醫學課件第五部分酶主講人曹勁松教學課件

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1、第五章第五章 酶酶主講人：曹勁松主講人：曹勁松本章共分十一節，主要內容包括：本章共分十一節，主要內容包括：酶的分類與命名（2）酶的性質（1、3）酶催化的影響因素（4）酶的作用原理（5）酶的幾個重要概念（6、7、8）酶工程的基本內涵（9）酶的分離提純及活力測定（10）酶在食品工業中的應用（11）酶的分類 1961年國際生化協會酶命名委員會根據酶所催化的反應類型將酶分為六大類，即氧化還原酶類、轉移酶類、水氧化還原酶類、轉移酶類、水解酶類、解酶類、裂解酶類、異構酶類和合成酶類，裂解酶類、異構酶類和合成酶類，分別用分別用1 1、2 2、3 3、4 4、5 5、6 6的編號來表示的編號來表示，再根據底物

2、中被作用的基團或鍵的特點將每一大類分為若干個亞類，每個亞類可再分若干個亞-亞類，仍用1、2、3、編號。故每一個酶的分類編號由用“”隔開的四個數字組成。編號之前是酶學委員會的縮寫EC。酶編號的前三個數字表明酶的特性：反應性質、反應物（或底物）性質、鍵的類型，第四個數字則是酶在亞-亞類中的順序號。EC 1.1.1.27 大類大類 亞類亞類 亞亞類亞亞類 序號序號如乙醇脫氫酶如乙醇脫氫酶1、氧化還原酶類 即催化生物氧化還原反應的酶，如脫氫酶、氧化酶、過氧化物酶、羥化酶以及加氧酶類。2、轉移酶類 催化不同物質分子間某種基團的交換或轉移的酶，如轉甲基酶、轉氨基酶、已糖激酶、磷酸化酶等。3、水解酶類 利用

3、水使共價鍵分裂的酶，如淀粉酶、蛋白酶、酯酶等。4、裂解酶類 由其底物移去一個基團而使共價鍵裂解的酶，如脫羧酶、醛縮酶和脫水酶等。5、異構酶類 促進異構體相互轉化的酶，如消旋酶、順反異構酶等。如：6-磷酸葡萄糖異構酶催化的反應。6、合成酶類 促進兩分子化合物互相結合，同時使ATP分子中的高能磷酸鍵斷裂的酶，如谷氨酰胺合成酶、谷胱甘肽合成酶等。酶的命名（1）國際系統命名法 在系統命名法中，一種酶只可能有一個名稱和一個編號。在科技文獻中，一般使用酶的系統名稱。系統名稱包括底物名稱、構型、反應性質，最后加一個酶字。例如：系統名稱:丙氨酸：-酮戊二酸氨基轉移酶 它所催化的反應:谷氨酸+丙酮酸 -酮戊二酸

4、+丙氨酸 但因某些系統名稱太長，為方便起見，有時仍用酶的習慣名稱。(2)習慣命名法:A.根據作用底物來命名，如淀粉酶、蛋白酶等。B.根據所催化的反應的類型命名，如脫氫酶、轉移酶等。C.兩個原則結合起來命名，例如丙酮酸脫羧酶等。D.根據酶的來源或其它特點來命名，如胃蛋白酶、胰蛋白酶等。這在一定程度上造成很多酶有多種名稱的情況。酶的性質 酶的化學本質 酶的催化功能 酶的催化作用的特點 影響酶反應速率的因素分析酶的化學組成，發現它們主要是蛋白性成分。根據其化學組成可將酶分為：簡單蛋白酶 即那些只需要其蛋白質部分就具有催化功能的酶。復合蛋白酶 即那些發揮其催化活性還需要有非蛋白成分協助的酶，也稱“結合

