一、酶的定义
酶是一种由活细胞产生的生物催化剂。它是一种蛋白质,在生物体的新陈代谢中起着非常重要的作用。它参与生物体大部分的化学反应,使新陈代谢有控制地有秩序地进行下去,从而使生命得以延续。
尽管历史上很早就存在着人们不自觉地应用酶学原理,利用粮食原料制酒的事例,但酶学作为一门科学还只起始于19世纪。随后,无论是新酶的发现,酶作用性质的研究,酶的研究方法和实验技术的改进,都有重要的进展。尤其是最近50年中取得了飞速的发展,近年来基因工程的突破性成果应用于酶生产菌种的改良工作后,更使酶制剂工业跨上了新的台阶。
2.1洗涤剂酶的定义
前面已经介绍过,酶按所催化的反应类型分为6大类。洗涤剂中使用酶的作用对象主要是各种污垢物质,使之水解转变为水溶性的物质,因而很容易
清洗。例如,蛋白酶使蛋白质污垢水解成为肽和氨基酸; 淀粉酶使淀粉类污垢
水解成为分子质量较低的糖类;脂肪酶使油脂类污垢水解成为单甘油酯、二
甘油酯、脂肪酸和甘油。还有一种重要的洗涤剂酶——纤维素酶,它的作用
对象虽然并不是污垢而是纤维素本身,但它的主要作用还是使纤维素所产生
的微短毛因水解而弱化,再经洗涤过程中的机械作用被脱除。上述各种作用
都将在本书的后面部分详细叙述,此处不加展开。但是从上述4种类型的洗
涤剂酶的作用来看,就可以得出结论: 洗涤剂酶是属于水解酶这一大类的酶。
洗涤剂中加酶主要是为了提高洗涤剂的去污性能;在某些场合,还可以改善抗
再沉积、增白(显色)、织物保护和柔软等性能。
- 来源：洗涤剂酶应用手册
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酶
酶是生物催化剂。生物体内的各种化学反应都是在酶的催化下进行的,所以没有酶生物体就无法进行新陈代谢,生命也就停止了。
酶有着巨大的催化能力,它在体内极其温和的条件下发生作用,效率却比无机催化剂高107～1013倍,酶对反应作用物,亦称底物,有着很高的专一性,一种酶只能催化一种或一类底物分子反应。
虽然人们最近发现有些核糖核酸也具有催化活性,但迄今所知的大部分酶,其化学本质是蛋白质。许多酶除蛋白质外还结合有小分子或金属离子的辅助因子。那些与酶蛋白结合紧密的辅助因子叫辅基,而与酶蛋白结合松驰,容易分离的辅肋因子称为辅酶。全酶就是酶蛋白和辅酶(基)结合形成的复合物。酶催化的专一性和高效性取决于酶蛋白本身和辅酶(基)直接对电子、原子或化学基团的传递作用。
酶作为生物大分子物质,它的分子比大多数底物要大得多,在催化反应中,酶与底物的接触只局限于少数基团或较小部位。酶分子中直接和底物结合,并和酶的催化作用直接有关的部位,叫做酶的活性部位。它常常是由辅酶(基)以及酶分子中在空间结构上比较靠近的几个氨基酸基团形成的一种特殊结构,在分子表面常可出现裂缝或凹陷,使底物能进入这个部位和酶结合并被催化。
有些酶在最初合成时没有催化活性,这种无活性的酶的前体称为酶原。酶原在小分子物质或酶的激活下能转变成有活性的酶。这种激活是使酶原去除了抑制性的肽段或切除了某些多余的肽段后结构重新调整建立了酶的活性部位的缘故。
酶催化反应的动力学是研究酶催化反应的重要部分。根据酶促动力学的研究提出的反映底物浓度〔S〕,最大反应速度Vmax和当酶催化反应的速度达到最大反应速度一半时的底物浓度Km之间关系的公式称为米氏(Michaelis)公式:酶催化反应的速度v=V max·〔S〕/Km+ 〔S〕。Km叫做米氏常数,是酶的一个特征性常数,只和酶的性质有关。
影响酶反应速度的主要因素有底物浓度、pH、温度、酶浓底、激活剂及抑制剂等,因此测定酶活力都是选用在最适pH、最适温度、底物极大过量的条件下进行的。一般酶活力单位定义为在一定条件下,每分钟转变1μmol底物的酶量。酶比活定义为每毫克酶蛋白所具有的酶活力单位数。
