酶的化学本质和作用特点

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1、第八章 酶 酶的化学本质和作用特点 酶的命名和分类 酶的作用机制 温度和pH对酶促反应的影响 酶浓度和底物浓度对酶促反应的影响 抑制剂和激活剂对酶促反应的影响 食品加工中重要的酶 固定化酶酶学研究历史 四千多年前，我国已有酿酒记载。 一百余年前，Pasteur认为发酵是酵母细胞生命活动的 结果。 1877年，Kuhne首次提出Enzyme一词。 1897年，Buchner兄弟用不含细胞的酵母提取液，实 现了发酵。 1926年，Sumner首次从刀豆中提纯出脲酶结晶。 20世纪70年代初兴起的酶工程技术在食品行业广泛应 用酶的化学本质 酶（enzyme）是一类由活细胞产生的，对其特异底物具有高效

2、催化作用的蛋白质。 新发现：RNA、DNA的催化作用酶的组成蛋白质部分：酶蛋白 (apoenzyme)辅助因子 (cofactor) 金属离子小分子有机化合物全酶 (holoenzyme)辅助因子分类（按其与酶蛋白结合的紧密程度）辅酶 (coenzyme): 与酶蛋白结合疏松，可用透析或超滤的 方法除去。 辅基 (prosthetic group):与酶蛋白结合紧密，不能用透析或超滤的方法除去。酶的作用特点 催化剂的共同点 量少高效； 只加速可逆反应的进程，而不改变反应的平衡点。 都是通过降低反应分子的活化能来加快化学反应的速 度。 酶的特性 高效催化，条件温和 高度专一 不稳定性 活性可调节

3、（一）酶促反应具有极高的效率 一、 酶促反应的特点的催化效率通常比非催化反应高1081020倍，比 一般催化剂高1071013倍。酶的催化不需要较高的反应温度。酶和一般催化剂加速反应的机理都是降低反应的 活化能(activation energy)。酶比一般催化剂更有 效地降低反应的活化能。 一种酶仅作用于一种或一类化合物，或 一定的化学键，催化一定的化学反应并生成 一定的产物。酶的这种特性称为酶的特异性 或专一性。* 酶的特异性(specificity)（二）酶促反应具有高度的特异性根据酶对其底物结构选择的严格程度不同， 酶的特异性可大致分为以下3种类型： 绝对特异性(absolute sp

4、ecificity)：只能作用于特定结 构的底物，进行一种专一的反应，生成一种特定结构的 产物 。 相对特异性(relative specificity)：作用于一类化合物 或一种化学键。 立体结构特异性(stereo specificity)：作用于立体异构 体中的一种。（三）酶促反应的可调节性 对酶生成与降解量的调节 酶催化效力的调节 通过改变底物浓度对酶进行调节等酶促反应受多种因素的调控，以适应机体对不断变化的内外环境和生命活动的需要。其中包括三方面的调节。酶的命名和分类 习惯命名法的五个原则： 1.根据酶催化反应的性质来命名。 2.根据被作用的底物来命名。 3.将酶作用的底物与催化反应

5、的性质结合起来 命名。 4.将酶的来源与作用底物结合起来命名。 5.将酶作用的最适pH和作用底物结合起来命名 。系统命名法 按国际系统命名原则，每一种酶具有一个系 统名称和一个习惯名称，系统名称应标明酶 的作用底物和反应性质。如果有两种底物， 均需标出，当中用“：”分开，若其中一种是水 ，则可省略。 L丙氨酸：酮戊二酸氨基转移酶，催化 反应为： L丙氨酸 酮戊二酸丙氨酸 L谷氨酸。系统分类及编号 国际酶学委员会根据酶催化反应的类型，把酶分为：氧化还原酶：催化底物进行氧化还原反应的酶类。转移酶：催化底物之间进行某些基团的转移或交换 的酶类水解酶：催化底物发生水解反应的酶类。裂合酶：催化一个底物分

