酶的化學本質(zhì)和作用特點

關(guān)于酶的化學本質(zhì)和作用特點酶學研究歷史四千多年前，我國已有釀酒記載。一百余年前，Pasteur認為發(fā)酵是酵母細胞生命活動的結(jié)果。1877年，Kuhne首次提出Enzyme一詞。1897年，Buchner兄弟用不含細胞的酵母提取液，實現(xiàn)了發(fā)酵。1926年，Sumner首次從刀豆中提純出脲酶結(jié)晶。20世紀70年代初興起的酶工程技術(shù)在食品行業(yè)廣泛應(yīng)用第2頁,共64頁，2024年2月25日，星期天酶的化學本質(zhì)酶（enzyme）是一類由活細胞產(chǎn)生的，對其特異底物具有高效催化作用的蛋白質(zhì)。新發(fā)現(xiàn)：RNA、DNA的催化作用第3頁,共64頁，2024年2月25日，星期天酶的組成蛋白質(zhì)部分：酶蛋白(apoenzyme)輔助因子(cofactor)

金屬離子小分子有機化合物全酶(holoenzyme)第4頁,共64頁，2024年2月25日，星期天輔助因子分類（按其與酶蛋白結(jié)合的緊密程度）

輔酶

(coenzyme):與酶蛋白結(jié)合疏松，可用透析或超濾的方法除去。

輔基

(prostheticgroup):與酶蛋白結(jié)合緊密，不能用透析或超濾的方法除去。第5頁,共64頁，2024年2月25日，星期天酶的作用特點催化劑的共同點量少高效；只加速可逆反應(yīng)的進程，而不改變反應(yīng)的平衡點。都是通過降低反應(yīng)分子的活化能來加快化學反應(yīng)的速度。酶的特性高效催化，條件溫和高度專一不穩(wěn)定性活性可調(diào)節(jié)第6頁,共64頁，2024年2月25日，星期天（一）酶促反應(yīng)具有極高的效率一、酶促反應(yīng)的特點的催化效率通常比非催化反應(yīng)高108～1020倍，比一般催化劑高107～1013倍。酶的催化不需要較高的反應(yīng)溫度。酶和一般催化劑加速反應(yīng)的機理都是降低反應(yīng)的活化能(activationenergy)。酶比一般催化劑更有效地降低反應(yīng)的活化能。第7頁,共64頁，2024年2月25日，星期天一種酶僅作用于一種或一類化合物，或一定的化學鍵，催化一定的化學反應(yīng)并生成一定的產(chǎn)物。酶的這種特性稱為酶的特異性或?qū)Ｒ恍浴?酶的特異性(specificity)（二）酶促反應(yīng)具有高度的特異性第8頁,共64頁，2024年2月25日，星期天根據(jù)酶對其底物結(jié)構(gòu)選擇的嚴格程度不同，酶的特異性可大致分為以下3種類型：絕對特異性(absolutespecificity)：只能作用于特定結(jié)構(gòu)的底物，進行一種專一的反應(yīng)，生成一種特定結(jié)構(gòu)的產(chǎn)物

