搜索
•第一节概述•第二节酶的命名和分类•第三节酶催化反应的机理•第四节影响酶促反应速率的因素——酶促反应动力学•第五节酶的活力测定•第六节食品工业中重要的酶及其应用食品生物化学第六章酶化学食品生物化学学习目标1.掌握酶的化学本质及作用特点。2.了解酶的命名及分类。3.掌握酶催化反应的机理。4.掌握温度、pH、酶浓度、底物浓度、竞争性抑制、非竞性抑制物及激活剂对酶促反应速率的影响。5.掌握酶活力的概念及测定酶活力的方法。6.熟悉食品工业中重要的酶及其应用，了解固定化酶。食品生物化学第一节概述一、酶的概念酶是由生物体活细胞产生的具有催化功能的蛋白质。由细胞内产生并在细胞内部起作用的酶称为胞内酶，由细胞内产生后分泌到细胞外面起作用的酶称为胞外酶。在生物化学中，由酶催化进行的反应称为酶促反应。在酶的催化下，发生化学变化的物质称为底物，反应后生成的物质称为产物。二、酶的催化特点1．高效性食品生物化学2．高度专一性3．反应条件温和4．酶活性的可调控性三、酶的化学本质与组成1．酶的化学本质酶的化学本质是蛋白质。不能说所有蛋白质都是酶，只是具有催化作用的蛋白质，才称为酶。一些核糖核酸物质也表现有一定的催化活性。如果仅仅把酶定义为生物催化剂，则有催化活性的核糖核酸也应看成是酶。绝大多数酶是蛋白质,少数是核酶。食品生物化学2．单纯蛋白酶和结合蛋白酶单纯蛋白酶类，除蛋白质外不含其他物质。如脲酶、蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶和核糖核酸酶等。结合蛋白酶类是由蛋白质与辅助因子组成的,如乳酸脱氢酶、转氨酶、碳酸酐酶及其它氧化还原酶类等。辅助因子部分叫做辅酶或辅基。辅酶和辅基与蛋白质部分结合的牢固程度不同。把那些与酶蛋白结合得比较松的、用透析法可以除去的小分子有机物叫做辅酶,把那些与酶蛋白结合得比较紧的、用透析法不容易除去的小分子物质叫做辅基。酶蛋白和辅助因子单独存在时,都没有催化活力,只有两者结合在一起,才能起到酶的催化作用。这种完整的酶分子叫做全酶。即全酶＝酶蛋白+辅助因子。食品生物化学在全酶的催化反应中，酶蛋白与辅助因子所起的作用不同，酶蛋白本身决定酶反应的专一性及高效性，而辅助因子直接作为电子、原子或某些化学基团的载体起传递作用，参与反应并促进整个催化过程。通常一种酶蛋白只能与一种辅酶结合，组成一个酶，作用一种底物，向着一个方向进行化学反应。而一种辅酶，则可以与若干种酶蛋白结合，组成为若干个酶，催化若干种底物发生同一类型的化学反应。酶蛋白决定了反应底物的种类，即决定该酶的专一性，而辅酶（基）决定底物的反应类型。3．单体酶、寡聚酶和多酶复合体系根据蛋白质结构上的特点，酶可分为三类。食品生物化学（1）单体酶只有一条多肽链的酶称为单体酶，它们不能解离为更小的单位。其分子量为13,000～35,000。属于这类酶的为数不多，而且大多是促进底物发生水解反应的酶，即水解酶，如溶菌酶、蛋白酶及核糖核酸酶等。（2）寡聚酶由几个或多个亚基组成的酶称为寡聚酶。寡聚酶中的亚基可以是相同的，也可以是不同的。亚基间以非共价键结合，容易为酸、碱、高浓度的盐或其它的变性剂分离。寡聚酶的分子量从35,000到几百万。如3-磷酸甘油醛脱氢酶等。（3）多酶复合体系由几个酶彼此嵌合形成的复合体称为多酶复合体系。多酶复合体有利于细胞中一系列反应的连续进行，以提高酶的催化效率，同时便于机体对酶的调控。多酶复合体的分子量都在几百万以上。如丙酮酸脱氢酶系和脂肪酸合成酶复合体都是多酶体系。食品生物化学第二节酶的命名与分类一、酶的分类根据酶所催化的反应类型，可将酶分为六大类。1．氧化还原酶类催化氧化还原反应的酶称为氧化还原酶。此类酶中包括有脱氢酶、加氧酶、氧化酶、还原酶、过氧化物酶等。催化反应通式为：AH2＋BA＋BH2例如乳酸脱氢酶催化乳酸氧化成丙酮酸。食品生物化学2．转移酶类催化基团转移的酶称为转移酶。催化反应通式为：A-R＋BA＋B-R例如氨基转移酶、磷酸基转移酶等。3．水解酶类催化水解反应的酶称为水解酶。