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1、生命与化学第1页，本讲稿共36页The Nobel Prize in Chemistry 2004for the discovery of ubiquitin-mediated protein degradationAaron CiechanoverAvram HershkoIrwin RoseIsraelIsraelUSATechnionIsraelInstituteofTechnologyHaifa,IsraelTechnionIsraelInstituteofTechnologyHaifa,IsraelUniversityofCaliforniaIrvine,CA,USAb.1947b.
2、1937(inKarcag,Hungary)b.1926第2页，本讲稿共36页生物催化剂生物催化剂酶酶第3页，本讲稿共36页在生命活动中，构成新陈代谢以及遗传信息传递在生命活动中，构成新陈代谢以及遗传信息传递和表达的所有化学变化都是在酶的催化下进行的。和表达的所有化学变化都是在酶的催化下进行的。除最近发现的极少数具有催化功能的核酸外，几除最近发现的极少数具有催化功能的核酸外，几乎所有的酶都是球状蛋白质。乎所有的酶都是球状蛋白质。第4页，本讲稿共36页1946 The Prize was divided,one half being awarded to:James Batcheller Sum
3、ner(USA,19.11.1887-12.8.1955)USA,Cornell University,Ithaca,NY,for his discovery that enzymes can be crystallized.the other half jointly to:John Howard Northrop(USA,5.7.1891-27.5.1987)USA,Rockefeller Institute for Medical Research,Princeton,NJ,andWendell M.Stanley(USA,16.8.1904-15.6.1971)USA,Rockefel
4、ler Institute for Medical Research,Princeton,NJ,for their preparation of enzymes and virus proteins in a pure form.Sumner指出酶是蛋白质（指出酶是蛋白质（推翻推翻威尔施泰特威尔施泰特理论理论,1915年得主年得主），），Northrop证实；证实；Stanley提出病毒是蛋白质提出病毒是蛋白质与核酸的混合体。与核酸的混合体。第5页，本讲稿共36页酶是天然的最有效的生物催化剂，没有任何人工酶是天然的最有效的生物催化剂，没有任何人工催化剂能够像酶那样在很温和的生理条件下具有催化剂
5、能够像酶那样在很温和的生理条件下具有那么强的催化效能。一个那么强的催化效能。一个淀粉酶分子每秒钟可淀粉酶分子每秒钟可催化断裂直链淀粉中催化断裂直链淀粉中4000个键。除高效性外，个键。除高效性外，酶反应还具有高度的专一性。麦芽糖酶只能催酶反应还具有高度的专一性。麦芽糖酶只能催化麦芽糖水解为两分子葡萄糖，这是麦芽糖酶化麦芽糖水解为两分子葡萄糖，这是麦芽糖酶的惟一功能，而其他的酶却不能代替它。的惟一功能，而其他的酶却不能代替它。第6页，本讲稿共36页酶（enzyme）是活细胞产生的一类具有催化功能的生物分子，所以又称为生物催化剂。绝大多数的酶都是蛋白质蛋白质。酶单纯酶结合酶仅由氨基酸残基构成的酶蛋
6、白质部分非蛋白质部分酶蛋白辅助因子全酶第7页，本讲稿共36页酶在生物体中的作用酶在生物体中的作用 维持生物体内各种代谢过程有规律进行物质代谢：物质在细胞中的合成和分解能量代谢：生物氧化系统释放的能量，以高能键的形式储存在生物体内的ATP中第8页，本讲稿共36页酶的催化作用特点AB12第9页，本讲稿共36页1.酶的催化作用特点（1）高效性酶是自然界中催化活性最高的一类催化剂。酶的催化效率通常比非催化反应高1081022倍，比一般催化剂高1071013倍。第10页，本讲稿共36页Examples:胶态铂 Ea=49kJ/mol过氧化氢酶 Ea=8kJ/molH2O2=H2O+O2而反应速度常数而反
