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复旦大学生物化学系 黄伟达 酶 学Enzymology 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 Enzyme 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，initial state)（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（activation energy)，使这些分子进入过渡态（transition state)，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1 mol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75.24 kJ/mol，用胶态钯作催化剂，活化能只需48.9 kJ/mol；而过氧化氢酶催化时，活化能下降到8.36 kJ/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RNase P，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 RNase A处理失去活性；将蛋白质与RNA分开后，单独都不表现RNase P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。 研究简史 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。 酶学研究史 1 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 " unorganized ferment " 1830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 2 1857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