5、蛋白質酶”。復合蛋白酶的非蛋白成分稱為輔因子或輔基，一些金屬酶需要Mg2+、Fe2+、Zn2+等金屬作輔基輔基。其它一些酶則需要小分子有機化合物如B族維生素作為輔因子，稱為輔酶輔酶。酶的蛋白質部分稱酶蛋白，酶蛋白與其輔因子一起合稱為全酶全酶。根據組成酶蛋白分子的肽鏈數量及其組裝特點，又可將酶分為三類：單體酶單體酶 單體酶只有一條多肽鏈，屬于這一類的酶很少，一般都 是催化水解的酶，分子量在13 00035 000之間，如溶菌 酶、胰蛋白酶等 寡聚酶寡聚酶 寡聚酶由幾個甚至幾十個亞基組成，這些亞基可以是相 同的多肽鏈，也可以是不同的多肽鏈。亞基之間不是共價 結合，彼此很容易分開。多酶體系多酶體系

6、多酶體系是由幾種酶彼此嵌合形成的復合體。它有利 于一系列反應的連續進行。如脂肪酸合成酶體系、呼 吸鏈酶系等。綜上所述，關于酶的化學本質：酶是蛋白質，由氨基酸組成。既然是蛋白質，酶：有兩性電解質性質；受某些物化因素影響而變性，容易發生構象變化而喪失酶活；水溶液具有膠體的性質。催化性質催化性質 酶是生物催化劑，與無機催化劑相比，二者有共性：1、用量少而催化效率高 2、不改變化學反應的平衡點 3、可降低反應的活化能 酶之所以具有催化能力，主要在于它們具有一個所謂的“活性部位活性部位”。正是由于有這種結構才使之具備上述催化生物化學反應的功能。酶的活性部位 又稱“活性中心”。指酶蛋白上對于催化底物發生反

7、應具有關鍵作用的區域。進一步說，活性部位本質上是蛋白質多肽鏈上原本相距較遠的一系列氨基酸殘基經由折疊而形成的特定區域。在這個區域內，特定的、對于催化反應具有貢獻的氨基酸殘基的側鏈基團的空間配置恰到好處，有助于酶與底物的結合，有助于底物的轉變。溶菌酶的活性中心溶菌酶的活性中心*谷氨酸谷氨酸35和天和天冬氨酸冬氨酸52是催化是催化基團；基團；*色氨酸色氨酸62和和63、天冬氨酸天冬氨酸101和和色氨酸色氨酸108是結是結合基團；合基團；*AF為底物多為底物多糖鏈的糖基，位糖鏈的糖基，位于酶的活性中心于酶的活性中心形成的裂隙中。形成的裂隙中。酶催化作用的特點酶催化作用的特點但酶的化學本質是蛋白質，又

8、在生物體內作用，因此酶的作用又有特性：1、高效率；2、酶的作用具有高度的專一性；3、酶易失活，從而喪失原有催化活力；4、酶活力可調節控制；5、酶的催化活力可能與輔酶、輔基和金屬離子有關。專一性專一性絕對專一性絕對專一性：除一種底物以外，其它任何物質它都不起 催化作用。相對專一性相對專一性立體專一性立體專一性：只能對一種立體異構體起催化作用，對其 對體則全無作用?；鶊F專一性基團專一性：除了要求A和B之間的鍵合適外，還對其所作用鍵兩端的基團具有不同的專一性。鍵專一性鍵專一性：只要求底物分子上有適合的化學鍵就可以起催化作用。這種這種專一性催化作用，對于其在食品、化工領域的應用具有重專一性催化作用，對

9、于其在食品、化工領域的應用具有重要實踐意義。要實踐意義。影響因素影響因素一、底物濃度的影響 1、在酶濃度，pH，溫度等條件不變的情況下研究底物濃度和反應速度的關系。如右圖所示：RNase-底物復合物底物復合物 2、米氏方程 1913年，德國化學家Michaelis和Menten根據中間產物學說對酶促反應的動力學進行研究，基于平衡假設推導出了表示整個反應中底物濃度和反應速度關系的著名公式，稱為米米氏方程，氏方程，式中式中KmKm稱為稱為米氏常數米氏常數。SKSVvmmax恒態假說，即假設酶催化反應過程中ES濃度基本保持恒定不變，推導出修正后的米氏方程，形式上與上述公式完全相同。它體現了各種因素對

