酶 第一章绪论 酶学( enzymology)是研究酶的性质、酶的作用规律、酶的结构和作用原理、酶的生 物学功能及酶的应用的科学。 1.1酶学发展的简史 很早人们就发现了微生物的发酵作用,这实际上是利用活细胞体内的及分泌出的酶的 催化作用来酿酒、酿醋、制酱、作奶酪等。直到1833年, Payer和 Persoz首先从麦芽的水 抽提液中得到了一种热敏感物质,这种物质能使淀粉水解成可溶性糖,故人们通常认为是 Payer和 Persoz首先发现了酶。早期人们把酶称为 ferment,它兼有发酵和酵素的意思。1878 年Khne在胰蛋白酶( trypsin)催化反应的研究中,首先把酶叫做 enzyme,这是希腊文“在 酵母中”的意思。它强调催化活性是“在酵母中”,即是其抽提物或分泌物的表现,而不是 整个有机体。关于酶的化学本质问题,曾经历过长时间的争论。20世纪20年代初,当时 的有机化学权威人士德国化学家 Willstatter认为酶不一定是蛋白质,而是由活动中心与胶 质载体两部分组成的,活动中心决定酶的催化能力及专一性,而胶质载体的的作用仅在于 保护脆弱的活动中心,使其不易受破坏。他认为酶中所含的蛋白质不过是保护胶质载体的 物质,从而解释了为什么在酶的纯化过程中,酶纯度越高越不稳定的事实。他纯化过氧化 物酶达12000倍,活性很高,但却在酶制剂中检测不到蛋白质。这实际上是由于当时还无 法检测微量蛋白质的缘故。1926年, Sumner首先从洋刀豆中得到了第一个结晶的脲酶,并 指出酶本身就是一种蛋白质。但是直到1930~1936年, Northrop等得到了胃蛋白酶( pepsin)、 胰蛋白酶( trypsin)和胰凝乳蛋白酶( chymotrypsin)等结晶酶, Sumner的观点才被普遍地 接受,并因此获得了1947年的诺贝尔奖。1965年,我国科学家在世界上首次人工合成了 具有生物活性的牛胰岛素。1969年, Merrifield等人工合成了第一个酶,即核糖核酸酶,这 被称为是酶学发展史上的一个里程碑。到20世纪80年代初,美国的Cech研究组发现了有 催化能力的RNA,称之为 ribozyme。现在看来,酶是生物催化剂中蛋白质本质的一类,生 物催化剂还包括了其他本质的物质。 1.2酶和生命活动密切相关
1 酶 学 第一章 绪论 酶学（enzymology）是研究酶的性质、酶的作用规律、酶的结构和作用原理、酶的生 物学功能及酶的应用的科学。 1.1 酶学发展的简史 很早人们就发现了微生物的发酵作用，这实际上是利用活细胞体内的及分泌出的酶的 催化作用来酿酒、酿醋、制酱、作奶酪等。直到 1833 年，Payer 和 Persoz 首先从麦芽的水 抽提液中得到了一种热敏感物质，这种物质能使淀粉水解成可溶性糖，故人们通常认为是 Payer 和 Persoz 首先发现了酶。早期人们把酶称为 ferment，它兼有发酵和酵素的意思。1878 年 Kühne 在胰蛋白酶（trypsin）催化反应的研究中，首先把酶叫做 enzyme，这是希腊文“在 酵母中”的意思。它强调催化活性是“在酵母中”，即是其抽提物或分泌物的表现，而不是 整个有机体。关于酶的化学本质问题，曾经历过长时间的争论。20 世纪 20 年代初，当时 的有机化学权威人士德国化学家 Willstätter 认为酶不一定是蛋白质，而是由活动中心与胶 质载体两部分组成的，活动中心决定酶的催化能力及专一性，而胶质载体的的作用仅在于 保护脆弱的活动中心，使其不易受破坏。