酶的化学本质和作用特点省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

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抑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页酶学研究历史酶学研究历史四千多年前，我国已经有酿酒记载。四千多年前，我国已经有酿酒记载。一一百百余余年年前前，Pasteur认认为为发发酵酵是是酵酵母母细细胞胞生生命命活活动动结结果。果。1877年，年，Kuhne首次提出首次提出Enzyme一词。一词。1897年年，Buchner弟弟兄兄用用不不含含细细胞胞酵酵母母提提取取液液，实实现现了发酵。了发酵。1926年，年，Sumner首次从刀豆中提纯出脲酶结晶。首次从刀豆中提纯出脲酶结晶。20世纪世纪70年代初兴起酶工程技术在食品行业广泛应用年代初兴起酶工程技术在食品行业广泛应用第2页酶化学本质酶（酶（enzyme）是一类由活细胞产生，对其）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。特异底物含有高效催化作用蛋白质。新发觉：新发觉：RNA、DNA催化作用催化作用第3页酶组成蛋白质部分：酶蛋白蛋白质部分：酶蛋白(apoenzyme)辅助因子辅助因子(cofactor)金属离子金属离子小分子有机化合物小分子有机化合物全酶全酶(holoenzyme)第4页辅助因子分类辅助因子分类（按其（按其与酶蛋白结合紧密程度与酶蛋白结合紧密程度）辅酶辅酶(coenzyme):与酶蛋白结合与酶蛋白结合疏松，可用疏松，可用透析或超滤方透析或超滤方法除去。法除去。辅基辅基(prosthetic group):与酶蛋白结合与酶蛋白结合紧密，不能用紧密，不能用透析或超透析或超滤方法除去滤方法除去。第5页酶作用特点催化剂共同点催化剂共同点量少高效；量少高效；只加速可逆反应进程，而不改变反应平衡点。只加速可逆反应进程，而不改变反应平衡点。都是经过降低反应分子活化能来加紧化学反应速度。都是经过降低反应分子活化能来加紧化学反应速度。酶特征酶特征高效催化，条件温和高效催化，条件温和高度专一高度专一不稳定性不稳定性活性可调整活性可调整第6页（一）（一）酶促反应含有极高效率酶促反应含有极高效率一、一、酶促反应特点酶促反应特点催催化化效效率率通通常常比比非非催催化化反反应应高高1081020倍倍，比比普普通催化剂高通催化剂高1071013倍。倍。酶催化不需要较高反应温度。酶催化不需要较高反应温度。酶酶和和普普通通催催化化剂剂加加速速反反应应机机理理都都是是降降低低反反应应活活化化能能(activation energy)。酶酶比比普普通通催催化化剂剂更更有有效效地地降低反应活化能。降低反应活化能。第7页依据酶对其底物结构选择严格程度不一样，依据酶对其底物结构选择严格程度不一样，酶特异性可大致分为以下酶特异性可大致分为以下3 3种类型：种类型：绝对特异性绝对特异性(absolutespecificity)：只能作用于特定结构只能作用于特定结构底物，进行一个专一反应，生成一个特定结构产物底物，进行一个专一反应，生成一个特定结构产物。相对特异性相对特异性(relativespecificity)：作用于一类化合物或作用于一类化合物或一个化学键。一个化学键。立体结构特异性立体结构特异性(stereospecificity)：作用于立体异构体作用于立体异构体中一个。中一个。第9页（三）（三）酶促反应可调整性酶促反应可调整性对酶生成与降解量调整对酶生成与降解量调整酶催化效力调整酶催化效力调整经过改变底物浓度对酶进行调整等经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，以适应机体对不酶促反应受各种原因调控，以适应机体对不停改变内外环境和生命活动需要。其中包含三方停改变内外环境和生命活动需要。其中包含三方面调整。面调整。第10页酶命名和分类习惯命名法五个标准：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。第11页系统命名法按国际系统命名标准，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交换酶类水解酶：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相互转化酶类。合成酶：催化2分子底物合成为1分子化合物，同时还必须偶联有ATP磷酸键断裂酶类。第13页酶作用机制酶促反应速度快慢与活化分子数目相关，增加活化分子数路径有：1.加热或光照，使分子所含能量增高，增加活化分子数目。2.降低活化能，使原来不够活化水平分子，也成为活化分子，增加活化分子数目。