第八章 酶催化

第八章酶催化章节分配一、酶的结构和分类二、酶的分离与纯化三、酶活力测定四、酶作用动力学五、酶的抑制作用六、pH值和温度对酶作用的影响七、酶的作用机制八、应用酶学九、酶法制备L-氨基酸十、生物催化反应器十一、生物有机化学与生物催化生物催化的定义：是利用生物催化剂(主要是酶或微生物)来改变(通常是加快)化学反应速度的作用。

生物催化转化的分类：(1)发酵：用活细胞将原材料(如糖、淀粉或甲醇)转化成更复杂的目标产物。

(2)前体发酵：发酵过程中添加前体物质，并由活细胞将其转化成目标产物。

(3)生物转化：用酶或静息细胞经过一系列步骤，将前体转化成目标产物。

(4)酶催化：提取粗酶或部分纯化的酶，将底物转化成目标产物。

生物催化的产生与发展：远古时代——酒的酿造：酵母发酵的产物，是细胞内酶作用的结果；饴糖的制作：用麦曲含有的淀粉酶将淀粉讲解为麦芽糖；豆类做酱：在霉菌蛋白酶作用下，豆类蛋白质水解得豆酱和豆鼓，压榨后制得酱油。

1878年，Kuhne第一次提出“酶”(Enzyme)的概念,意为“在酵母中”(in yeast)；1894年，Emil Fischer发现了酶对底物(酶作用的物质)的专一性现象,提出了“锁和钥匙”模型；酶晶体的获得，才认识到酶是蛋白质，是由酰胺键连接的氨基酸组成；1926年，Sumner从刀豆中得到脲酶结晶，催化尿素水解,产生CO2和NH3；1967年，丝氨酸蛋白酶的发现，它专门用于洗涤剂；1992年，用于生产酶的克隆技术的诞生；最近发现除了“经典”酶以外，某些生物分子也具有催化活性。

1982年Cech小组发现，四膜虫的rRNA(核糖体核糖核酸)前体能在完全没有蛋白质的情况下进行自我加工，催化得到成熟的rRNA产物。

这就是说，RNA本身就是生物催化剂。

20世纪80年代以来，基因工程技术用于酶学研究得到高度重视。

应用DNA重组技术可以生产出高效能、高质量的酶产品，用定点突变法在指定位点突变，可以改变酶的催化活性与专一性。

生物催化研究的重要意义：(1)生物催化与生物转化是与生命活动及人类发展关系最为密切的自然规律之一；(2)基于生物催化与生物转化的物质加工新模式是人类发展的必然趋势；(3)生物催化的独特优势可以促进传统产业的升级改造；(4)生物催化对于我国的经济发展和安全具有战略意义。

生物催化的主要方式：生物催化几乎能应用于所有化学反应，例如氧化反应、羟基化反应、脱氢反应、还原反应、水解反应、酰基化反应等。

生物催化材料有酶、微生物菌体、动植物的组织及细胞。

在手性合成中应用较多的是水解酶、氧化-还原酶以及面包酵母等微生物。

生物催化的方式有添加前体发酵法、游离酶法、静息细胞法、固定化酶法、固定化细胞法。

可在水相、有机相和水-有机溶剂双相等系统中进行。

生物催化反应的特点：(1)高催化效率(2)高专一性(3)酶活性受一些化合物调控酶催化能力举例*单位：(mol·L-1)-1·s-1NH3的合成：在植物中通常是25℃和中性pH下由固氮酶催化完成，酶是由两个解离的蛋白质组分组成的一个复杂的系统，其中一个含金属铁，另一个含铁和钼，反应需消耗一些ATP(三磷酸腺苷)分子；工业上由氮和氢合成氨时，需在700-900K、10-90MPa下，还要有铁及其他微量金属氧化物作催化剂才能完全反应。

酶催化的最适条件几乎都为温和的温度和非极端pH值。

专一性：有些酶专一性很低(键专一性),如肽酶、磷酸(酯)酶、酯酶,可以作用很多底物, 只要求化学键相同,例如它们可分别作用肽、磷酸酯、羧酸酯;具有中等程度专一性的为基团专一性,如己糖激酶可以催化很多己醛糖的磷酸化;大多数酶呈绝对或几乎绝对的专一性，它们只催化一种底物进行快速反应。