他认为酶中所含的蛋白质不过是保护胶质载体的 物质，从而解释了为什么在酶的纯化过程中，酶纯度越高越不稳定的事实。他纯化过氧化 物酶达 12000 倍，活性很高，但却在酶制剂中检测不到蛋白质。这实际上是由于当时还无 法检测微量蛋白质的缘故。1926 年，Sumner 首先从洋刀豆中得到了第一个结晶的脲酶，并 指出酶本身就是一种蛋白质。但是直到1930～1936年，Northrop等得到了胃蛋白酶（pepsin）、 胰蛋白酶（trypsin）和胰凝乳蛋白酶（chymotrypsin）等结晶酶，Sumner 的观点才被普遍地 接受，并因此获得了 1947 年的诺贝尔奖。1965 年，我国科学家在世界上首次人工合成了 具有生物活性的牛胰岛素。1969 年，Merrifield 等人工合成了第一个酶，即核糖核酸酶，这 被称为是酶学发展史上的一个里程碑。到 20 世纪 80 年代初，美国的 Cech 研究组发现了有 催化能力的 RNA，称之为 ribozyme。现在看来，酶是生物催化剂中蛋白质本质的一类，生 物催化剂还包括了其他本质的物质。 1.2 酶和生命活动密切相关
酶在生物体内发挥四种类型的作用: 12.1.执行具体的生理机能 例如,肌球蛋白具有ATP酶的活性,它和肌动蛋白共同完成肌肉收缩的任务:又如 乙酰胆碱酯酶能水解乙酰胆碱,参与神经传导。 22.催化代谢反应,建立各种代谢途径和代谢体系。 1.23.协同激素等生理活性物质在体内发挥信号转换、传递、放大作用,调节生理过程和 生命活动 例如腺苷酸环化酶,它存在于肾上腺素靶细胞的质膜上,当它接受肾上腺素受体传来 的激素信号后,就会催化cAMP生成,后者再和蛋白激酶、糖原磷酸化酶以及糖原合成酶 等组合,协同发挥作用,形成级联调节系统( cascade regulation),将微量的激素信号加以 转化、放大,调节糖代谢的水平 124.清除有害物质,起着保卫作用 例如限制性内切核酸酶能选择性地降解外源DNA,抵制外源遗传物质的入侵;又如, 超氧化物歧化酶能破坏超氧负离子(O^),防止脂质过氧化。 另外,酶的组成和分布是生物进化与组织功能分化的基础。例如,精氨酸酶只存在于 排尿素动物的肝脏内,排尿酸的动物则没有:与三羧酸循环、氧化磷酸化有关的酶在心肌 中的含量就远比骨骼肌中高,而与糖酵解有关的酶,如醛缩酶等则相反。不同的病毒感染 特定的宿主,也是因为宿主细胞中含有它们需要的酶及其他物质。 1.3酶与生产实践 1.3.1酶制剂的应用 13.1.1酶制剂在工农业生产上的应用 酶制剂首先可用于加工生产。例如用相应的水解酶水解淀粉、蛋白质和核酸以生产葡 萄糖、氨基酸和核苷酸;用葡萄糖异枃酶转化葡萄糖成果糖:用青霉素酰胺酶水解天然青 霉素合成新型抗生素;用金属蛋白酶合成低热量、高甜度的新型甜味二肽(天冬氨酰苯丙 氨酸甲酯, Aspartame)等 其次,可用于改进产品质量。例如用脂肪酶水解乳脂为低级脂肪酸,使之增加奶油风 味:用果胶酶澄淸果汁、果酒:用橙皮苷酶消除罐头白浊:用柚苷酶、花青苷酶使果汁脱
