酶的化学本质和作用特点.ppt

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催化作用的蛋白质。 新发现：RNA、DNA的催化作用,酶的组成,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,（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 specificity)：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 ESEP E酶 S底物 ES中间产物 P产物,（二）中间产物学说,E + S,ES,E +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）。,S,P,（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。,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,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 酸碱催化作用 共价催化作用,临近定向效应： 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； 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” ： 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： 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-碱催化反应一般都是广义的酸碱催化方式。 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。 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。 His 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 广义碱基团 （质子供体） （质子受体）,(4)共价催化： 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。 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，Ser 的羟基等。 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(Binding site)：酶分子中与底物结合的部位或区域一般称为结合部位。,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。 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。 结合部位决定酶的专一性， 催化部位决定酶所催化反应的性质。,双重影响 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,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,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。,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,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。,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。,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,（一）米曼氏方程式,中间产物,酶促反应模式中间产物学说,1913年Michaelis和Menten提出反应速度与底物浓度关系的数学方程式，即米曼氏方程式，简称米氏方程式(Michaelis 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),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，因此在反应的初始阶段，S的浓度可认为不变即SSt。,当反应速度为最大反应速度一半时,Km值的推导,KmS,Km值等于酶促反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度，单位是mol/L。,（二）Km与Vmax的意义,Km值 Km等于酶促反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度。 意义： a) Km是酶的特征性常数之一； b) Km可近似表示酶对底物的亲和力； c) 同一酶对于不同底物有不同的Km值。,Vmax 定义：Vm是酶完全被底物饱和时的反应速度，与酶浓度成正比。,意义：Vmax=K3 E 如果酶的总浓度已知，可从Vmax计算 酶的转换数(turnover number)，即动力学常数K3。,（三）m值与max值的测定,1. 