酶具有高催化效率的原因除了酶能降低反应的活化能外,还被认为是酶与底物结合时,两者的构象都能发生相应的改变,使它们容易互相吻合,形成短暂的过渡性复合物,这叫酶与底物作用的诱导楔合学说(如图)。此外,酶与底物之间还可发生接近、定向,底物可被拉紧、扭曲,易于断裂,酶可以和底物之间有质子的得失,对底物进行酸碱催化等,从而使酶对底物高速度地进行反应。
图酶与底物的“诱导楔合”假说示意图
酶的种类很多,催化的反应又各式各样,国际酶学委员会根据酶催化的反应类型,把酶分成六大类:(1)催化氧化还原反应的氧化还原酶类。(2)催化分子间基团转移的转移酶类。(3)催化水解反应的水解酶类。(4)催化非水解地除去底物分子中的基团及其逆反应的裂解酶类。(5)催化分子异构反应的异构酶类。
(6)与三磷酸腺苷(ATP,或相应的核苷三磷酸)的一个焦磷酸键断裂相偶联,催化两个分子合成一个分子的合成酶类。每一大类酶又分为亚类、亚亚类等,分别有系统的数字编号和命名。如俗称的黄嘌呤氧化酶属于氧化还原酶类,它的编号即命名为:EC1.2.3.2.。
大部分酶的分离纯化方法和蛋白质相同,但由于酶具有催化活性,所以在整个提纯过程中,特别需要注意条件,防止强酸、强碱、高温、剧烈搅拌等,以避免酶活力的损失。制备好的较纯的酶一般不太稳定,通常应保存在冰箱中,也可以在酶溶液中加入一些保护剂或稳定剂如甘油等,或把酶冷冻干燥制成干粉保存。
酶的应用非常广泛,目前世界上已生产了几百种酶制剂,其中很大一部分用于医疗。如尿激酶、溶纤酶是治疗血栓的有效药物;胃蛋白酶、胰酶制剂可增进消化能力;门冬酰胺酶、谷氨酰胺酶、组氨酸酶都可用来抗白血病;胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶可用于外科化脓性创口的净化等等。医学上还常常通过测定血液或其他体液中酶的活性来帮助诊断某些疾病和了解病情的发展。如患肝炎和心肌炎时血清中转氨酶活力增高;急性胰腺炎患者血清和尿中淀粉酶活性显著升高;有机磷农药中毒时血清中胆碱酯酶活力下降等。
酶的高效专一性催化,所需反应条件的温和,反应物的无毒性等优点使酶在工农业中有着广泛的应用。如蛋白酶用于皮革工业的脱毛和软化,肉类的嫩化,酒类的澄清或加入洗涤剂中洗涤血渍和蛋白污物;淀粉酶可用于纺织品的退浆;脂肪酶用于食品增香,羊毛洗涤;葡萄糖氧化酶可除去罐头中残余的氧,纤维素酶可处理饲料,增加饲料的营养价值等。特别是固定化酶技术及最近兴起的酶工程研究,更为酶的进一步应用展示了美好的前景。
- 来源：中国成人教育百科全书·生物·医学
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第一节酶制剂的概念及特性
一、酶的定义
酶是一种由活细胞产生的生物催化剂。它是一种蛋白质, 生物体的新陈代谢中起着非常重要的作用。它参与生物体大部分的化学反应,使新陈代谢有控制地有秩序地进行下去,从而使生命得以延续。
尽管历史上很早就存在着人们不自觉地应用酶学原理,利用粮食原料制酒的事例,但酶学作为一门科学还只起始于19世纪。随后,无论是新酶的发现,酶作用性质的研究,酶的研究方法和实验技术的改进,都有重要的进展。尤其是最近50年中取得了飞速的发展,近年来基因工程的突破性成果应用于酶生产菌种的改良工作后,更使酶制剂工业跨上了新的台阶。
二、酶的分类
根据国际生物化学联合委员会对酶的分类,可把酶分成六大类,它们是: 氧化还原酶类、转移酶类、水解酶类、裂合酶类、异构酶类、合成酶类。具体分类如下。
(一) 氧化还原酶类
氧化还原酶类(Oxidoreductase) 能催化底物的氧化和还原, 反应时需要电子的供体和受体,而不是基团的加成或者去除。反应通式可以写成:
AH2+B?A+BH2
其中AH2为供氢体,B为受氢体。根据供氢体的性质,一般可分成氧化酶类和脱氢酶类。
1.氧化酶类
按照生成产物是H2O2还是H2O,又可分成两小类。在生成H2O2的反应中,
一般需要FAD(黄素腺嘌呤二核苷酸)或FMN(黄素单核苷) 为辅基,作用时,底物脱下的氢先交给FAD形成FAD·2H,然后FAD·2H与氧作用,生成H2O2,放出FAD。