2 酶在生物体内发挥四种类型的作用： 1.2.1. 执行具体的生理机能。 例如，肌球蛋白具有 ATP 酶的活性，它和肌动蛋白共同完成肌肉收缩的任务；又如， 乙酰胆碱酯酶能水解乙酰胆碱，参与神经传导。 1.2.2. 催化代谢反应，建立各种代谢途径和代谢体系。 1.2.3. 协同激素等生理活性物质在体内发挥信号转换、传递、放大作用，调节生理过程和 生命活动。 例如腺苷酸环化酶，它存在于肾上腺素靶细胞的质膜上，当它接受肾上腺素受体传来 的激素信号后，就会催化 cAMP 生成，后者再和蛋白激酶、糖原磷酸化酶以及糖原合成酶 等组合，协同发挥作用，形成级联调节系统（cascade regulation），将微量的激素信号加以 转化、放大，调节糖代谢的水平。 1.2.4. 清除有害物质，起着保卫作用。 例如限制性内切核酸酶能选择性地降解外源 DNA，抵制外源遗传物质的入侵；又如， 超氧化物歧化酶能破坏超氧负离子（O －），防止脂质过氧化。 另外，酶的组成和分布是生物进化与组织功能分化的基础。例如，精氨酸酶只存在于 排尿素动物的肝脏内，排尿酸的动物则没有；与三羧酸循环、氧化磷酸化有关的酶在心肌 中的含量就远比骨骼肌中高，而与糖酵解有关的酶，如醛缩酶等则相反。不同的病毒感染 特定的宿主，也是因为宿主细胞中含有它们需要的酶及其他物质。 1.3 酶与生产实践 1.3.1 酶制剂的应用 1.3.1.1 酶制剂在工农业生产上的应用 酶制剂首先可用于加工生产。例如用相应的水解酶水解淀粉、蛋白质和核酸以生产葡 萄糖、氨基酸和核苷酸；用葡萄糖异构酶转化葡萄糖成果糖；用青霉素酰胺酶水解天然青 霉素合成新型抗生素；用金属蛋白酶合成低热量、高甜度的新型甜味二肽（天冬氨酰苯丙 氨酸甲酯，Aspartame）等。 其次，可用于改进产品质量。例如用脂肪酶水解乳脂为低级脂肪酸，使之增加奶油风 味；用果胶酶澄清果汁、果酒；用橙皮苷酶消除罐头白浊；用柚苷酶、花青苷酶使果汁脱
苦脱色;还可以在食品中添加葡萄糖氧化酶以抗氧化:添加溶菌酶以杀菌防腐。 酶制剂也可用于革新工艺。例如纺织工业利用淀粉酶褪浆,不仅能节省化工原料,缩 短工艺时间,还可以减轻劳动强度,提高产品质量:制革工业应用蛋白酶等,既能加速皮 革浸水、软化、脱毛等过程,又可从根本上改变旧工艺脏、累、臭的状况。至于加酶洗涤 剂,它的优点是洗涤时间短、去污力强、能延长纺织品的寿命。指的提到的还有近年开发 的酶法氧化乙烯、丙烯制备环氧乙烷、丙烷的工艺,环氧乙烷、丙烷是合成洗涤剂、合成 树脂等的重要工业原料,这条新的工艺路线不仅可以免除旧工艺需要高温、高压、容易爆 炸、三废严重等缺点,而且投资少、效益高,副产品还是可食用的纯果糖 此外,酶制剂在三废处理上也能发挥很大的作用。例如,将分解氰化物的酶系做成固 定化的酶柱,氰含量高达2,00pm的废水只需通过该酶柱一次,就能将其中的氰全部去除 13.1.2酶制剂在医疗实践上的应用 ①消化酶:蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶、乳糖酶等 ②消炎酶:胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、菠萝蛋白酶、溶菌酶、链激酶、尿激酶、尿酸 酶等 ③抗肿瘤酶:天冬酰胺酶治疗白血病。谷氨酰胺酶、精氨酸酶、丝氨酸脱水酶、苯丙 氨酸氨解酶和亮氨酸脱氢酶等也具有抗肿瘤作用 ④遗传缺失酶:淀粉葡萄糖苷酶治疗糖原堆积症:PEG修饰的牛肠腺苷脱氨酶治疗免 疫缺陷病 ⑤其他治疗用酶:超氧化物歧化酶消除超氧负离子,防止脂质过氧化:透明质酸酶提 高毛细血管的通透性,增进药物的吸收效果:右旋糖苷酶防止龋齿等。 13.1.3酶制剂生产的工业状况 酶制剂工业近十几年来发展十分迅速,1974年全世界酶制剂销售总量不过4,000万美 元,但1984年已增长到近4亿美元,1997年为15亿美元。世界市场酶制剂的销售量大约 以7~8%的速度增长。我国1996年的酶制剂产量是24万吨,与发达国家相比相距甚远 1.3.2酶分析的应用 酶分析是通过酶反应速度的测定以达到临床检验和化学分析目的的一类分析。包括两 种类型:一是以酶为分析对象的分析,称为活力测定;二是以酶为分析工具的分析,又称
