食品化学课件7酶.ppt

第七章酶Chapter7：Enzyme,主要内容：酶的化学本质和作用特点酶的命名和分类酶的作用机制影响酶促反应速度的因素抑制剂和激活剂对酶促反应的影响酶促褐变的机理及其控制食品加工中重要的酶固定化酶难点：酶的作用机制和酶促褐变的机理,第一节概述,酶（enzyme）是一类由活细胞产生的，对其特异底物具有高效催化作用的蛋白质。新发现：RNA、DNA的催化作用,1.酶的化学本质,2.酶的组成,辅助因子分类（按其与酶蛋白结合的紧密程度）,辅酶(coenzyme):与酶蛋白结合疏松，可用透析或超滤的方法除去。,辅基(prostheticgroup):与酶蛋白结合紧密，不能用透析或超滤的方法除去。,3.酶的作用特点,催化剂的共同点量少高效；只加速可逆反应的进程，而不改变反应的平衡点。都是通过降低反应分子的活化能来加快化学反应速度。酶的特性高效催化，条件温和高度专一不稳定性活性可调节,（一）酶促反应具有极高的效率,3.1酶促反应的特点,酶的催化效率通常比非催化反应高1081020倍，比一般催化剂高1071013倍。酶的催化不需要较高的反应温度。酶和一般催化剂加速反应的机理都是降低反应的活化能(activationenergy)。酶比一般催化剂更有效地降低反应的活化能。,一种酶仅作用于一种或一类化合物，或一定的化学键，催化一定的化学反应并生成一定的产物。酶的这种特性称为酶的特异性或专一性。,*酶的特异性(specificity),（二）酶促反应具有高度的特异性,酶的特异性可大致分为以下3种类型：,（三）酶促反应的可调节性,对酶生成与降解量的调节酶催化效力的调节通过改变底物浓度对酶进行调节等,酶促反应受多种因素的调控，以适应机体对不断变化的内外环境和生命活动的需要。其中包括三方面的调节。,4.酶的命名和分类,习惯命名法A.根据作用底物来命名，如淀粉酶、蛋白酶等。B.根据所催化的反应的类型命名，如脱氢酶、转移酶等。C.两个原则结合起来命名，例如丙酮酸脱羧酶等。D.根据酶的来源或其它特点来命名，如胃蛋白酶、胰蛋白酶等。系统命名法1971年国际生化协会酶命名委员会根据酶所催化的反应类型将酶分为六大类，分别用1、2、3、4、5、6的编号来表示，再根据底物中被作用的基团或键的特点将每一大类分为若干个亚类，每个亚类可再分若干个亚-亚类，仍用1、2、3、编号。故每一个酶的分类编号由用“”隔开的四个数字组成。编号之前是酶学委员会的缩写EC。酶编号的前三个数字表明酶的特性：反应性质、反应物（或底物）性质、键的类型，第四个数字则是酶在亚-亚类中的顺序号。,国际酶学委员会根据酶催化反应的类型，把酶分为：1、氧化还原酶类即催化生物氧化还原反应的酶，如脱氢酶、氧化酶、过氧化物酶、羟化酶以及加氧酶类。2、转移酶类催化不同物质分子间某种基团的交换或转移的酶，如转甲基酶、转氨基酶、已糖激酶、磷酸化酶等。3、水解酶类利用水使共价键分裂的酶，如淀粉酶、蛋白酶、酯酶等。,4、裂解酶类由其底物移去一个基团而使共价键裂解的酶，如脱羧酶、醛缩酶和脱水酶等。5、异构酶类促进异构体相互转化的酶，如消旋酶、顺反异构酶等。如：6-磷酸葡萄糖异构酶催化的反应。6、合成酶类促进两分子化合物互相结合，同时使ATP分子中的高能磷酸键断裂的酶，如谷氨酰胺合成酶、谷胱甘肽合成酶等。,5.酶的作用机制,酶之所以具有催化能力，主要在于它们具有一个所谓的“活性部位”。正是由于有这种结构才使之具备上述催化生物化学反应的功能。又称“活性中心”。指由少数必需基团组成的能与底物分子结合并完成特定催化反应的空间小区域。活性部位本质上是蛋白质多肽链上原本相距较远的一系列氨基酸残基经由折叠而形成的特定区域。在这个区域内，特定的、对于催化反应具有贡献的氨基酸残基的侧链基团的空间配置恰到好处，有助于酶与底物的结合，有助于底物的转变。,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，则酶的活性丧失。,活性部位：酶分子中直接与底物结合，并和酶催化作用直接有关的部位。,必需基团,活性部位,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,位于活性中心以外，维持酶活性中心应有的空间构象所必需。,活性中心外的必需基团,底物,活性中心以外的必需基团,结合基团,催化基团,活性中心,温度的双重影响（1）随着温度的增加，反应速度也增加，直至最大速度为止。（2）随温度升高而使酶逐步变性，反应速度减小。,第二节影响酶活力的因素,最适温度酶促反应速度最快时的环境温度。此时酶的活力最高。其不是酶的特征性常数,2.pH对酶促反应的影响,1.