第六章酶化学

第六章酶化学,学习目标,1.掌握酶的化学本质及作用特点。2.了解酶的命名及分类。3.掌握酶催化反应的机理。4.掌握温度、pH、酶浓度、底物浓度、竞争性抑制、非竞争性抑制物及激活剂对酶促反应速率的影响。5.掌握酶活力的概念及测定酶活力的方法。6.熟悉食品加工业中重要的酶及其应用，了解固定化酶。,第一节概述,一、酶的概念八十年代以前酶是一类由生物体活细胞产生的具有催化作用的特殊蛋白质。八十年代以后酶是一类由生物体活细胞产生的具有催化作用的生物大分子。,由细胞内产生并在细胞内部起作用的酶称为胞内酶。由细胞内产生后分泌到细胞外面起作用的酶称为胞外酶。在生物化学中，由酶催化进行的反应称为酶促反应。在酶的催化下，发生化学变化的物质称为底物，反应后生成的物质称为产物。,二、酶的催化特点酶和化学催化剂的共性用量少、催化效率高；提高生化反应的速度，不改变化学反应的平衡点(平衡常数)；降低反应的活化能；自身不参与反应。,酶的催化特点1.高效性是化学催化剂催化效率的1061013倍。转换数：底物浓度足够大时，每分钟每个酶分子能转换底物的分子数，即催化底物发生化学变化的分子数。用于表示酶催化效率的高低。2.高度专一性一种酶只能作用于某一类或某一种特定物质。,3.反应条件温和4.酶活性的可调控性包括抑制剂调节、反馈调节、共价修饰调节、酶原激活、激素控制等。5.酶易失活6.有些酶的催化活力与辅酶、辅基和金属离子有关。,三、酶的化学本质与组成1.酶的化学本质绝大多数酶是具有催化作用的蛋白质。少数酶是核糖核酸，特异的称为核酶。只要不失活，无论是在细胞内还是在细胞外，酶都可发挥其催化作用。,2.单纯蛋白酶和结合蛋白酶,据酶分子组成分类,单纯蛋白酶类,结合蛋白酶类,蛋白质,辅助因子,金属离子小分子有机物,胃蛋白酶，脲酶，木瓜蛋白酶,辅助因子部分叫做辅酶或辅基。辅酶：与酶蛋白结合较松、用透析法可以除去。辅基：与酶蛋白结合较紧、用透析法不易除去。小分子有机物多为辅酶，金属离子多为辅基。结合蛋白酶类：全酶酶蛋白+辅助因子。,小分子经过半透膜扩散到水(缓冲液),通常一种酶蛋白只能与一种辅助因子结合，生成一种全酶，作用于一种底物，发生某一种化学反应。一种辅助因子，可以与若干种酶蛋白结合，形成多种全酶，催化多种不同底物，发生同一类型的化学反应。在全酶中，酶蛋白决定了反应底物的种类，而辅助因子决定底物的反应类型。,3.单体酶、寡聚酶和多酶复合体系,只有一条多肽链。这类酶很少，一般都是水解酶。,由几个至几十个相同或不同的亚基组成。亚基间以非共价结合，易分离、变性。多数酶属于这类酶。,由几种酶彼此嵌合形成的复合体。每种酶都具有独立的催化功能。有利于一系列反应的连续进行，提高催化效率，便于调控。,单体酶,寡聚酶,多酶复合体系,第二节酶的命名与分类,一、酶的分类1氧化还原酶类催化底物进行氧化还原反应的酶类。AH2BABH22转移酶类催化底物之间进行基团转移或交换的酶类。A-RBAB-R,3水解酶类催化底物发生水解反应的酶类。A-BH2OAHBOH4裂解酶类催化一个底物断裂为两个产物或两个底物结合成为一个产物的酶类。A-BAB从左向右进行的是裂解反应，由右向左进行的是合成反应，所以又称为裂合酶。,反应一般不可逆,5异构酶类催化各种同分异构体之间的相互转变，即分子内部基团的重新排列的酶称为异构酶类。AB6合成酶类催化两个分子合成一个分子的酶类。这类反应要消耗ATP等高能磷酸键。ABATPA-BADPPiABATPA-BAMPPPi,二、酶的命名1系统命名法2习惯命名法习惯命名法根据底物名称和反应类型来命名;合成酶常根据产物名称和反应类型来命名;对水解酶常省略水解二字只用底物来命名；有时在底物的名称前面加上酶的来源。,第三节酶催化反应的机理,一、酶的催化作用与活化能酶促反应速度与活化分子数目成正比，增加活化分子数的途径有：1.外加能量2.降低活化能催化剂就是降低了活化能，增加了活化分子。活化能越低，活化分子越多，反应速度越快。,一般分子成为能参加化学反应的活化分子所需要的能量,二、中间产物学说基本论点：S+EESE+P即中间产物学说认为，所有的酶促反应都会形成一个不稳定的中间产物，从而将整个反应分两步进行，每一步仅需较少的活化能。