分子酶学(Enzymology)
分子酶学的研究与应用
分子酶学的研究与应用分子酶学是从分子水平研究酶的结构、功能、反应机理及其在生命体系中的角色的一门学科。
随着生物技术的发展和深入，分子酶学的研究不断深入，其在生物技术以及药物研究与开发中的应用也日益广泛。
本文将从分子酶学的基础知识、酶的结构与功能、分子酶学的研究方法与技术以及其应用四个方面进行阐述。
一、基础知识酶是一种催化生物化学反应的生物分子，可以加速化学反应的速率。
酶是由蛋白质或核酸组成的，具有高度的立体构象和选择性，可以在特定的条件下与底物结合成酶底物复合物，对其进行分子成键、分子断键、氧化还原和断裂等反应，并在反应后释放产物。
酶是生命体系中必不可少的分子，参与到细胞内的许多代谢过程，从而维持生命体系的正常运转。
分子酶学的研究就是探究酶的结构、功能、反应机理及其在生命体系中的角色，为药物研发和生物技术提供科学基础。
二、酶的结构与功能酶的结构是极其复杂的，其结构与功能密切相关。
酶分为原酶和活性酶两种形态。
原酶是指在特定条件下酶的非活性状态，具有酶分子结构的特性，但缺少酶产生特效催化反应的所需物质，通常是酶基团、受体或蛋白质等。
而活性酶是指在适宜条件下的具有催化活性的酶，其具有能够产生特效催化反应的基团。
酶具有高度的立体构象和选择性，可以与底物形成酶底物复合物，从而催化反应。
酶的催化反应主要包括分子成键、分子断键、氧化还原和断裂等四种类型，其中最常见的是分子成键与分子断键。
酶的活性受到许多因素的影响，如温度、pH 值、离子强度、离子种类、酶底物比例等。
三、分子酶学的研究方法与技术分子酶学的研究领域非常广泛。
酵素的研究方法与技术也在不断发展。
常见的酶研究方法包括晶体学、核磁共振、荧光共振能量转移、生物传感器等。
晶体学技术是一种用于研究蛋白质三维结构和酶的构象变化的方法，其在分子酶学研究中应用最为广泛。
核磁共振技术是一种分子结构的结构分析方法，在酶机理研究中具有重要的应用价值。
荧光共振能量转移是一种生物传感技术，通过分子之间的能量转移来检测酶的活性变化。
分子酶学名词解释简答
分子酶学复习重点1 剪接型核酶:定义：指RNA分子被磷酸二酯酶切割后，伴随着形成新的磷酸二酯键，即磷酸二酯键的转移反应或称转酯反应。
2 剪切型核酶: 这类核酶的作用是只剪不接，催化自身RNA或不同的RNA分子，切下特异行核苷酸序列。
3 探针酶：既保持高度的反应性，又能在DNA中任意选定的区域内进行切割的酶。
实质是核酸内切酶，由两部分组成，第一部分叫做切割系统，为核酸切割试剂或酶，第二部分叫做识别系统，可以识别核酸底物的特定核苷酸序列。
4 人工酶：人工合成的具有催化活性的蛋白质或多肽。
5 模拟酶：利用有机化学合成的一些比酶结构简单得多但具有催化功能的非蛋白质分子。
6 抗体酶：又称催化抗体，是一类具有催化能力的免疫球蛋白，即通过一系列化学与生物技术方法制备出的具有催化活性的抗体，它既具有相应的免疫活性，又能像酶那样催化化学反应。
7 克隆酶：基因工程将某种酶基因导入宿主细胞中大量表达其产物为克隆酶，即用基因工程技术生产的酶。
8 突变酶：用基因定位突变技术修饰天然酶基因，然后用基因工程技术生产该突变基因的酶，被称为突变酶。
9 酶活力（enzyme activity）也称为酶活性，是指酶催化一定化学反应的能力。
10 酶的比活力：单位质量样品中的酶活力；1mg蛋白质中所含的U数；1Kg蛋白质中所含的Kat数。
11 酶的转换数（K cat）：当酶被底物饱和时每秒钟每个酶分子所转换底物分子数，又叫转换数（简称TN）, Kcat可以用来衡量酶的催化效率，越大效率越高。
12 亲和标记：利用酶对S的特殊亲和力，将酶加以修饰标记，故称之为亲和标记。
13差别修饰法（差别标记）：这种方法是非特异性试剂标记法的一个发展。
它利用竞争性抑制剂或底物预先占据活性中心，使非特异性试剂只修饰活性中心以外的基团，然后透析除去保护剂（即竞争性抑制剂或底物），再用同位素标记的非特异性试剂修饰活性中心的基团。
经氨基酸分析可知哪些基团位于活性中心。
Enzymes_生化反应工程
Cross-Linking The enzyme molecules can also cross-link with each other. But this may cause significant changes in the active site of enzymes, and also severe diffusion limitations may result.
