化学生物学小论文 17.docx

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化学生物学小论文17

化学生物学论文

班级：

2009级化学生物学班

姓名：

陶玉菡

学号：

2009111039

酶的研究

陶玉菡2009111039化学生物学

摘要:

本文主要介绍了酶的概念、特性，酶结构的一级结构。

二级结构、三级结构、四级结构以及酶活性中心的检测方法，并阐述了溶菌酶的特性，结构，来源及其应用等，对溶菌酶的应用前景进行了展望。

关键词:

酶，结构，特性，溶菌酶，应用。

Thestudyofenzyme

YuhanTao2009111039ChemicalBiology

Abstract:

Thispapermainlyintroducestheconcept,characteristicsoftheenzyme,Thestructureofenzymelevelstructure,thesecondarystructureoftwo,levelthree,levelFourstructure,Aswellastheenzymeactivecenterdetectionmethod,Thecharacteristic,structure,sourcesandapplicationsoflysozymewerereviewedinthispaper.andpredictingitsprospectinthefieldofapplication.

Keywords:

enzyme;structure;characteristic;lysozyme;application

一切生物的生命活动都是由新陈代谢的正常运转来维持的，而代谢中的各种化学反应是由各种酶的催化来实现的。

没有酶，代谢就会停止，生命亦就停止，个别酶的缺乏或者酶活性受到抑制就会使代谢受阻或紊乱，从而引起疾病。

1、酶的概念

酶是生物体内一类对其特异底物具有高效催化活性和特殊空间构象的生物大分子物质，已发现的有两类：

主要的一类是蛋白质,还有少量的为核酸。

2、酶的特性

酶是一种生物催化剂，与一般催化剂一样，只改变反应速度，不改变化学平衡，并在反应前后本身不变。

但酶作为生物催化剂，与一般的无机催化剂相比有以下特点：

2.1.催化效率高

同一反应，酶促反应的速率比非催化反应高108～1020倍，比一般催化剂的反应速率高107～1013倍。

2.2.专一性强

一般催化剂对底物没有严格的要求，能催化多种反应，而酶只催化某一类物质的一种反应，生成特定的产物。

因此酶的种类也是多种多样的。

酶催化的反应称为酶促反应，酶促反应的反应物称为底物。

酶只催化某一类底物发生特定的反应，产生一定的产物，这种特性称为酶的专一性。

各种酶的专一性不同，包括结构专一性和立体专一性两大类，结构专一性又有绝对专一性和相对专一性之分。

绝对专一性指酶只催化一种底物，生成确定的产物。

如氨基酸：

tRNA连接酶，只催化一种氨基酸与其受体tRNA的连接反应。

相对专一性指酶催化一类底物或化学键的反应。

如醇脱氢酶可催化许多醇类的氧化反应。

还有许多酶具有立体专一性，对底物的构型有严格的要求。

如乳酸脱氢酶只能催化L-乳酸，不能催化D-乳酸的反应。

2.3.反应条件温和

酶促反应不需要高温高压及强酸强碱等剧烈条件，在常温常压下即可完成。

2.4.酶的活性受多种因素调节

无机催化剂的催化能力一般是不变的，而酶的活性则受到很多因素的影响。

比如底物和产物的浓度、pH值以及各种激素的浓度都对酶活有较大影响。

酶活的变化使酶能适应生物体内复杂多变的环境条件和多种多样的生理需要。

生物通过变构、酶原活化、可逆磷酸化等方式对机体的代谢进行调节。

2.5.稳定性差

酶大多是蛋白质，只能在常温、常压、近中性的条件下发挥作用。

高温、高压、强酸、强碱、有机溶剂、重金属盐、超声波、剧烈搅拌、甚至泡沫的表面张力等都有可能使酶变性失活。

不过自然界中的酶是多种多样的，有些酶可以在极端条件下起作用。

有些细菌生活在极端条件下，如超噬热菌可以生活在90℃以上环境中，高限为110℃；噬冷菌最适温度为－2℃，高于10℃不能生长；噬酸菌生活在pH1以下，噬碱菌的最适pH大于11；噬压菌最高可耐受1035个大气压。

