[农学]酶-食品生化

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第四章酶\n酶的概念及其化学性质酶的作用特点酶的组成与分类酶的国际分类与命名影响酶促反应速度的因素酶活性的调节控制与调节酶维生素与辅酶本章主要内容\n几个有关名词底物(substrate,S)：酶作用的物质。产物(product,P)：反应生成的物质。酶促反应：酶催化的反应。酶活性：酶催化化学反应的能力。\n第一节酶的概念及其化学本质酶是催化剂，因而具有催化剂的一切共性；但是酶又是一种具有催化功能的蛋白质，它还具有很多特殊性质。化学本质：大多数的酶是蛋白质，具有蛋白质的一切典型性质；但近来发现核糖酶或称核酶（ribozyme)其化学本质为RNA。定义：酶是活细胞产生的具有催化能力的生物分子,Enzyme。\n酶具有一般催化剂的特征只能催化热力学上允许进行的反应；可以缩短化学反应到达平衡的时间，而不改变反应的平衡点；用量少，反应中本身不被消耗；通过降低活化能加快化学反应速度。（图）\n一般催化剂反应活化能反应总能量变化酶促反应活化能非催化反应活化能初态终态能量改变活化过程酶促反应活化能的改变过渡态\n1、酶具有高效催化性V酶比V无高108-1020倍。2、酶具有高度专一性（1）绝对专一性（2）相对专一性（3）立体专一性二、酶的作用特点\n专一性种类绝对专一性有的酶对底物的化学结构要求非常严格，只作用于一种底物，不作用于其它任何物质。相对专一性有的酶对底物的化学结构要求比上述绝对专一性略低一些，它们能作用于一类化合物或一种化学键。1）键专一性有的酶只作用于一定的键，而对键两端的基团并无严格要求。2）基团专一性另一些酶，除要求作用于一定的键以外，对键两端的基团还有一定要求，往往是对其中一个基团要求严格，对另一个基团则要求不严格。立体异构专一性酶除了对底物分子的化学结构有要求外，对其立体异构也有一定的要求\n3、酶的活性是受严格控制的(可调节性）4、酶催化反应条件温和（高度不稳定性）\n按化学组成分：单纯蛋白酶:指生物活性仅决定于蛋白质部分。结合蛋白酶:由蛋白质和非蛋白质部分组成的酶。非蛋白部分一般是有机小分子化合物或金属离子，称为辅因子。辅因子又可分为辅酶和辅基，二者无本质区别。根据酶分子的结构特点：单体酶：仅有一条多肽链组成的酶。寡聚酶：有几个甚至几十个亚基组成的酶。多酶复合体：由功能相关的一组酶在空间相互嵌合的复合体。酶的化学本质和组成\n酶的分子组成结合酶(conjugatedenzyme)单纯酶(simpleenzyme)酶蛋白(apoenzyme)辅助因子(cofactor)全酶(holoenzyme)决定反应的特异性决定反应的种类与性质\n金属酶(metalloenzyme)金属离子与酶结合紧密，提取过程中不易丢失。金属激活酶(metal-activatedenzyme)金属离子为酶的活性所必需，但与酶的结合不甚紧密。辅助因子(cofactor)金属离子小分子有机化合物\n金属离子的作用参与催化反应，传递电子；在酶与底物间起桥梁作用；稳定酶的构象；中和阴离子，降低反应中的静电斥力等。小分子有机化合物的作用参与酶的催化过程，在反应中传递电子、质子或一些基团。\n辅助因子按其与酶蛋白结合的紧密程度分为辅酶(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。\n1、酶的命名第二节酶的命名与分类系统名：要求能确切表明底物的化学本质及酶的性质，包括两部分，即底物名称及反应类型，底物间用“：”分开，若底物之一是水则可略去不写。ATP+CH3COOHADP+CH3CO~P其系统名为：ATP：乙酸磷酸转移酶\n习惯名：命名原则如下－－（1.）根据酶的底物命名。（2.）根据所催化的反应的性质命名。（3.）有的酶结合上述两个原则命名。（4.）在这些基础上有时还加上酶的来源或酶的其它特点。\n2、酶的分类国际生物化学会酶学委员会（EnzymeCommssion）将酶分成六大类：1.