（如胃蛋白酶等）有時可以加上酶的來源或特性（如胃蛋白酶等）系統命名法系統命名法 底物名（供體：受體）底物名（供體：受體）+ 催化反應類型催化反應類型 + 酶酶如果反應中有多個底物，每個底物均需列出（水解反應中的水可省如果反應中有多個底物，每個底物均需列出（水解反應中的水可省略），底物名稱之間用略），底物名稱之間用 “:” 隔開隔開若底物有構型，也需標出若底物有構型，也需標出Enzyme EngineeringEnzyme Engineering酶的分類與命名酶的分類與命名P酶命名舉例酶命名舉例系統命名法系統命名法 底物

43、名（供體：受體）底物名（供體：受體）+ 催化反應類型催化反應類型 + 酶酶e.g.1: EC 1.1.1.1乙醇脫氫酶乙醇脫氫酶 俗名俗名乙醇：乙醇：NAD+ 氧化還原酶氧化還原酶 系統命名系統命名CH3CH2OH + NAD+ CH3CHO + NADH + H+ 催化的反應催化的反應e.g.2: EC 2.6.1.2谷丙轉氨酶谷丙轉氨酶 俗名俗名丙氨酸：丙氨酸： -酮戊二酸氨基轉移酶酮戊二酸氨基轉移酶 系統命名系統命名丙氨酸丙氨酸 + -酮戊二酸酮戊二酸 丙酮酸丙酮酸 + 谷氨酸谷氨酸 催化的反應催化的反應谷丙轉氨酶谷丙轉氨酶主要存在于肝細胞漿內，是反映肝臟損傷情況的重要主要存在于肝細胞漿

44、內，是反映肝臟損傷情況的重要指標。一般只要有指標。一般只要有1%的肝細胞壞死，就可以使血清酶增高一倍。的肝細胞壞死，就可以使血清酶增高一倍。因此，谷丙轉氨酶被世界衛生組織因此，谷丙轉氨酶被世界衛生組織 推薦為肝功能推薦為肝功能 損害最敏感的檢損害最敏感的檢測指標。測指標。 Enzyme EngineeringEnzyme Engineering酶的分類與命名酶的分類與命名P酶系統命名編號酶系統命名編號EC 類類 . 亞類亞類 . 小類小類 . 序號序號EC：Enzyme Commission的縮寫的縮寫類類 P酶的六大類酶的六大類氧化還原酶類（氧化還原酶類（oxidoreductases）轉移

45、酶類（轉移酶類（transferases）水解酶類（水解酶類（hydrolases）裂合酶類（裂合酶類（lyases）異構酶類（異構酶類（isomerases）連接酶類（連接酶類（ligases）或合成酶類（）或合成酶類（synthetases）Enzyme EngineeringEnzyme Engineering酶的分類與命名酶的分類與命名P酶系統命名編號酶系統命名編號亞類亞類 每個大類中，按照酶作用的底物、化學鍵或基團的不每個大類中，按照酶作用的底物、化學鍵或基團的不同，分為若干亞類同，分為若干亞類小類小類 每一亞類中再根據某一種相同的性質劃分為若干小類每一亞類中再根據某一種相同的性質劃

46、分為若干小類序號序號 每一小類中包括若干具體的酶，按照一定的順序依次每一小類中包括若干具體的酶，按照一定的順序依次編號編號e.g.： -D-葡萄糖氧化還原酶葡萄糖氧化還原酶 EC 1.1.3.4氧化還原酶類氧化還原酶類反應在供體的反應在供體的CHOH基上進行基上進行以氧為氫受體以氧為氫受體Enzyme EngineeringEnzyme Engineering酶的分類與命名酶的分類與命名P酶酶 氧化還原酶（氧化還原酶（oxidoreductases）催化受體催化受體A的氧化還原反應的酶：的氧化還原反應的酶：很多情況下需要輔酶（如很多情況下需要輔酶（如NAD+、FMN等）參與等）參與系統命名系統

47、命名 A：B氧化還原酶氧化還原酶推薦名推薦名A脫氫酶（脫氫酶（dehydrogenase）或）或A還原酶（還原酶（reductase）以以O2作為氫受體時作為氫受體時 A氧化酶（氧化酶（oxidase）AH2 + B A + BH2CH2OH(CHOH)4CHO + H2O + O2 CH2OH(CHOH)4COOH + H2O2glucoseoxidaseEnzyme EngineeringEnzyme Engineering酶的分類與命名酶的分類與命名P酶酶 轉移酶（轉移酶（transferases）催化某基團催化某基團X從供體化合物從供體化合物A轉移到受體化合物轉移到受體化合物B上的酶上

