食品化学生物化学

酶学概念酶学（Enzymology）是研究酶的结构、酶的性质、酶的反应机理和作用机制、酶的生物学功能及酶的应用的科学。酶学和酶工程的研究简史酶学简史不自觉的应用：酿酒、造酱、制饴、治病酶学的产生:消化与发酵现象消化1777年，意大利物理学家Spallanzani的山鹰实验。将一块生肉塞进一个上面布满许多孔眼的金属小管子里，迫使山鹰吞下小管。一段时间后，小管依然完好无损，但是管中的肉不见了，只留下一些淡黄色的液体。1822年，美国外科医生Beaumont研究食物在胃里的消化。为19岁的法籍加拿大人圣马丁治疗枪伤，在圣马丁的胃部和体表之间遗留下一个永久性的瘘管，吃饭后会有液体从瘘管中流出来。博蒙特请圣马丁住在他家里，从瘘管中吸取胃液，观察它对各种食物的作用。19世纪30年代，德国科学家施旺获得胃蛋白酶。发酵1684年，比利时医生Helment提出ferment—引起酿酒过程中物质变化的因素（酵素）。1833年，法国化学家Payen和Person用酒精处理麦芽抽提液，得到淀粉酶（diastase）。用酒精处理麦芽抽提液，分离出一种能溶于水和稀酒精、不溶于浓酒精、对热不稳定的白色无定形粉末。这些粉末像麦芽本身一样，能将胶状的淀粉转化成糖，主要是麦芽糖。把它与淀粉共同加热到65～70℃，淀粉迅速分解为糊精，加热到100℃，它则会失去对淀粉的水解作用。1878年，德国科学家Kühne提出enzyme—从活生物体中分离得到的酶，意思是“在酵母中”（希腊文）。希腊字“en”，即英文的“in”，意思是“在…内”，“zyme”的英文意思是“yeast”，即酵母菌。酶学的迅速发展（理论研究）①酶的化学本质德国化学家R.Willstatter的错误观点。1915年,阐明了在绿叶细胞中以三比一的量存在的叶绿素A及B，都是镁的络合物,发现植物色素和叶绿素的化学结构获诺贝尔奖。由于他不能将酶提纯而错误地宣称酶不是蛋白质。于不能将酶提纯而错误宣称酶不是蛋白质。1926年,美国康乃尔大学的“独臂学者”Sumner（萨姆纳）博士从刀豆中提取出脲酶(Urease)结晶，并证明其具有蛋白质的性质。1930年，美国的生物化学家Northrop分离得到了胃蛋白酶（pepsin）、胰蛋白酶（trypsin）、胰凝乳蛋白酶（chymotrypsin）结晶，确立了酶的化学本质。②酶学理论研究1890年，Fisher——锁钥学说。1902年，Henri——中间产物学说。1913年，Michaelis和Menten——米氏学说。1958年，Koshland——诱导契合学说。1960年，Jacob和Monod——操纵子学说。酶工程研究简史（应用研究）酶工程酶工程由酶学与化学工程技术、基因工程技术、微生物学技术相结合而产生的一门新的技术科学,亦即将酶或者细胞、细胞器等在一定的生物反应装置中，利用酶所具有的生物催化功能，借助工程手段将相应的原料转化成有用物质并应用于社会的一门科学。它从应用目的出发，研究酶的产生与制备、酶的修饰与改造、酶的固定化、酶反应器以及酶的应用等各方面的内容。酶工程分为：化学酶工程与生物酶工程。化学酶工程（初级酶工程）酶化学与化学工程技术相结合的产物。主要研究内容：酶的制备、酶的分离纯化、酶与细胞的固定化技术、酶分子修饰、酶反应器和酶的应用。生物酶工程（高级酶工程）在化学酶工程基础上发展起来的、酶学与现代分子生物学技术相结合的产物。生物酶工程主要研究内容：用基因工程技术大量生产酶（克隆酶）如：尿激酶原和尿激酶是治疗血栓病的有效药物。用DNA重组技术将人尿激酶原的结构基因转移到大肠杆菌中，可使大肠杆菌细胞生产人尿激酶原，从而取代从大量的人尿中提取尿激酶。用蛋白质工程技术定点改变酶结构基因（突变酶）如：酪氨酰－tRNA合成酶，用Ala5（第5位的丙氨酸）取代Thr51（第51位的丝氨酸），使该酶对底物ATP的亲和力提高了100倍。设计新的酶结构基因，生产自然界从未有过的性能稳定、活性更高的新酶。研究简史1896年——Buchner兄弟阐明了酵母的酒精发酵及离体酶的作用，为酶制剂产业化奠定了理论基础.1913年——Michaelis和Manten提出了米氏方程。1926年——Sumner首次从刀豆提取液中分离得到第一个结晶酶:脲酶，提出了酶的化学本质是蛋白质的观点。1958年——Koshland提出了“诱导契合”理论。1961年——Jacob和Monod提出了酶生物合成的调节机制——“操纵子学说”1965年——用X射线衍射技术推测溶菌酶的三维结构，首次提出“酶作用机制”这一名称。