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1、第五章第五章 酶酶主讲人：曹劲松主讲人：曹劲松本章共分十一节，主要内容包括：本章共分十一节，主要内容包括：酶的分类与命名2酶的性质1、3酶催化的影响要素4酶的作用原理5酶的几个重要概念6、7、8酶工程的根本内涵9酶的分别提纯及活力测定10酶在食品工业中的运用11酶的分类 1961年国际生化协会酶命名委员会根据酶所催化的反响类型将酶分为六大类，即氧化复原酶类、转移酶类、水解酶类、裂解酶类、异构酶类和合成酶类，分别用1、2、3、4、5、6的编号来表示，再根据底物中被作用的基团或键的特点将每一大类分为假设干个亚类，每个亚类可再分假设干个亚-亚类，仍用1、2、3、编号。故每一个酶的分类编号由用“隔开的
2、四个数字组成。编号之前是酶学委员会的缩写EC。酶编号的前三个数字阐明酶的特性：反响性质、反响物或底物性质、键的类型，第四个数字那么是酶在亚-亚类中的顺序号。EC 1. 1. 1. 27 大类大类 亚类亚类 亚亚类亚亚类 序号序号如乙醇脱氢酶如乙醇脱氢酶1、氧化复原酶类 即催化生物氧化复原反响的酶，如脱氢酶、氧化酶、过氧化物酶、羟化酶以及加氧酶类。2、转移酶类 催化不同物质分子间某种基团的交换或转移的酶，如转甲基酶、转氨基酶、已糖激酶、磷酸化酶等。3、水解酶类 利用水使共价键分裂的酶，如淀粉酶、蛋白酶、酯酶等。4、裂解酶类 由其底物移去一个基团而使共价键裂解的酶，如脱羧酶、醛缩酶和脱水酶等。5、
3、异构酶类 促进异构体相互转化的酶，如消旋酶、顺反异构酶等。如：6-磷酸葡萄糖异构酶催化的反响。6、合成酶类 促进两分子化合物相互结合，同时使ATP分子中的高能磷酸键断裂的酶，如谷氨酰胺合成酶、谷胱甘肽合成酶等。酶的命名1国际系统命名法 在系统命名法中，一种酶只能够有一个称号和一个编号。在科技文献中，普通运用酶的系统称号。系统称号包括底物称号、构型、反响性质，最后加一个酶字。例如： 系统称号:丙氨酸：-酮戊二酸氨基转移酶 它所催化的反响: 谷氨酸 + 丙酮酸 -酮戊二酸 + 丙氨酸 但因某些系统称号太长，为方便起见，有时仍用酶的习惯称号。(2) 习惯命名法:A.根据作用底物来命名，如淀粉酶、蛋白
4、酶等。B.根据所催化的反响的类型命名，如脱氢酶、转移酶等。C.两个原那么结合起来命名，例如丙酮酸脱羧酶等。D.根据酶的来源或其它特点来命名，如胃蛋白酶、胰蛋白酶等。这在一定程度上呵斥很多酶有多种称号的情况。酶的性质酶的化学本质酶的催化功能酶的催化作用的特点影响酶反响速率的要素分析酶的化学组成，发现它们主要是蛋白性成分。根据其化学组成可将酶分为： 简单蛋白酶 即那些只需求其蛋白质部分就具有催化功能的酶。复合蛋白酶 即那些发扬其催化活性还需求有非蛋白成分协助的酶， 也称“结合蛋白质酶。 复合蛋白酶的非蛋白成分称为辅因子或辅基，一些金属酶需求Mg2+、Fe2+ 、Zn2+等金属作辅基。其它一些酶那么
5、需求小分子有机化合物如B族维生素作为辅因子，称为辅酶。酶的蛋白质部分称酶蛋白，酶蛋白与其辅因子一同合称为全酶。根据组成酶蛋白分子的肽链数量及其组装特点，又可将酶分为三类： 单体酶单体酶 单体酶只需一条多肽链，属于这一类的酶很少，普通都单体酶只需一条多肽链，属于这一类的酶很少，普通都 是催化水解的酶，分子量在是催化水解的酶，分子量在13 00035 000之间，如溶菌之间，如溶菌 酶、胰蛋白酶等酶、胰蛋白酶等 寡聚酶寡聚酶 寡聚酶由几个甚至几十个亚基组成，这些亚基可以是相寡聚酶由几个甚至几十个亚基组成，这些亚基可以是相 同的多肽链，也可以是不同的多肽链。亚基之间不是共价同的多肽链，也可以是不同的