最适pH,2.pH稳定性,表现出酶最大活力的pH值,在一定的pH范围内酶是稳定的。,pH对酶作用的影响机制：1.环境过酸、过碱使酶变性失活；2.影响酶活性基团的解离；3.影响底物的解离。,3.酶浓度对酶促反应的影响,在有足够底物和其他条件不变的情况下：v=kE,4.底物浓度对酶促反应的影响,（1）底物浓度对酶反应速度的影响,酶促反应的速度与酶浓度成正比,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。,当底物浓度高达一定程度,反应速度不再增加，达最大速度；反应为零级反应,（2）米曼氏方程式,中间产物,酶促反应模式中间产物学说,酶,底物,酶,产物,Michaelis和Menten提出反应速度与底物浓度关系的数学方程式，即米曼氏方程式，简称米氏方程式(Michaelisequation)。,S：底物浓度V：不同S时的反应速度Vmax：最大反应速度(maximumvelocity)m：米氏常数(Michaelisconstant),米曼氏方程式推导基于两个假设：E与S形成ES复合物的反应是快速平衡反应，而ES分解为E及P的反应为慢反应，反应速度取决于慢反应即Vk3ES。(1)S的总浓度远远大于E的总浓度，因此在反应的初始阶段，S的浓度可认为不变即SSt。,当反应速度为最大反应速度一半时,Km值的推导,KmS,Km值等于酶促反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度，单位是mol/L。,（3）Km与Vmax的意义,Km值Km等于酶促反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度。（Km的单位为浓度单位）是酶在一定条件下的特征物理常数，通过测定Km的数值，可鉴别酶。可近似表示酶和底物亲合力，Km愈小，E对S的亲合力愈大，Km愈大，E对S的亲合力愈小。在已知Km的情况下，应用米氏方程可计算任意s时的v，或任何v下的s。（用Km的倍数表示）,Vmax定义：Vm是酶完全被底物饱和时的反应速度，与酶浓度成正比。,意义：Vmax=K3E如果酶的总浓度已知，可从Vmax计算酶的转换数(turnovernumber)，即动力学常数K3。,（4）m值与max值的测定,基本原则：将米氏方程变化成相当于y=ax+b的直线方程，再用作图法求出Km。例：双倒数作图法（Lineweaver-Burk法）米氏方程的双倒数形式：,1Km11=.+vVmaxSVmax,酶动力学的双倒数图线,请大家思考：一种酶的Km数值越大意味着什么？,5.抑制剂对酶促反应的影响,使酶的必需基团或活性部位中的基团的化学性质改变而降低酶活力甚至使酶失活的物质，称为抑制剂（I）。,（1）不可逆抑制作用：抑制剂与酶的结合（共价键）是不可逆的,+IEI,ESH+ICH2COOHESCH2COOH+HI,（2）可逆抑制作用：抑制剂与酶的结合是可逆的。,抑制程度是由酶与抑制剂之间的亲和力大小、抑制剂的浓度以及底物的浓度决定。,E,v,1,2,3,1.反应体系中不加I。,2.反应体系中加入一定量的不可逆抑制剂。,3.反应体系中加入一定量的可逆抑制剂。,I,I,竞争性抑制作用：抑制剂和底物竞争与酶结合。,特点：1）抑制剂和底物竞争酶的结合部位,+IEI,ki=EI/EI,V/2,km,2）抑制程度取决于I和S的浓度以及与酶结合的亲和力大小。,km,无I,有I,3）竞争性抑制剂的结构与底物结构十分相似。,竞争性抑制作用的LineweaverBurk图：,非竞争性抑制作用：底物和抑制剂同时与酶结合，但形成的EIS不能进一步转变为产物。,无I,V/2,km,有I,(),非竞争性抑制作用的LineweaverBurk图：,6.激活剂对酶促反应的影响,激活剂使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加的物质。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；无机离子对酶的激活作用：（1）与酶分子肽链上的侧链基团相结合，稳定酶催化作用所需的构象。（2）作为底物与酶蛋白之间联系的桥梁。（3）可能作为辅酶或辅基的一个组成部分，协助酶的催化作用。,使用激活剂注意,激活剂对酶的作用具有一定的选择性，使用不当，会适得其反，激活剂之间有时存在拮抗现象。激活剂的浓度有一定的范围，超出此范围，会得到相反的效果。,第三节酶促褐变,褐变现象：水果和蔬菜，如苹果、香蕉、土豆等。当它们的组织被碰伤、切开、削皮后放置在空气中颜色很快变暗。