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1、?食品酶学?第一章 绪论8学时主要内容及学时分配主要内容及学时分配n第一章第一章 绪论绪论8 8学时学时n第二章第二章 酶的别离纯化酶的别离纯化8 8学时学时n第三章第三章 酶与食品加工酶与食品加工2 2学时学时n第四章第四章 酶在食品工业中的应用酶在食品工业中的应用 1212学时学时n1.1 食品酶学涵义食品酶学涵义n1.2 食品酶学研究开展简史食品酶学研究开展简史n1.3 酶的特征酶的特征n1.4 酶的分类和命名酶的分类和命名n1.5 酶的生产方法酶的生产方法n1.6 酶的催化特性及影响因素酶的催化特性及影响因素n1.7 酶的结构和作用机理酶的结构和作用机理n1.8 酶的固定化方法与特性酶

2、的固定化方法与特性n1.9 酶的催化反响器酶的催化反响器n1.10 食品酶学的开展趋势食品酶学的开展趋势n2.1 细胞破碎法细胞破碎法n2.2 酶的提取酶的提取n2.3 离心别离离心别离n2.4 过滤与膜别离过滤与膜别离n2.5 沉淀别离沉淀别离n2.6 层析别离层析别离n2.7 电泳别离电泳别离n2.8 酶的结晶酶的结晶n2.9 浓缩与枯燥浓缩与枯燥n3.1 食品加工中酶的来源与作用食品加工中酶的来源与作用n3.2 酶对食品质量的影响酶对食品质量的影响n3.3 食品加工中酶制剂的种类、来源、反响及食品加工中酶制剂的种类、来源、反响及应用应用n4.1 酶在淀粉类食品生产中的应用酶在淀粉类食品生

3、产中的应用n4.2 酶在蛋白类食品生产中的应用酶在蛋白类食品生产中的应用n4.3 酶在果蔬类食品加工中的应用酶在果蔬类食品加工中的应用n4.4 酶在食品保鲜中的应用酶在食品保鲜中的应用n4.5 酶在焙烤食品加工中的应用酶在焙烤食品加工中的应用n4.6 酶在食品酿造工业中的应用酶在食品酿造工业中的应用n4.7 酶在食品添加剂生产中的应用酶在食品添加剂生产中的应用n4.8 酶在食品分析中的应用酶在食品分析中的应用n4.9 酶在功能性食品生产中的应用酶在功能性食品生产中的应用n4.10 酶与食品卫生与平安的关系酶与食品卫生与平安的关系n4.11 酶在食品加工中的最新应用进展酶在食品加工中的最新应用进

4、展参考书参考书n食品酶学导论,彭志英,食品酶学导论,彭志英,2002,中国轻工业出版社,中国轻工业出版社n食品酶学,郑宝东,食品酶学,郑宝东,2006,东南大学出版社,东南大学出版社n食品酶学,丁立孝,食品酶学,丁立孝,2006,化学工业出版社,化学工业出版社n食品酶学,刘欣,食品酶学,刘欣,2006,中国轻工业出版社,中国轻工业出版社n食品酶学,王璋,食品酶学,王璋,1990,中国轻工业出版社,中国轻工业出版社n酶工程,郭勇,酶工程,郭勇,2000,中国轻工业出版社,中国轻工业出版社n酶与酶工程及其应用,酶与酶工程及其应用,2006,化学工业出版社,化学工业出版社n现代酶工程,梅乐和、岑沛霖

5、,现代酶工程,梅乐和、岑沛霖,2021,化工出版社,化工出版社n酶制剂应用手册,姜锡瑞,酶制剂应用手册,姜锡瑞,1999,中国轻工业出版社,中国轻工业出版社n酶在食品加工中的应用第二版著、李雁群等译,酶在食品加工中的应用第二版著、李雁群等译,2002,中,中国轻工出版社国轻工出版社第第1章章 绪论绪论 吉林大学吉林大学 生物与农业工程学院生物与农业工程学院 食品科学与工程系主任食品科学与工程系主任 周亚军周亚军 教授教授 :;:;85094968(85094968(办公办公) ) E-mail E-mail:食品酶学涵义食品酶学涵义酶的定义及研究内容酶的定义及研究内容n酶是活细胞产生的具有高效

6、催化功能、高度专酶是活细胞产生的具有高效催化功能、高度专一性和高度受控性的一类特殊蛋白质。一性和高度受控性的一类特殊蛋白质。n酶学是研究酶在细胞内生物合成机理、酶的发酶学是研究酶在细胞内生物合成机理、酶的发酵生产及调节控制、酶别离提纯、酶的作用特酵生产及调节控制、酶别离提纯、酶的作用特性及反响动力学、酶的催化作用机理、酶的固性及反响动力学、酶的催化作用机理、酶的固定化技术、酶的分子修饰、酶分子的蛋白质工定化技术、酶的分子修饰、酶分子的蛋白质工程改性和酶的应用等内容。程改性和酶的应用等内容。 n食品酶学是酶学的根本理论在食品科学与技术食品酶学是酶学的根本理论在食品科学与技术领域中作用的科学,是酶

7、学的重要分支学科。领域中作用的科学,是酶学的重要分支学科。n主要研究食品原料、食品产品中酶的性质、结主要研究食品原料、食品产品中酶的性质、结构、作用规律以及对食品储藏、加工和食品品构、作用规律以及对食品储藏、加工和食品品质的影响,食品级的生产机器在食品储藏、加质的影响,食品级的生产机器在食品储藏、加工等环节的应用理论与技术。工等环节的应用理论与技术。食品酶学的涵义及主要研究内容食品酶学的涵义及主要研究内容本节复习题本节复习题1.酶的定义及其主要研究内容2.食品酶学的含义及主要研究内容食品酶学研究开展简史食品酶学研究开展简史n酶的研究处于生物学和化学的衔接点,是一门内容酶的研究处于生物学和化学的

8、衔接点,是一门内容广泛、开展迅速的科学。广泛、开展迅速的科学。n它的分支普及很多领域,并与许多学科紧密联系,它的分支普及很多领域,并与许多学科紧密联系,特别同生物化学、物理化学、微生物学、遗传学、植特别同生物化学、物理化学、微生物学、遗传学、植物学、农学、药理学、毒理学、生理学、医学以及生物学、农学、药理学、毒理学、生理学、医学以及生物工程的关系更为密切。物工程的关系更为密切。n酶独特的催化功能,近来已在食品、轻工、化工、酶独特的催化功能,近来已在食品、轻工、化工、医药、环保、能源和科学研究等各个领域广泛应用。医药、环保、能源和科学研究等各个领域广泛应用。1.2.1 酶的发现及早期研究酶的发现