双倒数作图法(double reciprocal plot)，又称为 林-贝氏(Lineweaver- Burk)作图法,抑制剂对酶促反应的影响,使酶的必需基团或活性部位中的基团的化学性质改变而降低酶活力甚至使酶失活的物质，称为抑制剂（I）。,1. 不可逆抑制作用：抑制剂与酶的结合（共价键）是不可逆的。,+ I EI,ESH +ICH2COOH ESCH2COOH + HI,（2）可逆抑制作用：抑制剂与酶的结合是可逆的。,抑制程度是由酶与抑制剂之间的亲和力大小、抑制剂的浓度以及底物的浓度决定。,E,v,1,2,3,1. 反应体系中不加I。,2.反应体系中加入一定量的不可逆抑制剂。,3.反应体系中加入一定量的可逆抑制剂。,I ,I ,竞争性抑制作用：抑制剂和底物竞争与酶结合。,特点：1）抑制剂和底物竞争酶的结合部位,+ I EI,ki = EI/EI,V/2,km,2）抑制程度取决于I和S的浓度以及与酶结合的亲和力大小。,km,无 I,有 I,3）竞争性抑制剂的结构与底物结构十分相似。,竞争性抑制作用的LineweaverBurk图 ：,非竞争性抑制作用：底物和抑制剂同时与酶结合，但形成的EIS不能进一步转变为产物。,无 I,V/2,km,有 I,(),非竞争性抑制作用的LineweaverBurk图 ：,激活剂对酶促反应的影响,激活剂 使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加的物质。其中大部分是一些无机离子和小分子简单有机物。如：Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cu2+、Zn2+、Co2+、Cr2+、Fe2+、Cl-、Br-、I-、CN-、NO3-、PO4-等； 无机离子对酶的激活作用： （1）与酶分子肽链上的侧链基团相结合，稳定酶催化作用所需的构象。 （2）作为底物与酶蛋白之间联系的桥梁。 （3）可能作为辅酶或辅基的一个组成部分，协助酶的催化作用。,使用激活剂注意,激活剂对酶的作用具有一定的选择性，使用不当，会适得其反，激活剂之间有时存在拮抗现象。 激活剂的浓度有一定的范围，超出此范围，会得到相反的效果。,8.7 食品加工中重要的酶,糖酶 蛋白酶 脂肪酶,糖酶,淀粉酶：催化淀粉和糖元水解的酶类。 淀粉酶：内切酶，从淀粉分子内部随机水解1，4 糖苷键，但不水解1，6糖苷键。 淀粉酶：外切酶，只能水解1，4糖苷键，不能水解 1，6糖苷键。从淀粉分子的非还原性末端开始依次 切下一个个1，4麦芽糖苷键，并将切下的1，4 麦芽糖转变成麦芽糖，所以称为淀粉酶。 葡萄糖淀粉酶：外切酶，不仅水解1，4糖苷键，也能水 解1，6糖苷键和1，3糖苷键。 异淀粉酶：产生于动植物及微生物中，是一种内切酶，从支 链淀粉分子内部水解支点的1，6糖苷键。,一、水解酶 1. -淀粉酶 也称液化型淀粉酶，能使淀粉不规则地水解。它存在于动物的唾液、胰脏及植物的麦芽中。此外，霉菌和细菌也产生此酶。钙对其有活化作用，其最适PH为5-7，最适温度约40，一些细菌淀粉酶则达70。此酶在啤酒制造及面包品质改良上很重要，终产物为麦芽糖、葡萄糖和异麦芽糖。 -淀粉酶 能将淀粉从非还原端起，每次水解下一个麦芽糖单位。在各种植物组织中均可见，尤以大麦芽中为多，其热稳定性低于-淀粉酶。,3.葡萄糖淀粉酶 从淀粉的非还原端起，每次水解下一个葡萄糖单位，终产物为葡萄糖和糊精，用于制糖等。最适PH=4-5，最适温度50-60。 淀粉酶对天然存在的完整淀粉粒作用较困难，应将淀粉粒糊化，破坏其结构后，对淀粉酶的作用才比较敏感。 4. 果胶酯酶 能把果胶酯酸分解为果胶酸和甲醇，它存在于霉菌、细菌和植物中，以柑桔类水果和蕃茄中含量为多。,果胶酶,定义：催化果胶酸或果胶降解的酶 1）果胶酯酶 果胶 聚半乳糖醛酸+甲醇 2）聚半乳糖醛酸酶 降解底物1，4糖苷键 3）果胶裂解酶 内切聚半乳糖醛酸裂解酶、外内切聚半乳 糖醛酸裂解酶、内切聚甲基半乳糖醛酸裂解酶的 总称,蛋白酶,定义：催化蛋白质肽键水解的酶 按来源分为 1）动物蛋白酶 食品工业中应用少 2）植物蛋白酶： 木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶、 无花果蛋白酶。 常用于肉品和啤酒行业。 3）微生物蛋白酶 蛋白酶制剂的重要来源，用于产酶的菌种必须严 格选择。 应用范围包括：面包制作、肉品嫩化、啤酒制造、酿造等,8. 蛋白酶 能把蛋白质的肽链切断。木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶等植物蛋白酶可用于肉的软化和防止啤酒混浊等，霉菌蛋白酶用于面包工业以改良面筋性质。 不同蛋白酶切断的肽键部分不相同，如胃蛋白酶切断芳香族氨基酸，胰蛋白酶切断碱性氨基酸等。牛乳的酪蛋白若用胰蛋白酶分解则产生强烈苦味，这是因生成物为胰岛素和苯丙氨酸之故，若用羧肽酶分解，则无苦味。奶酪的品种多，味微苦，就与不同的酶解产物有关。,脂肪酶,脂肪酶将脂肪水解为甘油和脂肪酸。 特点 1）催化选择性强 2）“油脂-水”两相的界面发挥作用 应用 牛奶、奶酪、干果的加工中调控风味；皮革、绢纺等。,8.8固定化酶,固定化酶又叫固相酶或水不溶酶。 优点 1）稳定 2）重复使用，可连续化、自动化操作 3）提纯方便，工艺简单 不足,固定化酶的制备,制备固定化酶要将酶固定在不溶的支持物上，同时必须防止酶的天然结构和活性受到破坏 固定化的方法： 1）载体结合法 共价结、离子结合、物理吸附 2）交联法 3）包埋法 格子型包埋、微胶囊行包埋,共价偶联法,交联法,固定化酶在食品工业中的应用,固定化氨基酰化酶生产L-氨基酸 固定化葡萄糖异构酶生产高果糖浆 固定化乳糖酶产无乳糖牛奶 固定化细胞技术的应用,