Eduard Büchner
酶的纯化(Purification):
Sumner, 1926: First isolation of a pure enzyme.
Sword bean
Urease crystals Three-dimensional structure
★ 1946年，Sumner和Northrop 一起荣获诺贝尔化学奖。
Covalent Binding It is the retention of enzymes on support surfaces by covalent bond formation, via certain functional groups, such as amino, carboxyl, hydroxyl, and –SH group. The functional groups must not be in the active sites.
Immobilized enzyme Two opposite concepts Free enzyme
酶固定化的特点
Advantages:
1. Enzyme reutilization: catalyst reuse; 2. Elimination of enzyme recovery and purification processes: product purity , while effluent handling problems ;
分子酶学的新理论与技术手段
分子酶学的新理论与技术手段随着科学技术的不断发展，分子酶学在生物学、医学、农业等领域的应用越来越广泛。
本文将从分子酶学的概念入手，介绍当前分子酶学的新理论和技术手段。
一、分子酶学的概念分子酶学指的是研究酶分子结构、酶的功能、酶基因表达、酶催化机制以及与酶相关的代谢通路和信号传递的一门学科。
酶是许多生物过程中必不可少的催化剂，它们可以催化生物分子之间的化学反应，从而促进生物代谢、能量转换和信息传递等生命活动。
二、分子酶学的基本理论1. 结构与功能酶的结构与功能密不可分。
酶的结构是它的功能的基础，这是因为酶的结构决定了它的催化性质。
酶分子具有一定的空间结构，这种空间结构是由酶分子的氨基酸序列所决定的。
不同时期、不同物种的酶分子，其氨基酸序列可能会有所改变。
酶的活性中心可以招募底物参与反应，产生反应产物，这是酶功能的基础。
2. 酶功能的特异性酶分子的功能具有高度的特异性，这种特异性意味着同一种酶只能作用于特定的化学反应，而不能催化其他反应。
这种特异性是由酶分子的结构所决定的。
例如，葡萄糖氧化酶只能催化葡萄糖氧化的化学反应，而不能催化其他酮糖、芳香族化合物或脱氢酶这类共同存在的化学反应。
3. 酶的催化机理酶的催化机理是分子酶学的另一个重要研究方向。
酶的催化过程主要包括化学反应的热力学和动力学等方面。
酶催化反应速率常常比同类不带催化剂的反应速率快上几个数量级，这是由于酶催化方式与不带催化剂的反应机理不同所导致的。
三、分子酶学的新技术1. 用于检测酶活性的技术酶活性的检测是分子酶学中重要的一部分。
影响酶活性的因素非常多，包括酶的质量、浓度、温度、PH值等。
现有的酶活性检测技术主要包括银染法、放射性标记法、化学发光法、荧光标记法、色谱法等。
这些方法均可用于酶活性的定量、分离、鉴定及酶动力学研究。
2. 用于分离纯化酶的技术酶的纯化通常需要采用多种分离技术、柱层析技术和电泳技术等。
电泳分离技术包括直流电泳、聚丙烯酰胺凝胶电泳、二维电泳等。
Enzyme
Chapter 6 EnzymologySection 1 Chemistry essence and characteristic of enzymesEnzymes are the proteins with biocatalytic power (biocatalyst).Enzymes are the agents of metabolic function一、Chemistry essence of enzyme：二、Chemistry composing of enzyme：1.Simple proteins: Urease, protease, amylase, lipase, RNase2.Conjugated proteins:Apoenzyme(脱辅酶，酶蛋白), Cofactor(辅助因子）Holocnzyme(全酶) = Apoenzyme+ CofactorCofactor 