10、于酶促反應速度的綜合影響。E +SE SK-1K1K2 E +P產物酶底物酶底物復合物酶二、酶濃度的影響 在一定條件下酶反應的速度與酶的濃度成正比。因為酶催化反應時，首先要與底物形成所謂中間物，即酶底物復合物ES。當底物濃度大大超過酶濃度時，反應達到最大速度Vm，如果此時增加酶的濃度，可增加反應速度，酶反應速度與酶濃度成正比關系。三、溫度的影響溫度對酶反應的影響是雙重的：（1）隨著溫度的增加，反應速度也增加，直至最大速度為止。（2）隨溫度升高而使酶逐步變性。故酶總有一個最適反應溫度，在這個溫度時，酶的活力最高。在10-80常溫范圍內，酶活力隨著反應溫度的變化趨勢一般可表示如右圖。酶酶活活性性0

11、.51.02.01.50 10 20 30 40 50 60 溫度溫度 C 溫度對淀粉酶活性的影響溫度對淀粉酶活性的影響 四、pH的影響 在一定的pH下,酶具有最大的催化活性，通常稱此pH為最適pH。但是需指出，所謂“最適pH”實際上是一個操作參數。在不同pH時活性發生變化的原因主要在于：（1）pH能影響酶分子結構的穩定性。（2）pH能影響酶分子的解離狀態。五、酶原酶原的激活和激活劑激活劑 有的酶在分泌時是無活性的酶原，需要經某種酶或酸將其分子作適當的改變或切去一部分才能呈現活性。這種激活過程又稱酶原致活作用或酶原激活作用。凡是能提高酶活性的物質，都稱為激活劑。酶的激活劑多為無機離子或簡單有機

12、化合物。六、酶的抑制作用和抑制劑 非專一性不可逆抑制不可逆抑制 專一性不可逆抑制 競爭性抑制可逆抑制 非競爭性抑制 反競爭性抑制競爭性抑制競爭性抑制定義定義抑制劑與底物的結構相似，抑制劑與底物的結構相似，能與底物競爭酶的活性中心，能與底物競爭酶的活性中心，從而阻礙酶底物復合物的從而阻礙酶底物復合物的形成，使酶的活性降低。這形成，使酶的活性降低。這種抑制作用稱為競爭性抑制種抑制作用稱為競爭性抑制作用。作用。請大家思考：如果酶催化反應體系中存在某種競爭性抑制劑，請大家思考：如果酶催化反應體系中存在某種競爭性抑制劑，那么你所測定得到的米氏常數將發生什么樣的變化？那么你所測定得到的米氏常數將發生什么樣

13、的變化？競爭性抑制曲線 表表5-3 各種抑制作用的比較（參閱課本）各種抑制作用的比較（參閱課本）它列出了不同情況下的酶反應動力學方程式，以及相比于不存在抑制因素的條件下其Km和Vm的變化情況。酶的催化反應機制酶的催化反應機制 酶專一性的機制 酶催化的常見機制酶專一性的機制 鎖鑰學說(lock and key theory)誘導契合學說(induced-fit hypothesis)1、鄰近與定向效應；2、誘導契合與底物扭曲變形；3、共價催化；4、酸堿催化；5、微環境效應。多酶體系 調節酶 同工酶 誘導酶 抗體酶 核糖酶 酶的幾個重要概念酶的幾個重要概念 細胞中的許多酶常常是在一個連續的反應鏈中

14、起作用，即前一個反應的產物是后一個反應的底物，在完整細胞內的某一代謝過程中，由幾個酶形成的反應體系，稱為多酶體系。如果體系中幾種酶彼此有機地組合在一起。精巧地鑲嵌成一定的結構，即形成多酶復合體。這種結構既能提高反應途徑的效率，又能增強調控的準確性。多酶體系調節酶一、別構酶 酶分子的非催化部位與某些化合物可逆地非共價結合后導致酶分子發生構象改變，進而改變酶的活性狀態，稱為酶的別構調節(allosteric regulation)，具有這種調節作用的酶稱別構酶(allosteric enzyme)。別構酶促反應底物濃度和反應速度的關系不符合米氏方程，呈S型曲線。凡能使酶分子發生別構作用的物質稱為效