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（二）中间产物学说（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.吸收光谱法（过氧化物酶与过氧化氢结合）。SP（1）（2）因为酶催化反应（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，所以反应速度加紧。第16页反应总能量改变反应总能量改变 非催化反应活化能非催化反应活化能 酶促反应酶促反应 活化能活化能 普通催化剂催普通催化剂催化反应活化能化反应活化能 能能量量反反 应应 过过 程程 底物底物 产物产物 酶促反应活化能改变酶促反应活化能改变 活化能：活化能：底物分子从初态转变到活化态所需能量底物分子从初态转变到活化态所需能量。第17页酶活性中心由少数必需基团组成能与底物分子结合并完成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（一）活性部位和必需基团（一）活性部位和必需基团必需基团必需基团：这些基团若经化学修饰使其改变，则酶活性丧失。活性部位活性部位：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页活性中心内必需基团活性中心内必需基团结合基团结合基团(binding group)与底物相结合与底物相结合与底物相结合与底物相结合催化基团催化基团(catalytic group)催化底物转变成产物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位于活性中心以外，维持酶活性中心应有空间构象所必需。空间构象所必需。活性中心外必需基团活性中心外必需基团第20页底底 物物 活性中心以外活性中心以外必需基团必需基团结合基团结合基团催化基团催化基团 活性中心活性中心 第21页酶作用辅助原因靠近效应定向效应锁钥学说锁钥学说诱导嵌合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，一方面底物在酶活性中心有效浓度大大增加，有利于提高反应速度；其次，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相互接近，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页锁钥假说(lock and key hypothesis)：酶活性中心结构与底物结构相互吻合，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一样诱导契合假说（inducedfit hypothesis):该学说认为酶表面并没有一个与底物互补固定形状，而只是因为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（激活剂或抑制剂）与酶分子结合时，酶蛋白构象发生了有利于与底物结合改变，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，这么才能使酶与底物完全吻合，结合成中间产物。第24页酸碱催化：l酸-碱催化可分为狭义酸-碱催化和广义酸-碱催化。酶参加酸-碱催化反应普通都是广义酸碱催化方式。l广义酸碱催化是指经过质子酸提供部分质子,或是经过质子碱接收部分质子作用，到达降低反应活化能过程。l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碱催化。pHis 残基咪唑基是酶酸碱催化作用中最活泼一个催化功效团。广义酸基团广义酸基团 广义碱基团广义碱基团 （质子供体）（质子供体）（质子受体（质子受体）第25页(4)共价催化：l催化剂经过与底物形成反应活性很高共价过渡产物，使反应活化能降低，从而提升反应速度过程，称为共价催化。l酶中参加共价催化基团主要包含 His 咪唑基，Cys 硫基，Asp 羧基，Ser 羟基等。l一些辅酶，如焦磷酸硫胺素和磷酸吡哆醛等也能够参加共价催化作用。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）。结合部位结合部位(Binding(Binding site)site)：酶分子中与底：酶分子中与底物结合部位或区域普物结合部位或区域普通称为结合部位通称为结合部位。第27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q双重影响双重影响温温度度升升高高，酶酶促促反反应应速速度度升升高高；因因为为酶酶本本质质是是蛋蛋白白质质，温温度度升升高高，可可引引发发酶酶变变性性，从从而而反反应速度降低应速度降低 。