催化反应通式示为：A-B＋H2OAH＋BOH例如淀粉酶、麦芽糖酶、蛋白酶、脂酶及磷酸酯酶等。食品生物化学4．裂解酶类催化底物分子中C-C（或C-O、C-N等）化学键断裂，断裂后一分子底物转变为两分子产物的酶称为裂解酶。催化反应通式为：A-BA＋B这类酶催化的反应多数是可逆的，从左向右进行的反应是裂解反应，由右向左是合成反应，所以又称为裂合酶。例如醛缩酶催化1,6-二磷酸果糖裂解为磷酸甘油醛与磷酸二羟丙酮。5．异构酶类食品生物化学催化各种同分异构体之间的相互转变，即分子内部基团的重新排列的酶称为异构酶类。催化反应通式为：AB例如葡萄糖-6-磷酸异构酶可催化葡萄糖-6-磷酸转变成果糖-6-磷酸。6．合成酶类催化两个分子连接成一个分子的酶称为合成酶（也称连接酶）。这类反应要消耗ATP等高能磷酸键。反应通式为：A＋B＋ATPA-B＋ADP＋Pi或A＋B＋ATPA-B＋AMP＋PPi例如丙酮酸羧化酶、谷氨酰胺合成酶、谷胱甘肽合成酶等。食品生物化学二、酶的命名1．系统命名法国际酶学委员会规定了一套系统的命名规则，使每一种酶都有一个名称，包括酶的系统名称及四个数字的分类编号。系统名称中应包括底物的名称及反应的类型，若有两种底物，它们的名称均应列出，并用冒号“：”隔开；若底物之一为水则可略去。例如催化下述乳酸脱氢反应中的乳酸脱氢酶的系统命名为L-乳酸：NAD氧化还原酶，分类编号为EC1.1.1.27，其中EC为国际酶学委员会的缩写，前三个数字分别表示所属大类、亚类、亚亚类，根据这三个标码可判断酶的催化类型和催化性质，第四个数值则表示该酶在亚亚类中占有的位置，根据这四个数字可以确定具体的酶。食品生物化学L-乳酸＋NAD＋丙酮酸＋NADH＋H＋食品生物化学2．习惯命名法习惯命名法也根据底物名称和反应类型来命名，但没有系统命名法那样严格详细。如乳酸脱氢酶、谷-丙转氨酶、葡萄糖异构酶等；对水解酶常省略水解二字只用底物来命名，如蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶等；有时在底物的名称前面加上酶的来源，如胃蛋白酶、唾液淀粉酶等。习惯命名法比较简单，应用历史较长，但缺乏系统性和严格性，有时会出现一酶数名或一名数酶的情况。食品生物化学第三节酶催化反应的机理一、酶的催化作用与活化能酶具有很高的催化效率是因为酶降低了化学反应所需的活化能。活化能指一般分子成为能参加化学反应的活化分子所需要的能量。然而在一个化学反应中并不是所有底物分子都能参加反应的，因为它们并不一定都是活化分子。只有具备足够能量、能够参加化学反应的分子，才是活化分子。增加活化分子途径：第一，外加能量，对进行中的化学反应加热或者光照，增加底物分子的能量，从而达到增加活化分子的目的；第二，降低活化能，使本来不具活化水平的分子成为活化分子，从而增加了反应的活化分子数目。催化剂就是起了降低活化能增加活化分子的作用。食品生物化学图6-1催化剂对化学反应的影响食品生物化学二、中间产物学说酶如何使反应的活化能降低而体现出极为强大催化效率的呢?中间产物学说的基本论点是：首先酶（E）与底物（S）结合成一个不稳定的中间产物ES（也称为中间络合物），然后中间产物ES再分解为产物（P），同时使酶重新游离出来。S+EES→E+P中间产物学说的关键，在于中间产物的形成。酶和底物可以通过共价键、氢键、离子键和配位键等结合成中间产物。根据中间产物学说，酶促反应分两步进行，而每一步的能阈都较低，所需的活化能较少。食品生物化学图6-2酶促反应与非酶促反应的活化能食品生物化学三、酶的活性中心酶是生物大分子，酶作为蛋白质，其分子体积比底物分子体积要大得多。在反应过程中酶与底物接触结合时，只限于酶分子的少数基团或较小的部位。酶分子中直接与底物结合，并催化底物发生化学反应的部位，称为酶的活性中心（也称活性部位）。酶的活性中心包括催化部位和结合部位。前者决定酶的催化能力，一般只由2～3个氨基酸残基组成。后者决定酶与哪些底物结合，是决定专一性的部位，结合基团的氨基酸残基数却因不同的酶而不同，可能是一个，也可能是几个。