1969年——日本千佃一郎首次在工业生产规模应用固定化氨基酰化酶从DL-氨基酸连续生产L-氨基酸，实现酶应用史上的重大变革。1969年——用氨基酸单体化学合成牛胰核糖核酸酶。1970年——Kelly、Smith等人从流感嗜血杆菌D中分离纯化出第一个限制性内切酶II，为基因工程的诞生奠定了基础。1971年——美国召开了第一次国际酶工程学术会，确立了“酶工程”这个新兴学科。1982年——切克（Cech）等人在四膜虫（Tetrahynena）的rRNA中发现了一个具有催化活性的RNA称为核酸类酶（Ribozyme），或称为催化活性RNA。1983年——Atman和Pace等人研究表明RNA具有核糖核酸酶活性。1986年——Pollack,S.J.等人报道了具有催化活性的抗体，被认为抗体酶（Abzyme）。酶作为催化剂的特点酶和一般催化剂的共性用量少而催化效率高。不改变化学反应的平衡点，仅改变反应速度，缩短平衡到达的时间。降低反应的活化能,酶本身在反应前后不发生改变。酶作为生物催化剂的特点催化效率高酶的一个突出的特点是催化效率极高。2H2O22H2O+O21mol铁离子可催化105mol双氧水分解1mol过氧化氢酶可催化1015mol双氧水分解CO2+H2OH2CO31分子的碳酸酐酶可催化6×105个CO2分子与H2O结合成H2CO3，其反应速度比非酶催化反应要快107倍。专一性强酶的专一性是指一种酶只能催化一种或一类结构相似的底物进行某种类型的酶反应。例如：蛋白酶只能催化蛋白质的水解，酯酶只能催化酯类物质的水解，而淀粉酶只能催化淀粉的水解。根据酶的专一性程度不同，可分下列三种：绝对专一性：指一种酶只能催化一种物质进行反应，这种高度的专一性称绝对专一性。例如：尿酶只能作用于尿素，催化其水解产生氨和二氧化碳。而对尿素的各种衍生物，一般不起作用。相对专一性：一种酶能催化一类结构相似的物质进行某种相同类型的反应，这种专一性称相对专一性。又根据专一性作用的位置分为键专一性、基团专一性、立体异构专一性立体异构专一性：酶只能催化一种立体异构进行某种类型的化学反应，而对另一种立体异构体则无作用，这种专一性称立体异构专一性。反应条件温和由于酶是生物催化剂，因此，酶的催化反应不象一般化学催化剂那样需要高温、高压、强酸、强碱等剧烈条件，只需在常温、常压的温和条件下进行。酶的不稳定性及可调节性酶不稳定，易失活：因为酶是蛋白质，凡引起蛋白质变性的因素，亦可使酶变性失活。酶的可调性：由于酶的催化作用可受多种因素的调节，从而改变其催化活性，特别是代谢过程中一些关键性酶，往往是重要的调节对象酶分子结构和功能酶分子的组成酶按照结构分为单体酶和结合酶。全酶是由酶蛋白和辅助因子组成。在结合酶中酶催化作用的专一性由酶蛋白部分决定；辅基辅酶的作用是在反应中起传递基团、原子和电子的作用;金属离子的作用是：有的是稳定酶蛋白分子的构象所必需，有的是组成酶的活性中心；有的是在酶与底物之间起桥梁作用，亦有的是中和阴离子，降低反应中的静电斥力。酶蛋白：酶的催化专一性主要决定于酶蛋白部分。酶蛋白的结构包括一级结构和高级结构，与酶的催化功能密切相关，结构的改变会引起酶催化作用的改变或者丧失。酶的一级结构:它是酶的基本结构,是由许多氨基酸按特定的顺序排列成的肽链,氨基酸之间通过肽键(-CH=NH-)连接。酶的二级结构:肽键进一步盘绕成a-螺旋或并列排列成β-折叠，由不同长短的a-螺旋及不同长度的β-折叠构成了蛋白质的二级结构。酶的三级结构:蛋白质的二级结构，再加上一些没有规则的肽链段落装配而成，在此基础上再盘绕成更高级的三级结构（称作一个亚基）。酶的四级结构:相同或不同的亚基构成更完整更严密的空间构象成为四级结构。任何破坏稳定二级结构的氢键或稳定三级结构的二硫键、盐键、酯键、范德华力、金属键等，均会使空间构象受破坏，导致蛋白质结构松散，溶解度降低，从而失去其生物学功能，这称为蛋白质变性作用。酶蛋白有三种形式：①单体酶：单体酶是一条或多条肽链组成的，仅具有一个活性中心的酶。②寡聚酶：寡聚酶是多条肽链组成的，由多个相同或不相同的亚基靠非共价键聚合而成的酶。单独的一个亚基一般不具有酶活性。③多酶复合体系：指多种酶进行连续反应的体系，前一个反应产物为后一个反应的底物。辅助因子辅因子通常是作为电子、原子或某些化学基团的载体。包括辅酶、辅基和金属激活剂。酶的分类与命名习惯命名法1961年以前使用的酶的名称都是习惯沿用的，称习惯名。