。相對特異性(relativespecificity)：作用于一類化合物或一種化學鍵。立體結(jié)構(gòu)特異性(stereospecificity)：作用于立體異構(gòu)體中的一種。第9頁,共64頁，2024年2月25日，星期天（三）酶促反應(yīng)的可調(diào)節(jié)性對酶生成與降解量的調(diào)節(jié)酶催化效力的調(diào)節(jié)通過改變底物濃度對酶進行調(diào)節(jié)等酶促反應(yīng)受多種因素的調(diào)控，以適應(yīng)機體對不斷變化的內(nèi)外環(huán)境和生命活動的需要。其中包括三方面的調(diào)節(jié)。第10頁,共64頁，2024年2月25日，星期天酶的命名和分類習慣命名法的五個原則：1.根據(jù)酶催化反應(yīng)的性質(zhì)來命名。2.根據(jù)被作用的底物來命名。3.將酶作用的底物與催化反應(yīng)的性質(zhì)結(jié)合起來命名。4.將酶的來源與作用底物結(jié)合起來命名。5.將酶作用的最適pH和作用底物結(jié)合起來命名。第11頁,共64頁，2024年2月25日，星期天系統(tǒng)命名法按國際系統(tǒng)命名原則，每一種酶具有一個系統(tǒng)名稱和一個習慣名稱，系統(tǒng)名稱應(yīng)標明酶的作用底物和反應(yīng)性質(zhì)。如果有兩種底物，均需標出，當中用“：”分開，若其中一種是水，則可省略。L－丙氨酸：α－酮戊二酸氨基轉(zhuǎn)移酶，催化反應(yīng)為：L－丙氨酸＋α－酮戊二酸→丙氨酸＋L－谷氨酸。第12頁,共64頁，2024年2月25日，星期天系統(tǒng)分類及編號國際酶學委員會根據(jù)酶催化反應(yīng)的類型，把酶分為：氧化還原酶：催化底物進行氧化還原反應(yīng)的酶類。轉(zhuǎn)移酶：催化底物之間進行某些基團的轉(zhuǎn)移或交換的酶類水解酶：催化底物發(fā)生水解反應(yīng)的酶類。裂合酶：催化一個底物分解為2個化合物或2個化合物合成為一個化合物的酶類。異構(gòu)酶：催化各種同分異構(gòu)體之間相互轉(zhuǎn)化的酶類。合成酶：催化2分子底物合成為1分子化合物，同時還必須偶聯(lián)有ATP的磷酸鍵斷裂的酶類。第13頁,共64頁，2024年2月25日，星期天酶的作用機制酶促反應(yīng)速度的快慢與活化分子數(shù)目有關(guān)，增加活化分子數(shù)的途徑有：

1.加熱或光照，使分子所含的能量增高，增加活化分子數(shù)目。

2.降低活化能，使本來不夠活化水平的分子，也成為活化分子，增加活化分子數(shù)目。第14頁,共64頁，2024年2月25日，星期天酶催化作用的中間絡(luò)合物學說酶先與底物結(jié)合形成不穩(wěn)定的中間產(chǎn)物－中間絡(luò)合物，這種中間絡(luò)合物具有較高的活性，它不僅易生成，且易變成產(chǎn)物，并釋放出酶。

E＋S

ES→E＋P

E－酶S－底物ES－中間產(chǎn)物

P－產(chǎn)物第15頁,共64頁，2024年2月25日，星期天（二）中間產(chǎn)物學說E+SESE+P中間產(chǎn)物存在的證據(jù)：1.同位素32P標記底物法（磷酸化酶與葡萄糖結(jié)合）；2.吸收光譜法（過氧化物酶與過氧化氫結(jié)合）。SP（1）（2）

由于酶催化的反應(yīng)（2）的能壘比沒有酶催化的反應(yīng)（1）要低，反應(yīng)（2）所需的活化能亦比（1）低，所以反應(yīng)速度加快。第16頁,共64頁，2024年2月25日，星期天反應(yīng)總能量改變

非催化反應(yīng)活化能

酶促反應(yīng)活化能

一般催化劑催化反應(yīng)的活化能

能量

反應(yīng)過程

底物產(chǎn)物酶促反應(yīng)活化能的改變

活化能：底物分子從初態(tài)轉(zhuǎn)變到活化態(tài)所需的能量。第17頁,共64頁，2024年2月25日，星期天酶的活性中心由少數(shù)必需基團組成的能與底物分子結(jié)合并完成特定催化反應(yīng)的空間小區(qū)域，稱為酶的活性中心。結(jié)合基團：負責與底物分子結(jié)合。