9、及早期研究n几千年前,人类开始利用微生物酶生产食品和饮料。几千年前,人类开始利用微生物酶生产食品和饮料。40004000多年前,人们就已经在酿酒、制饴、制酱等过多年前,人们就已经在酿酒、制饴、制酱等过程中不自觉地利用了酶的催化作用。程中不自觉地利用了酶的催化作用。n在我国古书在我国古书? ?书经书经? ?中有中有“假设作酒醴,尔维麴蘖假设作酒醴,尔维麴蘖的记载;在的记载;在? ?周礼周礼 天官篇天官篇? ?中,那么有中,那么有“膳夫掌王馈膳夫掌王馈食酱有百二十瓮的语句,这些都说明了酶的应用食酱有百二十瓮的语句,这些都说明了酶的应用首先是从食品生产开始的。首先是从食品生产开始的。n西方各国在西方

10、各国在1717世纪也有了关于酶的记载。世纪也有了关于酶的记载。n人们真正认识酶的存在和作用,是从人们真正认识酶的存在和作用,是从1919世纪开世纪开始。始。18331833年年法国化学家法国化学家PayenPayen和和PersozPersoz从麦芽汁提从麦芽汁提取物中首次发现淀粉酶,他们将这种由酒精沉淀取物中首次发现淀粉酶,他们将这种由酒精沉淀后得到的可使淀粉水解成可溶性糖的物质命名为后得到的可使淀粉水解成可溶性糖的物质命名为淀粉糖化淀粉糖化酵素酵素,并指出它的热不稳定性,初步触,并指出它的热不稳定性,初步触及酶的本质问题。及酶的本质问题。n到到1919世纪中期世纪中期,科学家们已陆续发现了

11、胃蛋白,科学家们已陆续发现了胃蛋白酶、多酚氧化酶、过氧化物酶和转化酶等。酶、多酚氧化酶、过氧化物酶和转化酶等。n1855年,年,Schoenbein在植物体内发现了过氧化物在植物体内发现了过氧化物酶,由此解决了愈创树脂变色的难题。随后在酶,由此解决了愈创树脂变色的难题。随后在1856年,年,Schoenbein又在蘑菇中发现了另外一种又在蘑菇中发现了另外一种酶酶多酚氧化酶,能够在氧存在的条件下催化多酚氧化酶,能够在氧存在的条件下催化反响生成有色氧化物。反响生成有色氧化物。(酶促褐变酶促褐变)n在这个时期,许多科学家发现酶的催化作用与酵在这个时期,许多科学家发现酶的催化作用与酵母在发酵期间的作用

12、相似,微生物学家巴斯德母在发酵期间的作用相似,微生物学家巴斯德Pasteur和化学家李比希和化学家李比希Liebig提出两种提出两种不同观点。不同观点。n巴斯德主张:发酵和巴斯德主张:发酵和活细胞有关,酒精发活细胞有关,酒精发酵是酵母细胞生活的酵是酵母细胞生活的结果。结果。巴斯德巴斯德1822-18951822-1895微生物学的奠基微生物学的奠基人人李比希李比希 (18031873)德国化学家 化学教育改革家有机化学创始人农业化学之父关于发酵本质的长期论战关于发酵本质的长期论战n 李比希认为:发酵及李比希认为:发酵及 其他类似过程,是由其他类似过程,是由 于化学物质的作用,于化学物质的作用,

13、 纯粹是化学过程。纯粹是化学过程。n18971897年,布希纳两兄弟年,布希纳两兄弟(Eduard Buchner & (Eduard Buchner & Hans Buchner)Hans Buchner)成功的从酵母细胞别离出具有成功的从酵母细胞别离出具有发酵作用的物质,能使糖发酵。他们用蔗糖保发酵作用的物质,能使糖发酵。他们用蔗糖保存酵母无细胞提取物,得到了惊人的结果存酵母无细胞提取物,得到了惊人的结果: :酵酵母汁液迅速将蔗糖发酵产生了酒精。母汁液迅速将蔗糖发酵产生了酒精。n说明巴斯德和李比希的两种观点实质一致。生说明巴斯德和李比希的两种观点实质一致。生物化学就是在解决

14、发酵本质的著名论战中产生。物化学就是在解决发酵本质的著名论战中产生。Enzyme的词源的词源(由来由来)n而而“酶酶EnzymeEnzyme的概念,是由德国科学家的概念,是由德国科学家KuhneKuhne在在18781878年首先提出用以表示未统一名称的年首先提出用以表示未统一名称的的各种酵素。这个词的各种酵素。这个词enzymeenzyme本身的意思是本身的意思是“在酵母中,起源于希腊语,其中在酵母中,起源于希腊语,其中enen表示表示“在在之内,之内,zyme zyme 表示酵母或酵素,故其指在酵母表示酵母或酵素,故其指在酵母中的酶。中的酶。酶的催化专一性酶的催化专一性 n大量实验研究根底

15、上,大量实验研究根底上,Fischer于于1894年提出年提出“锁和钥匙模型,成功解释酶的催化反响机锁和钥匙模型,成功解释酶的催化反响机制。制。n酶催化专一性理论研究的另一重要成就是酶催化专一性理论研究的另一重要成就是1959年年Koshland提出的提出的“诱导契合理论,解释酶诱导契合理论,解释酶的催化理论和专一性,同时也搞清了某些酶的的催化理论和专一性,同时也搞清了某些酶的催化活性与生理条件变化有关。催化活性与生理条件变化有关。1.2.3 酶学的理论研究酶学的理论研究 n20世纪初,定量描述酶作用的方法得到大开展。世纪初,定量描述酶作用的方法得到大开展。n1902年年Henri和和Brow