这些噬极菌的胞内酶较为正常，但胞外酶却可以耐受极端条件的作用。

有些酶在有机溶剂中可以催化在水相中无法完成的反应。

3、酶的结构

对于大多数酶来说，其本质是蛋白质。

酶与其他蛋白一样，由氨基酸构成，具有一、二、三、四级结构。

酶也会受到某些物理、化学因素作用而发生变性，失去活力。

酶分子量很大，具有胶体性质，不能透析。

酶也能被蛋白酶水解。

除少数具有催化活性的RNA（取名核酶，ribozyme）之外，几乎所有的酶都是蛋白质。

酶的催化活性依赖于它们天然蛋白质构象的完整性（即其空间结构是其催化活性所必需的）。

3.1蛋白酶的一级结构（primarystructure）

蛋白酶分子中氨基酸残基的排列顺序及二硫键位置，又称化学结构。

包括组成蛋白酶的多肽链数目、多肽链的氨基酸顺序、多肽链内或链间二硫键的数目和位置。

一级结构决定高级结构，氨基酸残基主要通过肽键连接，有些蛋白酶中含有二硫键。

3.2酶的二级结构

蛋白酶的二级结构指蛋白质多肽链骨架的折叠与盘绕方式,涉及按线性顺序来说互相接近的氨基酸残基的空间关系。

为使溶剂中的疏水基团降低至最少，同时保持折叠态的多肽链的基团间形成氢键，是驱使蛋白质折叠的主要动力。

而且，氢键也是稳定二级结构的主要作用力。

二级结构的基本类型有以下几种：

1、a-螺旋（a-helix）

蛋白酶多肽链按右手方向像螺旋状盘曲，每圈螺旋中有3.6个氨基酸残基，沿螺旋轴方向上升的螺距0.54nm，两个氨基酸之间的距离0.15nm。

螺旋的稳定性是靠链内氢键维持的，相邻的螺圈之间形成链内氢键，氢键的取何几乎与中心轴平行。

氢键是由每一个氨基酸残基上的C=O中的氧与其后第4个氨基酸残基上的-NH上的H之间形成的。

肽链上所有的肽键都参与氢键的形成。

因此，α-螺旋相当稳定。

α-螺旋中氨基酸残基的侧链R基因均伸向外侧。

α-螺旋有左手螺旋和右手螺旋两种。

天然蛋白质中的α-螺旋绝大多数为右手螺旋。

2、b-折叠（b-pleatedsheet）

β-折叠也叫β-片层，b-折叠是由两条或多条几乎完全伸展的肽链平行排列，通过链间的氢键交联而形成的。

肽链的主链呈锯齿状折叠构象。

在b-折叠中，a-碳原子总是处于折叠的角上，氨基酸的R基团处于折叠的棱角上并与棱角垂直，两个氨基酸之间的轴心距为0.35nm。

b-折叠结构的氢键主要是由两条肽链之间形成的；也可以在同一肽链的不同部分之间形成。

几乎所有肽键都参与链内氢键的交联，氢键与链的长轴接近垂直。

β-折叠分为两种类型，一种是平行式，所有肽链的N末端都在同一方向;另一种是反平行式肽链的N末端间隔出现，反平行式在立体结构上更稳定。

但是，两种结构都广泛存在。

3、b-转角（b-turn）

球状蛋白分子的紧密球形在于肽链走向的多次逆转，主要通过β-转角来实现。

β-转角由四个氨基酸残基构成。

弯曲处的第一个残基C=O氧和第四的残基的NH氢之间形成氢键，产生一种很不稳定的环形结构。

4、自由回转或无规卷曲

没有一定规律的松散肽链结构。

但仍是紧密有序的稳定结构，通过主链间及主链与侧链间氢键维持其构象。

不同的蛋白，自由回转的数量和形式各不相同。

此结构看来杂乱无章，但对一种特定蛋白又是确定的，而不是随意的。

在球状蛋白中含有大量无规卷曲，倾向于产生球状构象。

这种结构有高度的特异性，与生物活性密切相关，对外界的理化因子极为敏感。

酶的活性中心往往位于无规卷曲中。

3.3超二级结构（super-secondstructure）

由若干相邻的二级结构单元（即α-螺旋、β-折叠，β-转角等）组合在一起，彼此相互作用，形成有规则、在空间上能辩认的二级结构组合体，充当三级结构的构件，称超二级结构。