催化基團：負責催化反應(yīng)。第18頁,共64頁，2024年2月25日，星期天（一）活性部位和必需基團必需基團：這些基團若經(jīng)化學修飾使其改變，則酶的活性喪失?；钚圆课唬好阜肿又兄苯优c底物結(jié)合，并和酶催化作用直接有關(guān)的部位。必需基團活性部位維持酶的空間結(jié)構(gòu)結(jié)合基團催化基團專一性催化性質(zhì)第19頁,共64頁，2024年2月25日，星期天活性中心內(nèi)的必需基團結(jié)合基團(bindinggroup)與底物相結(jié)合催化基團(catalyticgroup)催化底物轉(zhuǎn)變成產(chǎn)物位于活性中心以外，維持酶活性中心應(yīng)有的空間構(gòu)象所必需?；钚灾行耐獾谋匦杌鶊F第20頁,共64頁，2024年2月25日，星期天底物活性中心以外的必需基團結(jié)合基團催化基團活性中心第21頁,共64頁，2024年2月25日，星期天酶作用的輔助因素靠近效應(yīng)定向效應(yīng)

鎖鑰學說

誘導嵌合學說張力作用酸堿催化作用共價催化作用第22頁,共64頁，2024年2月25日，星期天臨近定向效應(yīng)：在酶促反應(yīng)中，底物分子結(jié)合到酶的活性中心，一方面底物在酶活性中心的有效濃度大大增加，有利于提高反應(yīng)速度；另一方面，由于活性中心的立體結(jié)構(gòu)和相關(guān)基團的誘導和定向作用，使底物分子中參與反應(yīng)的基團相互接近，并被嚴格定向定位，使酶促反應(yīng)具有高效率和專一性特點?！皬埩Α焙汀靶巫儭保旱孜锱c酶結(jié)合誘導酶的分子構(gòu)象變化，變化的酶分子又使底物分子的敏感鍵產(chǎn)生“張力”甚至“形變”，從而促使酶－底物中間產(chǎn)物進入過渡態(tài)。酶作用的輔助因素第23頁,共64頁，2024年2月25日，星期天鎖鑰假說(lockandkeyhypothesis)：酶的活性中心結(jié)構(gòu)與底物的結(jié)構(gòu)互相吻合，緊密結(jié)合成中間絡(luò)合物認為整個酶分子的天然構(gòu)象是具有剛性結(jié)構(gòu)的，酶表面具有特定的形狀。酶與底物的結(jié)合如同一把鑰匙對一把鎖一樣誘導契合假說（induced–fithypothesis):該學說認為酶表面并沒有一種與底物互補的固定形狀，而只是由于底物的誘導才形成了互補形狀.酶活性中心的結(jié)構(gòu)有一定的靈活性，當?shù)孜铮せ顒┗蛞种苿┡c酶分子結(jié)合時，酶蛋白的構(gòu)象發(fā)生了有利于與底物結(jié)合的變化，使反應(yīng)所需的催化基團和結(jié)合基團正確地排列和定向，轉(zhuǎn)入有效的作用位置，這樣才能使酶與底物完全吻合，結(jié)合成中間產(chǎn)物。第24頁,共64頁，2024年2月25日，星期天酸堿催化：酸-堿催化可分為狹義的酸-堿催化和廣義的酸-堿催化。酶參與的酸-堿催化反應(yīng)一般都是廣義的酸－堿催化方式。廣義酸－堿催化是指通過質(zhì)子酸提供部分質(zhì)子,或是通過質(zhì)子堿接受部分質(zhì)子的作用，達到降低反應(yīng)活化能的過程。酶活性部位上的某些基團可以作為良好的質(zhì)子供體或受體對底物進行酸堿催化。His殘基的咪唑基是酶的酸堿催化作用中最活潑的一個催化功能團。

廣義酸基團廣義堿基團（質(zhì)子供體）（質(zhì)子受體）第25頁,共64頁，2024年2月25日，星期天(4)共價催化：催化劑通過與底物形成反應(yīng)活性很高的共價過渡產(chǎn)物，使反應(yīng)活化能降低，從而提高反應(yīng)速度的過程，稱為共價催化。酶中參與共價催化的基團主要包括His的咪唑基，Cys的硫基，Asp的羧基，Ser的羥基等。某些輔酶，如焦磷酸硫胺素和磷酸吡哆醛等也可以參與共價催化作用。第26頁,共64頁，2024年2月25日，星期天與催化作用相關(guān)的結(jié)構(gòu)特點(1)活性中心：酶分子中直接和底物結(jié)合并起催化反應(yīng)的空間局限（部位）。