6、多肽链。亚基之间不是共价 结合，彼此很容易分开。结合，彼此很容易分开。 多酶体系多酶体系 多酶体系是由几种酶彼此嵌合构成的复合体。它有利多酶体系是由几种酶彼此嵌合构成的复合体。它有利 于一系列反响的延续进展。如脂肪酸合成酶体系、呼于一系列反响的延续进展。如脂肪酸合成酶体系、呼 吸链酶系等。吸链酶系等。 综上所述，关于酶的化学本质：酶是蛋白质，由氨基酸组成。既然是蛋白质，酶：有两性电解质性质；受某些物化要素影响而变性，容易发生构象变化而丧失酶活；水溶液具有胶体的性质。催化性质催化性质 酶是生物催化剂，与无机催化剂相比，二者有共性： 1、用量少而催化效率高 2、不改动化学反响的平衡点 3、可降低反
7、响的活化能 酶之所以具有催化才干，主要在于它们具有一个所谓的“活性部位。正是由于有这种构造才使之具备上述催化生物化学反响的功能。酶的活性部位又称“活性中心。指酶蛋白上对于催化底物发生反响具有关键作用的区域。进一步说，活性部位本质上是蛋白质多肽链上本来相距较远的一系列氨基酸残基经由折叠而构成的特定区域。在这个区域内，特定的、对于催化反响具有奉献的氨基酸残基的侧链基团的空间配置恰到益处，有助于酶与底物的结合，有助于底物的转变。溶菌酶的活性中心溶菌酶的活性中心* 谷谷氨氨酸酸35和和天天冬冬氨氨酸酸52是是催催化化基团；基团；* 色色氨氨酸酸62和和63、天天冬冬氨氨酸酸101和和色色氨氨酸酸108
8、是是结结合基团；合基团；* AF为为底底物物多多糖糖链链的的糖糖基基，位位于于酶酶的的活活性性中中心心构成的裂隙中。构成的裂隙中。 酶催化作用的特点酶催化作用的特点但酶的化学本质是蛋白质，又在生物体内作用，因此酶的作用又有特性：1、高效率；2、酶的作器具有高度的专注性；3、酶易失活，从而丧失原有催化活力；4、酶活力可调理控制；5、酶的催化活力能够与辅酶、辅基和金属离子有关。 专注性专注性绝对专注性：除一种底物以外，其它任何物质它都不起绝对专注性：除一种底物以外，其它任何物质它都不起 催化作用。催化作用。 相对专注性相对专注性立体专注性立体专注性 ：只能对一种立体异构体起催化作用，：只能对一种立
9、体异构体起催化作用，对其对其 对体那么全无作用。对体那么全无作用。基团专注性：除了要求基团专注性：除了要求A和和B之间的键适之间的键适宜外，还对其所作用键两端的基团具有宜外，还对其所作用键两端的基团具有不同的专注性不同的专注性 。 键专注性：只需求底物分子上有适宜的键专注性：只需求底物分子上有适宜的化学键就可以起催化作用化学键就可以起催化作用 。这种专注性催化作用，对于其在食品、化工领域的应器具有重这种专注性催化作用，对于其在食品、化工领域的应器具有重要实际意义。要实际意义。影响要素影响要素一、底物浓度的影响 1、在酶浓度，pH，温度等条件不变的情况下研讨底物浓度和反响速度的关系。如右图所示：
10、 RNase-底物复合物底物复合物 2、米氏方程 1913年，德国化学家Michaelis和Menten根据中间产物学说对酶促反响的动力学进展研讨，基于平衡假设推导出了表示整个反响中底物浓度和反响速度关系的著名公式，称为米氏方程，式中Km称为米氏常数。 后来，其他学者后来，其他学者进进一步根据所一步根据所谓谓恒恒态态假假说说，即假，即假设酶设酶催化催化 反响反响过过程中程中ESES浓浓度根本度根本坚坚持恒定不持恒定不变变，推，推导导出修正后的出修正后的 米氏方程，方式上与上述公式完全一米氏方程，方式上与上述公式完全一样样。它表达了各种因。它表达了各种因 素素对对于于酶酶促反响速度的促反响速度的