8.4温度对酶促反应影响温度对酶促反应影响q最适温度最适温度 (optimum temperature)：酶促反应速度最快时环酶促反应速度最快时环境温度。其不是酶特征性常境温度。其不是酶特征性常数数*低温应用低温应用 高温应用高温应用酶酶活活性性0.51.02.01.50102030405060温度温度C温度对淀粉酶活性影响温度对淀粉酶活性影响 第30页pH对酶促反应影响对酶促反应影响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酶酶活活性性pH pH对一些酶活性影响对一些酶活性影响 胃蛋白酶胃蛋白酶胃蛋白酶胃蛋白酶 淀粉酶淀粉酶淀粉酶淀粉酶 胆碱酯酶胆碱酯酶胆碱酯酶胆碱酯酶 246810第31页酶浓度对酶促反应影响酶浓度对酶促反应影响在有足够底物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底物浓度对酶促反应影响1.底物浓度对酶反应速度影响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页当底物浓度较低时当底物浓度较低时反应速度与底物浓度成正比；反反应速度与底物浓度成正比；反应为一级反应。应为一级反应。SSV VVmaxVmax第33页伴随底物浓度增高伴随底物浓度增高反应速度不再成正百分比加速；反反应速度不再成正百分比加速；反应为混合级反应。应为混合级反应。SSV VVmaxVmax第34页当底物浓度高达一定程度当底物浓度高达一定程度反应速度不再增加，达最大速度；反应速度不再增加，达最大速度；反应为零级反应反应为零级反应SSV VVmaxVmax第35页（一）米曼氏方程式（一）米曼氏方程式中间产物中间产物 酶促反应模式酶促反应模式中间产物学说中间产物学说E+S k1k2k3ESE+P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(Michaelisequation)。S：底物浓度底物浓度V：不一样不一样S时反应速度时反应速度Vmax：最大反应速度最大反应速度(maximum velocity)m：米氏常数米氏常数(Michaelis constant)VmaxS Km+S 第37页米曼氏方程式推导基于两个假设：米曼氏方程式推导基于两个假设：E与与S形成形成ES复合物反应是快速平衡反应，而复合物反应是快速平衡反应，而ES分分解为解为E及及P反应为慢反应，反应速度取决于慢反反应为慢反应，反应速度取决于慢反应即应即 Vk3ES。(1)S总浓度远远大于总浓度远远大于E总浓度，所以在反应初始阶段，总浓度，所以在反应初始阶段，S浓度可认为不变即浓度可认为不变即SSt。第38页当反应速度为最大反应速度二分之一当反应速度为最大反应速度二分之一当反应速度为最大反应速度二分之一当反应速度为最大反应速度二分之一时时时时v Km值推导值推导KmS Km值等于酶促反应速度为最大反应速度二分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，单位是之一时底物浓度，单位是mol/L。2Km+S Vmax VmaxSV VmaxmaxV VSSKKmmV Vmaxmax/2 /2 第39页（二）（二）Km与与Vmax意义意义Km值值Km等于酶促反应速度为最大反应速度二分之一时底等于酶促反应速度为最大反应速度二分之一时底物浓度。物浓度。意义：意义：a)Km是酶特征性常数之一；是酶特征性常数之一；b)Km可近似表示酶对底物亲和力；可近似表示酶对底物亲和力；c)同一酶对于不一样底物有不一样同一酶对于不一样底物有不一样Km值。值。第40页Vmax定义：定义：Vm是酶完全被底物饱和时反应速度，与酶浓度是酶完全被底物饱和时反应速度，与酶浓度成正比。成正比。意义：意义：Vmax=K3 E假如酶总浓度已知，可从假如酶总浓度已知，可从Vmax计算计算 酶转换酶转换数数(turnover number)，即动力学常数，即动力学常数K3。第41页（三）（三）m m值与值与maxmax值测定值测定1.双倒数作图法双倒数作图法(doublereciprocalplot)，又称为又称为林林-贝氏贝氏(Lineweaver-Burk)作图法作图法-1/Km 1/V 1/Vmax max 1/S 1/S 1/V 1/V V VmaxmaxS S KKmm+S+SV=V=（林贝氏方程）（林贝氏方程）+1/V=1/V=KKmmV Vmax max 1/V1/Vmax max 1/S 1/S 两边同取倒数两边同取倒数两边同取倒数两边同取倒数 第42页抑制剂对酶促反应影响抑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降低酶活力甚至使酶失活物质，称为抑制剂（I）。1.