16、n独立提出观点:在固定酶独立提出观点:在固定酶浓度条件下,逐步增加底物浓度而得到的反响浓度条件下,逐步增加底物浓度而得到的反响速度速度底物浓度的饱和类型曲线是由于形成底物浓度的饱和类型曲线是由于形成酶酶底物中间络合物的结果。底物中间络合物的结果。n1913年,年,Michaelis和和Menten提出中间产物学说,提出中间产物学说,推导出酶促反响动力学方程,即著名的米氏方程,推导出酶促反响动力学方程,即著名的米氏方程,定量描述酶的上述性质:定量描述酶的上述性质:n V=VmaxS/Km+Sn 式中:式中:V反响速度;反响速度;Km米氏常数;米氏常数;n S底物浓度底物浓度n20世纪世纪30年代

17、起,酶学研究开始以前所未有的速年代起,酶学研究开始以前所未有的速度开展。度开展。n20世纪世纪50年代起酶学理论方面的研究十分活泼,年代起酶学理论方面的研究十分活泼,在蛋白质或酶的生物合成理论方面获得了许在蛋白质或酶的生物合成理论方面获得了许多突破性进展。多突破性进展。n1955年,年,Sanger等报道了胰岛素中氨基酸排列的等报道了胰岛素中氨基酸排列的次序以及荷尔蒙的分子量为次序以及荷尔蒙的分子量为6000,这是在测定蛋,这是在测定蛋白质一级结构上的第一次突破。白质一级结构上的第一次突破。n1957年年Kornberg等人发现等人发现DNA聚合酶并进行聚合酶并进行DNA复制的系列研究。复制的

18、系列研究。n2020世纪世纪5050年代开始,分子生物学和生物化学年代开始,分子生物学和生物化学的开展,对生物细胞核中存在的脱氧核糖核的开展,对生物细胞核中存在的脱氧核糖核酸酸DNADNA的结构与功能有清晰的阐述。的结构与功能有清晰的阐述。n7070年代初实现了年代初实现了DNADNA重组技术或称克隆技术,重组技术或称克隆技术,极大地推动着食品科学与工程的开展,也促极大地推动着食品科学与工程的开展,也促使酶学研究进入新的开展阶段。使酶学研究进入新的开展阶段。n另外,近另外,近2020年来的研究发现,除蛋白质以外,年来的研究发现,除蛋白质以外,核糖核酸核糖核酸RNARNA也有催化活性。也有催化活

19、性。1.2.4 酶的纯化和固定化酶的纯化和固定化 n酶的纯化在酶的纯化在1920年后取得了重大的突破。年后取得了重大的突破。n1926年美国人年美国人Sumner首先从刀豆中获得了不负首先从刀豆中获得了不负载任何其他催化剂的脲酶蛋白质结晶,确立了载任何其他催化剂的脲酶蛋白质结晶,确立了酶的化学本质是蛋白质的观点,为酶的理化特酶的化学本质是蛋白质的观点,为酶的理化特性研究奠定了根底。性研究奠定了根底。n20世纪世纪30年代掀起了酶结晶研究的热潮。年代掀起了酶结晶研究的热潮。n最有代表性成果是最有代表性成果是1930年至年至1936年间年间Northrop等人制取了胃蛋白酶、胰蛋白酶、胰凝乳蛋白等

20、人制取了胃蛋白酶、胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶和羧肽酶酶和羧肽酶A的结晶。至此人们已获取了上百的结晶。至此人们已获取了上百种酶的结晶,另外还有超过种酶的结晶,另外还有超过600种酶被提取纯化。种酶被提取纯化。n从从20世纪世纪50年代开始,酶及产酶细胞的固定化年代开始,酶及产酶细胞的固定化技术从酶学理论到生产实践得到了迅速的开展。技术从酶学理论到生产实践得到了迅速的开展。n1953年年,德国科学家,德国科学家Grubhofer和和Schleith 首先首先将聚氮基苯乙烯树脂重氮化,将淀粉酶、胃蛋白将聚氮基苯乙烯树脂重氮化,将淀粉酶、胃蛋白酶、羧肽酶和核糖核酸酶结合,制成固定化酶,酶、羧肽酶和核糖核酸

21、酶结合,制成固定化酶,有效地进行了酶的固定化研究。有效地进行了酶的固定化研究。n1971年年,出现了固定化菌体技术,出现了固定化菌体技术,70年代年代后期人后期人们开始运用固定化细胞技术生产胞外酶。们开始运用固定化细胞技术生产胞外酶。n80年代中期,酶固定化技术的开展也引起了食品、年代中期,酶固定化技术的开展也引起了食品、发酵工业一场大变革。发酵工业一场大变革。n美国在美国在20世纪世纪70年代初开始采用这一新技术,使年代初开始采用这一新技术,使玉米淀粉经酶法液化、糖化、异构化和固定化后,玉米淀粉经酶法液化、糖化、异构化和固定化后,成功地工业化生产第一代、第二代和第三代高果成功地工业化生产第一

22、代、第二代和第三代高果糖浆,代替蔗糖作为可口可乐和百事可乐等饮料糖浆,代替蔗糖作为可口可乐和百事可乐等饮料食品的甜味剂,提高了饮料质量,是一项非常成食品的甜味剂,提高了饮料质量,是一项非常成功的技术创新。功的技术创新。1.2.5 酶工程的开展酶工程的开展 n酶工程起源于酶的生产与应用技术的开展。酶工程起源于酶的生产与应用技术的开展。n1894年,日本人顶峰让吉首从米曲霉中制顶峰淀年,日本人顶峰让吉首从米曲霉中制顶峰淀粉酶作消化剂,开创有目的酶生产和应用的先例粉酶作消化剂,开创有目的酶生产和应用的先例n1911年美国年美国Wallestein制木瓜蛋白酶于啤酒澄清制木瓜蛋白酶于啤酒澄清n1949

23、年用液体深层培养法进行细菌年用液体深层培养法进行细菌-淀粉酶的发淀粉酶的发酵生产,揭开近代酶工业的序幕。酵生产,揭开近代酶工业的序幕。n20世纪世纪50年代后,随着生化工程的开展,大多数年代后,随着生化工程的开展,大多数酶制剂的生产已转向微生物液体深层发酵的方法。酶制剂的生产已转向微生物液体深层发酵的方法。n随着酶生产的开展,酶的应用越来越广泛。随着酶生产的开展,酶的应用越来越广泛。生产应用中,人们逐渐发现酶的稳定性较差、生产应用中,人们逐渐发现酶的稳定性较差、不能重复使用等缺乏之处。不能重复使用等缺乏之处。n为了更好地发挥酶的催化功能,人们开始尝为了更好地发挥酶的催化功能,人们开始尝试对酶进

