酶的化学本质和作用特点市公开课获奖课件

1、第八章 酶酶化学本质和作用特点酶命名和分类酶作用机制温度和pH对酶促反应影响酶浓度和底物浓度对酶促反应影响克制剂和激活剂对酶促反应影响食品加工中主要酶固定化酶第1页第1页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结果。1877年，Kuhne初次提出Enzyme一词。1897年，Buchner弟兄用不含细胞酵母提取液，实现了发酵。1926年，Sumner初次从刀豆中提纯出脲酶结晶。20世纪70年代初兴起酶工程技术在食品行业广泛应用第2页第2页酶化学本质酶（enzyme）是一类由活细胞产生，对其特异底物含有高效催化作用蛋白质。新发觉：RNA、DN

2、A催化作用第3页第3页酶构成蛋白质部分：酶蛋白 (apoenzyme)辅助因子(cofactor) 金属离子小分子有机化合物全酶(holoenzyme)第4页第4页辅助因子分类（按其与酶蛋白结合紧密程度） 辅酶 (coenzyme):与酶蛋白结合疏松，可用透析或超滤办法除去。 辅基 (prosthetic group):与酶蛋白结合紧密，不能用透析或超滤办法除去。第5页第5页酶作用特点催化剂共同点量少高效；只加速可逆反应进程，而不改变反应平衡点。都是通过减少反应分子活化能来加快化学反应速度。酶特性高效催化，条件温和高度专一不稳定性活性可调整第6页第6页（一）酶促反应含有极高效率 一、 酶促反应

3、特点催化效率通常比非催化反应高1081020倍，比普通催化剂高1071013倍。酶催化不需要较高反应温度。酶和普通催化剂加速反应机理都是减少反应活化能(activation energy)。酶比普通催化剂更有效地减少反应活化能。 第7页第7页一个酶仅作用于一个或一类化合物，或一定化学键，催化一定化学反应并生成一定产物。酶这种特性称为酶特异性或专一性。* 酶特异性(specificity)（二）酶促反应含有高度特异性第8页第8页依据酶对其底物结构选择严格程度不同，酶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底物，进行一个专一反应，生成

4、一个特定结构产物 。 相对特异性(relative specificity)：作用于一类化合物或一个化学键。立体结构特异性(stereo specificity)：作用于立体异构体中一个。第9页第9页（三）酶促反应可调整性对酶生成与降解量调整酶催化效力调整通过改变底物浓度对酶进行调整等酶促反应受各种原因调控，以适应机体对不断改变内外环境和生命活动需要。其中包括三方面调整。第10页第10页酶命名和分类习惯命名法五个原则：1.依据酶催化反应性质来命名。2.依据被作用底物来命名。3.将酶作用底物与催化反应性质结合起来命名。4.将酶起源与作用底物结合起来命名。5.将酶作用最适pH和作用底物结合起来命名

5、。第11页第11页系统命名法按国际系统命名原则，每一个酶含有一个系统名称和一个习惯名称，系统名称应标明酶作用底物和反应性质。假如有两种底物，均需标出，当中用“：”分开，若其中一个是水，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。第12页第12页系统分类及编号国际酶学委员会依据酶催化反应类型，把酶分为：氧化还原酶：催化底物进行氧化还原反应酶类。转移酶：催化底物之间进行一些基团转移或互换酶类水解酶：催化底物发生水解反应酶类。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酶类。异构酶：催化各种同分异构体之间互相转化酶类。合成酶：催化2分子

6、底物合成为1分子化合物，同时还必须偶联有ATP磷酸键断裂酶类。第13页第13页酶作用机制酶促反应速度快慢与活化分子数目相关，增长活化分子数路径有：1.加热或光照，使分子所含能量增高，增长活化分子数目。2.减少活化能，使本来不够活化水平分子，也成为活化分子，增长活化分子数目。第14页第14页酶催化作用中间络合物学说酶先与底物结合形成不稳定中间产物中间络合物，这种中间络合物含有较高活性，它不但易生成，且易变成产物，并释放出酶。ESESEPE酶S底物ES中间产物P产物第15页第15页（二）中间产物学说E + SESE +P中间产物存在证据：1.同位素32P标识底物法（磷酸化酶与葡萄糖结合）；2.吸取

7、光谱法（过氧化物酶与过氧化氢结合）。SP（1）（2） 由于酶催化反应（2）能垒比没有酶催化反应（1）要低，反应（2）所需活化能亦比（1）低，因此反应速度加快。第16页第16页反应总能量改变 非催化反应活化能 酶促反应 活化能 普通催化剂催化反应活化能 能量 反 应 过 程 底物 产物 酶促反应活化能改变 活化能：底物分子从初态转变到活化态所需能量。第17页第17页酶活性中心由少数必需基团构成能与底物分子结合并完毕特定催化反应空间小区域，称为酶活性中心。结合基团：负责与底物分子结合。催化基团：负责催化反应。第18页第18页（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，则酶活性丧