氧还原酶类催化底物进行氧化还原反应的酶类2.移换酶类催化某些基团的转移和交换的酶类3.水解酶类催化底物进行水解反应的酶类4.裂合酶类催化从底物分子移去一个基团并留下双键的反应及其逆反应的酶类5.异构酶类催化底物分子异构反应的酶类6.合成酶类催化2分子底物合成1分子化合物，同时偶联ATP的磷酸键断裂释能的酶类\n第三节酶的作用机制一、酶的催化作用与分子活化能活化能：分子由常态转变为活化状态(过渡态)所需的能量。是指在一定温度下，1mol反应物全部进入活化状态所需的自由能。\n促使化学反应进行的途径：用加热或光照给反应体系提供能量。使用催化剂降低反应活化能。酶和一般催化剂的作用就是降低化学反应所需的活化能，从而使活化分子数增多，反应速度加快。\n二、中间产物学说－－关于酶催化高效性的假说(Henri和Wurtz,1903)E+SESE+P由于形成不稳定的ES,可有效降低发生反应的活化能,从而解释酶催化的高效性\n三、诱导嵌合学说－－关于酶作用专一性的假说锁钥学说（Fisher，1890）：酶的活性中心结构与底物的结构须非常吻合,如同锁和钥匙一样,紧密结合成中间络合物。\n底物S酶E酶-底物复合物ES锁钥学说\n\n诱导嵌合学说（Koshland，1958）：酶活性中心的结构有一定的柔性,当底物与酶分子结合时,诱导酶蛋白的构象发生有利于与底物结合的变化,使反应所需的催化基团和结合基团正确地排列和定向,转入有效的作用位置,这样才能使酶与底物完全吻合,结合成中间产物。\n诱导契合学说底物S酶E酶-底物复合物ES\n\nSEE-S复合物abcabcES诱导契合学说\n溶菌酶的活性中心\n活性中心内的必需基团结合基团(bindinggroup)与底物相结合催化基团(catalyticgroup)催化底物转变成产物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构成酶活性中心的常见基团：His的咪唑基、Ser的－OH、Cys的－SH、Glu的γ-COOH。\n酶原激活（3）酶原只能在特定的部位、环境和条件下被激活，才表现出酶的活性，具重要的生物学意义：a：保护分泌酶原的组织不被水解破坏。b:是机体调控酶活性的一种形式。（2）酶原激活：酶原在一定条件下被打断一个或几个特殊的肽键，从而使酶构象发生一定的变化形成具有活性的三维结构的过程。（1）酶原：细胞最初合成的没有活性的酶的前体形式。\n胰蛋白酶原胰蛋白酶六肽肠激酶活性中心胰蛋白酶原的激活示意图\n同工酶同工酶：能催化相同的化学反应，但酶的分子结构与理化性质不完全相同的一组酶。乳酸脱氢酶：亚基：心肌型（H）；骨骼肌型（M）五种：H4;H3M;H2M2;HM3;M4分布不同；当发生病变时，同工酶谱发生变化。乳酸丙酮酸\n*举例：乳酸脱氢酶(LDH1～LDH5)\n临床意义心肌梗死和肝病病人血清LDH同工酶谱的变化1酶活性心肌梗死酶谱正常酶谱肝病酶谱2345\n1、酶活力及酶活力单位2、酶的比活力也就是酶含量的大小，即每克酶蛋白所具有的酶活力，一般用单位/毫克蛋白（u/mg蛋白质）表示。有时也用每克酶制剂或每毫升酶制剂含有多少个活力单位表示。酶活力相关概念酶活力：也称酶活性，是指酶催化一定化学反应的能力。酶活力单位(1961年)：用U表示，一个酶活力单位是指在特定条件下，在一分钟内能转化1微摩尔底物的酶量，或是转化底物中1微摩尔的有关基团的酶量。特定条件是指：25℃，其它条件均采用最适条件。\n影响酶促反应速度的因素1、底物浓度对酶促反应速度的影响（1）[S]与V关系曲线（2）米氏方程（3）Km值的意义（4）Km值的求法第四节酶促反应动力学\nPH影响酶和底物的解离状态，只有它们处于最佳解离状态时，才容易形成中间产物，使反应顺利进行。2、PH对酶促反应速度的影响（1）PH与V关系曲线（2）最适PH（3）PH影响酶活力的因素:\n\n3、温度对酶促反应速度的影响（1）温度与V关系曲线（2）最适温度（3）温度影响酶活力的因素温度对酶促反应有两种互相矛盾的影响：一方面，酶促反应和普通化学反应相似，遵循温度系数的一般规律；另一方面，随着温度的升高，酶蛋白急剧变性，使酶迅速失活。