24、行分子修饰,即通过各种方法,使试对酶进行分子修饰,即通过各种方法,使酶分子结构发生某些改变,使酶的某些特性酶分子结构发生某些改变,使酶的某些特性和功能发生改变,满足人们对酶应用的要求。和功能发生改变,满足人们对酶应用的要求。其方法之一就是固定化酶的研究。其方法之一就是固定化酶的研究。n自自1969年日本的千畑一郎首次在工业上应用固定年日本的千畑一郎首次在工业上应用固定化氨基酰化酶从化氨基酰化酶从DL-氨基酸生产氨基酸生产L-氨基酸后,学氨基酸后,学者们开始用者们开始用“酶工程这个新名词来代表有效地酶工程这个新名词来代表有效地利用酶的科学技术领域。利用酶的科学技术领域。n近近20多年来,在酶和细

25、胞固定化技术开展的同时,多年来,在酶和细胞固定化技术开展的同时,其他酶分子修饰技术也在不断开展进步。其他酶分子修饰技术也在不断开展进步。n此外,酶的化学合成、人工模拟,以及各种酶的此外,酶的化学合成、人工模拟,以及各种酶的应用技术研究,使酶工程不断向广度和深度开展,应用技术研究,使酶工程不断向广度和深度开展,显示出广阔而诱人的前景。显示出广阔而诱人的前景。n基因工程中所应用的系列酶总称为基因工程中所应用的系列酶总称为工具酶工具酶。n到目前为止,在基因工程中应用的工具酶已有到目前为止,在基因工程中应用的工具酶已有500多种。多种。n主要工具酶有限制内切酶主要工具酶有限制内切酶、DNA连接酶、连接

26、酶、DNA聚合酶聚合酶、碱性磷酸酯酶、碱性磷酸酯酶、T4多聚核苷多聚核苷酸激酶、酸激酶、S1核酸酶及反向转录酶等,它们极大核酸酶及反向转录酶等,它们极大地促进了重组技术的酶生产工艺的革新。地促进了重组技术的酶生产工艺的革新。现代酶学开展现代酶学开展n20世纪世纪50年代开始,酶及产酶细胞的固定化技术年代开始,酶及产酶细胞的固定化技术从酶学理论到生产实践得到了迅速的开展。从酶学理论到生产实践得到了迅速的开展。n20世纪世纪50年代中期在蛋白质及酶的生物合成方面年代中期在蛋白质及酶的生物合成方面获得许多突破性进展。获得许多突破性进展。n到目前,已发现自然界存在的酶有到目前,已发现自然界存在的酶有3

27、000多种,但多种,但真正形成工业规模生产的只有几十种。因此,当真正形成工业规模生产的只有几十种。因此,当今食品酶学的研究开发具有广阔的开展前景。今食品酶学的研究开发具有广阔的开展前景。本节复习题本节复习题1.食品酶学开展简史食品酶学开展简史2.锁和钥匙模式锁和钥匙模式3.诱导契合理论诱导契合理论4.米氏方程米氏方程5.工具酶工具酶6.酶制剂酶制剂7.酶的分子修饰酶的分子修饰1.3 酶的特征酶的特征n酶既然是生物催化剂,它就具有催化剂一般的特征。酶既然是生物催化剂,它就具有催化剂一般的特征。酶和一般催化剂一样,只能催化热力学上允许进行酶和一般催化剂一样,只能催化热力学上允许进行的反响,因为在反

28、响中其本身不被消耗,因此有极的反响,因为在反响中其本身不被消耗,因此有极少量就可大大加速化学反响的进行。它对化学反响少量就可大大加速化学反响的进行。它对化学反响正逆两个方向的催化作用是相同的。所以它可以缩正逆两个方向的催化作用是相同的。所以它可以缩短平衡到达的时间,而不改变反响的平衡点。短平衡到达的时间,而不改变反响的平衡点。 n但酶和一般催化剂比较,又有其不同之处。但酶和一般催化剂比较,又有其不同之处。 1.3.1 酶的催化效率高酶的催化效率高n酶的一个突出的特点是催化效率极高。酶的一个突出的特点是催化效率极高。n同一反响,酶催化反响的速度比一般催同一反响,酶催化反响的速度比一般催化剂催化的

29、反响速度要大化剂催化的反响速度要大1061013倍。倍。n极少量酶就可催化大量反响物发生转变。极少量酶就可催化大量反响物发生转变。n例如,铁离子和过氧化氢酶都可以催化双氧水例如,铁离子和过氧化氢酶都可以催化双氧水H202分解成为水和氧气。分解成为水和氧气。n在一定条件下,在一定条件下,1mol铁离子可催化铁离子可催化610-4mol双双氧水分解。氧水分解。n在相同条件下,在相同条件下,1mol过氧化氢酶却可催化过氧化氢酶却可催化5106mol的双氧水分解。过氧化氢酶的催化效的双氧水分解。过氧化氢酶的催化效率到达铁离子的率到达铁离子的1010倍。倍。1.3.2 酶作用的专一性酶作用的专一性n酶的

30、另外一个特点是它具有高度的专一性。酶的另外一个特点是它具有高度的专一性。n酶对其所作用的物质称为底物有着严格的酶对其所作用的物质称为底物有着严格的选择性。一种酶仅能作用于一种物质,或一类选择性。一种酶仅能作用于一种物质,或一类分子结构相似的物质,促其进行一定的化学反分子结构相似的物质,促其进行一定的化学反响,产生一定的反响产物,这种选择性作用称响,产生一定的反响产物,这种选择性作用称为酶的专一性。为酶的专一性。n酶的专一性是酶的特性之一。酶的专一性是酶的特性之一。n例如,蛋白酶只能催化蛋白质的水解,酯例如,蛋白酶只能催化蛋白质的水解,酯酶只催化酯类的水解,而淀粉酶只能催化酶只催化酯类的水解,而

31、淀粉酶只能催化淀粉的水解。淀粉的水解。n假设用一般催化剂,对作用物的要求就不假设用一般催化剂,对作用物的要求就不那么严格,以上三类物质都可以在酸或碱那么严格,以上三类物质都可以在酸或碱的催化下水解。的催化下水解。1.3.2.1 键专一性键专一性n这种酶只对底物分子中其所作用的键要求严格,而不这种酶只对底物分子中其所作用的键要求严格,而不管键两端所连基团的性质。管键两端所连基团的性质。n例如,酯酶可以水解任何酸与醇所形成的酯,它不受例如,酯酶可以水解任何酸与醇所形成的酯,它不受酯键两端基团酯键两端基团R和和R的限制。的限制。OCRO R+OH2C O-OR+R O H+H+1.3.2.2 基团专