3 苦脱色；还可以在食品中添加葡萄糖氧化酶以抗氧化；添加溶菌酶以杀菌防腐。 酶制剂也可用于革新工艺。例如纺织工业利用淀粉酶褪浆，不仅能节省化工原料，缩 短工艺时间，还可以减轻劳动强度，提高产品质量；制革工业应用蛋白酶等，既能加速皮 革浸水、软化、脱毛等过程，又可从根本上改变旧工艺脏、累、臭的状况。至于加酶洗涤 剂，它的优点是洗涤时间短、去污力强、能延长纺织品的寿命。指的提到的还有近年开发 的酶法氧化乙烯、丙烯制备环氧乙烷、丙烷的工艺，环氧乙烷、丙烷是合成洗涤剂、合成 树脂等的重要工业原料，这条新的工艺路线不仅可以免除旧工艺需要高温、高压、容易爆 炸、三废严重等缺点，而且投资少、效益高，副产品还是可食用的纯果糖。 此外，酶制剂在三废处理上也能发挥很大的作用。例如，将分解氰化物的酶系做成固 定化的酶柱，氰含量高达 2,000ppm 的废水只需通过该酶柱一次，就能将其中的氰全部去除。 1.3.1.2 酶制剂在医疗实践上的应用 ① 消化酶：蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶、乳糖酶等。 ② 消炎酶：胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、菠萝蛋白酶、溶菌酶、链激酶、尿激酶、尿酸 酶等 ③ 抗肿瘤酶：天冬酰胺酶治疗白血病。谷氨酰胺酶、精氨酸酶、丝氨酸脱水酶、苯丙 氨酸氨解酶和亮氨酸脱氢酶等也具有抗肿瘤作用。 ④ 遗传缺失酶：淀粉葡萄糖苷酶治疗糖原堆积症；PEG 修饰的牛肠腺苷脱氨酶治疗免 疫缺陷病。 ⑤ 其他治疗用酶：超氧化物歧化酶消除超氧负离子，防止脂质过氧化；透明质酸酶提 高毛细血管的通透性，增进药物的吸收效果；右旋糖苷酶防止龋齿等。 1.3.1.3 酶制剂生产的工业状况 酶制剂工业近十几年来发展十分迅速，1974 年全世界酶制剂销售总量不过 4,000 万美 元，但 1984 年已增长到近 4 亿美元，1997 年为 15 亿美元。世界市场酶制剂的销售量大约 以 7～8%的速度增长。我国 1996 年的酶制剂产量是 24 万吨，与发达国家相比相距甚远。 1.3.2 酶分析的应用 酶分析是通过酶反应速度的测定以达到临床检验和化学分析目的的一类分析。包括两 种类型：一是以酶为分析对象的分析，称为活力测定；二是以酶为分析工具的分析，又称
为酶法分析。这两类分析在原理和方法上基本相同 1.3.2.1酶活力测定 除了科研上测定酶活力外,在临床上还通过测定一些酶的活力来作为疾病诊断的根 据。例如血清淀粉酶常作为急性胰腺炎的诊断指标。谷草转氨酶是肝功能化验的一个指标。 3.22酶法分析 以酶作为工具,分析酶的底物的浓度或含量。可酶电极(葡萄糖酶电极)和酶检测试 纸(尿糖试纸)更为方便快捷地测定 1.3.2.3酶免疫分析 用酶标记抗原或抗体,通过抗原抗体的特异性结合来分析其中的一方。酶免疫分析具 有不需要特殊复杂的仪器设备、灵敏度高、重复性好、对健康无害等优点 13.3酶生物学知识的应用 酶作为生物体内的主要催化剂,与生命活动密切相关。