辅助因子：coenzyme 辅酶，prosthetic group 辅基Coenzymes function as transient carriers of specific functional groups.1.Accelerate chemistryreaction (thermodynamicpotentiality reaction ）2.Does not change theequilibrium constant3.Itself no variety 三、The common characteristicsof enzyme andcatalyzer四、distinctive features1.High catalytic power2.High specificitydness of the action condition4.Regulation of the enzyme activity1. High catalytic power：accelerating reaction rates asmuch as 108-1020over uncatalyzed levels, 107一1013over synthetic catalysts .k1= 3×10-10(s-1) (uncatalyzed hydrolysis of urea at 20o C)k1= 3×104(s-1) (urease-catalyzed hydrolysis of urea at 20o C) The catalytic power of urease is 10142. High specificity：Substrates3. Mildness of the action conditionnormal temperaturenormal pressurenear-neutral pH4. Regulation of the enzyme activity¾Concentration Regulation：¾Hormone Regulation ：¾Inhibition Regulation ：¾Activator Regulation ：¾Others: Allosteric regulation、Enzymogenic activation、reversible covalent modification 、Isoenzyme五、S pecificityabsolute specificity: urease Structural specificity group specificityrelative specificitybond specificityoptical isomer specificity Stereo isomer specificitygeometrical isomer specificitySection 2 Enzyme Nomenclature and Classification一、common nomenclature1.Base on the substrate：protease、amylaseDifferent source: Pepsin 、Trypsin 2.Base on the reaction: hydrolase、transferase、Phosphatase3.Base on the substrate and reaction: succinatedehydrogenaseother condition: Alkaline Phosphatase、acid phosphatase二、Systematic nomenclatureATP + D-glucose →ADP + D-glucose-6-phosphate ATP : D-glucose-6-phosphotransferase (-ase)三、Classification numberE.C. Class. Subclass. Subsubclass. Individual entryEC(Enzyme Commision)Six Class1、2、3、4、5、6Subclass1、2、3、4......Subsubclass1、2、3、4......Individual entry1、2、3、4... EC 3.1.3.1Alkaline PhosphataseEnzyme CommisionNo. 