32、一性基团专一性n有些酶对底物的要求较高,它们不但要求底物具有一定的化学键,而且对键的某一端所连的基团也有一定的要求。n例如,-葡萄糖苷酶能催化任何-葡萄糖苷的水解:n此酶要求底物必须是D-葡萄糖通过-糖苷键所形成的糖苷,但并不要求R基团的性质。胰蛋白酶能够催化水解碱性氨基酸,如精氨酸或赖氨酸的羧基所形成的肽键,而对此肽键氨基端的氨基酸残基没有什么要求。OOHHHOHO HHO HHCH2OHROO HHHHOHO HHO HHCH2OH+OH2+R O H绝对专一性绝对专一性n这类酶具有高度的专一性。它们对底物的要求很严这类酶具有高度的专一性。它们对底物的要求很严格,甚至有时只能催化一种底物,

33、进行一种化学反格,甚至有时只能催化一种底物,进行一种化学反响。响。n例如脲酶只能作用于尿素,催化其水解产生氨及二例如脲酶只能作用于尿素,催化其水解产生氨及二氧化碳。而对尿素的各种衍生物,一般均不起作用。氧化碳。而对尿素的各种衍生物,一般均不起作用。C NH2ONH2+OH2脲酶NH32+CO2 n此外,过氧化氢酶只能催化过氧化氢的分解,此外,过氧化氢酶只能催化过氧化氢的分解,琥珀酸脱氢酶只能催化琥珀酸脱氢生成延胡索琥珀酸脱氢酶只能催化琥珀酸脱氢生成延胡索酸。酸。n凝血酶只能水解蛋白质分子中精氨酸残基的羧凝血酶只能水解蛋白质分子中精氨酸残基的羧基与甘氨酸残基的氨基所形成的肽键,因而这基与甘氨酸残

34、基的氨基所形成的肽键,因而这些酶对于其所作用的底物都具有高度的专一性。些酶对于其所作用的底物都具有高度的专一性。立体异构专一性立体异构专一性n几乎所有的酶对于立体异构体都具有高度的专几乎所有的酶对于立体异构体都具有高度的专一性。即酶只能催化一种立体异构体发生某种一性。即酶只能催化一种立体异构体发生某种化学反响,而对另一种立体异构体那么无作用。化学反响,而对另一种立体异构体那么无作用。n例如乳酸脱氢酶能催化例如乳酸脱氢酶能催化L-乳酸脱氢变为丙酮酸,乳酸脱氢变为丙酮酸,对对D-乳酸那么无作用。乳酸那么无作用。D-氨基酸氧化酶能作用氨基酸氧化酶能作用于各种于各种D-氨基酸,催化其氧化脱氢,但对氨基

35、酸,催化其氧化脱氢,但对L-氨氨基酸那么毫无作用。基酸那么毫无作用。1.3.3 大多数酶的大多数酶的 化学本质是蛋白质化学本质是蛋白质n酶是由生物活细胞产生的有催化能力的蛋白质,酶是由生物活细胞产生的有催化能力的蛋白质,只要不是处于变性状态,无论是在细胞内还是细只要不是处于变性状态,无论是在细胞内还是细胞外都可发挥催化作用。胞外都可发挥催化作用。n实际上,在生物体内,除少数几种酶为核酸分子实际上,在生物体内,除少数几种酶为核酸分子外,大多数的酶类都是蛋白质。外,大多数的酶类都是蛋白质。n目前在食品工业应用的酶也都是蛋白质。目前在食品工业应用的酶也都是蛋白质。n酶本身能被水解蛋白质的蛋白质水解酶

36、分解而丧失活性。n紫外线、热、外表活性剂、重金属盐以及酸碱变性剂等能使蛋白质变性的因素,往往也能使酶失效。n酶具有蛋白质的一级、二级、三级和四级结构。n在生活细胞中产生,但需被分泌到细胞外发挥作在生活细胞中产生,但需被分泌到细胞外发挥作用的酶称胞外酶。如人和动物消化管中以及某些用的酶称胞外酶。如人和动物消化管中以及某些细菌所分泌的水解淀粉、脂肪和蛋白质的酶。细菌所分泌的水解淀粉、脂肪和蛋白质的酶。n其他大局部在细胞内起催化作用的酶,称为胞内其他大局部在细胞内起催化作用的酶,称为胞内酶。这些酶在细胞内常与颗粒体结合,并有着一酶。这些酶在细胞内常与颗粒体结合,并有着一定的分布。如线粒体上分布着三羧

37、酸循环酶系和定的分布。如线粒体上分布着三羧酸循环酶系和氧化磷酸化酶系,而蛋白质生物合成的酶系那么氧化磷酸化酶系,而蛋白质生物合成的酶系那么分布在内质网的核糖体上。分布在内质网的核糖体上。本节复习题本节复习题1.酶的专一性酶的专一性2.举例说明酶的键专一性举例说明酶的键专一性3.举例说明酶的基团专一性举例说明酶的基团专一性4.举例说明酶的绝对专一性举例说明酶的绝对专一性5.举例说明酶立体异构专一性举例说明酶立体异构专一性6.胞外酶、胞内酶的定义胞外酶、胞内酶的定义7.说明酶的化学本质是蛋白质说明酶的化学本质是蛋白质1.4 酶的分类和命名酶的分类和命名n酶的种类和数量很大,根据国际生物化学酶的种类

38、和数量很大,根据国际生物化学协会酶委员会的统计,协会酶委员会的统计,1978年公布的数字年公布的数字为为2122种,到种,到1980年可能接近年可能接近3000种。种。n酶的分类方法比较复杂,可分为三种。酶的分类方法比较复杂,可分为三种。习惯命名法习惯命名法n惯用名不需要非常精确,但要简短,使用方便。惯用名不需要非常精确,但要简短,使用方便。n (1) (1)根据酶催化的化学反响性质分类:氧化复根据酶催化的化学反响性质分类:氧化复原酶类、转移酶类、水解酶类、裂合酶类、异构原酶类、转移酶类、水解酶类、裂合酶类、异构酶类、合成酶类连接酶酶类、合成酶类连接酶n (2) (2)根据酶在代谢调解中的作用

