《酶学概论》PPT课件.ppt

食品酶学 FoodEnzymology 陈寒青陆剑锋 合肥工业大学生物与食品工程学院 第一章酶学概论 2学时 第二章酶的生产 4学时 第三章酶的分离纯化 4学时 第四章酶反应的活性调节 4学时 第五章酶的固定化技术 4学时 第六章酶反应器 2学时 第七章酶在食品工业中的应用 4学时 第八章酶与食品安全卫生 2学时 主要内容 三个实验 6学时 实验1 果胶酶对果汁澄清度的影响实验实验2 多酚氧化酶和抗坏血酸氧化酶活力测定实验3 碱性磷酸酶活性功能基团的化学修饰 主要参考书 郭勇编著 酶工程 第三版 科学出版社 2009郑宝东主编 食品酶学 东南大学出版社 2006罗贵民主编 酶工程 第二版 化学工业出版社 2008陈守文主编 酶工程 科学出版社 2008袁勤生 赵健主编 酶与酶工程 华东理工大学出版社 2005 主要学术期刊 食品科学食品与发酵工业食品与生物技术学报微生物学报生物工程学报EnzymeandMicrobialTechnology SCI IF 2 375 第一章酶学概论 什么是酶 具有生物催化功能的生物大分子 可以分为蛋白类酶 P酶 和核酸类酶 R酶 两大类别 1 Enzymeproteins P酶 酶是由生物体产生的具有催化剂活性的蛋白质 2 RibozymeRNAs R酶 本身就是一段RNA 不需要额外的蛋白酶就可以对自身进行剪切 酶学 Enzymology 是研究酶的性质 酶的反应机理 酶的结构和作用机制 酶的生物学功能及酶的应用的科学 要准确地说出酶是什么时候 由谁首先发现的 是一件很困难的事 虽然人们很早就感觉到它的存在 但是真正认识它 利用它还只是近百年的事 中古歐洲相信人類有四種體液 Phlegm虛弱 Blood熱情 YellowBile暴躁 BlackBile憂鬱 磨粉去糠打碎 古埃及人用麥粉醱酵製造啤酒 成酒醱酵裝瓶 DiscoveringEnzyme 1991 p 22 麥芽萌發浸潤 古埃及人酿酒壁畫 什么是酶工程 酶的生产与应用的技术过程 食品酶学 酶工程与食品生物技术相结合而形成的一门应用性很强的学科 食品酶学主要内容 包括酶的基本知识 酶的分离与提纯以及酶在食品工业中的应用等内容 食品酶学主要任务 讲授酶学基本理论 酶的分离与提纯以及酶在食品加工和保藏中的应用等内容 第一节酶学研究简史 夏禹时代 距今4千年 酿酒周朝 3千多年前 豆类制酱 豆豉 豆酱 制饴糖1833年 佩恩 Payen 和帕索兹 Persoz 从麦芽的水抽提物中获得淀粉酶 diastase 19世纪中叶 巴斯德 Pasteur 在活酵母细胞内发现一种可以将糖发酵成乙醇的物质 1878年 昆尼 Kuhne 首次提出酶 Enzyme 这个字来自希腊文 意思为 在酵母中 inyeast 1894年 EmilFischer首先研究酶的作用机理 提出了 锁和钥匙 的作用机制模型 forward 細胞內酵素無所不在 Kleinsmith Kish 1995 PrinciplesofCellandMolecularBiology 2e p 1 Back 1896年 巴克纳 Buchner 兄弟阐明了酵母的酒精发酵及离体酶的作用 表明酶不仅在细胞内 而且在细胞外也可以进行催化作用 为酶制剂产业化奠定了理论基础 1902年 亨利 Henri 提出 中间产物学说 1913年 米彻利斯 Michaelis 和曼吞 Menten 根据 中间产物学说 提出了米氏方程 1926年 萨姆纳 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 雅各 Jacob 和莫诺德 Monod 提出了酶生物合成的基本调节机制 操纵子学说 forward Sumner對酵素的發現有重大貢獻 溫度 時間 進行酵素反應的試管 Sumner Ureasecrystal DiscoveringEnzyme 1991 p 82 Back Michaelis與Menten發展出酵素動力學 Michaelis Menten Nelson Cox 2000 LehningerPrinciplesofBiochemistry 3e p 258 Back 中间产物学说 底物在转化成产物之前 必须首先与酶形成中间复合物 然后再转变成产物 并重新释放出游离的酶 E SESE P Back 1 锁钥假说 