中间产物学说已被证实。,三、酶的活性中心酶分子中，由少数必需基团组成的，能与底物分子直接结合，并催化底物发生化学反应的部位，称为酶的活性中心。,必需基团,维持酶的空间结构,结合基团,催化基团,专一性,催化性质,活性中心内的必需基团,活性中心外的必需基团,负责与底物分子结合,负责催化反应,15个AA,23个AA,活性中心的氨基酸残基在空间结构上十分邻近，但一级结构上可以相距甚远。当酶蛋白变性时，空间结构解体，活性中心破坏，酶就失去活力。四、“诱导-契合”理论锁和钥匙学说诱导契合学说,五、酶原的激活某些酶在细胞内合成或初分泌时没有活性，这些不具催化活性的酶的前身称为酶原。从不具活性的酶原转变为有活性的酶的过程，称为活化过程或激活过程。比较典型的例子是消化酶的酶原和血液凝固酶的酶原。,第四节影响酶促反应速率的因素酶促反应动力学,一、酶促反应速率的测定酶促反应速率，可用单位时间内底物浓度的减少量或产物的生成量来表示。在实际测定中，多用产物浓度的增加作为反应速率的量度。酶促反应的速度与反应进行的时间有关，随着时间延长，酶促反应的速度逐渐减弱。以反应初速度表示酶活力。,二、酶浓度对酶促反应速率的影响当底物充足，反应条件不变，且反应系统中不含有抑制酶活性的物质时，反应速率与酶浓度成正比。实际生产中，酶浓度如过高，既浪费又影响产品质量。,三、底物浓度对酶促反应速率的影响1.底物浓度与酶促反应速率的关系,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。,随着底物浓度的增高,反应速度不再成正比例加速；反应为混合级反应。,当底物浓度足够大时,把酶的活性中心都被底物分子结合时的底物浓度称饱和浓度。,反应速度不再增加，达最大速度；为零级反应,2.米氏方程式1913年，德国化学家Michaelis和Menten根据中间产物学说对酶促反映的动力学进行研究，推导出了表示整个反应中底物浓度和反应速率关系的著名公式，称为米氏方程。,V反应速率Vmax最大反应速度S底物浓度Km米氏常数,在底物浓度很低时，KmS，米氏方程式中分母中S一项可忽略不计。得：反应速率与底物浓度成正比，符合一级反应。在底物浓度很高时，SKm，米氏方程式中，Km项可忽略不计，得：V=Vmax即反应速率与底物浓度无关，符合零级反应。,3.米氏常数的意义当V=Vmax/2时Km=SKm值的物理意义：Km值是当酶反应速率达到最大反应速率一半时的底物浓度，它的单位是mol/L。意义：a)Km是酶的特征性常数之一；,Km只与酶的性质有关，与酶浓度无关。通过测定Km的数值，可鉴别酶，但是必须在统一的实验条件下进行。b)Km可表示酶对底物的亲和力；Km值大表示亲和程度小，酶的催化活性低;Km值小表示亲和程度大，酶的催化活性高。c)通过测定Km值可找到该酶的最适底物；Km值小的底物一般称为该酶的最适底物或天然底物。,d)实际用途练习题：已知某种酶底物浓度是0.2mol.L-1时，催化的反应速度达到最大反应速度的80，要使此酶催化的反应速度达到最大反应速度的90，所时底物的浓度应为多少？4.米氏常数的求法通常采用双倒数作图法，将米氏方程式变为其倒数，即为:,四、温度对酶促反应速率的影响酶催化的反应速度与一般化学反应一样随温度升高而加速；酶本身是蛋白质，温度过高时会发生变质而失去活性。因此，各种酶有它的稳定温度和最适温度。酶的活力最大(酶促反应最快)时的温度范围，通常称为该酶作用的最适温度。,稳定温度是指在一定时间和条件下，酶不发生或极少发生变性失活的温度范围。最适温度是酶的特征之一，但不是固定不变的常数，常受到其他条件的影响而改变。随反应时间延长，酶的最适温度逐渐降低。酶的稳定温度和最适温度可因加入保护剂而提高。同种不同来源的酶，最适和稳定温度可能不同。不同状态、不同温度下，酶的稳定性不同。,五、pH对酶促反应速率的影响酶是两性化合物，pH对其活性影响很大。通常将酶表现最大活力(酶促反应最快)时的pH称为酶反应的最适pH。稳定pH是指酶在这个pH范围内不发生或极少发生变性失活现象。