11、综综合影响。合影响。当当 V V1/2 Vm1/2 Vm时时，那么，那么KmKmSS关于米氏常数关于米氏常数KmKm，它，它实实践上是反响速度到达践上是反响速度到达酶酶催化反响速度最大催化反响速度最大值值的一半的一半时时所需的底物所需的底物浓浓度。因此，米氏常数是有度。因此，米氏常数是有单单位的。位的。请请大家思索：一种大家思索：一种酶酶的的KmKm数数值值越大意味着什么？越大意味着什么？二、酶浓度的影响 在一定条件下酶反响的速度与酶的浓度成正比。由于酶催化反响时，首先要与底物构成所谓中间物，即酶底物复合物ES。当底物浓度大大超越酶浓度时，反响到达最大速度Vm，假设此时添加酶的浓度，可添加反响
12、速度，酶反响速度与酶浓度成正比关系。 三、温度的影响温度对酶反响的影响是双重的：1随着温度的添加，反响速度也添加，直至最大速度为止。2随温度升高而使酶逐渐变性。 故酶总有一个最适反响温度，在这个温度时，酶的活力最高。 在10-80常温范围内，酶活力随着反响温度的变化趋势普通可表示如右图。 酶酶活活性性0.51.02.01.50 10 20 30 40 50 60 温度温度 C 温度对淀粉酶活性的影响温度对淀粉酶活性的影响 四、pH的影响 在一定的pH下, 酶具有最大的催化活性，通常称此pH为最适pH。但是需指出，所谓“最适pH实践上是一个操作参数。 在不同pH时活性发生变化的缘由主要在于：1p
13、H能影响酶分子构造的稳定性。2pH能影响酶分子的解离形状 。五、酶原的激活和激活剂 有的酶在分泌时是无活性的酶原，需求经某种酶或酸将其分子作适当的改动或切去一部分才干呈现活性。这种激活过程又称酶原致活作用或酶原激活作用。 凡是能提高酶活性的物质，都称为激活剂。 酶的激活剂多为无机离子或简单有机化合物。 六、酶的抑制造用和抑制剂 非专注性不可逆抑制不可逆抑制 专注性不可逆抑制 竞争性抑制竞争性抑制可逆抑制可逆抑制 非竞争性抑制非竞争性抑制 反竞争性抑制反竞争性抑制竞争性抑制竞争性抑制定义定义抑制剂与底物的构造类似，能与抑制剂与底物的构造类似，能与底物竞争酶的活性中心，从而妨底物竞争酶的活性中心，
14、从而妨碍酶底物复合物的构成，使酶碍酶底物复合物的构成，使酶的活性降低。这种抑制造用称为的活性降低。这种抑制造用称为竞争性抑制造用。竞争性抑制造用。请大家思索：假设酶催化反响体系中存在某种竞争性抑制剂，请大家思索：假设酶催化反响体系中存在某种竞争性抑制剂，那么他所测定得到的米氏常数将发生什么样的变化？那么他所测定得到的米氏常数将发生什么样的变化？竞争性抑制曲线表表5-3 各种抑制造用的比较参阅课本各种抑制造用的比较参阅课本它列出了不同情况下的酶反响动力学方程式，以它列出了不同情况下的酶反响动力学方程式，以及相比于不存在抑制要素的条件下其及相比于不存在抑制要素的条件下其Km和和Vm的的变化情况。变
15、化情况。 酶的催化反响机制酶的催化反响机制酶专注性的机制酶催化的常见机制酶专注性的机制锁钥学说(lock and key theory)诱导契合学说(induced-fit hypothesis) 酶高效催化的常高效催化的常见机制机制 1、 临近与定向效近与定向效应； 2、 诱导契合与底物扭曲契合与底物扭曲变形；形； 3、 共价催化；共价催化； 4、 酸碱催化；酸碱催化； 5、 微微环境效境效应。多酶体系调理酶同工酶诱导酶抗体酶核糖酶 酶的几个重要概念酶的几个重要概念 细胞中的许多酶经常是在一个延续的反响链中起作用，即前一个反响的产物是后一个反响的底物，在完好细胞内的某一代谢过程中，由几个酶构