3Class Hydrolases(hydrolysis reactions)No. 1 Subclass Cleaving ester linkageNo. 3 Subsubclass Phosphoric monoesterIndividual entry the first四、Six Classes1.oxido-reductases-------oxidation-reduction reactionsoxidasesdehydrogenases2. transferases3. hydrolases4. Lyases5. isomerases6. ligasesSection 3 enzyme activity assay一、enzyme activityreaction velocitydtS d dt P d v ][][−==Reaction Time ↑，v ↓①[S]↓②[P]↑③Product inhibition④Enzyme inactivationinitial velocity二、Enzyme units(酶活力单位）：ＵU is defined as the amount that catalyzes the formation of one micromole of product in one minute. 1 U= 1μmol/min。
分子酶学研究
分子酶学研究在日常生活中，我们经常听到“酶”的概念，但是它到底是什么呢？简单来说，酶就是在生物体内催化化学反应的一种蛋白质。
它能够加速化学反应并降低活化能，从而使得反应在低温、中性条件下快速进行。
酶的很多性质都与它的分子结构相关。
因此，分子酶学研究主要关注的就是酶的分子结构及其功能。
一、酶的分子结构酶的分子结构通常由两部分组成：蛋白质部分和辅助部分。
其中蛋白质部分是其活性中心，也就是催化反应的关键所在。
而辅助部分则是保护蛋白质部分不受到环境因素的影响，比如温度、PH值等。
通过分子酶学研究，我们可以了解到酶的分子结构对其功能和催化反应有着决定性的影响。
定量分析酶的构象变化和受体的结构变化对酶活性的影响，可以揭示酶的催化机制，从而帮助我们设计新的酶与底物之间的相互作用和反应。
二、酶的机理研究酶的机理研究是分子酶学研究的重要方向。
酶的催化反应过程，可以分为两个步骤：酶与底物的结合，以及催化反应的进行。
在底物结合的过程中，酶分子通过各种非共价相互作用，如氢键、离子键等，与底物结合成为酶底物复合物。
而在催化反应的过程中，酶会通过剪切、质子转移、脱水、氧化还原等化学变化，使底物转化为产物。
在酶的机理研究中，分子模拟技术是一个非常有用的工具。
通过分子动力学模拟，可以更加直观的观察到酶与底物之间的相互作用，发现可能存在的催化机理，为酶的催化反应提供理论依据。
三、酶的应用酶在许多生产过程中有着广泛的应用，特别是利用酵素催化的生物合成技术，成为了当前生物技术领域的重要手段。
比如，通过在酵素的作用下，将底物转化为高附加值的化学品、制备建筑材料和产生纤维素等。
通过分子酶学的研究，我们可以在原有的基础上，不断开发新的酶，运用更多的分子酶学研究方法和手段，深入理解酶活性的产生机制，从而大大提高酶活性，促进酶的应用。
结语分子酶学研究是一门综合性很强的学科，它涉及到化学、生物、物理等多个领域。
有了分子酶学的研究，我们可以更加深入地了解酶的构造和机理，发掘其潜在应用价值，促进生物技术的发展，同时也可以为人们的生活带来更多便利和舒适。
分子生物工程中的酶技术研究
分子生物工程中的酶技术研究随着分子生物学的发展和应用，酶技术在生命科学和制药工业中扮演着越来越重要的角色。
酶（enzymes）是一种生物催化剂，能够催化生命体内的化学反应，具有高效、特异性等优点，成为化学合成、分析检测、生产制造领域中的重要工具。
分子生物工程基于遗传工程原理，利用DNA技术对酶进行改造和优化，以获得更高效、更稳定、更特异的酶活性。
本文将从酶技术的基础性质、酶在分子生物工程中的应用以及酶工程的最新研究和发展等方面进行探讨。
一、酶技术的基础性质酶是由多肽链组成的生物大分子，具有多种功能，包括催化反应、识别底物和调节代谢等。
酶催化反应的速率远高于非酶催化的同类反应，具有高效的催化特性。
与其它催化剂相比，酶不仅具有高效、特异性的优点，还具有环境适应性和可再生性等特征。
酶的催化活性与其空间构象密切相关，因此酶的三维结构对其催化活性的影响尤为重要。
酶的活性受多种因素的影响，如温度、pH值、离子浓度、底物浓度等。