8、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相关部位。必需基团活性部位维持酶空间结构结合基团催化基团专一性催化性质第19页第19页活性中心内必需基团结合基团(binding group)与底物相结合催化基团(catalytic group)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空间构象所必需。活性中心外必需基团第20页第20页底 物 活性中心以外必需基团结合基团催化基团 活性中心 第21页第21页酶作用辅助原因靠近效应定向效应 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第22页第22页临近定向效应：在酶促反应中，底物分子结合到酶活性中心，一方面底物在酶活

9、性中心有效浓度大大增长，有助于提高反应速度；另一方面，由于活性中心立体结构和相关基团诱导和定向作用，使底物分子中参与反应基团互相接近，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分子构象变化，变化酶分子又使底物分子敏感键产生“张力”甚至“形变” ，从而促使酶底物中间产物进入过渡态。酶作用辅助原因第23页第23页锁钥假说(lock and key hypothesis)：酶活性中心结构与底物结构互相吻合，紧密结合成中间络合物认为整个酶分子天然构象是含有刚性结构，酶表面含有特定形状。酶与底物结合如同一把钥匙对一把锁同样诱导契合假说（inducedfi

10、t hypothesis): 该学说认为酶表面并没有一个与底物互补固定形状，而只是由于底物诱导才形成了互补形状.酶活性中心结构有一定灵活性，当底物（激活剂或克制剂）与酶分子结合时，酶蛋白构象发生了有助于与底物结合改变，使反应所需催化基团和结合基团正确地排列和定向，转入有效作用位置，这样才干使酶与底物完全吻合，结合成中间产物。第24页第24页酸碱催化：酸-碱催化可分为狭义酸-碱催化和广义酸-碱催化。酶参与酸-碱催化反应普通都是广义酸碱催化方式。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作用，达到减少反应活化能过程。酶活性部位上一些基团能够作为良好质子供体或受体对底物进行酸

11、碱催化。His 残基咪唑基是酶酸碱催化作用中最活泼一个催化功效团。 广义酸基团 广义碱基团 （质子供体） （质子受体）第25页第25页(4)共价催化：催化剂通过与底物形成反应活性很高共价过渡产物，使反应活化能减少，从而提升反应速度过程，称为共价催化。酶中参与共价催化基团主要包括 His 咪唑基，Cys 硫基，Asp 羧基，Ser 羟基等。一些辅酶，如焦磷酸硫胺素和磷酸吡哆醛等也能够参与共价催化作用。第26页第26页与催化作用相关结构特点(1)活性中心：酶分子中直接和底物结合并起催化反应空间局限（部位）。 结合部位(Binding site)：酶分子中与底物结合部位或区域普通称为结合部位。第27

12、页第27页第28页第28页催化部位(Catalytic site): 酶分子中促使底物发生化学改变部位称为催化部位。通常将酶结合部位和催化部位总称为酶活性部位或活性中心。结合部位决定酶专一性，催化部位决定酶所催化反应性质。 第29页第29页双重影响温度升高，酶促反应速度升高；由于酶本质是蛋白质，温度升高，可引起酶变性，从而反应速度减少 。 8.4温度对酶促反应影响最适温度 (optimum temperature)：酶促反应速度最快时环境温度。其不是酶特性性常数* 低温应用 高温应用酶活性0.51.02.01.50 10 20 30 40 50 60 温度 C 温度对淀粉酶活性影响 第30页第

13、30页pH对酶促反应影响1.最适pH 2.pH稳定性表现出酶最大活力pH值在一定pH范围内酶是稳定pH对酶作用影响机制：1.环境过酸、过碱使酶变性失活；2.影响酶活性基团解离；3.影响底物解离。0酶活性 pH pH对一些酶活性影响 胃蛋白酶 淀粉酶 胆碱酯酶 246810第31页第31页酶浓度对酶促反应影响在有足够底物和其它条件不变情况下： v = k E底物浓度对酶促反应影响1. 底物浓度对酶反应速度影响SvVmax一级反应 v = k S零级反应 v = k E酶促反应速度与酶浓度成正比第32页第32页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。SVVmax第33页第33页伴

14、随底物浓度增高反应速度不再成正百分比加速；反应为混合级反应。SVVmax第34页第34页当底物浓度高达一定程度反应速度不再增长，达最大速度；反应为零级反应SVVmax第35页第35页（一）米曼氏方程式中间产物 酶促反应模式中间产物学说E + S k1k2k3ESE + P第36页第36页19Michaelis和Menten提出反应速度与底物浓度关系数学方程式，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时反应速度Vmax：最大反应速度(maximum velocity) m：米氏常数(Michaelis constant) VmaxS Km +