2.脱氢酶类
此类酶能催化从底物上直接脱氢,例如醇脱氢酶、谷氨酸脱氢酶。
(二)转移酶类
此类酶催化一种分子上的基团转移到另一种分子上。反应通式为:
A—R+B?A+B—R
其中R基为被转移基团,它可以是一个很小的基团,也可以是一个糖残基甚至一条多糖链。
此类反应的底物必须有两个: 一个是供体,一个是受体。如果供体和受体十分相似,反应是可逆的。如果受体和供体结构相差甚远,且反应是需要大量能量,一般由具有高能键的ATP供给,所以整个反应是不可逆的。
(三) 水解酶类
此类酶能催化大分子物质加水分解成为小分子物质。反应通式为:
A—B+HOH?AOH+BH
由于溶液中水含量极大,所以反应前后水量的变化可以忽略不计,可以看作是单分子反应。这类酶大都属于细胞外酶,在生物体内分布最广,数量也最多,应用最广泛。如今工业中已经应用的酶中多数为水解酶类,例如淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、果胶酶、核糖核酸酶及纤维素酶等。
(四) 裂解酶类
此类酶能催化一个化合物分解为几个化合物或其逆反应。其反应通式为:
A—B?A+B
(五)异构酶类
此类酶能催化底物的分子内重排反应,即催化同分异构化合物之间的互相转化。其通式为:
A?B
例如葡萄糖异构酶催化葡萄糖转变为果糖的反应。目前已有工业化的葡萄糖
异构酶制剂,而且一般是固定化的酶,生产上已应用此酶将葡萄糖制成果糖和葡萄糖的混合糖浆,以提高甜度, 应用于食品工业。反应式如下:
(六)合成酶类
此类酶能将两个底物合成为1个分子,反应时由ATP(腺苷三磷酸)或其他高能的核苷三磷酸供给反应所需的能量,其通式为:
A+B+ATP?AB+ADP+无机磷酸(或AMP)(或无机焦磷酸)
三、酶的特性
(一) 高效性
酶催化反应与一般催化反应不一样,它可以在常温常压和温和的酸碱度下,高效地进行。1个酶分子在1min内能引起数百万个底物分子转化为产物,酶的催化能力比一般催化剂的催化能力大1000万倍到10万亿倍。
酶的催化作用不但与底物一接触便发生,而且不用附加剧烈的条件,而一般催化剂往往需要辅以较高的温度、压力等条件。在看似平静的自然界中,每时每刻都在发生着无法计数的酶促反应,而参与酶促反应的酶量又是极少量的。譬如土壤中的固氮菌,把空气中的氮转化成复杂的含氮化合物,组成自身的菌体物质,并供植物利用。反应速度差不多是每秒钟有10万个氨分子反应,可见反应之快。
由于酶的催化效能如此大,因此人们只能相对地以催化了多少底物来表示它们的含量。在一定的时间、温度、酸碱度等条件下,催化了一定数量的底物转化,定为1个“单位”。单位数越多,酶活力越高。
为了统一起见,第五届国际生化会议采纳了国际理论和应用化学联合会(IU PAC) 和国际生化协会酶学委员会推荐的酶单位定义,规定1个酶单位是在2 5℃、特定的最适缓冲液的离子强度和pH、特定的底物浓度等条件下,1min 内转化1μmol的底物的酶量,或转化底物的有关基团的1μmol的酶量,1ml 酶蛋白所含的酶活力单位,叫做比活力。1ml溶液中的酶单位(u/ml) 或每升所含的酶单位(u/L)称为酶的浓度。
(二) 专一性
酶促反应的另一个特点,就是酶对底物高度的专一性。一种酶只能催化一种或一类物质反应,即酶是一种仅能促进特定化合物、特定化学键、特定化学变化的催化剂。如淀粉酶只能催化淀粉水解,蛋白酶只能催化蛋白质水解,而无机催化剂如酸或碱既催化淀粉水解,也催化蛋白质或其他物质水解,对作用物的选择并无特异性。
特异性主要表现在以下三种情况:
(1) 只催化一种底物起反应,特异性极高。如脲酶只催化尿素水解,对其类似物(甲基脲)无作用。
(2) 能催化一类底物起反应,特异性极低。如蔗糖酶既水解蔗糖,也水解棉子糖,因为它们有相同的化学键。