lockandkeyhypothesis 认为整个酶分子的天然构象是具有刚性结构的 酶表面具有特定的形状 酶与底物的结合如同一把钥匙对一把锁一样 Back 酶与底物结合形成中间络合物的理论 2 诱导契合假说 induced fithypothesis 该学说认为酶表面并没有一种与底物互补的固定形状 而只是由于底物的诱导才形成了互补形状 Back 酶与底物结合形成中间络合物的理论 Back 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 日本千田一郎首次在工业生产规模应用固定化氨基酰化酶从D 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议 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 阿尔特曼 Altman 和佩斯 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 放线菌1987年后 Bucher发现酶的细胞外作用现象 从而导致了酶的商品化生产 霉菌最初的商品酶制剂主要是以动植物为原料提取 如从牛胃中提取凝乳酶 从胰脏中提取胰酶 从血液中提取凝血酶 从植物材料中提取淀粉酶等 之后 Takamine利用霉菌来生产淀粉酶 使得酶制剂工业取得突破 其方法至今仍被采用 第二次世界大战以后 随着微生物培养技术 发酵工业和设备的逐渐完善 利用微生物来获得商品化酶制剂已形成规模化产业 并开辟了广阔的市场 第二节酶作为催化剂的特点 酶的特点 催化效率高专一性强反应条件温和酶的活性是受调节控制 Next 催化效率高 酶反应速度非常高 有的酶促反应速度比化学催化反应高1014倍 例如 己糖激酶大于1010倍 磷酸化酶大于3 1011倍 乙醇脱氢酶大于2 108倍 肌酸激酶大于104倍 Back 定义 在一定的条件下 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反应的特性 酶的专一性按其严格程度的不同 可分为下列两大类 绝对专一性 指一种酶只能催化一种底物进行反应 这种高度的专一性称为绝对专一性 例如 相对专一性 一种酶能催化一类结构相似的底物进行某种相同类型的反应 这种专一性称为相对专一性 例如 专一性 Back 例如 乳酸脱氢酶 EC1 1 1 27 催化丙酮酸生成L 乳酸 而D 乳酸脱氢酶 EC1 1 1 28 却只能催化丙酮酸生成D 乳酸 Back 图1 2 图1 1 醇脱氢酶 EC1 1 1 1 作用于伯醇和仲醇 进行脱氢反应 生成醛或酮 Back 图1 3 反应条件温和 由于酶是生物大分子 因此 酶的催化反应不像一般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 pH值近乎中性的温和条件下进行 Back 第三节酶的命名与分类 按照国际系统命名法原则 每种酶有一个系统名称和习惯名称 一 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 1 根据酶作用的底物命名 如 淀粉酶2 根据酶催化反应的性质及类型命名 Next 二 国际系统命名法国际系统命名法原则 是以酶所催化的整体反应为基础 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 酶的系统名称由二部分组成 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 醇脱氢酶底物是醇和NAD 反应类型是氧化还原 系统名称 醇 NAD 氧化还原酶 习惯名称 醇脱氢酶 三 国际系统分类法及编号根据目前已知的3600多种酶催化反应类型和作用底物 将酶分为六类 1 氧化还原酶类 oxidoreductases 2 转移酶类 transferases 3 水解酶类 hydrolases 4 裂合酶类 lyases 5 异构酶类 isomerases 6 合成酶类 ligases 酶学委员会给每一个酶的分类编号由三个圆点隔开的四个号码组成 在号码之前冠以 EC 编号的第一位号码表示该酶属于6大类酶中的某一大类 第二位号码表示该酶属于该大类中的某一亚类 第三位号码表示属于亚类中的某一小类 