华南理工大学：《食品生物化学》教学课件（双语版）第5章酶（宁正祥）.pdf_大学文库

第五章酶在活细胞中进行着大量化学反应,这些化学反应的特点是速度非常之高并且能有条不紊地进行,从而使得细胞同时能进行各种降解代谢及合成代谢,以满足生命活动的需要。如果让这些化学反应在体外进行,则速度非常之慢,或者需要高温高压等特殊条件才能快速进行。生物细胞之所以能在常温常压下以极快的速度和很高的专一性进行化学反应是由于其中存在有生物催化剂,生物催化剂的特征是它们有高度的专一性和极高的催化效率,是无机催化剂所不能比拟的。这类生物催化剂统称为酶。酶是具有生物催化作用的蛋白质。酶的催化作用条件温和,其催化作用具有高效率、专一性及可调控性,使生物体在新陈代谢过程中的各个反应能有条不紊地进行第一节酶的催化性质、醇是生物催化剂 (一)酶和一般催化剂的比较酶作为生物催化剂和一般催化剂相比有以下的共性: 1、用量少而催化效率高酶与一般催化剂一样,虽然在细胞中的相对含量很低,却能使一个慢速反应变为快速反应。 2、不改变化学反应的平衡点和一般催化剂一样,酶仅能改变化学反应的速度,并不能改变化学反应的平衡点。酶本身在反应前后也不发生变化可降低反应的活化能催化剂,包括酶在内,能降低化学反应的活化能。在催化反应中,只需较少的能量就可使反应物进入“活化态”。 (二)酶作为生物催化剂的特性 1、催化效率高以分子比表示,酶催化反应的反应速度比非催化反应高108~1020倍,比其它催化反应高107~1013倍。以转换数(每分钟每个酶分子能催化多少个反应物分子发生变化)表示,大部分酶为1000,最大的可达一百万以上。 2、酶的作用具有高度的专一性一种酶只能作用于某一类或某一种特定的物质。这就是酶作用的专性。通常把被酶作用的物质称为该酶的底物。所以也可以说一种酶只作用于一个或一类底物。如糖苷键、酯键、肽键等都能被酸碱催化而水解,但水解这些化学健的酶却各不相同,即它们分别需要在具有定专一性的酶作用下才能水解。 3、酶易失活一般催化剂在一定条件下会因中毒而失去催化能力,而酶却较其它催化剂更加脆弱,更易失去活性。强酸、强碱、高温等条件都能使酶破坏而完全失去活性。所以酶作用一般都要求比较温和的条件,如常温、常压、接近中性的酸碱度等。 4、酶活力的调节控制酶活力是受调节控制的、它的调控方式很多,包括抑制剂调节,共价修饰调节、反馈调节、酶原激活及激素控制等酶的催化活力与辅酶、辅基和金属离子有关有些酶是复合蛋白质,其中的小分子物质(辅酶、辅基及金属离子)与酶的催化活性密切相关。若将它们除去,酶就失去活性。高效率、专一性以及作用条件温和使酶在生物体新陈代谢过程中发挥强有力的作用,酶活力的调控使生命活动中各个反应得以有条不紊地进行。二、薛的化学本质 (一)酶的本质酶是具有生物催化活性的蛋白质。同其它蛋白质一样,酶蛋白主要由氨基酸组成,因此,也具有两性电解质的性质,并且有一、二、三、四级结构。也受某些物理因素(加热、紫外线照射等)及化学因素(酸、碱、有机溶剂等)的作用而变性或沉淀、丧失酶活性。酶的相对分子质量也很大,其水溶液具有亲水胶体的性质,不能透析。在体外,酶能被胰蛋白酶等水解而失活。酶的化学本质是蛋白质。但不能说所有蛋白质都是酶,只是具有催化作用的蛋白质,才称为酶。 )酶的组成分类根据酶的组成成分可分为简单蛋白酶和复合蛋白酶两类简单蛋白酶有些酶只需要其蛋白质部分进行催化功能,称为简单蛋白质酶复合蛋白酶另外一些酶的活性还需要有非蛋白成分,称为复合蛋白质酶或结合蛋白质酶。复合蛋白酶的非蛋白成分称为辅因子或辅基,一些金属酶需要Mg2、Fe2+、Zn2等金属作辅基。其它一些酶则需 112