一方面,酶在体内的活性水平 反映了生物的生理状况:另一方面,如果控制机体内酶的活性水平,就能对生物的机能活 动作出相应的调节。因此,了解酶的生物学规律和知识,对于生产实践有着极为重要的意 1.3.3.1提高发酵代谢产物的产量 ①添加酶的抑制剂:以柠檬酸生产为例,在柠檬酸发酵生产中往往会伴随形成一定量 的异柠檬酸,这是因为菌体内同时存在有顺乌头酸酶的缘故,这种酶能使部分柠檬酸转 化成异柠檬酸。为此,如果在发酵系统中添加氟乙酸等抑制剂,或在培养基中限制Fe 的供应,使顺乌头酸酶的活性受到抑制,就可以减少异柠檬酸的生成,提高柠檬酸的产 量。基于同样的道理,通过诱变获得了对氟乙酸敏感的突变株,结果柠檬酸的产量也同 样得到了显著的提高。 ②控制代谢系统中的关键酶:以用黄色棒状短杄菌生产赖氨酸为例,在这种细菌的赖 氨酸合成调节机构中,赖氨酸和苏氨酸对该代谢途径中的第一个酶,即天冬氨酸激酶表 现协同性反馈抑制效应,但赖氨酸对分枝途径的第一个酶,二氢吡啶羧酸合成酶无反馈 抑制。根据这一特点,只要控制苏氨酸的浓度,克服协同性反馈抑制,赖氨酸就可以大 量合成。基于这一认识,诱变获得了高丝氨酸脱氢酶缺失的突变体(不能合成苏氨酸)
4 为酶法分析。这两类分析在原理和方法上基本相同。 1.3.2.1 酶活力测定 除了科研上测定酶活力外，在临床上还通过测定一些酶的活力来作为疾病诊断的根 据。例如血清淀粉酶常作为急性胰腺炎的诊断指标。谷草转氨酶是肝功能化验的一个指标。 1.3.2.2 酶法分析 以酶作为工具，分析酶的底物的浓度或含量。可酶电极（葡萄糖酶电极）和酶检测试 纸（尿糖试纸）更为方便快捷地测定。 1.3.2.3 酶免疫分析 用酶标记抗原或抗体，通过抗原抗体的特异性结合来分析其中的一方。酶免疫分析具 有不需要特殊复杂的仪器设备、灵敏度高、重复性好、对健康无害等优点。 1.3.3 酶生物学知识的应用 酶作为生物体内的主要催化剂，与生命活动密切相关。一方面，酶在体内的活性水平 反映了生物的生理状况；另一方面，如果控制机体内酶的活性水平，就能对生物的机能活 动作出相应的调节。因此，了解酶的生物学规律和知识，对于生产实践有着极为重要的意 义。 1.3.3.1 提高发酵代谢产物的产量 ① 添加酶的抑制剂：以柠檬酸生产为例，在柠檬酸发酵生产中往往会伴随形成一定量 的异柠檬酸，这是因为菌体内同时存在有顺乌头酸酶的缘故，这种酶能使部分柠檬酸转 化成异柠檬酸。为此，如果在发酵系统中添加氟乙酸等抑制剂，或在培养基中限制 Fe 的供应，使顺乌头酸酶的活性受到抑制，就可以减少异柠檬酸的生成，提高柠檬酸的产 量。基于同样的道理，通过诱变获得了对氟乙酸敏感的突变株，结果柠檬酸的产量也同 样得到了显著的提高。 ② 控制代谢系统中的关键酶：以用黄色棒状短杆菌生产赖氨酸为例，在这种细菌的赖 氨酸合成调节机构中，赖氨酸和苏氨酸对该代谢途径中的第一个酶，即天冬氨酸激酶表 现协同性反馈抑制效应，但赖氨酸对分枝途径的第一个酶，二氢吡啶羧酸合成酶无反馈 抑制。根据这一特点，只要控制苏氨酸的浓度，克服协同性反馈抑制，赖氨酸就可以大 量合成。基于这一认识，诱变获得了高丝氨酸脱氢酶缺失的突变体（不能合成苏氨酸）