二、酶在分子生物工程中的应用分子生物工程中，酶技术被广泛应用于DNA克隆、蛋白表达、制药工艺等领域。
其中，PCR技术中的酶，如Taq聚合酶和Pfu聚合酶等，在DNA扩增和基因克隆方面具有重要的作用。
酶作为工业生产过程的生物催化剂，已经被广泛用于制药工艺和食品生产中。
例如，酶在药物售后修饰、酶促反应、人工消化等方面应用得到越来越广泛。
三、酶工程的最新研究和发展酶工程是利用DNA技术对酶进行改造和优化，以获得更高效、更稳定、更特异的酶活性。
近年来，随着高通量测序技术的发展，蛋白工程学领域得到了快速发展，为酶工程及其应用带来了更多前景。
目前，酶工程的研究重点主要集中在以下几个方面：1）酶的选择性改造：对酶分子的底物和反应环境进行改造，以获取更加特异的活性；2）酶的跨界合成：改造酶的反应底物，使其具备大分子化合物的化学反应能力；3）酶的催化能力研究：针对酶的催化机制进行分子模拟和结构解析，揭示催化过程中物质的运动和分子机制。
分子酶学名词解释简答
分子酶学复习重点1 剪接型核酶:定义：指RNA分子被磷酸二酯酶切割后，伴随着形成新的磷酸二酯键，即磷酸二酯键的转移反应或称转酯反应。
2 剪切型核酶: 这类核酶的作用是只剪不接，催化自身RNA或不同的RNA分子，切下特异行核苷酸序列。
3 探针酶：既保持高度的反应性，又能在DNA中任意选定的区域内进行切割的酶。
实质是核酸内切酶，由两部分组成，第一部分叫做切割系统，为核酸切割试剂或酶，第二部分叫做识别系统，可以识别核酸底物的特定核苷酸序列。
4 人工酶：人工合成的具有催化活性的蛋白质或多肽。
5 模拟酶：利用有机化学合成的一些比酶结构简单得多但具有催化功能的非蛋白质分子。
6 抗体酶：又称催化抗体，是一类具有催化能力的免疫球蛋白，即通过一系列化学与生物技术方法制备出的具有催化活性的抗体，它既具有相应的免疫活性，又能像酶那样催化化学反应。
7 克隆酶：基因工程将某种酶基因导入宿主细胞中大量表达其产物为克隆酶，即用基因工程技术生产的酶。
8 突变酶：用基因定位突变技术修饰天然酶基因，然后用基因工程技术生产该突变基因的酶，被称为突变酶。
9 酶活力（enzyme activity）也称为酶活性，是指酶催化一定化学反应的能力。
10 酶的比活力：单位质量样品中的酶活力；1mg蛋白质中所含的U数；1Kg蛋白质中所含的Kat数。
11 酶的转换数（K cat）：当酶被底物饱和时每秒钟每个酶分子所转换底物分子数，又叫转换数（简称TN）, Kcat可以用来衡量酶的催化效率，越大效率越高。
12 亲和标记：利用酶对S的特殊亲和力，将酶加以修饰标记，故称之为亲和标记。
13差别修饰法（差别标记）：这种方法是非特异性试剂标记法的一个发展。
它利用竞争性抑制剂或底物预先占据活性中心，使非特异性试剂只修饰活性中心以外的基团，然后透析除去保护剂（即竞争性抑制剂或底物），再用同位素标记的非特异性试剂修饰活性中心的基团。
经氨基酸分析可知哪些基团位于活性中心。
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About Myself Wang Xiao-Yun (王晓云） Professor,Ph.D. in Department of Biochemistry and Molecular Biology, College of Life Science Tel: 2656-8430 Office: 6#430
建立一个可靠快速的测活方法 酶原料的选择 酶的提取 酶的提纯 酶纯度的鉴定
建立一个可靠和快速的测活方法
可靠性表现在专一、灵敏、精确、简便 测活方法是否经济 测活方法越简单，纯化所需等待时间越短，失
活越少 一个好的测活方法的建立，就是整个纯化工作
成功的一半。
酶提取方法的选择
生物材料的破碎
机械（匀浆）法 适合动物、植物、微生物
超声波法 破碎细胞和细胞器的有效手段， 细菌 酵母
冻融法
细胞胞液结成冰晶，使细胞壁涨破，效率不高
渗透压法 最温和的方法，如红血球破壁，不适于细菌及植物
酶消化法 利用酶解作用，使细胞壁崩解破碎
可加入蛋白酶抑制剂如PMSF（苯甲基磺酰氯）、 EDTA、还原剂DTT（二硫苏糖醇）等，保护目的酶。
并证明具有蛋白质。（不负载任何活性基团的脲
酶蛋白质结晶 。
30年代
胃蛋白酶
pepsin
胰蛋白酶
trypsin
胰凝乳蛋白酶 chymotrypsin
结晶并进行了动力学探讨，确立了酶的化学本质
推动了蛋白质研究。
对于酶和生物催化剂概念的认识