调节性：酸浓度的调节:诱导或抑制酶的合成,调节酶的降解;抑制剂的调节:酶的活性受到大分子抑制剂或小分子抑制剂抑制,从而影响活力;金属离子的调节:有些酶需要K+活化,但Na+不能活化这些酶,有时还有抑制作用。

生物催化研究的新进展：1.生物催化一进入传统的化工领域，就给原料来源、能源消耗、经济效益、环境保护等方面带来了根本性的变化。

2.作为生物技术第三次浪潮标志的生物催化技术已成为发达国家的重要科技与产业发展战略，以生物催化技术为核心的生物制造产业正以指数规律加速发展。

3.目前，美国在酶催化剂及手性化合物合成方面已处于领先地位，其生物催化制造的化学品产值已超过生物医药的产值。

所以，新的生物催化剂是21世纪可持续发展的化学加工业的必需工具。

到2020年通过生物催化技术，化学加工业的原料、水资源及能量消耗将各降低30％，减少污染物排放和污染扩散30％。

生物催化技术的应用领域：现状：1996年生物催化剂已占世界催化剂90亿美元市场的11%；美国EBC成功开发了一种生物脱硫的新工艺；我国：生物催化丙烯腈制丙烯酰胺、有机废水发酵法制氢技术、生物发酵法制造甘油已建成投产或通过中试验证。

§1 酶的结构和分类蛋白质是构成人体的基础物质、酶是蛋白质、酶由长链氨基酸组成、酶结构的4个层次：溶菌酶(lysozyme)的一级结构图：酶的二级结构:α-螺旋和β-褶片蛋白溶菌酶的三级结构图：溶菌酶部分四级结构示意图：氨基酸的排序决定酶的功能：酶的分类(编号的第一个数字)：表示这个酶属于哪一大类氧化还原酶：用于将电子从一个分子转移到另一个分子;转移酶：催化原子基团从一个分子转移到另一个分子;水解酶：催化底物与水之间的反应,以及将水结合到某些分子上;裂解酶：从底物上移去一个基团;异构酶：催化原子基团从一个位置转移到另一个位置;连接酶：利用共价键将分子连接到一起.编号的第二个数字：表示在类以下的大组氧化还原酶：表示氧化反应供体基团的类型；转移酶：表示被转移基团的性质；水解酶：表示被水解键的类型；裂解酶：表示被裂解键的类型；异构酶：表示异构作用的类型；连接酶：表示生成键的类型.编号的第三和第四个数字：编号的第三个数字：表示大组下面的小组，各个数字在不同类别，不同大组中都有不同的含义；编号的第四个数字：是小组中各种酶的流水编号.例如：氧化还原酶的第二个数字E.C.1.（氢或电子供体）醇(RR…CHOH) 1；醛或酮(RR‟C=O) 2；RR‟CHCHRR… 3；伯胺RCHNH24；仲胺RR‟CHNH—5；NADH或NADPH 6。

氧化还原酶的第三个数字E.C.1.1~6.（氢或电子受体）NAD+或NADP+1；Fe3+(如细胞色素) 2；O23；其他未分类的受体99。

NAD+(NADP+)：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(磷酸)转移酶的第二个数字E.C.2.（转移的基团）含一个碳原子的基团1；醛基或酮基2；酰基3；糖基4；含磷基团7。

转移酶的第三个数字，例如：E.C.2.1.1 转移甲基的酶类E.C.2.1.2 转移羟甲基的酶类E.C.2.1.3 转移羧基的酶类E.C.2.4.1 转移己糖基的酶类E.C.2.1.4 转移戊糖基的酶类水解酶的第二个数字E.C.3.（水解的键）酯键1；糖苷键2；肽键4；肽键以外的C-N键5。

水解酶的第三个数字，例如：E.C.3.1.1 水解羧酸酯的酶类E.C.3.1.2 水解硫代酯的酶类E.C.3.1.3 水解磷酸单酯的酶类E.C.3.1.4 水解磷酸二酯的酶类裂解酶的第二个数字E.C.4.（裂解的键）C—C 1；C—O 2；C—N 3；C—S 4。