15、 S 第37页第37页米曼氏方程式推导基于两个假设：E与S形成ES复合物反应是快速平衡反应，而ES分解为E及P反应为慢反应，反应速度取决于慢反应即 Vk3ES。 (1)S总浓度远远不小于E总浓度，因此在反应初始阶段，S浓度可认为不变即SSt。 第38页第38页当反应速度为最大反应速度二分之一时 Km值推导KmS Km值等于酶促反应速度为最大反应速度二分之一时底物浓度，单位是mol/L。2Km + S Vmax VmaxSVmaxVSKmVmax/2 第39页第39页（二）Km与Vmax意义 Km值 Km等于酶促反应速度为最大反应速度二分之一时底物浓度。 意义：a) Km是酶特性性常数之一；b)

16、 Km可近似表示酶对底物亲和力；c) 同一酶对于不同底物有不同Km值。 第40页第40页 Vmax定义：Vm是酶完全被底物饱和时反应速度，与酶浓度成正比。意义：Vmax=K3 E假如酶总浓度已知，可从Vmax计算 酶转换数(turnover number)，即动力学常数K3。第41页第41页（三）m值与max值测定1. 双倒数作图法(double reciprocal plot)，又称为 林-贝氏(Lineweaver- Burk)作图法-1/Km 1/Vmax 1/S 1/V VmaxS Km+SV = （林贝氏方程） + 1/V=KmVmax 1/Vmax 1/S 两边同取倒数 第42页第

17、42页克制剂对酶促反应影响使酶必需基团或活性部位中基团化学性质改变而减少酶活力甚至使酶失活物质，称为克制剂（I）。1. 不可逆克制作用：克制剂与酶结合（共价键）是不可逆。S + EESE + P + IEIESH +ICH2COOH ESCH2COOH + HI第43页第43页（2）可逆克制作用：克制剂与酶结合是可逆。克制程度是由酶与克制剂之间亲和力大小、克制剂浓度以及底物浓度决定。Ev1231. 反应体系中不加I。2.反应体系中加入一定量不可逆克制剂。3.反应体系中加入一定量可逆克制剂。第44页第44页Ev不可逆克制剂作用Ev 可逆克制剂作用I I 第45页第45页竞争性克制作用：克制剂和底

18、物竞争与酶结合。特点：1）克制剂和底物竞争酶结合部位S + EESE + P + IEIv = VSkm(1+I /ki)+Ski = EI/EISvV/2km2）克制程度取决于I和S浓度以及与酶结合亲和力大小。km无 I有 I3）竞争性克制剂结构与底物结构十分相同。第46页第46页竞争性克制作用LineweaverBurk图 ：第47页第47页非竞争性克制作用：底物和克制剂同时与酶结合，但形成EIS不能进一步转变为产物。S + EESE + P + IEI + IEIS+SE+Pv = V1+I/ki Skm + SSv无 IV/2km有 I()第48页第48页非竞争性克制作用Linewea

19、verBurk图 ：第49页第49页激活剂对酶促反应影响激活剂使酶由无活性变为有活性或使酶活性增长物质。其中大部分是一些无机离子和小分子简朴有机物。如：Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cu2+、Zn2+、Co2+、Cr2+、Fe2+、Cl-、Br-、I-、CN-、NO3-、PO4-等；无机离子对酶激活作用：（1）与酶分子肽链上侧链基团相结合，稳定酶催化作用所需构象。（2）作为底物与酶蛋白之间联系桥梁。（3）也许作为辅酶或辅基一个构成部分，帮助酶催化作用。第50页第50页使用激活剂注意激活剂对酶作用含有一定选择性，使用不妥，会适得其反，激活剂之间有时存在拮抗现象。激活剂浓度有一定范围，超出此范

20、围，会得到相反效果。第51页第51页8.7食品加工中主要酶糖酶蛋白酶脂肪酶第52页第52页糖酶淀粉酶：催化淀粉和糖元水解酶类。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1，4麦芽糖转变成麦芽糖，因此称为淀粉酶。葡萄糖淀粉酶：外切酶，不但水解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，是一个内切酶，从支链淀粉分子内部水解支点1，6糖苷键。第53页第53页一、水解酶 1. -淀粉酶 也称液化型淀粉酶，能

21、使淀粉不规则地水解。它存在于动物唾液、胰脏及植物麦芽中。另外，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主要，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。 第54页第54页3.葡萄糖淀粉酶 从淀粉非还原端起，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。第55页第55页果胶酶定义：催化果胶酸或果胶降解酶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