第四位号码表示这一具体的酶在该小类中的序号 四码编号方法 例如 EC1 1 3 4 葡萄糖氧化酶 氧化还原酶 Oxidoreductase 催化底物的氧化或还原 而不是基团的加成或者去除 反应时需要电子的供体或受体 氧化还原酶类约占酶总数27 其催化反应为 AH2 B A BH2 1 氧化还原酶类 b D glucose oxygenD glucono 1 5 lactone hydrogenperoxide 图1 22 葡糖酸内酯 2 转移酶类 转移酶 Transferase 催化功能团从一个底物向另一个转移 转移的功能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 B A B R L aspartate 2 oxoglutarateoxaloacetate L glutamate 图1 23 L 天冬酰胺 2 酮戊二酸草酰乙酸 L 谷胺酰胺 3 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 HOH AOH BH k casein waterpara k casein caseinomacropeptide 图1 24 酪蛋白巨肽 4 裂合酶类 裂合酶 Lyase 能催化底物分子开裂成两部分 其中之一含有双键 这类酶催化反应都是可逆的 开裂点可以是碳碳 碳氧或碳氮键 裂合酶类约占酶总数12 其催化反应为 AB A B L histidineurocanate ammonia 图1 25 组氨酸 尿刊酸盐 5 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 A B a D glucopyranosea D fructofuranose 图1 26 6 合成酶类 合成酶 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 ATP AB ADP AMP 无机磷酸 或焦磷酸 ATP g L glutamyl L cysteine glycineADP phosphate glutathione 图1 27 谷氨酰半胱氨酸 谷胱甘肽 第四节酶的单位 一 酶活力的定义酶活力 Enzymeactivity 是指酶催化反应的能力 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 2 酶活力的表示方法 酶活力单位酶活力的高低是用酶活力单位 activeunit 来表示 1961年国际生物化学与分子生物学联合会规定 在标准条件下 指温度25 以及最适底物浓度 最适缓冲液离子强度和pH 1min内催化1 mol底物转化为产物的酶量为该酶的一个活力单位 这个单位称为酶的国际单位 IU internationalunit 1972年 国际生化协会酶学委员会推荐了一个新单位卡特 katal 一个katal单位是指在一定条件下每秒钟内催化1mol底物转化为产物的酶量 Kat和IU的换算关系如下 1kat 6 107IU1IU 16 67nkat习惯上是根据某酶在最适条件下 单位时间内催化底物的减少量或产物的生成量来表示 酶的总活力 样品的全部酶活力 总活力 酶活力 总体积 ml 或 酶活力 总质量 g 比活力 Specificactivity 指每毫克蛋白质所含酶活力的单位数 单位 毫克蛋白 比活力是酶纯度指标 比活力愈高表示酶愈纯 回收率 Yieldpercent 回收率是指提纯后与提纯前酶的总活力之比 它表示提纯过程中酶的损失程度 回收率愈高 其损失愈少 提纯倍数 提纯倍数是指提纯前后两者比活力之比 提纯倍数愈大 提纯效果愈佳 在酶的分离纯化中每一步始终贯穿比活力和总活力的测定 比较 才能确定酶的分离纯化程度 第五节酶的生产方法 提取分离法2 发酵法 生物合成法 3 化学合成法 1 提取分离法 采用各种提取 分离技术从动物 植物或微生物细胞或组织中将酶提取分离出来 是最早采用的酶生产技术 目前在动 植物资源丰富的地区 仍有其一定的实用价值 主要特点 简单方便 但受气候 地理环境的影响 产品含杂质较多 且分离纯化较困难 例如 从动物胰脏中提取胰酶 从动物胃中提取胃蛋白酶等 2 发酵法 生物合成法 利用细胞 主要是微生物细胞的生命活动合成所需酶的方法称发酵法 酶的发酵生产是当前酶生产的主要方