15、應物，如因別構導致酶活性增加的物質稱為正效應物(positive effector)或別構激活劑，反之稱負效應物(negative effector)或別構抑制劑。a-非調節酶非調節酶 b-正協同別構酶正協同別構酶 的的S形曲線形曲線 別構酶與米氏酶的動力學曲線比較別構酶與米氏酶的動力學曲線比較二、共價調節酶 某些酶可以通過其它酶對其多肽鏈上某些基團進行可逆的共價修飾，使其處于活性與非活性的互變狀態，從而調節酶活性。這類酶稱為共價修飾酶。目前發現有數百種酶被翻譯后都要進行共價修飾，其中一部分處于分支代謝途徑，成為對代謝流量起調節作用的關鍵酶或限速酶蛋白激酶蛋白激酶ATPADP蛋白質蛋白質蛋白質

16、蛋白質Pn蛋白磷酸酶蛋白磷酸酶nPiH2O同工酶 同功酶是指能催化同一種化學反應，但其酶蛋白本身的分子結構組成卻有所不同的一組酶。乳酸脫氫酶是研究的最多的同工酶。誘導酶結構酶 細胞內結構酶是指細胞中天然存在的酶，它的含 量較為穩定，受外界的影響很小。如糖代謝酶系、呼吸酶系等。誘導酶 是指當細胞中加入特定誘導物后誘導產生的酶，它的含量在誘導物存在下顯著增高，這種誘導物往往 是該酶底物的類似物或底物本身。很多酶制劑生產中 利用了這種原理?？贵w酶 抗體酶（abzyme）又稱催化抗（catalyticantibody）,是指通過一系列化學與生物技術方法制備出的具有催化活性的抗體，它除了具有相應免疫學特

17、性，還類似于酶，能催化某種反應?？贵w與酶相似，都是蛋白質分子，酶與底物的結合及抗體與抗原的結合都是高度專一性的，但這兩種結合的基本區別在于酶與高能的過渡態分子相結合，而抗體結合的是基態分子抗原。O C A.酯酶的底酯酶的底物物酯酯B.酯的羧基碳酯的羧基碳原子受到親核原子受到親核攻擊形成四面攻擊形成四面體過渡態體過渡態C.設計的磷酸設計的磷酸酯類似物酯類似物,作作為抗原去免疫為抗原去免疫實驗動物實驗動物磷酸酯類似物磷酸酯類似物(半抗原半抗原)對酯水解反應有催化對酯水解反應有催化作用的單克隆作用的單克隆抗體抗體免疫免疫免疫反應免疫反應誘導法制備具有酯酶活性的抗體誘導法制備具有酯酶活性的抗體動物免疫

18、動物免疫接種接種核糖酶 研究發現：有些RNA分子也可具有類似酶的高效催化活性。例如L19RNA，它是原生動物四膜蟲26S rRNA前體經自身拼接所釋放出的內含子的縮短形式。在一定條件下能夠以高度專一性的方式去催化寡聚核糖苷底物的切割與連接。五聚胞苷酸能被L19RNA轉化成或長或短的聚合物。因此，L19RNA是既有核糖核酸酶活性，又有RNA聚合酶活性的生物分子，可以看作是酶了。但是，一般仍然可以認為酶具有蛋白質的化學本質。酶工程酶工程化學酶工程天然酶固定化酶化學修飾酶人工模擬酶生物酶工程克隆酶突變酶新酶 將酶學和工程學相結合，產生了酶工程(enzyme engineering)這樣一個新的領域。

19、它主要研究酶的生產、純化、固定化技術、酶分子結構的修飾和改造以及在工農業、醫藥衛生和理論研究等方面的應用。固定化酶固定化酶 將水溶性酶用物理或化學方法處理，固定于高分子支持物將水溶性酶用物理或化學方法處理，固定于高分子支持物(或載體或載體)上而成為不溶于水，但仍有酶活性的一種酶制劑形上而成為不溶于水，但仍有酶活性的一種酶制劑形式，稱固定化酶式，稱固定化酶(immobilized enzyme)。包埋法包埋法 吸附法吸附法共價偶聯法共價偶聯法交聯法交聯法酶工程酶工程以固定化酶、固定化細胞為重要內容的酶工程技術是當今生物工程的重要組成部分。生物工程是屬于高新技術領域的系統工程，酶工程也是一樣，其整