39、分类:根据酶在代谢调解中的作用分类:1 1、静态、静态酶或组成酶。酶或组成酶。2 2、潜在酶,包括酶原、非活力型、潜在酶,包括酶原、非活力型酶和与抑制剂结合的酶。酶和与抑制剂结合的酶。3 3、调节酶,包括诱导、调节酶,包括诱导酶、变构酶具有变构效应的酶、同工酶和多酶、变构酶具有变构效应的酶、同工酶和多功能酶。功能酶。 3根据酶的来源和作用底物分类:根据酶的来源和作用底物分类:1、动物酶,、动物酶,又可按酶在动物细胞内所处位置区分,如唾液又可按酶在动物细胞内所处位置区分,如唾液淀粉酶、胰蛋白酶等。淀粉酶、胰蛋白酶等。2、植物酶,又可按植物、植物酶,又可按植物种类划分,如木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶等种

40、类划分,如木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶等3、微、微生物酶,又可按微生物种类划分,如细菌淀粉生物酶,又可按微生物种类划分,如细菌淀粉酶、霉菌淀粉酶等。酶、霉菌淀粉酶等。 4根据酶的最适作用根据酶的最适作用pH与作用底物分类:包与作用底物分类:包括中性蛋白酶、碱性蛋白酶和酸性蛋白酶等。括中性蛋白酶、碱性蛋白酶和酸性蛋白酶等。5根据酶在细胞中合成后存在部位分类:包括根据酶在细胞中合成后存在部位分类:包括胞内酶和胞外酶等。胞内酶和胞外酶等。6根据酶作用体系是否外加酶分类:根据酶作用体系是否外加酶分类:1、内源、内源酶:体系中或原料存在的酶。酶:体系中或原料存在的酶。2、外源酶:、外源酶:加工时添加的酶加工时

41、添加的酶7根据酶在基因工程中的应用分类:包括限制根据酶在基因工程中的应用分类:包括限制性内切酶性内切酶、DNA连接酶、连接酶、DNA聚合酶聚合酶、碱、碱性磷酸酶和反向转录酶等性磷酸酶和反向转录酶等400种工具酶。种工具酶。国际系统命名法国际系统命名法n系统命名要求能确切说明酶作用的底物及催化反系统命名要求能确切说明酶作用的底物及催化反响的性质,前面为底物名,后面为所催化的反响响的性质,前面为底物名,后面为所催化的反响名称,假设酶催化的反响中有两种底物起反响,名称,假设酶催化的反响中有两种底物起反响,那么这两种底物均需说明,并用那么这两种底物均需说明,并用“:隔开,假:隔开,假设底物之一是水时,

42、那么可省略。设底物之一是水时,那么可省略。n例如,多酚氧化酶的系统名称为:例如,多酚氧化酶的系统名称为:1, 2-苯二酚:苯二酚:氧氧 氧化复原酶;乳酸脱氢酶的系统名称为:氧化复原酶;乳酸脱氢酶的系统名称为:L-乳酸:乳酸:NAD+氧化复原酶氧化复原酶国际系统分类法及编号国际系统分类法及编号n采用采用4数字编号系统,每个数字间用数字编号系统,每个数字间用“.分开,分开,其中第一位数为酶的大类,根据催化反响的性质,其中第一位数为酶的大类,根据催化反响的性质,将酶分为六大类,即氧化复原酶、转移酶、水解将酶分为六大类,即氧化复原酶、转移酶、水解酶、裂合酶、异构酶、连接酶,分别用阿拉伯数酶、裂合酶、异

43、构酶、连接酶,分别用阿拉伯数字字1、2、3、4、5、6表示;根据底物中被作用的表示;根据底物中被作用的基团或化学键等特点,将每一大类分成假设干亚基团或化学键等特点,将每一大类分成假设干亚类、次亚类,分别占据第二位和第三位;第四位类、次亚类,分别占据第二位和第三位;第四位数为次亚类中具体酶的编号,一般按酶发现时间数为次亚类中具体酶的编号,一般按酶发现时间的先后顺序排列。最后在前面冠以的先后顺序排列。最后在前面冠以ECEnyme commission的缩写。的缩写。n例如,醇脱氢酶,编号为,其中大类位置的例如,醇脱氢酶,编号为,其中大类位置的1表表示氧化复原酶,亚类位置的示氧化复原酶,亚类位置的1

44、表示底物供体是表示底物供体是CH-OH,次亚类位置的,次亚类位置的1表示受体底物是表示受体底物是NAD或或NADP,最后位置的,最后位置的1表示次亚类中的第表示次亚类中的第一个酶。一个酶。n这种分类方法比较科学,每种酶均有特定的编这种分类方法比较科学,每种酶均有特定的编号,并可从中了解酶的性质,新发现的酶也可号,并可从中了解酶的性质,新发现的酶也可对号入座,不会造成紊乱,便于计算机科学管对号入座,不会造成紊乱,便于计算机科学管理。理。n酶的具体作用方式按六大类分述如下。酶的具体作用方式按六大类分述如下。一氧化复原酶类一氧化复原酶类n氧化复原酶类占酶总数的氧化复原酶类占酶总数的27%,其催化反响

45、为:,其催化反响为:RH2+R(O2) R+RH2(H2O)n1多酚氧化酶多酚氧化酶n2乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶n3过氧化氢酶过氧化氢酶n4葡萄糖氧化酶葡萄糖氧化酶n5脂肪氧合酶脂肪氧合酶二转移酶类二转移酶类n转移酶类约占酶总数的转移酶类约占酶总数的24%,其催化反响为:,其催化反响为:n A-R+B A+B-R R代表转移基团代表转移基团n1葡萄糖激酶葡萄糖激酶n2几糖激酶几糖激酶三水解酶类三水解酶类n水解酶类约占酶总数的水解酶类约占酶总数的26%,其催化反响为:,其催化反响为:n A-B+HOH AOH+BHn1、聚糖水解酶类:、聚糖水解酶类:-淀粉酶,纤维素酶淀粉酶,纤维素酶n2、糖苷水解酶