6、解为2个化合物或2 个化合物合成为一个化合物的酶类。异构酶：催化各种同分异构体之间相互转化的酶 类。合成酶：催化2分子底物合成为1分子化合物，同时还必须偶联有ATP的磷酸键断裂的酶类。酶的作用机制 酶促反应速度的快慢与活化分子数目有关，增加 活化分子数的途径有：1.加热或光照，使分子所含的能量增高，增加活化分子数目。2.降低活化能，使本来不够活化水平的分子，也 成为活化分子，增加活化分子数目。酶催化作用的中间络合物学说 酶先与底物结合形成不稳定的中间产物中 间络合物，这种中间络合物具有较高的活性 ，它不仅易生成，且易变成产物，并释放出 酶。ES ESEPE酶 S底物 ES中间产物P产物（二）中

7、间产物学说E + SESE +P中间产物存在的证据：1.同位素32P标记底物法（磷 酸化酶与葡萄糖结合）；2.吸收光谱法（过氧化物酶与 过氧化氢结合）。SP（1）（2）由于酶催化的反应（2）的能垒比没有酶催化的反 应（1）要低，反应（2）所需的活化能亦比（1）低，所 以反应速度加快。反应总能量改变 非催化反应活化能 酶促反应活化能 一般催化剂催 化反应的活化能 能量反 应 过 程 底物 产物 酶促反应活化能的改变 活化能：底物分子从初态转变到活化态所需的能量。酶的活性中心 由少数必需基团组成的能与底物分子结合并 完成特定催化反应的空间小区域，称为酶的 活性中心。结合基团：负责与底物分子结合。催

8、化基团：负责催化反应。（一）活性部位和必需基团必需基团：这些基团若经化学修饰使其改变，则酶的活 性丧失。活性部位：酶分子中直接与底物结合，并和酶催化作用 直接有关的部位。必需基团活性部位维持酶的空间结构结合基团催化基团专一性催化性质活性中心内的必需基团结合基团( (binding group) ) 与底物相结合与底物相结合催化基团 (catalytic group) 催化底物转变成产物 位于活性中心以外，维持酶活性中心应有 的空间构象所必需。活性中心外的必需基团底 物 活性中心以外 的必需基团结合基团催化基团 活性中心 酶作用的辅助因素 靠近效应 定向效应锁钥学说诱导嵌合学说张力作用酸碱催化作

9、用共价催化作用临近定向效应： l 在酶促反应中，底物分子结合到酶的活性中心，一方面底物 在酶活性中心的有效浓度大大增加，有利于提高反应速度； l 另一方面，由于活性中心的立体结构和相关基团的诱导和定 向作用，使底物分子中参与反应的基团相互接近，并被严格 定向定位，使酶促反应具有高效率和专一性特点。 “张力”和“形变” ： l 底物与酶结合诱导酶的分子构象变化，变化的酶分子又使底 物分子的敏感键产生“张力”甚至“形变” ，从而促使酶 底物中间产物进入过渡态。酶作用的辅助因素锁钥假说(lock and key hypothesis)： 酶的活性中心结构与底物的 结构互相吻合，紧密结合成 中间络合物

10、认为整个酶分子 的天然构象是具有刚性结构 的，酶表面具有特定的形状 。酶与底物的结合如同一把 钥匙对一把锁一样 诱导契合假说（inducedfit hypothesis): 该学说认为酶表面并没有一 种与底物互补的固定形状， 而只是由于底物的诱导才形 成了互补形状.酶活性中心 的结构有一定的灵活性，当 底物（激活剂或抑制剂）与 酶分子结合时，酶蛋白的构 象发生了有利于与底物结合 的变化，使反应所需的催化 基团和结合基团正确地排列 和定向，转入有效的作用位 置，这样才能使酶与底物完 全吻合，结合成中间产物。酸碱催化： l 酸-碱催化可分为狭义的酸-碱催化和广义的酸-碱催化。酶参与的酸- 碱催化反