相邻的二级结构单元可组合在一起，相互作用，形成有规则，在空间上能辨认的二级结构组合体，充当三级结构的构件，称为超二级结构。

3.4蛋白酶的三级结构

3.4.1结构域（Structuraldomain）

在蛋白酶二级结构至三级结构层次间的另一种过渡态构象是结构域。

结构域通常是几个超二级结构的组合。

对于较大的蛋白酶分子或亚基，多肽链往往由两个或两个以上相对独立的三维实体缔合而成三级结构。

这种相对独立的三维实体就称结构域。

对于较小的蛋白酶分子，结构域与三级结构等同，即这些蛋白为单结构域。

结构域之间由“铰链区”相连，使分子构象有一定的柔性，通过结构域之间的相对运动，使蛋白酶分子实现一定的生物功能。

组成结构域的氨基酸可以是连续的，也可以是不连续的。

——氨基酸一级结构对高级结构的远程影响。

3.4.2三级结构

（1）概念

蛋白酶多肽链通过非共价键相互作用而使它在超二级结构的基础上进一步绕曲折叠形成了更复杂的近似球状的结构，叫蛋白酶的三级结构。

氢键、范德华力、疏水相互作用、盐键。

等次级键是其稳定因素。

3.5蛋白酶的四级结构

由两条或两条以上独立的三级结构通过非共价键结合成的多聚体，称为寡聚蛋白。

寡聚蛋白具有四级结构。

寡聚蛋白中的每个独立三级结构单元称为亚基。

蛋白酶的四级结构是指亚基的种类、数量以及各个亚基在寡聚蛋白酶中的空间排布和亚基间的相互作用。

4.酶的活性中心与必须基团

4.1、酶的活性中心

酶的活性中心指酶分子中直接与底物结合，并和催化作用直接有关的空间部位。

其往往是若干个在一级结构上相距很远，但在空间结构上彼此靠近的氨基酸残基集中在一起形成具有一定空间结构的区域，该区域与底物相结合并将底物转化为产物，对于结合酶来说，辅酶或辅基往往是活性中心的组成成分。

酶的活性中心有两个功能部位。

a、结合部位：

参与酶与底物结合的部位，决定酶的专一性。

b、催化部位：

负责催化底物键的断裂或新键的形成决定酶的催化能力或催化反应的性质。

由此可见，酶的活性部位具有决定酶的专一性和催化作用的功能。

4.2酶活性中心的结构特点

a、活性中心只占酶分子总体积的很小一部分，往往只占整个酶分子体积的1%-2%。

b、酶的活性部位是一个三维实体，具有三维空间结构。

活性中心的空间构象不是刚性的，在与底物接触时表现出一定的柔性和运动性。

c、酶的活性部位并不是和底物的形状正好互补的，而是在酶和底物的结合过程中，底物分子或酶分子、有时是两者的构象同时发生了一定的变化后才互补的，此时催化基团的位置正好处在所催化底物键的断裂和即将生成键的适当位置，这个动态辨认过程称为诱导契合（induced-fit）.