20、個過程包括上游工程（Up stream process，縮寫USP）和下游工程（Down stream process，縮寫DSP），前者包括酶學基本理論、產酶動植物和微生物種的改良，采用基因重組或細胞融合改造產酶菌株，以及研究開發新的酶源，為開發利用提供科學依據。而后者屬整個系統工程的后處理工藝技術，解決如何提高酶和最終產物回收率和純度質量問題，及其應用問題。酶的分離提純 1、基本原則：提取過程中避免酶變性而失去活性；防止強酸、強堿、高溫和劇烈攪拌等；強調在低溫下操作，并在操作中加入緩沖溶液；材料一旦勻漿要盡快完成。2、基本操作程序：選材料（微生物、動植物等）破碎、勻漿抽提酶活力的測定 酶活

21、力：又稱為酶活性，一般把酶催化一定化學反應的能力稱為酶活力，通常以在一定條件下酶所催化的化學反應速度來表示?；驹?酶是蛋白質，種類多，結構復雜多樣，一般對酶的測定，不是直接測定其酶蛋白的濃度，而是測定其催化化學反應的能力，這是基于在最優化條件下，當底物足夠（過量），在酶促反應的初始階段，酶促反應的速度（初速度）與酶的濃度成正比（即V=KE），故酶活力測定的是化學反應速度，一定條件下可代表酶活性分子濃度。測定酶活的方法：終點法:酶反應進行到一定時間后終止其反應，再用化學或物理方法測定產物或反應物量的變化。動力學法:連續測定反應過程中產物底物或輔酶的變化量，直接測定出酶反應的初速度。酶活力的表

22、示方法酶活力的表示方法活力單位活力單位（active unit）習慣單位（習慣單位（U）:底物底物(或產物或產物)變化量變化量/單位時間單位時間 國際單位（國際單位（IU）:1moL變化量變化量/分鐘分鐘 Katal（Kat）：）：1moL變化量變化量/秒秒比活力比活力=總活力單位總活力單位總蛋白總蛋白mg數數=U(或或IU)mg蛋白蛋白量度酶催化能力大小量度酶催化能力大小轉換系數轉換系數（Kcat）底物（底物（moL）/秒秒每個酶分子每個酶分子量度酶純度量度酶純度比活力比活力（specific activity）量度轉換效率量度轉換效率 酶在食品工業中的應用 一、酶對食品感觀功能的影響 內源

23、酶類對食品的風味、質構、色澤等感觀質量具有重要的影響，其作用有的是期望的，有的是不期望的。如動物屠宰后，水解酶類的作用使肉嫩化，改善肉食原料的風味和質構；水果成熟時，內源酶類綜合作用的結果會使各種水果具有各自獨特的色、香、味，但如果過度作用，水果會變得過熟和酥軟，甚至失去食用價值。二、酶對食品營養功能的影響 脂肪氧合酶催化胡蘿卜素降解而使面粉漂白，在蔬菜加工過程中則使胡蘿卜素破壞而損失維生素A源；在一些用發酵方法加工的魚制品中，由于魚和細菌中的硫胺素酶的作用，使這些制品缺乏維生素B1；果蔬中的Vc氧化酶及其它氧化酶類是直接或間接導致果蔬在加工和貯存過程中維生素C氧化損失的重要原因之一。三、酶對

24、食品生理調節功能的影響1、促致毒與解毒作用 有時底物本身是無毒的，在經酶催化降解后變成有害物質。例如，木薯含有生氰糖苷，雖然它本身并無毒，但是在內源糖苷酶的作用下，產生劇毒的氫氰酸。十字花科植物的種子以及皮和根含有葡萄糖芥苷，在芥苷酶作用下會產生對人和動物體有害的化合物。在酶的作用下，也可將食物中有毒的食物成分降解為無毒的化合物，從而起到解毒的作用。因食用蠶豆而引起的血球溶解貧血病是人體缺乏解毒酶的重要例子。2、酶促進活性肽的生成 例如，一些乳源蛋白成分在蛋白酶水解作用下，可以生成具有促進鈣吸收的肽，或者其它具有抗高血壓、免疫調節的肽。關于常見酶在食品加工中的應用，請大家參閱課本上p130-131上的表5-5。