結(jié)合部位(Bindingsite)：酶分子中與底物結(jié)合的部位或區(qū)域一般稱為結(jié)合部位。第27頁,共64頁，2024年2月25日，星期天第28頁,共64頁，2024年2月25日，星期天催化部位(Catalyticsite):酶分子中促使底物發(fā)生化學變化的部位稱為催化部位。通常將酶的結(jié)合部位和催化部位總稱為酶的活性部位或活性中心。結(jié)合部位決定酶的專一性，催化部位決定酶所催化反應(yīng)的性質(zhì)。

第29頁,共64頁，2024年2月25日，星期天雙重影響溫度升高，酶促反應(yīng)速度升高；由于酶的本質(zhì)是蛋白質(zhì)，溫度升高，可引起酶的變性，從而反應(yīng)速度降低。8.4溫度對酶促反應(yīng)的影響最適溫度(optimumtemperature)：酶促反應(yīng)速度最快時的環(huán)境溫度。其不是酶的特征性常數(shù)*低溫的應(yīng)用高溫的應(yīng)用酶活性0.51.02.01.50102030405060溫度oC溫度對淀粉酶活性的影響

第30頁,共64頁，2024年2月25日，星期天pH對酶促反應(yīng)的影響1.最適pH2.pH穩(wěn)定性表現(xiàn)出酶最大活力的pH值在一定的pH范圍內(nèi)酶是穩(wěn)定的pH對酶作用的影響機制：

1.環(huán)境過酸、過堿使酶變性失活；

2.影響酶活性基團的解離；

3.影響底物的解離。0酶活性pH

pH對某些酶活性的影響

胃蛋白酶淀粉酶膽堿酯酶246810第31頁,共64頁，2024年2月25日，星期天酶濃度對酶促反應(yīng)的影響在有足夠底物和其他條件不變的情況下：

v=k[E]底物濃度對酶促反應(yīng)的影響1.底物濃度對酶反應(yīng)速度的影響[S]vVmax一級反應(yīng)

v=k[S]零級反應(yīng)

v=k[E]酶促反應(yīng)的速度與酶濃度成正比第32頁,共64頁，2024年2月25日，星期天當?shù)孜餄舛容^低時反應(yīng)速度與底物濃度成正比；反應(yīng)為一級反應(yīng)。[S]VVmax第33頁,共64頁，2024年2月25日，星期天隨著底物濃度的增高反應(yīng)速度不再成正比例加速；反應(yīng)為混合級反應(yīng)。[S]VVmax第34頁,共64頁，2024年2月25日，星期天當?shù)孜餄舛雀哌_一定程度反應(yīng)速度不再增加，達最大速度；反應(yīng)為零級反應(yīng)[S]VVmax第35頁,共64頁，2024年2月25日，星期天（一）米－曼氏方程式中間產(chǎn)物

酶促反應(yīng)模式——中間產(chǎn)物學說E+Sk1k2k3ESE+P第36頁,共64頁，2024年2月25日，星期天※1913年Michaelis和Menten提出反應(yīng)速度與底物濃度關(guān)系的數(shù)學方程式，即米－曼氏方程式，簡稱米氏方程式(Michaelisequation)。[S]：底物濃度V：不同[S]時的反應(yīng)速度Vmax：最大反應(yīng)速度(maximumvelocity)

Ｋm：米氏常數(shù)(Michaelisconstant)

ＶVmax[S]Km+[S]＝──第37頁,共64頁，2024年2月25日，星期天米－曼氏方程式推導基于兩個假設(shè)：E與S形成ES復合物的反應(yīng)是快速平衡反應(yīng)，而ES分解為E及P的反應(yīng)為慢反應(yīng)，反應(yīng)速度取決于慢反應(yīng)即