d、酶的活性部位位于酶分子表面的一个裂隙（crevice）内.裂隙内是一个相当疏水的环境，从而有利于同底物的结合。

e、底物靠许多弱的键力与酶结合。

4.3酶活性中心的证明方法

a、切除法

对小分子且结构已知的酶多用此法。

用专一性的酶切除一段肽链后剩余的肽链仍有活性，说明切除的肽链与活性无关，反之，切除的肽链与活性有关。

b、化学修饰法

选用适当的化学试剂与酶蛋白中的氨基酸残基的侧链基团发生反应引起共价结合、氧化或还原等修饰，称之为化学修饰。

酶分子中可以修饰的基团有：

-SH、-OH、咪唑基、氨基、羧基、胍基等，用作修饰的试剂很多，目前已有七十多种，但专一性的修饰剂不多。

活力中心判断方法：

某一基团被修饰后，酶的活性显著下降或无活性，可初步判断该基团与酶的活性有关；反之，与酶的活性无关。

缺点：

也有可能酶活性部位外的某个氨基酸残基侧链的修饰而影响酶分子的正常空间结构，而导致酶活性的丧失。

为排除这种可能，常在底物保护下用同一试剂对酶作用，若不能被修饰，说明该基团确实处于活性部位；反之，底物存在下，该基团可被同一试剂修饰，且使酶失活，在则该基团不是活性部位的基团，而是结构基团。

根据修饰剂是否专一性结合酶的活性中心的特定基团，化学修饰可分为：

非特异性共价共接修饰修饰试剂既可与酶的活性部位的某特异基团结合，又可与酶的非活性部位的同一基团结合，称之为非特异性共价共价修饰。

此法适用于所修饰的基团只存在于活性部位，在非活性部位不存在或极少存在。

判断标准是：

①酶活力的丧失程度与修饰剂的浓度成正比；②底物或竞争性抑制剂保护下可防止修饰剂的抑制作用。

特异性共价共接修饰

修饰剂专一性地结合于酶的活性部位的特定基团，使酶失活。

如：

DIFP（二异丙基氟磷酸，结构见P386）可专一性地结合Ser蛋白酶活性部位的Ser—OH而使酶失活。

DIFP一般不与蛋白质反应，也不与含Ser的蛋白酶原或变性的酶反应，只与活性的酶且活性部位含Ser的酶结合。

c、亲和标记法

根据酶与底物能特异性的结合的性质，设计合成一种含反应基团的底物类似物，作为活性部位的标记试剂，它能象底物一样进入酶的活性部位，并以其活泼的化学基团与酶的活性基团的某些特定基团共价结合，使酶失去活性。