7、应速度常数 k=A e(-E/RT)第11页，本讲稿共36页酶一般只能选择性地催化一种或一类相同类型的化学反应。酶催化的反应几乎不产生副反应。（2）高度选择性第12页，本讲稿共36页L-乳酸丙酮酸立体专一性乳酸脱氢酶-2H 第13页，本讲稿共36页酶促反应一般在pH58的水溶液中进行，反应温度范围为2040。（3）反应条件温和第14页，本讲稿共36页2.酶催化反应的机理 在酶催化的反应中，第一步是酶与底物形成酶-底物中间复合物。当底物分子在酶作用下发生化学变化后，中间复合物再分解成产物和酶。总反应:SP第15页，本讲稿共36页3.酶与底物结合的模式（1）“锁与钥匙”学说刚性模式第16页，本讲稿
8、共36页（2）“诱导契合”学说柔性模式第17页，本讲稿共36页4.酶工程酶工程是指酶制剂在工业上的大规模生产和应用。酶工程的主要内容：酶的制备、酶和细胞的固定化、酶反应器的设计和放大、反应条件的设计和优化等。酶工程的主要任务：通过预先设计，经过人工控制，获得大量所需酶，并保持酶的稳定性，发挥最大的催化功能。酶催化反应的基本步骤：酶制剂产品催化反应生物反应器固定酶第18页，本讲稿共36页工业应用食品工业：纺织业：淀粉酶脱浆毛纺业：脂肪酶脱酯皮革业：角蛋白酶脱毛制丝业、照相业：蛋白酶使生丝及底片脱胶农业：纤维素酶饲料加工医药、轻工：生产氨基酸、半合成抗生素、助消化药（酸性蛋白酶）第19页，本讲稿共
9、36页1929 The Prize was divided equally between:Sir Arthur Harden(Great Britain,12.10.1861-17.6.1940)Great Britain,London University,Hans Karl August Simon von Euler-Chelpin(Augsburg,Germany,15.2.1873-6.11.1964)Sweden,Stockholm University,for their investigations on the fermentation of sugar and ferme
10、ntative enzymes.and糖发酵及发酵酶糖发酵及发酵酶第20页，本讲稿共36页固氮酶固氮酶植物生长除了靠光合作用外，还要靠从土壤中吸收含氮的化合物。虽然空气中的氮气占80%，但单质氮不是所有生物都可吸收利用的。因此要把空气中的氮气转化为氮化物，这个固氮过程十分重要。自然界有些细菌和藻类可把空气中的氮转化为氨:如大豆、三叶草和紫花苜蓿等豆科植物的根瘤菌的固氮菌株具有这种固氮作用将氮气转化为氮肥的原料将氮气转化为氮肥的原料-氨的化学合成工艺是由谁发明的氨的化学合成工艺是由谁发明的?第21页，本讲稿共36页Haber Process-2020世纪人类最重大的发明世纪人类最重大的发明191
11、8Fritz Haber(Germany,1868-1934)Germany,Kaiser-Wilhelm-Institut(nowFritz-Haber-Institut)frphysikalischeChemieundElectrochemie,Berlin-Dahlem,for the synthesis of ammonia from its elements.1931Carl Bosch(Germany,1874-1940)Germany,HeidelbergUniversityandI.G.AndFriedrich Bergius(Germany,1884-1949)Germany
12、,HeidelbergUniversityandI.G.in recognition of their contributions to the invention and development of chemical high pressure methods.第22页，本讲稿共36页单质氮转化为氮化合物的过程涉及固氮酶及其复合物的作用。固氮酶由两种蛋白质组成：（1）二氮酶：相对分子质量约为220000，含2个钼原子、32个铁原子和32个活性硫原子。（2）二氮还原酶：由2个相对分子质量为29000的相同亚基构成的，每个亚基含4个铁原子和4个硫原子。第23页，本讲稿共36页化学模拟固氮固氮要
13、全部搞清楚固氮酶的结构和作用机制是一项甚为复杂的研究，但固氮酶的蛋白质及其活性中心的结构信息可启发化学模拟固氮的催化研究。蛋白质与钼和铁的配合物及钼、铁、硫的原子簇化合物均被认为是可以模拟固氮酶的活性部位。第24页，本讲稿共36页光合作用地球上最重要的化学反应光光合合作作用用是是一一个个典典型型的的氧氧化化还还原原反反应应过过程程。在在植植物物光光合合作作用过程中，发生了三个重要事件：用过程中，发生了三个重要事件：（1）CO2被还原成糖；被还原成糖；（2）H2O被氧化成被氧化成O2；（3）光能被固定并转化成化学能。）光能被固定并转化成化学能。第25页，本讲稿共36页光合作用的类型光合作用的类型