48、的酶系統命名系統命名 A：B基團基團X轉移酶轉移酶L-丙氨酸：丙氨酸：2-酮戊二酸氨基轉移酶酮戊二酸氨基轉移酶 EC 2.6.1.2推薦名推薦名 A基團基團X轉移酶轉移酶 / B基團基團X轉移酶轉移酶L-丙氨酸丙氨酸 + 2-酮戊二酸酮戊二酸 （丙氨酸氨基轉移酶）（丙氨酸氨基轉移酶） 丙酮酸丙酮酸+L-谷氨酸谷氨酸AX + B A + BXH2NOHOOOHNH2HOOCH3OOHOOOH+OHOOCH3+L-alanine-ketoglutaric acidpyruvic acidL-glutamic acidEnzyme EngineeringEnzyme Engineering酶的分類與

49、命名酶的分類與命名P酶酶 水解酶（水解酶（hydrolases）催化化合物催化化合物AB進行水解反應的酶進行水解反應的酶系統命名系統命名 AB：化學鍵水解酶：化學鍵水解酶5-核苷酸磷酸水解酶核苷酸磷酸水解酶 EC 3.1.3.5（省略了（省略了“：水：水”）推薦名推薦名 AB（水解）酶（水解）酶5-核苷酸酶（核苷酸酶（5-nucleotidase）AB + H2O AOH + BH5-ribonucleotide + H2O 5-ribonucleoside + H3PO4（核核苷苷酸酸）（核核苷苷）Enzyme EngineeringEnzyme Engineering酶的分類與命名酶的分類

50、與命名P酶酶 裂合酶（裂合酶（lyases）催化一個化合物催化一個化合物AB分解成兩個化合物分解成兩個化合物A、B及其逆反應的酶。一及其逆反應的酶。一般裂合酶催化底物裂解為產物后，產生一個雙鍵般裂合酶催化底物裂解為產物后，產生一個雙鍵系統命名系統命名 AB-裂解的基團裂解的基團X-裂合酶（單底物）裂合酶（單底物）L-谷氨酸谷氨酸-1-羧基羧基-裂合酶裂合酶 EC 4.1.1.15推薦名推薦名谷氨酸脫羧酶（谷氨酸脫羧酶（glutamate decarboxylase）AB A + BH2NOHOOOHH2NOOH+ CO2Enzyme EngineeringEnzyme Engineering酶

51、的分類與命名酶的分類與命名P酶酶 異構酶（異構酶（isomerases）催化分子內部基團位置或構象轉換的酶催化分子內部基團位置或構象轉換的酶系統命名系統命名 底物底物+消旋酶消旋酶/異構酶異構酶/變位酶變位酶推薦名推薦名 同系統命名或用習慣名稱同系統命名或用習慣名稱丙氨酸消旋酶丙氨酸消旋酶 EC 5.1.1.1（alanine racemase）A BHCOOHCH3NH2HCOOHNH2CH3L-alanineD-alanineEnzyme EngineeringEnzyme Engineering酶的分類與命名酶的分類與命名P酶酶 連接酶（連接酶（ligases）或合成酶（）或合成酶（sy

52、nthetases）催化兩個分子催化兩個分子A和和B進行連接反應，生成產物進行連接反應，生成產物AB的酶，伴隨的酶，伴隨ATP的水解供能的水解供能系統命名系統命名 A：B連接酶連接酶L-天冬氨酸：氨連接酶天冬氨酸：氨連接酶 EC 6.3.1.1推薦名推薦名 AB合成酶合成酶天冬酰胺合成酶（天冬酰胺合成酶（asparagine synthetase）A + B ABATPADP + Pi or AMP + PPiEnzyme EngineeringEnzyme Engineering酶的分類與命名酶的分類與命名P酶酶 連接酶（連接酶（ligases）或合成酶（）或合成酶（synthetases）

53、e.g.1 L-天冬氨酸：氨連接酶天冬氨酸：氨連接酶 EC 6.3.1.1e.g.2 L-谷氨酸：氨連接酶谷氨酸：氨連接酶 EC 6.3.1.2NH2OHOOHO+ NH3NH2OHONH2OATPAMP + PPiL-aspartateL-asparagineH2NOHOOOH+ NH3ATPADP + PiH2NOHOONH2L-glutamateL-glutamineEnzyme EngineeringEnzyme Engineering酶的分類與命名酶的分類與命名二核酸類酶（二核酸類酶（R酶）的分類與命名酶）的分類與命名特殊的特殊的RNA，催化，催化RNA、DNA、多肽甚至多糖和其他生