46、类:乳糖酶、糖苷水解酶类:乳糖酶 ,转化酶或蔗糖,转化酶或蔗糖酶酶 n3、蛋白水解酶类:胰蛋白酶、蛋白水解酶类:胰蛋白酶 E.C.3.4.21.4 ,菠萝蛋白酶菠萝蛋白酶 E.C.3.4.22.4 ,羧肽酶,羧肽酶 E.C.3.4. 16.17 四裂合酶类四裂合酶类n裂合酶类约占酶总数的裂合酶类约占酶总数的12%,其催化反响为:,其催化反响为:n AB A+Bn 例如:果糖例如:果糖-二磷酸醛缩酶二磷酸醛缩酶五异构酶类五异构酶类n异构酶类约占酶总数的异构酶类约占酶总数的5%,其催化反响为:,其催化反响为:n A Bn 例如:果糖磷酸异构酶例如:果糖磷酸异构酶六合成酶类六合成酶类n合成酶类约占酶

47、总数的合成酶类约占酶总数的6%,其催化反响为:,其催化反响为:n A+B+ATP AB+ADP(AMP)+无机磷酸无机磷酸或焦磷酸或焦磷酸n 例如:异亮氨酰转移核酸合成酶例如:异亮氨酰转移核酸合成酶本节复习题本节复习题1.酶的习惯命名法对酶的分类酶的习惯命名法对酶的分类2.内源酶、外源酶的定义内源酶、外源酶的定义3.举例说明国际系统命名法举例说明国际系统命名法4.举例说明国际系统分类法及编号举例说明国际系统分类法及编号5.酶作用方式对酶进行的分类酶作用方式对酶进行的分类酶的生产方法酶的生产方法n酶的生产酶的生产是指经过预先设计,通过人工操作控是指经过预先设计,通过人工操作控制而获得所需的酶的过

48、程。制而获得所需的酶的过程。n酶的生产方法可分为酶的生产方法可分为提取法提取法、发酵法发酵法以及以及化学化学合成法合成法等等3种。其中,提取法是最早采用而沿用种。其中,提取法是最早采用而沿用至今的方法;发酵法是至今的方法;发酵法是50年代以来酶生产的主年代以来酶生产的主要方法;而化学合成法仍在实验室阶段。要方法;而化学合成法仍在实验室阶段。酶的发酵生产酶的发酵生产n发酵法是利用细胞,主要是微生物细胞的生命活发酵法是利用细胞,主要是微生物细胞的生命活动而获得人们所需酶的过程。它是动而获得人们所需酶的过程。它是5050年代以来酶年代以来酶生产的主要方法。生产的主要方法。n根据微生物培养方式的不同,

49、发酵法可分为固体根据微生物培养方式的不同,发酵法可分为固体培养发酵、液体深层发酵、固定化细胞发酵和固培养发酵、液体深层发酵、固定化细胞发酵和固定化原生质体发酵等。定化原生质体发酵等。8080年代以来,除了利用微年代以来,除了利用微生物细胞进行发酵以外,还开展起了用植物细胞生物细胞进行发酵以外,还开展起了用植物细胞或动物细胞发酵,以得到所需的酶。或动物细胞发酵,以得到所需的酶。酶的提取法生产酶的提取法生产n提取法是采用各种提取、别离技术从动物、植物或微生物细胞或组织中将酶提取别离出来的方法。n它是最早采用的酶生产方法,现在仍继续使用。n特点:提取法简单方便,但必须首先获得含酶特点:提取法简单方便

50、,但必须首先获得含酶组织或细胞,这就使该法受到气候、地理环境组织或细胞,这就使该法受到气候、地理环境的影响,或在培养微生物细胞后,再从细胞中的影响,或在培养微生物细胞后,再从细胞中提取,而使工艺路线变得繁杂,而且产品含杂提取,而使工艺路线变得繁杂,而且产品含杂质较多,别离纯化比较困难。质较多,别离纯化比较困难。n50年代以后,随着发酵法的开展,许多酶的生年代以后,随着发酵法的开展,许多酶的生产都采用发酵法。产都采用发酵法。n在动、植物资源丰富的地区,从动植物组织细胞在动、植物资源丰富的地区,从动植物组织细胞中提取所需的酶,仍有其使用价值。中提取所需的酶,仍有其使用价值。n例如,例如,从动物的胰

51、脏中提取胰蛋白酶、胰淀粉从动物的胰脏中提取胰蛋白酶、胰淀粉酶、胰脂肪酶或这些酶的混合物酶、胰脂肪酶或这些酶的混合物-胰酶;胰酶;从从动物胃中提取胃蛋白酶;动物胃中提取胃蛋白酶;提取碱性磷酸酶;提取碱性磷酸酶;从动物小肠中从木瓜中提取木瓜蛋白酶;从动物小肠中从木瓜中提取木瓜蛋白酶;从菠从菠萝皮中提取菠萝蛋白酶;萝皮中提取菠萝蛋白酶;从柠檬酸发酵的废菌从柠檬酸发酵的废菌体体黑曲霉菌体中提取果胶酶等。黑曲霉菌体中提取果胶酶等。酶的化学合成酶的化学合成n化学合成法是化学合成法是60年代年代中期出现的新技术。中期出现的新技术。n1965年,我国人工合成胰岛素的成功,开辟了年,我国人工合成胰岛素的成功,开

52、辟了蛋白质化学合成的新纪元。蛋白质化学合成的新纪元。n1969年,美国首次用化学合成法得到含有年,美国首次用化学合成法得到含有124个个氨基酸的核糖核酸酶。氨基酸的核糖核酸酶。n现在已可用现在已可用肽合成仪肽合成仪来进行酶的化学合成。来进行酶的化学合成。n特点:酶的化学合成要求作为单体底物的各特点:酶的化学合成要求作为单体底物的各种氨基酸到达很高的纯度;合成的本钱高;种氨基酸到达很高的纯度;合成的本钱高;只能合成那些已搞清楚其化学结构的酶。只能合成那些已搞清楚其化学结构的酶。n这就使化学合成法受到限制,至今仍停留在实这就使化学合成法受到限制,至今仍停留在实验室阶段。验室阶段。本节复习思考题本节