V＝k3[ES]。

(1)S的總濃度遠遠大于E的總濃度，因此在反應(yīng)的初始階段，S的濃度可認為不變即[S]＝[St]。第38頁,共64頁，2024年2月25日，星期天當反應(yīng)速度為最大反應(yīng)速度一半時Km值的推導Km＝[S]∴Km值等于酶促反應(yīng)速度為最大反應(yīng)速度一半時的底物濃度，單位是mol/L。2＝Km+[S]VmaxVmax[S]VmaxV[S]KmVmax/2第39頁,共64頁，2024年2月25日，星期天（二）Km與Vmax的意義Km值①Km等于酶促反應(yīng)速度為最大反應(yīng)速度一半時的底物濃度。②意義：a)

Km是酶的特征性常數(shù)之一；b)

Km可近似表示酶對底物的親和力；c)

同一酶對于不同底物有不同的Km值。第40頁,共64頁，2024年2月25日，星期天

Vmax定義：Vm是酶完全被底物飽和時的反應(yīng)速度，與酶濃度成正比。意義：Vmax=K3[E]如果酶的總濃度已知，可從Vmax計算酶的轉(zhuǎn)換數(shù)(turnovernumber)，即動力學常數(shù)K3。第41頁,共64頁，2024年2月25日，星期天（三）Ｋm值與Ｖmax值的測定1.雙倒數(shù)作圖法(doublereciprocalplot)，又稱為林-貝氏(Lineweaver-Burk)作圖法-1/Km1/Vmax1/[S]1/VVmax[S]Km+[S]V=（林－貝氏方程）+1/V=KmVmax1/Vmax1/[S]兩邊同取倒數(shù)第42頁,共64頁，2024年2月25日，星期天抑制劑對酶促反應(yīng)的影響——使酶的必需基團或活性部位中的基團的化學性質(zhì)改變而降低酶活力甚至使酶失活的物質(zhì)，稱為抑制劑（I）。1.不可逆抑制作用：抑制劑與酶的結(jié)合（共價鍵）是不可逆的。S+EESE+P+I↓EIE—SH+ICH2COOH→E—S—CH2COOH+HI第43頁,共64頁，2024年2月25日，星期天（2）可逆抑制作用：抑制劑與酶的結(jié)合是可逆的。抑制程度是由酶與抑制劑之間的親和力大小、抑制劑的濃度以及底物的濃度決定。[E]v1231.反應(yīng)體系中不加I。2.反應(yīng)體系中加入一定量的不可逆抑制劑。3.反應(yīng)體系中加入一定量的可逆抑制劑。第44頁,共64頁，2024年2月25日，星期天[E]v不可逆抑制劑的作用[E]v

可逆抑制劑的作用[I]→[I]第45頁,共64頁，2024年2月25日，星期天①競爭性抑制作用：抑制劑和底物競爭與酶結(jié)合。特點：1）抑制劑和底物競爭酶的結(jié)合部位S+EESE+P+I↑↓EIv=———————V[S]km(1+[I]/ki)+[S]ki=[E][I]/[EI][S]vV/2km2）抑制程度取決于I和S的濃度以及與酶結(jié)合的親和力大小。km′無I有I3）競爭性抑制劑的結(jié)構(gòu)與底物結(jié)構(gòu)十分相似。第46頁,共64頁，2024年2月25日，星期天競爭性抑制作用的Lineweaver–Burk圖：第47頁,共64頁，2024年2月25日，星期天②非競爭性抑制作用：底物和抑制劑同時與酶結(jié)合，但形成的EIS不能進一步轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物。S+EESE+P+I↑↓EI+I↑EIS+[S]E+Pv=———————————V1+[I]/ki·[S]km+[S][S]v無IV/2km有I(′)第48頁,共64頁，2024年2月25日，星期天非競爭性抑制作用的Lineweaver–Burk圖：第49頁,共64頁，2024年2月25日，星期天激活劑對酶促反應(yīng)的影響激活劑使酶由無活性變?yōu)橛谢钚曰蚴姑富钚栽黾拥奈镔|(zhì)。其中大部分是一些無機離子和小分子簡單有機物。如：Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cu2+、Zn2+、Co2+、Cr2+、Fe2+、Cl-、Br-、I-、CN-、NO3-、PO4-等；無機離子對酶的激活作用：（1）與酶分子肽鏈上的側(cè)鏈基團相結(jié)合，穩(wěn)定酶催化作用所需的構(gòu)象。（2）作為底物與酶蛋白之間聯(lián)系的橋梁。（3）可能作為輔酶或輔基的一個組成部分，協(xié)助酶的催化作用。第50頁,共64頁，2024年2月25日，星期天使用激活劑注意激活劑對酶的作用具有一定的選擇性，使用不當，會適得其反，激活劑之間有時存在拮抗現(xiàn)象。激活劑的濃度有一定的范圍，超出此范圍，會得到相反的效果。第51頁,共64頁，2024年2月25日，星期天8.7食品加工中重要的酶糖酶蛋白酶脂肪酶第52頁,共64頁，2024年2月25日，星期天糖酶淀粉酶：催化淀粉和糖元水解的酶類。