14、光反应光反应（仅当存在光能时才发生）绿色植物特有暗反应暗反应（能在黑暗中进行，以光反应所产生的高能化合物为原料）植物及某些动物细胞特征 第26页，本讲稿共36页1961 Melvin Calvin(USA,*7.4.1911-+1997)USA,University of California,Berkeley,CA,for his research on the carbon dioxide assimilation in plants(photosynthesis).有机化学家M.Calvin由于找到了二氧化碳通过光合作用转化为糖和其他重要化合物如氨基酸等的变化序列，获得1961年诺贝尔化
15、学奖。第27页，本讲稿共36页1988 The Prize was awarded jointly to:Johann Deisenhofer(Germany,*30.9.1943)Federal Republic of Germany,Howard Hughes Medical Institute and Department of Biochemistry,University of Texas Southwestern Medical Center at Dallas,TX,Robert Huber(Germany,*20.2.1937)Federal Republic of Germa
16、ny,Max-Planck-Institut f Biochemie,Martinsried,andHartmut Michel(Germany,*18.7.1948)Federal Republic of Germany,Max-Planck-Institut fr Biophysik,Frankfurt/Main,for the determination of the three-dimensional structure of a photosynthetic reaction centre.第28页，本讲稿共36页叶绿素a,b由H.Michel,J.Diesenhofer 和R.Hu
17、ber用X-射线单晶测定结构技术建立的。他们还证明在叶绿体中有序的排列着某些蛋白质和叶绿素组装成的叶绿素聚集体或叶绿素-蛋白质聚集体，并因该开创性的研究获得了1988年诺贝尔化学奖。第29页，本讲稿共36页叶绿素(chlorophyll)a,b能吸收紫外区域（400nm)红色区域（650nm）的光.第30页，本讲稿共36页自然杂志报道我国对光合作用的研究成果自然杂志报道我国对光合作用的研究成果世界权威科学杂志自然2004年3月18日以封面文章形式，发表了由中国科学院生物物理所、植物研究所合作完成的“菠菜主要捕光复合物(LHC-II)晶体结构”研究成果。第31页，本讲稿共36页光合作用光合作用由
18、捕光系统捕光系统和光反应中心光反应中心两个“接力手”来共同完成，捕光系统负责把“接力棒”传给光反应中心。而捕光蛋白复合物的三维结构，是植物高效利用光能的结构基础。LHC-II这种膜蛋白是绿色植物中含量最丰富的捕光复合物。这种复合物是一个具有典型正二十面体对称特征的空心球体。这种结构同时首次揭示了色素分子在复合物中的排布规律，解释了LHC-II能够高效进行光能吸收和传递的原因。同时还发现了膜蛋白结晶的一种全新方式。研究小组成员说，该研究对于理解植物光合作用中发生的捕光和能量传递过程是必不可少的第32页，本讲稿共36页捕光蛋白复合物LHC-II的二级结构选自NATURE,VOL 428,18 MARCH(2004)287-292|第33页，本讲稿共36页LHC-II中的色素分子在复合物中的分布选自NATURE,VOL 428,18 MARCH(2004)287-292|第34页，本讲稿共36页要养活更多的人口，首先就需要使种植业提高光合作用利用太阳能的效率，以便生产出更多的食物。每年地球上的光合作用可把1011t的碳转变成有机化合物，并把太阳能变成化学能，这是个非常吸引人的问题。若能阐明其机理，就有可能人工模拟光合作用来制造农产品。第35页，本讲稿共36页课堂作业：课堂作业：1.判断是非：绝大多数的酶是蛋白质。2.试说出酶催化生命反应的三大特点。第36页，本讲稿共36页