这两种因素综合影响的结果，就出现了酶的最适温度。\n4、激活剂对酶促反应速度的影响激活剂：凡是能提高酶活性的物质。可分为二类：（1）无机离子：a:金属离子；b:阴离子；c:氢离子（2）中等大小的有机分子：抗坏血酸、半胱氨酸、谷氨酸；乙二胺四乙酸（EDTA)。\n5.抑制剂对酶促反应速度的影响失活作用：凡可使酶蛋白变性而引起酶活性丧失的作用。抑制作用：凡使酶活力下降，但并不引起酶蛋白变性的作用。抑制剂：凡使酶的必需基团或酶活性部位中的基团的化学性质改变而降低酶活性甚至使酶活性完全丧失的物质。\n抑制剂可分为两大类：不可逆抑制剂和可逆抑制剂（1）不可逆抑制剂抑制剂与酶的结合是一不可逆反应，不能用透析等方法除去抑制剂。举例：有机磷杀虫剂（1605，敌百虫）；碘乙酸，碘乙酰胺等。（2）可逆的抑制作用抑制剂与酶的结合为一可逆反应，可以用透析等方法除去抑制剂。分为两种主要类型：竞争性抑制作用非竞争性抑制作用\n第五节酶在医学上的应用一酶与疾病的发生一些疾病的发病机制，是由于酶的质和量的异常，或者酶活性受抑制所引起。可以是先天遗传的，如白化病；酶的质和量的异常也可以是后天性的由于酶的活性受到抑制所引起的疾病，多见于一些中毒病人\n二酶与疾病的诊断1细胞损伤或细胞膜通透性增高，可使原存在于细胞内的酶释放入血，如急性胰腺炎时，血清淀粉酶的活性增高2细胞内酶的合成速度增加，进入血中的酶的量随之增加，恶性肿瘤广泛转移时血清中的乳酸脱氢酶的活性增高3细胞内酶合成障碍，致血浆中酶的活性降低，如肝疾病时，血中凝血酶原、凝血因子含量明显降低。三酶与疾病的治疗酶制剂已经广泛的应用于临床。胃蛋白酶、胰蛋白酶、淀粉酶等可用来治疗消化不良\n5.别构酶动力学曲线不符合米氏方程，是S型曲线。S型曲线对酶促反应速度的调节是十分有利的。Vmax100%[S]675432150%A[S]90%V[S]10%V=81[S]10%V[S]90%V=3B8A为非调节酶的曲线；B为别构酶的S形曲线\n九.维生素与辅酶维生素与辅酶的关系：有的本身就是辅酶（硫辛酸，抗坏血酸），有的可作为辅酶的组成部分（核黄素，硫胺素）。维生素的分类：脂溶性维生素；水溶性维生素维生素的生理功能：调节物质代谢过程。\n维生素B1和羧化辅酶维生素B2和黄素辅酶泛酸和辅酶A维生素PP和辅酶I、辅酶II维生素B6和磷酸吡哆醛生物素叶酸和叶酸辅酶维生素B12和B12辅酶硫辛酸\n\n名称别名辅酶主要生理功能维生素B1硫胺素TPP参与α-酮酸氧化脱羧维生素B2核黄素FMN、FAD氢载体泛酸遍多酸HSCoA酰基载体维生素PP尼克酸和尼克酰胺NAD+、NADP+氢载体维生素B6吡哆醇、吡哆醛、吡哆胺磷酸吡哆醛、磷酸吡哆胺参与AA转氨、脱羧生物素维生素H羧化酶的辅酶叶酸THFA一碳基团载体维生素C抗坏血酸氧化还原作用硫辛酸酰基载体、氢载体某些维生素与辅酶\n化学酶工程：也称初级酶工程，主要是通过化学修饰、固定化处理、甚至通过化学合成等手段，改善酶的性质以提高催化效率及降低成本。它包括自然酶、化学修饰酶、固定化酶及化学人工酶的研究和应用。化学修饰酶:对纯酶进行化学修饰以改善性能。常用于酶学研究和临床医学。固定化酶：指被结合到特定的支持物上并能发挥作用的一类酶。通过吸附、偶联、交联和包埋等物理和化学方法把酶做成仍具有酶活性的水不溶性酶，装入适当容器形成反应器。优点：1.容易将酶与反应体系分离；2.可反复使用；3.稳定性好。将固定化酶和固定化细胞应用于化学工业的反应系统称为生物反应器。化学人工酶：模拟酶的生物功能，用化学半合成法（小分子化合物＋无活性蛋白）或全合成法（小分子有机物）合成的有催化活性的人工酶。生物酶工程：是从基因水平改造和设计新酶。包括三个方面：1.用DNA重组技术大量生产酶；2.对酶基因进行修饰，生产遗传修饰酶；3.设计新的酶基因，合成自然界不曾有过的，性能稳定、催化效率更高的新酶。酶工程简介