不可逆抑制作用不可逆抑制作用：抑制剂与酶结合（共价键）是不可逆。S +EESE+P+IEIESH+ICH2COOH ESCH2COOH+HI第43页（2）可逆抑制作用）可逆抑制作用：抑制剂与酶结合是可逆。抑制程度是由酶与抑制剂之间亲和力大小、抑制剂浓度以及底物浓度决定。Ev1231.反应体系中不加反应体系中不加I。2.反应体系中加入一定反应体系中加入一定量不可逆抑制剂。量不可逆抑制剂。3.反应体系中加入一定反应体系中加入一定量可逆抑制剂。量可逆抑制剂。第44页Ev不可逆抑制剂作用Ev 可逆抑制剂作用I I 第45页竞争性抑制作用竞争性抑制作用：抑制剂和底物竞争与酶结合。特点特点：1）抑制剂和底物竞争酶结合部位S +EESE+P+IEIv=VSkm(1+I/ki)+Ski=EI/EISvV/2km2）抑制程度取决于I和S浓度以及与酶结合亲和力大小。km无 I有 I3）竞争性抑制剂结构与底物结构十分相同。第46页l竞争性抑制作用LineweaverBurk图：第47页非竞争性抑制作用非竞争性抑制作用：底物和抑制剂同时与酶结合，但形成EIS不能深入转变为产物。S +EESE+P+IEI+IEIS+SE+Pv=V1+I/ki Skm+SSv无 IV/2km有 I()第48页l非竞争性抑制作用LineweaverBurk图：第49页激活剂对酶促反应影响激活剂对酶促反应影响激活剂激活剂使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加物质。使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加物质。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；无机离子对酶激活作用：无机离子对酶激活作用：（1 1）与酶分子肽链上侧链基团相结合，稳定酶催）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。化作用所需构象。（2 2）作为底物与酶蛋白之间联络桥梁。）作为底物与酶蛋白之间联络桥梁。（3 3）可能作为辅酶或辅基一个组成部分，帮助酶）可能作为辅酶或辅基一个组成部分，帮助酶催化作用。催化作用。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，超出此范围，会得到相反效果。第51页8.7食品加工中主要酶糖酶蛋白酶脂肪酶第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，所以称为淀粉酶。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页一、水解酶一、水解酶1.-淀粉酶淀粉酶也称液化型淀粉酶，能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3.葡萄糖淀粉酶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、外内切聚半乳糖醛酸裂解酶、内切聚甲基半乳糖醛酸裂解酶总称第56页蛋白酶定义：催化蛋白质肽键水解酶按起源分为1）动物蛋白酶食品工业中应用少2）植物蛋白酶：木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶、无花果蛋白酶。惯用于肉品和啤酒行业。3）微生物蛋白酶蛋白酶制剂主要起源，用于产酶菌种必须严格选择。应用范围包含：面包制作、肉品嫩化、啤酒制造、酿造等第57页8.蛋白酶蛋白酶能把蛋白质肽链切断。木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶等植物蛋白酶可用于肉软化和预防啤酒混浊等，霉菌蛋白酶用于面包工业以改良面筋性质。不一样蛋白酶切断肽键部分不相同，如胃蛋白酶切断芳香族氨基酸，胰蛋白酶切断碱性氨基酸等。牛乳酪蛋白若用胰蛋白酶分解则产生强烈苦味，这是因生成物为胰岛素和苯丙氨酸之故，若用羧肽酶分解，则无苦味。奶酪品种多，味微苦，就与不一样酶解产物相关。第58页脂肪酶脂肪酶将脂肪水解为甘油和脂肪酸。特点1）催化选择性强2）“油脂-水”两相界面发挥作用应用牛奶、奶酪、干果加工中调控风味；皮革、绢纺等。第59页8.8固定化酶固定化酶又叫固相酶或水不溶酶。优点1）稳定2）重复使用，可连续化、自动化操作3）提纯方便，工艺简单不足第60页固定化酶制备制备固定化酶要将酶固定在不溶支持物上，同时必须预防酶天然结构和活性受到破坏固定化方法：1）载体结正当共价结、离子结合、物理吸附2）交联法3）包埋法格子型包埋、微胶囊行包埋第61页包埋法包埋法 吸附法吸附法共价偶联法交联法第62页固定化酶在食品工业中应用固定化氨基酰化酶生产L-氨基酸固定化葡萄糖异构酶生产高果糖浆固定化乳糖酶产无乳糖牛奶固定化细胞技术应用第63页