如胰凝乳蛋白酶最适底物为：

N-对甲苯磺酰-L-苯丙氨酰乙酯或甲酯，根据此结构设计的亲和标记试剂为：

N-对甲苯磺酰-苯丙氨酰氯甲基酮（TPCK），结构见P387。

其分子中的氯甲基酮部分可使酶的His57烷基化形成酶－TPCK衍生物而使酶失活。

d、X—射线衍射法：

把一纯酶的X—射线晶体衍射图谱和酶与底物反应后的X-射线图谱相比较，即可确定酶的活性中心

（5）酶活性中心的一级结构

应用化学修饰法对多种酶的活性中心进行研究发现，在酶的活性中心处存在频率最高的氨基酸残基是：

Ser、His、Asp、Tyr、Lys和Cys。

如果用同位素标记酶的活性中心后，将酶水解，分离带标记水解片段，对其进行一级结构测定，就可了解酶的活性中心的一级结构。

4.4、酶的必须基团

酶的分子中存在着许多功能基团，但并不是这些基团都与酶活性有关。

若经化学修饰（如氧化、还原、酰化、烷化等）使其改变，则酶活性丧失，这些基团是酶表现催化作用所必需的基团。

（结合基团，催化基团，维持活性中心存在的基团）。

常见的有Ser的-OH、His的咪唑基，Cys的-SH、ASP和Glu的-COOH等。

4.5、酶的活性与高级结构的关系

酶的活性不仅与一级结构有关，而且与其高级结构密切相关。

就某种程度而言，在酶的活性表现上，高级结构甚至比一级结构更为重要。

高级结构是形成酶特定空间结构的保证，高级结构破坏，酶失去活性。

4.6、酶原的激活

有些酶在细胞内合成时，或初分泌时，没有催化活性，这种无活性状态的酶的前体称为酶原（zymogen）。

酶原向活性的酶转化的过程称为酶原的激活。

酶原激活实际上是酶的活性中心形成或暴露的过程。

胃蛋白酶、胰蛋白酶、胰糜蛋白酶、羧肽酶、弹性蛋白酶在它们初分泌时都是以无活性的酶原形式存在，在一定条件下才转化成相应的酶。

酶原激可以避免细胞内产生的蛋白酶对细胞进行自身消化，并可使酶在特定的部位和环境中发挥作用，保证体内代谢的正常进行。

5、溶菌酶的研究

酶的开发和利用是现代生物技术的重要内容。

下面以溶菌酶的研究和应用为例，说明一下没得开发与利用对现代人的生活以及科学研究的方面带来的划时代的改变。

5.1溶菌酶的概念

溶菌酶（1ysozyme;EC3.2.1.17）是一种专门作用于微生物细胞壁的水解酶,溶菌酶（lysozyme）又称胞壁质酶（muramidase）或N-乙酰胞壁质聚糖水解酶（N-acetylmuramideglycanohydrlas）,是一种能水解致病菌中黏多糖的碱性酶。

主要通过破坏细胞壁中的N-乙酰胞壁酸和N-乙酰氨基葡糖之间的β-1,4糖苷键,使细胞壁不溶性黏多糖分解成可溶性糖肽,导致细胞壁破裂内容物逸出而使细菌溶解。

溶菌酶还可与带负电荷的病毒蛋白直接结合,与DNA、RNA、脱辅基蛋白形成复盐,使病毒失活。

因此该酶具有抗菌、消炎、抗病毒等作用。

5.2溶菌酶的来源和分类

人们对溶菌酶的研究始于本世纪初,英国细菌学家弗莱明发现人的唾液、眼泪中存在有溶解细菌细胞壁的酶,并将其命名为溶菌酶。

1963年由乔利斯和坎菲尔德研究了溶菌酶的一级结构。

1965年英国菲利普及其同事们用X衍射法解析了溶菌酶,是全世界第一个完全弄清了立体结构的酶,是近代酶化学研究的最大成果之一。

溶菌酶广泛存在于人体多种组织中,家禽和鸟类的蛋清中和哺乳动物的泪液、唾液、血浆、尿、乳汁、白细胞及其他体液（如淋液）和组织（如肝、肾）细胞内。

从大麦、芜青、无花果、木瓜和卷心菜、萝卜等植物中也能分离出溶菌酶,其中以蛋清中含量为最高（约含0􀀁3%）。

而人乳、眼泪、唾液中的溶菌酶活性远高于蛋清中（约为3倍）或其他来源的溶菌酶的活性。

除了这些天然原材料外,现在还可能通过基因工程的手段获得溶菌酶。

根据溶菌酶的一级结构、分子量和生物来源,可以将溶菌酶分为6种类型,即:

噬菌体T4溶菌酶（phage-type）、植物溶菌酶（plant-type）、微生物溶菌酶（bacteria-type）和3种动物型溶菌酶,即溶菌酶C型（chieken-lysozymetype）、G型（goose-type）和型（invertebrate-type）。

其中溶菌酶G主要存在于脊椎动物中;溶菌酶只存在于无脊椎动物中;而溶菌酶C则是唯一同时存在于脊椎动物、原索动物（文昌鱼）和无脊椎动物中的类型,也是目前研究得最广泛、最透彻的类型。

大部分溶菌酶都属于C型,从人乳汁、尿和胎盘中提取的溶菌酶也属C型。

5.3、溶菌酶的结构与性质

溶菌酶是一种葡萄糖苷酶，其中鸡蛋清溶菌酶是目前研究最清楚的一种溶菌酶，它是由18种129个氨基酸残基2200个原子组成的单肽链蛋白质，分子量14388~18000，（分子结构如下图）。

纯品溶菌酶为粉末状白色结晶，无嗅、味甜，易溶于水、乙醇，不溶于丙酮、乙醚等；在酸性溶液中其化学稳定性和热稳定性均较强，在pH=3，100oC条件下加热处理45min仍保持活性；在碱性条件下化学性质不稳定，易被破坏，热稳定性也很差。