裂解酶的第三个数字（以C—C裂解酶为例，移去基团为…）E.C.4.1.1 羧基(即CO2)E.C.4.1.2 醛基(CH=O)E.C.4.1.3 酮羧基(-OOC-C=O)异构酶的第二个数字E.C.5.（反应类型）消旋和差向异构1；顺式-反式异构2；分子内氧化还原酶类3；分子内的转移反应4。

异构酶的第三个数字，例如：底物…E.C.5.1.1 氨基羧E.C.5.1.2 羟基羧酸E.C.5.1.3 糖类连接酶的第二个数字（合成的键）C—O 1；C—S 2；C—N 3；C—C 4连接酶的第三个数字，例如：进一步说明合成的键…E.C.6.3.1 羧酸-氨(胺)连接酶类酰胺合成酶类E.C.6.3.2 羧酸-氨基酸连接酶类肽合成酶类§2 酶的分离与纯化酶的纯化独有的特点：特定的一种酶在细胞中的含量很少，给纯化带来了困难；酶可以通过测定活力的方法加以跟踪，能迅速找出纯化过程的关键所在。

酶的纯化过程包括下列步骤：••建立一个适当的测活方法测定酶活力方法要求高灵敏性、高准确性、是否经济、方法简单。

••酶源选材要以含酶丰富、取材方便、经济为原则例如，在分离纯化动物Cu、Zn-SOD（超氧化物歧化酶）时，一般以动物血球为原料；Mn-SOD主要存在于线粒体中，所以肝、肾脏适宜作原材料；利用动植物细胞体外大规模培养技术，可获得极为珍贵的原材料（如人参细胞、某些昆虫细胞等），用于酶的分离纯化；利用基因工程重组DNA技术，使某些在细胞中含量极微的酶的纯化成为可能。

••酶的提取除在体液中提取酶或胞外酶外，一般是将含目的酶的生物组织破碎，促使酶增溶溶解，最大程度的提高抽提液中酶的浓度。

生物组织的破碎方法有：机械法、超声波法、冻融法、渗透压法、酶消化法。

超声波法：细菌和酵母细胞能得到很好的破碎；问题：超声空穴局部过热引起酶活性丧失，所以时间应尽可能短，容器周围以冰浴处理。

冻融法：生物组织经冰冻后，细胞胞液结成冰晶，使细胞壁胀破；简单易行，但效率不高，需反复几次才能达到破壁效果；若冻融时间过长，还应注意胞内蛋白酶作用引起的后果，一般需在冻融液中加入络合剂EDTA等蛋白酶抑制剂以防破坏目的酶。

渗透压法：是破碎细胞最温和的方法之一，细胞在低渗溶液中溶胀破碎；此法对具有坚韧的多糖细胞壁的细胞，如植物、细菌和霉菌不太适用。

酶消化法：利用溶菌酶、蛋白水解酶、糖苷酶对细胞膜或细胞壁的酶解作用，使细胞崩解破碎；酶消化法常与其他破碎方法联合使用，如在大肠杆菌冻融液中加入溶菌酶就可大大提高破碎效果。

破碎生物组织一般在适当的缓冲溶液中进行。

典型的抽提液由以下几部分组成：抽提液=离子强度调节剂+pH缓冲剂+温度效应剂＋蛋白酶抑制剂＋防氧化剂＋重金属络合剂＋增溶剂••酶的提纯：常用的提纯方法如下。

••酶的纯度检验酶纯化的目标是使酶制剂具有最大的催化活性和最高纯度，以下几种方法用于检验这些指标：1. 酶纯度的检验2. 酶催化活性的检验3. 酶活性部位滴定§3 酶活力测定在酶作用下化学反应进行的速度，就代表酶的活力；酶活力的测定，实质上就是一个测定为酶所催化的反应速度问题。

在实际测定过程中，为了保证测得的是初速度，往往使底物浓度足够大，把酶完全饱和，这样整个酶反应对于底物来说是零级反应，而对于酶来说是一级反应，这样测得的初速度可以比较可靠地反映酶的含量。