酶的稳定pH和最适pH也不是固定的，也可因加入保护剂而提高。,最适pH是酶的特征之一，也不是固定不变的常数，常受到其他条件的影响而改变。同种不同来源的酶，最适和稳定pH可能不同。pH影响酶活力的原因可能有：第一，pH影响酶分子的构象第二，pH影响酶分子活力中心上必须基团的解离或底物的解离。酶的最适pH与生理pH值不一定相同。,六、激活剂对酶促反应速率的影响一些物质的存在可以提高酶的活力或提高酶的稳定性，这些物质就称为酶的激活剂。酶的激活剂多为无机离子或简单有机化合物。无机离子对酶的激活作用：稳定酶的构象促进酶分子活力中心上必须基团的解离或底物的解离,与辅助因子不同，激活剂不是酶的组成成分。使用激活剂注意激活剂对酶的作用具有一定的选择性；激活剂之间有时会相互影响。激活剂的浓度有一定的范围，超出此范围，可能会得到相反的效果。,七、抑制剂对酶促反应速率的影响由于酶的活性中心的化学性质发生改变而引起酶活力降低或丧失的作用称为抑制作用。造成抑制作用的物质称为抑制剂(用I表示)。抑制不同于失活，失活是由于酶蛋白变性而引起酶活力下降或丧失。酶的抑制剂一般具备一下特点：a.在化学结构上与被抑制的底物分子或底物的过渡状态相似；,b.能够与酶的活性中心以非共价或共价的方式形成比较稳定的复合体或结合物；C.可与酶的其它部位结合，改变活性中心的结构，使中间产物不能分解。1不可逆的抑制作用抑制剂与酶的活性中心以共价键结合，结合后很难解除抑制，酶活性难以恢复。随抑制剂浓度的增加抑制作用增强，直至酶的活性完全被抑制。,2.可逆的抑制作用抑制剂与酶蛋白以非共价方式结合，引起酶活性暂时丧失，抑制剂可以通过物理方法被除去，酶的活性部分或全部恢复。竞争性抑制作用抑制剂与底物的结构相似，能与底物竞争酶的活性中心，从而阻碍酶底物中间产物的形成，使酶的活性降低。,这种抑制可通过加入大量底物，提高底物竞争力的办法来消除。,非竞争性抑制抑制剂与底物没有结构相似的关系，底物与抑制剂同时在酶的不同部位与酶结合，从而引起酶分子构象变化，使中间物不能进一步分解为产物，从而降低了酶活性。由于这类抑制剂不是与底物竞争与活性中心的结合，所以称为非竞争性抑制剂。这种抑制作用不能用增加底物浓度的方法来消除。,第五节酶的活力测定,一、酶的活力和活力单位1酶活力酶制剂中的含酶多少，不能直接用质量或体积来衡量。通常用单位时间内酶催化某一化学反应的能力表示酶的催化能力，也就是以一定条件下酶所催化的化学反应速度即酶活力来表示。,由于酶催化某一反应的速度受多种因素限制，故一般规定在某一条件下用反应速率的初速率来表示酶活力。2酶活力单位酶活力即催化反应速率的能力，用酶活力单位表示，表示酶制剂的含酶量。习惯单位(U)：在一定条件下，一定时间内，将一定量的底物转化为产物所需的酶量定为一个单位。,各种酶的习惯活力单位不同，同一种酶有时也不同，比较时应注意。国际单位(IU)：在标准条件下，1min内将1微摩尔的底物转化为产物的酶量，也称为称为准单位。Katal(Kat)单位：在最适条件下，1秒内可使l摩尔底物转化的酶量定为1Kat。1Kat=6107IU1IU=1/60uKat=16.67nKat,3比活力比活力是表示酶制剂纯度的一个指标。长期放置过程中，比活力不断下降。二、测定酶活力的两种方式基本原理：酶活力即酶催化化学反应的能力，也就是催化化学反应发生的速度。,1测定完成一定量反应所需要的时间在一定条件下，在待测的酶液中加入一定量的底物，测定此底物全部作用完或部分作用所需的时间来计算酶活力。活力大小与作用时间成反比。2测定一定时间内所起的化学反应量根据在一定条件下，化学反应量与酶的活力成正比来测定的。为得到准确结果，反应应在最适条件下进行，使酶是影响反应速率的唯一因素。,普通酶制剂定义：含有酶的制品。种类：固体酶制剂、液体酶制剂提取方式：采用一定的技术直接从动植物或微生物的组织、细胞中将酶提取出来。现在更多的是通过微生物发酵，获得所需要的酶。如果是胞外酶，可以从发酵液中直接提取;如果是胞内酶，则需将细胞弄碎再提取。,提取出来的酶还要经过分离、纯化，再加入适量的稳定剂和填充剂，制成相应的酶制剂