16、成的反响体系，称为多酶体系。 假设体系中几种酶彼此有机地组合在一同。精巧地镶嵌成一定的构造，即构成多酶复合体。这种构造既能提高反响途径的效率，又能加强调控的准确性。多酶体系调理酶一、别构酶 酶分子的非催化部位与某些化合物可逆地非共价结合后导致酶分子发生构象改动，进而改动酶的活性形状，称为酶的别构调理(allosteric regulation)，具有这种调理作用的酶称别构酶(allosteric enzyme)。别构酶促反响底物浓度和反响速度的关系不符合米氏方程，呈S型曲线。 凡能使酶分子发生别构作用的物质称为效应物，如因别构导致酶活性添加的物质称为正效应物(positive effector
17、)或别构激活剂，反之称负效应物(negative effector)或别构抑制剂。a-非调理酶非调理酶 b-正协同别构酶正协同别构酶 的的S形曲线形曲线 别构酶与米氏酶的动力学曲线比较别构酶与米氏酶的动力学曲线比较二、共价调理酶 某些酶可以经过其它酶对其多肽链上某些基团进展可逆的共价修饰，使其处于活性与非活性的互变形状，从而调理酶活性。这类酶称为共价修饰酶。目前发现有数百种酶被翻译后都要进展共价修饰，其中一部分处于分支代谢途径，成为对代谢流量起调理作用的关键酶或限速酶蛋白激酶蛋白激酶ATPADP蛋白质蛋白质蛋白质蛋白质Pn蛋白磷酸酶蛋白磷酸酶nPiH2O同工酶同功酶是指能催化同一种化学反响，但
18、其酶蛋白本身的分子构造组成却有所不同的一组酶。 乳酸脱氢酶是研讨的最多的同工酶。诱导酶构造酶 细胞内构造酶是指细胞中天然存在的酶，它的含 量较为稳定，受外界的影响很小。如糖代谢酶系、 呼吸酶系等。诱导酶 是指当细胞中参与特定诱导物后诱导产生的酶， 它的含量在诱导物存在下显著增高，这种诱导物往往 是该酶底物的类似物或底物本身。很多酶制剂消费中 利用了这种原理。抗体酶 抗体酶abzyme又称催化抗catalyticantibody,是指经过一系列化学与生物技术方法制备出的具有催化活性的抗体，它除了具有相应免疫学特性，还类似于酶，能催化某种反响。 抗体与酶类似，都是蛋白质分子，酶与底物的结合及抗体与
19、抗原的结合都是高度专注性的，但这两种结合的根本区别在于酶与高能的过渡态分子相结合，而抗体结合的是基态分子抗原。 O C A. 酯酶的底的底物物酯B.酯的羧基碳酯的羧基碳原子遭到亲核原子遭到亲核攻击构成四面攻击构成四面体过渡态体过渡态C.设计的磷酸设计的磷酸酯类似物酯类似物,作作为抗原去免疫为抗原去免疫实验动物实验动物磷酸磷酸酯类似物似物(半抗原半抗原)对酯水解反响有催化水解反响有催化作用的作用的单克隆抗体克隆抗体免疫免疫免疫反响免疫反响诱导法制备具有酯酶活性的抗体诱导法制备具有酯酶活性的抗体动物免疫物免疫接种接种核糖酶研讨发现：有些RNA分子也可具有类似酶的高效催化活性。例如L19RNA，它是
20、原生动物四膜虫26S rRNA前体经本身拼接所释放出的内含子的缩短方式。在一定条件下可以以高度专注性的方式去催化寡聚核糖苷底物的切割与衔接。五聚胞苷酸能被L19RNA转化成或长或短的聚合物。因此，L19RNA是既有核糖核酸酶活性，又有RNA聚合酶活性的生物分子，可以看作是酶了。但是，普通依然可以以为酶具有蛋白质的化学本质。 酶工程酶工程化学酶工程天然酶固定化酶化学修饰酶人工模拟酶生物酶工程克隆酶突变酶新酶 将酶学和工程学相结合，产生了酶工程(enzyme engineering)这样一个新的领域。它主要研讨酶的消费、纯化、固定化技术、酶分子构造的修饰和改造以及在工农业、医药卫生和实际研讨等方面
21、的运用。固定化酶固定化酶 将将水水溶溶性性酶用用物物理理或或化化学学方方法法处置置，固固定定于于高高分分子子支支持持物物(或或载体体)上上而而成成为不不溶溶于于水水，但但仍仍有有酶活活性性的的一一种种酶制制剂方方式，称固定化式，称固定化酶(immobilized enzyme)。包埋法包埋法 吸附法吸附法共价偶共价偶联法法交交联法法酶工程酶工程以固定化酶、固定化细胞为重要内容的酶工程技术是当今生物工程的重要组成部分。生物工程是属于高新技术领域的系统工程，酶工程也是一样，其整个过程包括上游工程Up stream process，缩写USP和下游工程Down stream process，缩写DS
