食品化学课件7酶

第七章酶Chapter7：Enzyme主要内容：酶的化学本质和作用特点酶的命名和分类酶的作用机制影响酶促反应速度的因素抑制剂和激活剂对酶促反应的影响酶促褐变的机理及其控制食品加工中重要的酶固定化酶难点：酶的作用机制和酶促褐变的机理第一节概述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1.酶的化学本质2.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(prostheticgroup):与酶蛋白结合紧密，不能用透析或超滤的方法除去。3.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3.1酶促反应的特点酶的催化效率通常比非催化反应高108～1020倍，比一般催化剂高107～1013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(activationenergy)。酶比一般催化剂更有效地降低反应的活化能。（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。4.酶的命名和分类习惯命名法A.根据作用底物来命名，如淀粉酶、蛋白酶等。B.根据所催化的反应的类型命名，如脱氢酶、转移酶等。C.两个原则结合起来命名，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。系统命名法1971年国际生化协会酶命名委员会根据酶所催化的反应类型将酶分为六大类，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若干个亚类，每个亚类可再分若干个亚-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表明酶的特性：反应性质、反应物（或底物）性质、键的类型，第四个数字则是酶在亚-亚类中的顺序号。EC1.1.1.27大类亚类亚亚类序号如乙醇脱氢酶国际酶学委员会根据酶催化反应的类型，把酶分为：1、氧化还原酶类即催化生物氧化还原反应的酶，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、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应。6、合成酶类促进两分子化合物互相结合，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。5.酶的作用机制酶之所以具有催化能力，主要在于它们具有一个所谓的“活性部位”。正是由于有这种结构才使之具备上述催化生物化学反应的功能。又称“活性中心”。指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。活性部位本质上是蛋白质多肽链上原本相距较远的一系列氨基酸残基经由折叠而形成的特定区域。在这个区域内，特定的、对于催化反应具有贡献的氨基酸残基的侧链基团的空间配置恰到好处，有助于酶与底物的结合，有助于底物的转变。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(bindinggroup)与底物相结合催化基团(catalyticgroup)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温度的双重影响（1）随着温度的增加，反应速度也增加，直至最大速度为止。（2）随温度升高而使酶逐步变性，反应速度减小。第二节影响酶活力的因素最适温度酶促反应速度最快时的环境温度。此时酶的活力最高。其不是酶的特征性常数酶活性0.51.02.01.50102030405060温度ºC温度对淀粉酶活性的影响2.pH对酶促反应的影响1.最适pH2.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对某些酶活性的影响胃蛋白酶淀粉酶胆碱酯酶2468103.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]4.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。[S]VVmax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。[S]VVmax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[S]VVmax（2）米－曼氏方程式中间产物酶促反应模式——中间产物学说E+Sk1k2k3ESE+P酶底物酶产物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(Michaelisequation)。ＶVmax[S]Km+[S]＝──[S]：底物浓度V：不同[S]时的反应速度Vmax：最大反应速度(maximumvelocity)Ｋm：米氏常数(Michaelisconstant)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V＝k3[ES]。(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[S]＝[St]。当反应速度为最大反应速度一半时Km值的推导Km＝[S]∴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。2＝Km+[S]VmaxVmax[S]VmaxV[S]KmVmax/23米氏方程的推导121kkkESSESSEt令：Kmkkk121令：Kmkkk121将（4）代入（3），则：SKSVvmmax1kES1kES2kEPESEtSES1kES1kES2kEPESEtSES[ES]生成速度：SESEkvt11[ES]生成速度：SESEkvt11，[ES]分解速度：ESkESkv212，[ES]分解速度：ESkESkv212即：ESkESkSESEkt211即：ESkESkSESEkt211则：SSESESKmtE则：SSESESKmtE(1)经整理得：SKSEmtES(1)经整理得：SKSEmtESSKSEmtES由于酶促反应速度由[ES]决定，即ESkv2由于酶促反应速度由[ES]决定，即ESkv22kvES，所以(2)2kvES2kvES，所以(2)将（2）代入（1）得：SKSEkvmt2将（2）代入（1）得：SKSEkvmt2SKSEkmt2v(3)SKSEkmt2vSKSEkmt2v(3)当酶反应体系处于恒态时：21vv当酶反应体系处于恒态时：21vv当[Et]=[ES]时，mVv当[Et]=[ES]时，mVvtmEkV2(4)所以tmEkV2(4)所以（3）Km与Vmax的意义Km值①Km等于酶促反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度。（Km的单位为浓度单位）②是酶在一定条件下的特征物理常数，通过测定Km的数值，可鉴别酶。③可近似表示酶和底物亲合力，Km愈小，E对S的亲合力愈大，Km愈大，E对S的亲合力愈小。④在已知Km的情况下，应用米氏方程可计算任意[s]时的v，或任何v下的[s]。（用Km的倍数表示）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(turnovernumber)，即动力学常数K3。（4）Ｋm值与Ｖmax值的测定基本原则：将米氏方程变化成相当于y=ax+b的直线方程，再用作图法求出Km。例：双倒数作图法（Lineweaver-Burk法）米氏方程的双倒数形式：1Km11—=——.—+——vVmax[S]Vmax酶动力学的双倒数图线请大家思考：一种酶的Km数值越大意味着什么？5.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S+EESE+P+I↓EIE—SH+ICH2COOH→E—S—CH2COOH+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]v1231.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。[E]v不可逆抑制剂的作用[E]v可逆抑制剂的作用[I]→[I]①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S+EESE+P+I↑↓EIv=———————V[S]km(1+[I]/ki)+[S]ki=[E][I]/[EI][S]vV/2km2）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I3）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Lineweaver–Burk图：②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。S+EESE+P+I↑↓EI+I↑EIS+[S]E+Pv=———————————V1+[I]/ki·[S]km+[S][S]v无IV/2km有I(′)非竞争性抑制作用的Lineweaver–Burk图：6.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。第三节酶促褐变褐变现象：水果和蔬菜，如苹果、香蕉、土豆等。当它们的组织被碰伤、切开、削皮后放置在空气中颜色很快变暗。酶促褐变：是在有氧的条件下，酚酶催化酚类物质形成醌及其聚合物的反应过程。酶促褐变作用机理：植物组织中含有酚类物质，当细胞组织被破坏后，氧就大量侵入，造成邻位的酚氧化为醌和其还原反应之间的不平衡，于是发生了醌的积