第五章酶在活细胞中进行着大量化学反应，这些化学反应的特点是速度非常之高并且能有条不紊地进行，从而使得细胞同时能进行各种降解代谢及合成代谢，以满足生命活动的需要。如果让这些化学反应在体外进行，则速度非常之慢，或者需要高温高压等特殊条件才能快速进行。生物细胞之所以能在常温常压下以极快的速度和很高的专一性进行化学反应是由于其中存在有生物催化剂，生物催化剂的特征是它们有高度的专一性和极高的催化效率，是无机催化剂所不能比拟的。这类生物催化剂统称为酶。酶是具有生物催化作用的蛋白质。酶的催化作用条件温和，其催化作用具有高效率、专一性及可调控性，使生物体在新陈代谢过程中的各个反应能有条不紊地进行。第一节酶的催化性质一、酶是生物催化剂 (一) 酶和一般催化剂的比较酶作为生物催化剂和一般催化剂相比有以下的共性： 1、用量少而催化效率高酶与一般催化剂一样，虽然在细胞中的相对含量很低，却能使一个慢速反应变为快速反应。 2、不改变化学反应的平衡点和一般催化剂一样，酶仅能改变化学反应的速度，并不能改变化学反应的平衡点。酶本身在反应前后也不发生变化。 3、可降低反应的活化能催化剂，包括酶在内，能降低化学反应的活化能。在催化反应中，只需较少的能量就可使反应物进入“活化态”。 (二)酶作为生物催化剂的特性 1、催化效率高以分子比表示，酶催化反应的反应速度比非催化反应高 108 ~10 20倍，比其它催化反应高 107 ~10 13倍。以转换数（每分钟每个酶分子能催化多少个反应物分子发生变化）表示，大部分酶为 1000，最大的可达一百万以上。 2、酶的作用具有高度的专一性一种酶只能作用于某一类或某一种特定的物质。这就是酶作用的专一性。通常把被酶作用的物质称为该酶的底物。所以也可以说一种酶只作用于一个或一类底物。如糖苷键、酯键、肽键等都能被酸碱催化而水解，但水解这些化学健的酶却各不相同，即它们分别需要在具有一定专一性的酶作用下才能水解。 3、酶易失活一般催化剂在一定条件下会因中毒而失去催化能力，而酶却较其它催化剂更加脆弱，更易失去活性。强酸、强碱、高温等条件都能使酶破坏而完全失去活性。所以酶作用一般都要求比较温和的条件，如常温、常压、接近中性的酸碱度等。 4、酶活力的调节控制酶活力是受调节控制的、它的调控方式很多，包括抑制剂调节，共价修饰调节、反馈调节、酶原激活及激素控制等。 5、酶的催化活力与辅酶、辅基和金属离子有关有些酶是复合蛋白质，其中的小分子物质（辅酶、辅基及金属离子）与酶的催化活性密切相关。若将它们除去，酶就失去活性。高效率、专一性以及作用条件温和使酶在生物体新陈代谢过程中发挥强有力的作用，酶活力的调控使生命活动中各个反应得以有条不紊地进行。二、酶的化学本质（一）酶的本质酶是具有生物催化活性的蛋白质。同其它蛋白质一样，酶蛋白主要由氨基酸组成，因此，也具有两性电解质的性质，并且有一、二、三、四级结构。也受某些物理因素（加热、紫外线照射等）及化学因素（酸、碱、有机溶剂等）的作用而变性或沉淀、丧失酶活性。酶的相对分子质量也很大，其水溶液具有亲水胶体的性质，不能透析。在体外，酶能被胰蛋白酶等水解而失活。酶的化学本质是蛋白质。但不能说所有蛋白质都是酶，只是具有催化作用的蛋白质，才称为酶。（二）酶的组成分类根据酶的组成成分可分为简单蛋白酶和复合蛋白酶两类。简单蛋白酶有些酶只需要其蛋白质部分进行催化功能，称为简单蛋白质酶。复合蛋白酶另外一些酶的活性还需要有非蛋白成分，称为复合蛋白质酶或结合蛋白质酶。复合蛋白酶的非蛋白成分称为辅因子或辅基，一些金属酶需要Mg2+、Fe2+ 、Zn2+等金属作辅基。其它一些酶则需 112