22、P，前者包括酶学根本实际、产酶动植物和微生物种的改良，采用基因重组或细胞交融改造产酶菌株，以及研讨开发新的酶源，为开发利用提供科学根据。而后者属整个系统工程的后处置工艺技术，处理如何提高酶和最终产物回收率和纯度质量问题，及其运用问题。 酶的分别提纯1、根本原那么：提取过程中防止酶变性而失去活性；防止强酸、强碱、高温暖猛烈搅拌等；强调在低温下操作，并在操作中参与缓冲溶液；资料一旦匀浆要尽快完成。2、根本操作程序：选资料微生物、动植物等破碎、匀浆抽提酶活力的测定酶活力：又称为酶活性，普通把酶催化一定化学反响的才干称为酶活力，通常以在一定条件下酶所催化的化学反响速度来表示。根本原理:酶是蛋白质，种类
23、多，构造复杂多样，普通对酶的测定，不是直接测定其酶蛋白的浓度，而是测定其催化化学反响的才干，这是基于在最优化条件下，当底物足够过量，在酶促反响的初始阶段，酶促反响的速度初速度与酶的浓度成正比即V=KE，故酶活力测定的是化学反响速度，一定条件下可代表酶活性分子浓度。测定酶活的方法：终点法: 酶反响进展到一定时间后终止其反响，再用化学或物理方法测定产物或反响物量的变化。 动力学法:延续测定反响过程中产物底物或辅酶的变化量，直接测定出酶反响的初速度。 酶活力的表示方法活力活力单位位active unit 习惯单位位U: 底底物物(或或产物物)变化化量量 / 单位位时间 国国际单位位IU: 1moL变
24、化量化量 / 分分钟 KatalKat：1moL变化量化量 / 秒秒比活力比活力=总活力单位总活力单位总蛋白总蛋白mg数数= U(或或IU) mg蛋白蛋白量度酶催化才干大小量度酶催化才干大小转换系数系数Kcat 底物底物 moL/ 秒秒每个每个酶分子分子量度酶纯度量度酶纯度比活力比活力specific activity量度转换效率量度转换效率 酶在食品工业中的运用 一、酶对食品感观功能的影响 内源酶类对食品的风味、质构、色泽等感观质量具有重要的影响，其作用有的是期望的，有的是不期望的。如动物屠宰后，水解酶类的作用使肉嫩化，改善肉食原料的风味和质构；水果成熟时，内源酶类综协作用的结果会使各种水果
25、具有各自独特的色、香、味，但假设过度作用，水果会变得过熟和酥软，甚至失去食用价值。 二、酶对食品营养功能的影响 脂肪氧合酶催化胡萝卜素降解而使面粉漂白，在蔬菜加工过程中那么使胡萝卜素破坏而损失维生素A源；在一些用发酵方法加工的鱼制品中，由于鱼和细菌中的硫胺素酶的作用，使这些制品缺乏维生素B1；果蔬中的Vc氧化酶及其它氧化酶类是直接或间接导致果蔬在加工和储存过程中维生素C氧化损失的重要缘由之一。三、酶对食品生理调理功能的影响1、促致毒与解毒作用 有时底物本身是无毒的，在经酶催化降解后变成有害物质。例如，木薯含有生氰糖苷，虽然它本身并无毒，但是在内源糖苷酶的作用下，产生剧毒的氢氰酸。 十字花科植物的种子以及皮和根含有葡萄糖芥苷，在芥苷酶作用下会产生对人和动物体有害的化合物。 在酶的作用下，也可将食物中有毒的食物成分降解为无毒的化合物，从而起到解毒的作用。因食用蚕豆而引起的血球溶解贫血病是人体缺乏解毒酶的重要例子。2、酶促进活性肽的生成 例如，一些乳源蛋白成分在蛋白酶水解作用下，可以生成具有促进钙吸收的肽，或者其它具有抗高血压、免疫调理的肽。关于常见酶在食品加工中的运用，请大家参阅课本上p130-131上的表5-5。