酶促褐变：是在有氧的条件下，酚酶催化酚类物质形成醌及其聚合物的反应过程。酶促褐变作用机理：植物组织中含有酚类物质，当细胞组织被破坏后，氧就大量侵入，造成邻位的酚氧化为醌和其还原反应之间的不平衡，于是发生了醌的积累，醌再进一步氧化聚合，就形成了褐色色素，称为黑色素或类黑精。,酚酶的系统名称是邻二酚：氧-氧化还原酶（EC1.10.3.1）以铜为辅基，必须以氧为受氢体，是一种末端氧化酶。可以用一元酚和二元酚作底物。,2.酶促褐变的控制,酶促褐变的三个条件，缺一不可。即：多酚类物质、酚酶、氧气除去多酚类物质困难，不现实。一般为降低酚酶活性、驱氧用于食品方面主要有以下5种（1）加热处理在适当温度和时间，加热新鲜果蔬，可使酚酶及其它酶失活。常用的方法有：漂烫、巴氏杀菌。加工中，必须严格控制时间和温度。不彻底加热，反而促进褐变;过度则影响风味、质构。微波加热，热穿透力强，迅速均匀，不影响风味。,（2）酸处理法多数酚酶最适PH67，PH3失活。常用的酸有：柠檬酸、苹果酸、磷酸、抗坏血酸、混合酸。柠檬酸可降低pH，还可络合酚酶辅基Cu2+，但单独用效果不大。常与抗坏血酸、亚硫酸合用。实践证明：0.5%柠檬酸+0.3%抗坏血酸效果好。抗坏血酸还可使酚酶失活，且可耗氧。,（3）亚硫酸盐类处理法亚硫酸类是酚酶抑制剂。常用的有：二氧化硫SO2亚硫酸钠Na2SO3亚硫酸氢钠NaHSO3焦亚硫酸钠Na2S2O5低亚硫酸钠Na2S2O4防止原因有三：a.抑制酶活性b.将醌还原为酚c.与醌加成，防止聚合如：在蘑菇、马铃薯、桃、苹果等加工中，常用二氧化硫及亚硫酸盐类作护色剂。,(4)驱氧驱氧措施有：a.涂Vc液，涂膜b.浸没:c.渗入：(5)加入络合剂，抑制激活剂。3.褐变的利用期望的褐变：苹果酒、红茶发酵（生成茶红素）、可可粉、葡萄干、梅干、椰枣、无花果。,第四节食品加工中重要的酶,糖酶蛋白酶脂肪酶,糖酶,淀粉酶：催化淀粉和糖元水解的酶类。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。从淀粉分子的非还原性末端开始依次切下一个个1，4麦芽糖苷键，并将切下的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，不仅水解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，是一种内切酶，从支链淀粉分子内部水解支点的1，6糖苷键。,一、水解酶1.-淀粉酶也称液化型淀粉酶，能使淀粉不规则地水解。它存在于动物的唾液、胰脏及植物的麦芽中。此外，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重要，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。,3.葡萄糖淀粉酶从淀粉的非还原端起，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。淀粉酶对天然存在的完整淀粉粒作用较困难，应将淀粉粒糊化，破坏其结构后，对淀粉酶的作用才比较敏感。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。,果胶酶,定义：催化果胶酸或果胶降解的酶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的总称,蛋白酶,定义：催化蛋白质肽键水解的酶按来源分为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。常用于肉品和啤酒行业。3）微生物蛋白酶蛋白酶制剂的重要来源，用于产酶的菌种必须严格选择。应用范围包括：面包制作、肉品嫩化、啤酒制造、酿造等。,8.蛋白酶能把蛋白质的肽链切断。木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶等植物蛋白酶可用于肉的软化和防止啤酒混浊等，霉菌蛋白酶用于面包工业以改良面筋性质。不同蛋白酶切断的肽键部分不相同，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。牛乳的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。奶酪的品种多，味微苦，就与不同的酶解产物有关。,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”两相的界面发挥作用应用牛