11、应一般都是广义的酸碱催化方式。 l 广义酸碱催化是指通过质子酸提供部分质子,或是通过质子碱接受 部分质子的作用，达到降低反应活化能的过程。 l 酶活性部位上的某些基团可以作为良好的质子供体或受体对底物进行 酸碱催化。pHis 残基的咪唑基是酶的酸碱催化作用中最活泼的一个催化功能团。广义酸基团广义酸基团 广义碱基团广义碱基团（质子供体）（质子供体） （质子受体（质子受体）(4)共价催化： l 催化剂通过与底物形成反应 活性很高的共价过渡产物， 使反应活化能降低，从而提 高反应速度的过程，称为共 价催化。 l 酶中参与共价催化的基团主 要包括 His 的咪唑基，Cys 的硫基，Asp 的羧基，Se

12、r 的羟基等。 l 某些辅酶，如焦磷酸硫胺素 和磷酸吡哆醛等也可以参与 共价催化作用。 与催化作用相关的结构特点 (1)活性中心：酶分子中直接和底物结合并起催化反应的 空间局限（部位）。 结合部位结合部位(Binding (Binding site)site)：酶分子中与底：酶分子中与底 物结合的部位或区域物结合的部位或区域 一般称为结合部位一般称为结合部位。催化部位(Catalytic site): 酶分子中促使底物发生化 学变化的部位称为催化部 位。 l通常将酶的结合部位和催 化部位总称为酶的活性部 位或活性中心。 l结合部位决定酶的专一性 ， l催化部位决定酶所催化反 应的性质。q双重影

13、响 温度升高，酶促反应速度 升高；由于酶的本质是蛋白 质，温度升高，可引起酶的 变性，从而反应速度降低 。 8.4 温度对酶促反应的影响q最适温度 (optimum temperature)：酶促反应速度最快时的 环境温度。其不是酶的特征 性常数* 低温的应用 高温的应用酶活性0.51.02.01.50 10 20 30 40 50 60 温度 C 温度对淀粉酶活性的影响 pH对酶促反应的影响1.最适pH 2.pH稳定性表现出酶最大活力的pH值在一定的pH范围内酶是 稳定的pH对酶作用的影响机制：1.环境过酸、过碱使酶变性失活；2.影响酶活性基团的解离；3.影响底物的解离。0酶活性pHpH对某

14、些酶活性的影响 胃蛋白酶胃蛋白酶 淀粉酶淀粉酶 胆碱酯酶胆碱酯酶 246810酶浓度对酶促反应的影响在有足够底物和其他条件不变的情况下：v = k E底物浓度对酶促反应的影响1. 底物浓度对酶反应速度的影响SvVmax一级反应v = k S零级反应v = k E酶促反应的速度与酶浓度成正比当底物浓度较低时反应速度与底物浓度成正比；反 应为一级反应。SSV VVmaxVmax随着底物浓度的增高反应速度不再成正比例加速；反应 为混合级反应。SSV VVmaxVmax当底物浓度高达一定程度反应速度不再增加，达最大速度； 反应为零级反应SSV VVmaxVmax（一）米曼氏方程式中间产物酶促反应模式中

15、间产物学说E + Sk1k2k3ESE + P19131913年年MichaelisMichaelis和和MentenMenten提出反应速度与底提出反应速度与底 物浓度关系的数学方程式，即米曼氏方程物浓度关系的数学方程式，即米曼氏方程 式，简称米氏方程式式，简称米氏方程式( (MichaelisMichaelis equation) equation)。S：底物浓度V：不同S时的反应速度Vmax：最大反应速度(maximum velocity) m：米氏常数(Michaelis constant) VmaxS Km + S 米曼氏方程式推导基于两个假设：E与S形成ES复合物的反应是快速平衡反应，而ES分解为E及P的反应为慢反应，反应速度取决于慢反应即 Vk3ES。 (1)S的总浓度远远大于E的总浓度，因此