5.4、溶菌酶的作用机理

溶菌酶以溶解革兰氏阴性细菌及革兰氏阳性菌的细胞壁而具有溶菌作用，因为革兰氏阳性细菌的细胞壁主要是由胞质壁和磷酸质组成的，其中的主要成分胞质壁又是由杂多糖与多肽组成的糖蛋白，而这种杂多糖正是由N-乙酰胞壁酸和N-乙酰氨基脱氧葡萄糖以β-1,4糖苷键连结的；而溶菌酶能水解N-乙酰葡萄糖胺与N-乙酰胞壁酸之间的β-1,4糖苷键，使细胞壁不溶性粘多糖分解成可溶性糖肽，导致细胞壁破裂内容物逸出而使细菌溶解。

这是溶菌酶应用的基础，也是它得名的原因。

溶菌酶的抗菌活性不仅表现在其分解细菌细胞壁方面，当酶受到不可逆抑制后，它仍然显示出抗菌效应。

由于革兰氏阳性菌无外膜，所以溶菌酶对它们具有直接溶解作用，在补体和抗体的协助下对革兰氏阴性菌也有溶菌作用。

溶菌酶还可与带负电荷的病毒蛋白直接结合，与DNA、RNA、脱辅基蛋白形成复盐，使病毒失活。

因此该酶具有抗菌、消炎、抗病毒等作用。

5.5、溶菌酶的应用

溶菌酶的发现对人民生活水平的提高和某些行业的发展起到了非常重要的作用,已在医药、食品和畜牧业方面进行了应用,且取得了一定效果。

在医学上，溶菌酶作为一种具有抗菌消炎作用的蛋白酶,是机体固有免疫的重要组成部分,参于多种免疫反应,在配合内服和外用药的同时,可起到对炎症,即微生物的感染作用的强力消炎作用,此广泛用于副鼻窦炎、急性咽喉炎和扁平苔藓的治疗,亦可用于慢性鼻炎、慢性咽喉炎及扁平疣等的辅助治疗。

另外,溶菌酶对预防龋齿也有一定的效果。

此外,可用溶菌酶来制造眼药水、润喉液等。

溶菌酶作为内服剂时,可抑制流行性感冒和腺病毒的生长,抗感染及抗炎症,而且溶菌酶对耐药性细菌同样具有溶菌作用,且具有疗效显著和对人体副作用小的特点,因而是一种较为理想的药用酶。

在食品工业中，因为溶菌酶是一种无毒、无副作用的蛋白质，又具有一定的溶菌作用，因此可用作食品防腐剂，现已广泛应用于水产品、肉食品、蛋糕、清酒、料酒及饮料中的防腐；还可以添入乳粉中，使牛乳人乳化，以抑制肠道中腐败微生物的生存，同时直接或间接地促进肠道中双歧杆菌的增殖。

此外，还能利用溶菌酶生产酵母浸膏和核酸类调味料等。

在饲料工业中，添加溶菌酶可防止霉变,延长饲料的贮存期,如与葡萄糖氧化酶一起使用还具有良好的增效作用和抗酸作用。

溶菌酶可提高内源蛋白酶的活性,促使抗炎多肽的产生,对引起仔猪腹泻的埃希氏大肠杆菌和轮状病毒有较强的抑制作用,因而具有抗炎防病的作用。

因此，畜禽饲料中添加适量饲用溶菌酶制剂后,可促进饲料营养物质的消化与吸收,提高畜禽生长速度和饲料利用率。

科学研究中，由于溶菌酶具有能够专一性地分解细胞壁的能力,除了在实际生产中的应用外,溶菌酶更广泛的应用于科学研究中。

如用溶菌酶专一性的水解细胞壁特点,了解微生物细胞壁的构造;分解细胞壁后制备原生质体,而用于微生物育种以及微生物分类等学术研究和专用试剂学。

同时,溶菌酶是基因工程、细胞工程中细胞融合操作必不可少的工具酶。

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