用此突变株发酵时,如果同时限制外源苏氨酸和甲硫氨酸的供应,赖氨酸的产量可以提 高到40g/L以上 ③添加酶制剂:在发酵过程中,如果向体系中添加某些酶制剂,增大细胞的通透性 可以促进产物的分泌,克服反馈抑制,使产量显著提高。例如,用嗜氨小杆菌生产谷氨 酸,以7%的甜菜糖蜜为碳源时,如果在发酵10小时后添加0.08%的溶菌酶,则48小时 后,谷氨酸的产量可提高6倍:如果在发酵4小时后添加10um的脂肪酶,则48小时 后的产量可提高12倍。 13.3.2药物、农药、毒物和解毒药物的设计 现在应用的许多药物和农药,事实上都是酶的抑制剂,它们的作用是抑制代谢途径中 的“关键酶”,或防止异常代谢出现,或者造成菌、虫的代谢和机能紊乱,从而达到恢复健 康和消除病害的目的。例如,高血压是人类常见的疾病,在体内最强的升压物质之一是血 管紧张素,它是由血管紧张素原通过血管紧张素原转化酶(ACE)催化生成的,因此,如 果能抑制ACE,就可以控制高血压。ACE是一种羧基端解二肽酶,通过研究ACE的抑制 剂,生产出了一种ACE的抑制剂作为降压药,这就是“开博通( Captopril”。又例如,常 用的抗菌药磺胺,它是根据某些细菌在代谢途径中,特别是在核酸合成代谢中需要以对氨 基苯甲酸为核心成分的叶酸作为辅酶,而磺胺是对氨基苯甲酸的类似物,它能竞争性地抑 制上述这些叶酸辅酶参与的反应,从而达到抑制细菌生长的目的。再例如,有机磷农药, 它的作用是强烈地抑制乙酰胆碱酶,引起动物的生理失调,最终导致动物死亡。而解毒药 物如“解磷定”等,则是基于同样机理,从相反的方向竞争性地将有机磷化合物从酶上拉 下来,使酶从抑制状态中解脱出来,恢复正常的生理功能。 酶学正在生产实践中发挥着很重要的作用,而且蕴藏着巨大的潜力。随着酶学的发展 它的应用也必将跃上新的台阶,展现更加广阔的前景
5 用此突变株发酵时，如果同时限制外源苏氨酸和甲硫氨酸的供应，赖氨酸的产量可以提 高到 40g/L 以上。 ③ 添加酶制剂：在发酵过程中，如果向体系中添加某些酶制剂，增大细胞的通透性， 可以促进产物的分泌，克服反馈抑制，使产量显著提高。例如，用嗜氨小杆菌生产谷氨 酸，以 7%的甜菜糖蜜为碳源时，如果在发酵 10 小时后添加 0.08%的溶菌酶，则 48 小时 后，谷氨酸的产量可提高 6 倍；如果在发酵 4 小时后添加 10u/ml 的脂肪酶，则 48 小时 后的产量可提高 12 倍。 1.3.3.2 药物、农药、毒物和解毒药物的设计 现在应用的许多药物和农药，事实上都是酶的抑制剂，它们的作用是抑制代谢途径中 的“关键酶”，或防止异常代谢出现，或者造成菌、虫的代谢和机能紊乱，从而达到恢复健 康和消除病害的目的。例如，高血压是人类常见的疾病，在体内最强的升压物质之一是血 管紧张素，它是由血管紧张素原通过血管紧张素原转化酶（ACE）催化生成的，因此，如 果能抑制 ACE，就可以控制高血压。ACE 是一种羧基端解二肽酶，通过研究 ACE 的抑制 剂，生产出了一种 ACE 的抑制剂作为降压药，这就是“开博通（Captopril）”。又例如，常 用的抗菌药磺胺，它是根据某些细菌在代谢途径中，特别是在核酸合成代谢中需要以对氨 基苯甲酸为核心成分的叶酸作为辅酶，而磺胺是对氨基苯甲酸的类似物，它能竞争性地抑 制上述这些叶酸辅酶参与的反应，从而达到抑制细菌生长的目的。再例如，有机磷农药， 它的作用是强烈地抑制乙酰胆碱酶，引起动物的生理失调，最终导致动物死亡。而解毒药 物如“解磷定”等，则是基于同样机理，从相反的方向竞争性地将有机磷化合物从酶上拉 下来，使酶从抑制状态中解脱出来，恢复正常的生理功能。 酶学正在生产实践中发挥着很重要的作用，而且蕴藏着巨大的潜力。随着酶学的发展， 它的应用也必将跃上新的台阶，展现更加广阔的前景