α－淀粉酶：內(nèi)切酶，從淀粉分子內(nèi)部隨機水解α－1，4

糖苷鍵，但不水解α－1，6糖苷鍵。

β－淀粉酶：外切酶，只能水解α－1，4糖苷鍵，不能水解

α－1，6糖苷鍵。從淀粉分子的非還原性末端開始依次切下一個個α－1，4麥芽糖苷鍵，并將切下的α－1，4麥芽糖轉(zhuǎn)變成β－麥芽糖，所以稱為β－淀粉酶。葡萄糖淀粉酶：外切酶，不僅水解α－1，4糖苷鍵，也能水解α－1，6糖苷鍵和α－1，3糖苷鍵。異淀粉酶：產(chǎn)生于動植物及微生物中，是一種內(nèi)切酶，從支鏈淀粉分子內(nèi)部水解支點的α－1，6糖苷鍵。第53頁,共64頁，2024年2月25日，星期天一、水解酶

1.α-淀粉酶

也稱液化型淀粉酶，能使淀粉不規(guī)則地水解。它存在于動物的唾液、胰臟及植物的麥芽中。此外，霉菌和細菌也產(chǎn)生此酶。鈣對其有活化作用，其最適PH為5-7，最適溫度約40℃，一些細菌淀粉酶則達70℃。此酶在啤酒制造及面包品質(zhì)改良上很重要，終產(chǎn)物為麥芽糖、葡萄糖和異麥芽糖。

-淀粉酶

能將淀粉從非還原端起，每次水解下一個麥芽糖單位。在各種植物組織中均可見，尤以大麥芽中為多，其熱穩(wěn)定性低于α-淀粉酶。第54頁,共64頁，2024年2月25日，星期天3.葡萄糖淀粉酶

從淀粉的非還原端起，每次水解下一個葡萄糖單位，終產(chǎn)物為葡萄糖和糊精，用于制糖等。最適PH=4-5，最適溫度50-60℃。

淀粉酶對天然存在的完整淀粉粒作用較困難，應(yīng)將淀粉粒糊化，破壞其結(jié)構(gòu)后，對淀粉酶的作用才比較敏感。

4.果膠酯酶

能把果膠酯酸分解為果膠酸和甲醇，它存在于霉菌、細菌和植物中，以柑桔類水果和蕃茄中含量為多。第55頁,共64頁，2024年2月25日，星期天果膠酶定義：催化果膠酸或果膠降解的酶1）果膠酯酶果膠聚半乳糖醛酸+甲醇2）聚半乳糖醛酸酶降解底物α－1，4糖苷鍵3）果膠裂解酶內(nèi)切聚半乳糖醛酸裂解酶、外內(nèi)切聚半乳糖醛酸裂解酶、內(nèi)切聚甲基半乳糖醛酸裂解酶的總稱第56頁,共64頁，2024年2月25日，星期天蛋白酶定義：催化蛋白質(zhì)肽