(3) 能催化底物的立体异构体之一起反应,有高度的立体特异性。如乳酸脱氢酶只催化L (+) -乳酸脱氢,不能催化D (-) -乳酸脱氢。
(三)酶的化学本质
酶之所以有两个不同于一般催化剂的特性,主要是由于酶的化学本质及结构所导致的。酶的化学本质是蛋白质,以下因素可以证明这点:
(1) 酶是高分子的胶体物质,且是两性电解质,酶在电场中能像其他蛋白质一样泳动,酶的活性pH曲线和两性离子的解离曲线相似。
(2) 紫外线、热、表面活性剂、重金属盐以及酸碱变性剂等能使蛋白质变性的因素,往往也能使酶失效。
(3)酶本身能被水解蛋白质的蛋白质水解酶分解而丧失活力。
(4) 对现在所能供的高度纯化和结晶的酶进行组分分析表明,酶或者是单纯的蛋白质,或者是蛋白质与小分子组成的络合物。
(5)人们已于1969年第一次从氨基酸人工合成了具有催化活力的酶。
组成酶的蛋白质如何排列以及结构与酶特性的关系将在本章第二节中详细讨论。
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三、酶的特性
(一) 高效性
酶催化反应与一般催化反应不一样,它可以在常温常压和温和的酸碱度下高效地进行。1个酶分子在1min内能引起数百万个底物分子转化为产物,酶的催化能力比一般催化剂的催化能力大1000万倍到10万亿倍。
酶的催化作用不但与底物一接触便发生,而且不用附加剧烈的条件,而一般催化剂往往需要辅以较高的温度、压力等条件。在看似平静的自然界中,每时每刻都在发生着无法计数的酶促反应,而参与酶促反应的酶量又是极少量的。譬如土壤中的固氮菌,把空气中的氮转化成复杂的含氮化合物,组成自身的菌体物质,并供植物利用。反应速度差不多是每秒钟有10万个氨分子反应,可见反应之快。
由于酶的催化效能如此大,因此人们只能相对地以催化了多少底物来表示它们的含量。在一定的时间、温度、酸碱度等条件下,催化了一定数量的底物转化,定为1个“单位”。单位数越多,酶活力越高。
为了统一起见,第五届国际生化会议采纳了国际理论和应用化学联合会(IUPAC)和国际生化协会酶学委员会推荐的酶单位定义,规定1个酶单位是在25℃、特定的最适缓冲液的离子强度和pH、特定的底物浓度等条件下,1 min内转化1μmol的底物的酶量,或转化底物的有关基团的1μmol的酶量, 1mL酶蛋白所含的酶活力单位,叫做比活力。1mL溶液中的酶单位(u/mL) 或每升所含的酶单位(u/L) 称为酶的浓度。
(二) 专一性
酶促反应的另一个特点,就是酶对底物高度的专一性。一种酶只能催化一种或一类物质反应,即酶是一种仅能促进特定化合物、特定化学键、特定化学变化的催化剂。如淀粉酶只能催化淀粉水解,蛋白酶只能催化蛋白质水解,而无机催化剂如酸或碱既催化淀粉水解,也催化蛋白质或其他物质水解,对作用物的选择并无特异性。
特异性主要表现在以下三种情况:
(1) 只催化一种底物起反应,特异性极高。如脲酶只催化尿素水解,对其类似物(甲基脲) 无作用。
(2) 能催化一类底物起反应,特异性极低。如蔗糖酶既水解蔗糖,也水解棉子糖,因为它们有相同的化学键。
(3) 能催化底物的立体异构体之一起反应,有高度的立体特异性。如乳酸脱氢酶只催化L(+)-乳酸脱氢,不能催化D(-)-乳酸脱氢。
(三) 酶的化学本质
酶之所以有两个不同于一般催化剂的特性,主要是由于酶的化学本质及结构所导致的。酶的化学本质是蛋白质,以下因素可以证明这点:
(1) 酶是高分子的胶体物质,且是两性电解质,酶在电场中能像其他蛋白质一样泳动,酶的活性pH曲线和两性离子的解离曲线相似。
(2) 紫外线、热、表面活性剂、重金属盐以及酸碱变性剂等能使蛋白质变性的因素,往往也能使酶失效。
(3) 酶本身能被水解蛋白质的蛋白质水解酶分解而丧失活力。
(4) 对现在所能供的高度纯化和结晶的酶进行组分分析表明,酶或者是单纯的蛋白质,或者是蛋白质与小分子组成的络合物。
(5)人们已于1969年第一次从氨基酸人工合成了具有催化活力的酶。