54、物分子、多肽甚至多糖和其他生物分子剪切或剪接反應剪切或剪接反應剪切（剪切（R酶）酶） 水解（水解（P酶）酶）剪接（剪接（R酶）酶） 轉移（轉移（P酶）酶）催化類型：剪切酶、剪接酶、多功能酶催化類型：剪切酶、剪接酶、多功能酶底物：分子內催化、分子間催化底物：分子內催化、分子間催化Enzyme EngineeringEnzyme Engineering核核酸酸類類酶酶(ribozyme)分分子子內內催催化化R酶酶(in cis ribozyme)分分子子間間催催化化R酶酶(in trans ribozyme)自自我我剪剪切切酶酶(self-cleavage ribozyme)自自我我剪剪接接酶酶(

55、self-splicing ribozyme)RNA剪剪切切酶酶(RNA cleavage ribozyme)DNA剪剪切切酶酶(DNA cleavage ribozyme)多多肽肽剪剪切切酶酶(peptide cleavage ribozyme)多多糖糖剪剪接接酶酶(polysaccharide splicing ribozyme)氨氨基基酸酸酯酯剪剪切切酶酶(aminoacid ester cleavage ribozyme)多多功功能能酶酶(multifunction ribozyme)酶的分類與命名酶的分類與命名R酶的分類與命名酶的分類與命名 p10Enzyme Engineering

56、Enzyme Engineering酶的分類與命名酶的分類與命名分子內催化分子內催化R酶（酶（in cis ribozyme）自我剪切酶（自我剪切酶（self-cleavage ribozyme）在一定條件下催化自身在一定條件下催化自身RNA進行剪切反應，生成兩段進行剪切反應，生成兩段RNA片段片段自我剪接酶（自我剪接酶（self-splicing ribozyme）含含I型型IVS的的R酶：催化酶：催化 rRNA 前體的自我剪接，需前體的自我剪接，需Mg2+和鳥苷（或和鳥苷（或5-鳥苷酸）參與鳥苷酸）參與含含II型型IVS的的R酶：催化酶：催化 mRNA 前體的自我剪接，需前體的自我剪接，需

57、Mg2+參與參與BBPP3535BBPP3535BPP35BBPP3535BP35BP35BPP35OH+Enzyme EngineeringEnzyme Engineering酶的分類與命名酶的分類與命名分子間催化分子間催化R酶（酶（in trans ribozyme）1.RNA剪切酶（剪切酶（RNA cleavage ribozyme，1983年）年）催化對象：特定的非自身催化對象：特定的非自身RNA分子，水解磷酸酯鍵分子，水解磷酸酯鍵2.DNA剪切酶（剪切酶（DNA cleavage ribozyme，1990年）年）催化對象：特定的催化對象：特定的DNA分子，水解磷酸酯鍵分子，水解磷酸

58、酯鍵3.多糖剪接酶：催化多糖分子進行剪切和連接反應的核酸類酶。多糖剪接酶：催化多糖分子進行剪切和連接反應的核酸類酶。4.多肽剪切酶：催化多肽進行剪切反應的核酸類酶。多肽剪切酶：催化多肽進行剪切反應的核酸類酶。Enzyme EngineeringEnzyme Engineering酶的分類與命名酶的分類與命名分子間催化分子間催化R酶（酶（in trans ribozyme）5.氨基酸酯剪切酶氨基酸酯剪切酶 ：催化氨基酸酯進行剪切反應的核酸類酶。：催化氨基酸酯進行剪切反應的核酸類酶。6.多功能酶：催化其他分子進行多種反應的核酸類酶。例如，多功多功能酶：催化其他分子進行多種反應的核酸類酶。例如，多功

59、能酶能酶 L-19 IVS 可催化以下反應：可催化以下反應：RNA剪剪接接作作用用: :末末端端剪剪切切作作用用：限限制制性性內內切切作作用用：轉轉磷磷酸酸作作用用：去去磷磷酸酸作作用用：2CPCPCPCP C CPCPCPCPCPC + CPCPCPCCPCPCPCP C CPCPCPC + CPCPUPCPUP GPN CPUPCPUP + GPNCPCPCPCPCPCP + UPCPU CPCPCPCPCPC + UPCPUPCPCPCPCPCPCP CPCPCPCPCPC + PiEnzyme EngineeringEnzyme Engineering第五節第五節 酶的活力測定酶的活力

60、測定酶活力酶活力酶活力酶活力是指在一定條件下，酶所催化反應的初速度，它是定量表是指在一定條件下，酶所催化反應的初速度，它是定量表征酶催化能力的指標征酶催化能力的指標表示方法表示方法 單位時間內底物單位時間內底物S或產物或產物P的變化率的變化率在一定的條件下，控制一定的反應時間，測定底物在一定的條件下，控制一定的反應時間，測定底物S或產物或產物P的的濃度的變化，來計算酶活力濃度的變化，來計算酶活力在外界條件相同的情況下，反應速率越大，表示酶活力越高在外界條件相同的情況下，反應速率越大，表示酶活力越高 ddVdtdtSPEnzyme EngineeringEnzyme Engineering酶的活