主要依据两个原则:根据酶作用的底物命名;根据酶催化反应的性质来命名。国际系统命名法1955年成立了国际酶学委员会（EnzymeCommission）以规范酶的命名。国际系统命名法原则，是以酶所催化的化学反应作为酶的分类和命名规则的主要依据，规定每种酶的名称应当明确标明酶的底物及催化反应的类型。每种酶都给以3个名称：系统名称、习惯名称和一个数字编号。酶的系统名称由二部分组成，即底物+反应类型。如果酶作用的底物有两个，要同时列出,并用(:)分开，若其中底物为水，则可省略。例1：醇脱氢酶，底物是醇和NAD+，反应类型是氧化还原，因此系统名称为醇：NAD+氧化还原酶，而习惯名为醇脱氢酶。例2：草酸氧化酶———习惯名称草酸：氧(两个底物)氧化还原(催化反应的性质)酶——系统名称例3：多酚氧化酶———习惯名称1,2-苯二酚：氧(两个底物)氧化还原(催化反应的性质)酶——系统名称酶的数字编号系统氧化还原酶类氧化还原酶（Oxidoreductase）催化底物的氧化还原反应，而不是基团的加成或者去除反应，反应时需要电子的供体和受体。氧化还原酶类约占酶总数27%，其催化反应为:AH2+BA+BH2转移酶类转移酶（Transferase）催化底物分子间基团转移的反应。转移的基团可以是一个很小的基团,如氨基,也可以是一个糖残基甚至一条多糖链。它们的底物必须有两个,一个是供体,一个是受体。转移酶类约占酶总数24%,其催化反应为：A-R+BA+B-R水解酶类水解酶（Hydrolase）催化底物的水解反应。水解酶类约占酶总数26%，其催化反应为：A-B+HOHAOH+BH聚合酶类裂合酶（Lyase）能催化底物分子开裂成两部分，其中指一含有双键。这类酶催化的反应都是可逆的。开裂点可以是碳碳、碳氧或者碳氮键。裂合酶类约占酶总数12%，其催化反应为：ABA+B异构酶类异构酶（Isomerase）催化底物的分子内重排反应，特别是构型的改变和分子内的氧化还原。异构酶类约占酶总数5%，其催化反应为：AB连接酶类连接酶（Ligase）能将两个底物连接成一个分子，在反应时由ATP或其他高能的核苷三磷酸供给反应所需的能量。合成酶类约占酶总数6%，其催化反应为：A+B+ATPAB+ADP（AMP）+无机磷酸（或焦磷酸）酶委员会给每一个酶分类的数字编号由三个打点隔开的四个数字组成，在数字之前冠以“EC”(enzymecommission)，编号的第一位数表示酶属的大类，第二位数表示亚类，第三位数表示次亚类，第四位数表示次亚类中的具体酶的编号。国际生化协会同工酶分委员会建议同工酶根据他们在电泳中分离的位置确定,从电泳中向着阳极移动最远的酶开始依次编号酶促反应的动力学酶的活力与测定酶活力酶活力(Enzymeactivity)：是指酶催化某一化学反应的的能力，其大小可以用在一定条件下该酶所催化的某一化学反应的反应速度(reactionvelocity)来表示。它表示样品中酶的含量。酶活力通常以在最适条件下酶所催化的化学反应的速度来确定。酶的活力单位酶活力单位即酶单位（U）是衡量酶活力的大小即酶含量的多少的指标。酶单位的定义是：在一定条件下，一定时间内将一定量的底无转化为产物的酶量。（U/g或U/mL）1961年国际酶学会提出采用统一“国际单位”（IU）来表示酶活力，规定为：在最反应适条件下（温度25℃），1min内催化1μmol底物转化为产物所需的酶量定为该酶的一个活力单位。即1IU=1μmol/min。1972年国际酶学委员会又推荐一种新的酶活力国际单位，即Katal（简称Kat）单位。规定：在最适反应条件下，每秒钟能催化1摩尔（mol）底物转化为产物所需的酶量，定为1Katal单位。Kat单位和IU单位之间的换算关系如下：1Kat=60×106IU1IU=16.67×10-9Kat酶活力测定方法分光光度法利用产物和底物在紫外光或可见光部分光吸收的不同，选择某一适当的波长，测定反应过程中反应进行的情况。荧光法根据酶促反应的产物或底物的荧光性质的差别来进行酶活力的测定。同位素法放射形同位素的产物或底物在经酶作用后所得的产物，通过适当的方法进行分离，从而只需要测定产物的脉冲数即可换算出酶的活力单位。电化学方法常用玻璃电极配合一台高灵敏度的pH计，跟踪监测反应过程中H+浓度变化的情况，从而用pH值的变化来测定整个酶促反应的速度，达到测定相关酶活力的目的。影响酶作用的因素酶浓度对酶反应速度的影响底物浓度对酶反应速度的影响pH对酶促反