Ribozyme 抗体酶 探针酶 人工酶 模拟酶 克隆酶和突变酶
探针酶
既保持高度反应性，又能在DNA中任意选定的区域内进 行切割。
EDTA gFe(II)gX
探针酶 X为探针
EDTAg Fe(II) gEB EB与DNA能任意结合，所以在
DNA上的切点是随机的。
探针酶与限制性内切酶比：
a. 切点不够准确。
b. 有较大的灵活性，可在任意位置上切割。
人工酶 模拟酶
二、当前研究重点
1．现在人们相继弄清了溶菌酶、蛋白 酶、羧肽酶等结构及作用机理，当前对 机理方面的研究还不断进行。
2．酶工程 （酶的制备、改造与应用）
化学酶工程（初级酶工程）： 自然酶、化学修饰酶、固定酶、人工酶、
模拟酶的研究、利用 生物酶工程（高级酶工程）
克隆酶 、 突变酶 、抗体酶
三、酶的分离纯化
酶提取方法的选择
抽提液由以下几部分组成
离子强度调节剂 KCl NaCl 蔗糖
pH缓冲剂
各种 Buffer
温度效应剂
甘油 二甲基亚枫(DMSO)
蛋白酶抑制剂
PMSF DIFP
抗氧化剂
DTT 巯基乙醇
重金属络合剂
The transition state: a high energy fleeting moment. Bond being broken
Benkovic, S.J. (1992) “Catalytic antibodies”, Annu. Rev.Biochem., 61:29-54.
A general procedure for generating catalytic antibodies.
Antibodies having catalytic activities can be generated
The concept of inducing antibodies with catalytic potentials rooted in Pauling’s transition state theory (1940s);
人工酶 人工合成的具有催化活性的蛋白 质或多肽。
模拟酶 利用有机化学合成的一些比酶结 构简单得多具有催化功能的非蛋白质分 子。
克隆酶和突变酶
克隆酶 用基因工程技术生产的酶
突变酶 用基因定位突变技术修饰天然酶 基因，然后用基因工程技术生产该突变 基因的酶，被称为突变酶。
酶蛋白 蛋白酶 蛋白质酶 Ribozyme Deoxyribozyme 核糖酶（核酶） 核酸酶 单纯酶 单体酶 结合酶 寡聚酶 恒态酶 调节酶 组成酶 诱导酶 胞内酶 胞外酶
抗体酶发展前景
它是研究酶作用机理的有利工具，在抗体酶的研 究过程中，可以直接观察到过渡态理论设计抗体酶 起到的作用，为酶的过渡态理论的正确性提供了有 利的实验证据。
抗体酶可以直接作为药物，进入组织，达到治 疗效果。它们可能象限制性内切酶切割DNA分子一 样，任意切割多肽链，用于治疗艾滋病和各种癌症。
Enzymology
第一节 酶的分离纯化与活性测定 第二节 酶的结构与功能 第三节 酶促反应动力学 第四节 变（别）构酶、同工酶
第一节 酶的分离纯化与活性测定
一、概述 Ferment－－（酵素） Enzyme－－在酵母中（希腊文）
1926年 美国“独臂学者”Sumner用全能的
右手，花了9年时间，从刀豆中提出了脲酶结晶，
William Jencks predicted the existence of such antibodies in 1969;
Richard Lerner and Peter Schultz generated such catalytic antibodies in 1986;
Catalytic antibodies have been generated catalyzing various chemical transformations, ranging from simple hydrolysis to reactions that lack physiological counterparts or even are normally disfavored.
参考书：
1. 袁勤生主编， 现代酶学，华东理工大学出 版社，2001
2. 姜涌明主编，分子酶学导论，中国农业大 学出版社，2000
3. 王镜岩等主编，生物化学（第三版），高 等教育出版社，2002
酶可以说是一切生命活动的序幕——化 学变化，酶决定机体的化学变化。
酶学无论从理论上讲或是从应用上讲， 都是现代生物学领域的人不能不涉足的一 门科学。