53、复习思考题1.酶的生产酶的生产2.酶的生产方法有哪几种、各自优缺点酶的生产方法有哪几种、各自优缺点3.酶的发酵法生产及其分类酶的发酵法生产及其分类4.酶的提取法生产酶的提取法生产酶的催化特性及影响因素酶的催化特性及影响因素酶的催化特性酶的催化特性n酶作为生物催化剂,具有一般催化剂的特征,但酶作为生物催化剂,具有一般催化剂的特征,但酶作为生物大分子其特殊之处,表达在几点:酶作为生物大分子其特殊之处,表达在几点:n(1)催化效率极高:酶催化反响的速率比无机催催化效率极高:酶催化反响的速率比无机催化剂或有机催化剂高化剂或有机催化剂高1071013倍。例如,过氧化倍。例如,过氧化氢分解反响中,假设用铁

54、离子作为催化剂,反响氢分解反响中,假设用铁离子作为催化剂,反响的速率为的速率为610-4mol/s,而用过氧化氢酶催化,而用过氧化氢酶催化,反响速率为反响速率为6106mol/s。n(2)酶具有高度专一性:酶对底物及催化的反响有酶具有高度专一性:酶对底物及催化的反响有严格的选择性,一种酶仅能作用于一种物质或一严格的选择性,一种酶仅能作用于一种物质或一类结构相似的物质,发生一定的化学反响,而对类结构相似的物质,发生一定的化学反响,而对其他物质不具有活性,这种底物的选择性称为酶其他物质不具有活性,这种底物的选择性称为酶的专一性。的专一性。n如蛋白酶只能水解蛋白质,而对脂肪、淀粉不起如蛋白酶只能水解

55、蛋白质,而对脂肪、淀粉不起任何作用;脲酶只作用于尿素。任何作用;脲酶只作用于尿素。n(3)酶的催化活性可被调节控制酶的催化活性可被调节控制:酶作为细胞蛋:酶作为细胞蛋白质的组成成分,随生长发育不断地进行自我白质的组成成分,随生长发育不断地进行自我更新和组分变化,其催化活性又极易受到环境更新和组分变化,其催化活性又极易受到环境条件的影响而发生变化,因此通过条件的影响而发生变化,因此通过多种机制和多种机制和形式对酶的活性进行调节和控制形式对酶的活性进行调节和控制,使极其复杂,使极其复杂的代谢活动有条不紊的进行。这也是酶区别于的代谢活动有条不紊的进行。这也是酶区别于一般催化剂的一个重要特性。一般催化

56、剂的一个重要特性。n生物体内酶的调节和控制方式:生物体内酶的调节和控制方式:n 酶浓度的调节酶浓度的调节n 激素调节激素调节n 共价修饰调节共价修饰调节n此外,酶原激活、反响调节、抑制剂的调节、此外,酶原激活、反响调节、抑制剂的调节、金属离子和其他小分子化合物的、解聚与聚合金属离子和其他小分子化合物的、解聚与聚合等机制在酶的催化反响中都得到应用。等机制在酶的催化反响中都得到应用。n4酶易失活:酶的本质是蛋白质,是由生物酶易失活:酶的本质是蛋白质,是由生物细胞产生的,它对环境的变化非常敏感,高温、细胞产生的,它对环境的变化非常敏感,高温、强酸、强碱、重金属等引起蛋白质变性的条件,强酸、强碱、重金

57、属等引起蛋白质变性的条件,都能使酶丧失活性。酶也常因温度、都能使酶丧失活性。酶也常因温度、pH值的轻值的轻微改变或抑制剂的存在而使其活性发生改变。微改变或抑制剂的存在而使其活性发生改变。n因此,酶能在温和的条件下进行催化反响,化学因此,酶能在温和的条件下进行催化反响,化学催化反响只有在剧烈的条件下才能进行。催化反响只有在剧烈的条件下才能进行。影响酶促反响的主要因素影响酶促反响的主要因素n影响酶促反响的主要因素有:底物浓度、酶浓影响酶促反响的主要因素有:底物浓度、酶浓度、激活剂、抑制剂、温度、度、激活剂、抑制剂、温度、pH值、作用时间值、作用时间以及实际生产中的工艺设备情况。以及实际生产中的工艺

58、设备情况。n(1)底物浓度的影响:反响开始时,初速度与底底物浓度的影响:反响开始时,初速度与底物浓度成正比,当反响速度慢慢加快时,此时物浓度成正比,当反响速度慢慢加快时,此时速度不再随底物浓度而变化。速度不再随底物浓度而变化。(2)酶浓度对反响速度的影响:酶促反响中,据中酶浓度对反响速度的影响:酶促反响中,据中间产物学说,催化反响可分两步进行,反响式:间产物学说,催化反响可分两步进行,反响式:E+SESP+E酶促反响的速度以反响产物酶促反响的速度以反响产物P的的生成速度表示,中间产物生成速度表示,中间产物ES浓度越高,反响速浓度越高,反响速度也越快。度也越快。底物大量存在时,形成中间产物的量取

59、决于酶浓底物大量存在时,形成中间产物的量取决于酶浓度。酶分子愈多,底物转化为产物也就增加,意度。酶分子愈多,底物转化为产物也就增加,意味着底物的有效转化随酶浓度增加成直线增加。味着底物的有效转化随酶浓度增加成直线增加。(3)激活剂的影响:激活剂是一种促使酶成为活性激活剂的影响:激活剂是一种促使酶成为活性催化剂的物质,又是提高酶催化效率的物质。催化剂的物质,又是提高酶催化效率的物质。(4)抑制剂的影响:抑制剂是能引起酶催化反响速抑制剂的影响:抑制剂是能引起酶催化反响速度降低的一种物质。引起抑制的原因有:它与度降低的一种物质。引起抑制的原因有:它与催化剂起反响,生成一种催化剂催化剂起反响,生成一种

60、催化剂-抑制剂的络合抑制剂的络合物。它与其中某一反响物发生了反响。酶的抑物。它与其中某一反响物发生了反响。酶的抑制剂有可逆的和不可逆的两种,在可逆抑制时,制剂有可逆的和不可逆的两种,在可逆抑制时,当移除抑制剂后,酶能恢复其活力;但在不可逆当移除抑制剂后,酶能恢复其活力;但在不可逆的情况下,那么不能恢复活力。的情况下,那么不能恢复活力。(5)温度对酶反响的影响:提高温度可加速催化温度对酶反响的影响:提高温度可加速催化反响。一般而言,温度每升高反响。一般而言,温度每升高10,反响速度相,反响速度相应地增加应地增加1-2倍。当温度升高到酶的变性温度倍。当温度升高到酶的变性温度时,完成酶的变性过程,此变性不可逆。时,

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