食品生物化学图6-3酶分子活性中心示意图食品生物化学活性中心的氨基酸残基在一级结构上可以相距甚远，但在空间结构上却十分邻近。这几个氨基酸残基可能位于同一条肽链的不同部位，也可能位于不同肽链上，但从立体结构上来说，构成活性中心的氨基酸残基通过肽链盘曲折迭而处于相邻的位置上。当酶蛋白变性时，它的立体结构破坏，肽链伸展，活性中心破坏，酶就失去活力。四、“诱导－契合”理论酶活性中心的结构有一定的灵活性，在和底物接触之前，二者并不是完全契合的，当底物与酶蛋白分子结合时，产生了相互诱导，酶蛋白分子的立体结构发生一定改变，使反应所需的催化部位和结合部位正确地排列和定向，转入有效的作用位置，这样，才能使酶和底物完全契合，酶反应才能高速度地进行。这就是1964年由D．E．Koshland提出的“诱导契合学说”。食品生物化学锁和钥匙学说模式诱导契合学说图6-4酶和底物结合模式食品生物化学五、酶原的激活在体内有些酶原来呈不活泼状态，不具活性，由于另一些酶或酸的激活才变为具有活性的酶，这种不具催化活性的酶称为酶原，从不具活性的酶原转变为有活性的酶的过程，称为活化过程或激活过程。酶原的激活过程是通过去掉分子中的部分肽段，引起酶分子空间结构的变化，从而形成或暴露出活性中心，转变成为具有活性的酶。在组织细胞中，刚合成的某些酶以酶原的形式存在，具有重要的其生物学意义。因为分泌酶原的组织细胞含有蛋白质，而酶原无催化活性，因此可以保护组织细胞不被水解破坏。食品生物化学图6-5胰蛋白酶原激活示意图食品生物化学第四节影响酶促反应速率的因素——酶促反应动力学一、酶促反应速率的测定酶促反应速率，可用单位时间内底物浓度的减少量或产物的生成量来表示。在实际测定中，多用产物浓度的增加作为反应速率的量度。酶促反应的速度与反应进行的时间有关。以产物生成量（P）为纵坐标，以时间（t）为横坐标作图，可得到酶反应过程曲线图。食品生物化学图6-6酶反应过程曲线食品生物化学从图中可以看出，在反应初期，产物增加得比较快，酶促反应的速度近似为一个常数。随着时间延长，酶促反应的速度便逐渐减弱（即曲线斜率下降）。原因是随着反应的进行，底物浓度减少，产物浓度增加，加速反应逆向进行；产物浓度增加会对酶产生反馈抑制；另外酶促反应系统中pH及温度等微环境变化会使部分酶变性失活。因此，为了准确表示酶活力都要以初速度表示，酶反应的初速度越大，意味着酶的催化活力越大。二、酶浓度对酶促反应速率的影响在酶促反应中，酶先要与底物作用，生成活化的中间产物，当反应中体系的温度、pH不变，底物浓度大大超过酶浓度时，反应速率随酶浓度增加而增加，两者成正比关系。食品生物化学图6-7酶浓度对酶促反应速率的影响食品生物化学三、底物浓度对酶促反应速率的影响1．底物浓度与酶促反应速率的关系图6-8底物浓度对酶促反应速率的影响食品生物化学在酶浓度、温度、pH不变的情况下，酶反应速率与底物浓度的关系，如图6-8中的曲线所示。从图中可以看出：当底物的浓度很低时，V与[S]呈直线关系（OA段），这时，随着底物浓度的增加，反应速率按一定比率加快，为一级反应。当底物的浓度增加到一定的程度后，虽然酶促反应速率仍随底物浓度的增加而不断地加大，但加大的比率已不是定值，呈逐渐减弱的趋势（AB段），表现为混合级反应。当底物的浓度增加到足够大的时候，V值便达到一个极限值，此后，V不再受底物浓度的影响（BC段），表现为零级反应。V的极限值，称为酶的最大反应速率，以Vmax表示。食品生物化学V-[S]的变化关系，可用中间产物学说进行解释。在底物浓度较低时，只有一部分酶能与底物作用生成中间产物，溶液中还有多余的酶没有与底物结合，因此，随着底物浓度增加，就会有更多的酶与底物结合成中间产物，中间产物浓度大，产物的生成速度也就加快，整个酶反应速率也就增大；但是当底物浓度足够大时，所有的酶都与底物结合生成中间产物，体系中已经没有游离态的酶了，虽再增加底物的浓度也不会再有更多的中间产物形成，底物浓度与酶促反应的速度几乎无关，反应达到最大反应速率。把酶