要有机化合物如B族维生素作为辅因子,称为辅酶。酶的蛋白质部分称酶蛋白,酶蛋白与其辅因子一起合称为全酶。在催化反应中,酶蛋白与辅助因子所起的作用不同,酶反应的专一性及高效率取决于酶蛋白本身而辅助因子则直接对电子、原子或某些化学基团起传递作用根据酶蛋白分子的特点又可将酶分为三类 1、单体酶单体酶只有一条多肽链,属于这一类的酶很少,一般都是催化水解的酶,分子量在13 000~35000之间,如溶菌酶、胰蛋白酶等。 2、寡聚酶寡聚酶由几个甚至几十个亚基组成,这些亚基可以是相同的多肽链,也可以是不同的多肽链。亚基之间不是共价结合,彼此很容易分开、多酶体系多酶体系是由几种酶彼此嵌合形成的复合体。它有利于一系列反应的连续进行。如脂肪酸合成酶体系、呼吸链酶系等。第二节酶的分类酶的种类很多,现在已经知道的酶有4000多种,而且还不断有新的酶出现。1961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。编号之前常冠以酶学委员会的缩写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。如EC1.1.1.27为乳酸:NAD氧化还原酶。在系统命名法中,一种酶只可能有一个名称和一个编号。在国际科技文献中,一般使用酶的系统名称。但因某些系统名称太长,为方便起见,有时仍用酶的习惯名称。习惯命名的原则是据反应底物(如淀粉酶)或所催化的反应性质(如水解酶)以及二者相结合(如乳酸脱氢酶,即EC1.1.1.27)的原则来命名。有时还加上酶的来源(如胃蛋白酶)或酶的其它特点(如酸性磷酸酯酶)。习惯命名缺乏系统性,有时出现一酶数名或一名数酶的情况。六大类酶的国际系统分类及所催化反应如表5-1、表5-2 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。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 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。 113

要有机化合物如B族维生素作为辅因子，称为辅酶。酶的蛋白质部分称酶蛋白，酶蛋白与其辅因子一起合称为全酶。在催化反应中，酶蛋白与辅助因子所起的作用不同，酶反应的专一性及高效率取决于酶蛋白本身，而辅助因子则直接对电子、原子或某些化学基团起传递作用。根据酶蛋白分子的特点又可将酶分为三类。 1、单体酶单体酶只有一条多肽链，属于这一类的酶很少，一般都是催化水解的酶，分子量在 13 000~35 000 之间，如溶菌酶、胰蛋白酶等。 2、寡聚酶寡聚酶由几个甚至几十个亚基组成，这些亚基可以是相同的多肽链，也可以是不同的多肽链。亚基之间不是共价结合，彼此很容易分开。 3、多酶体系多酶体系是由几种酶彼此嵌合形成的复合体。它有利于一系列反应的连续进行。如脂肪酸合成酶体系、呼吸链酶系等。第二节酶的分类酶的种类很多，现在已经知道的酶有 4 000 多种，而且还不断有新的酶出现。1961 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。编号之前常冠以酶学委员会的缩写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。如EC1.1.1.27 为乳酸:NAD+ 氧化还原酶。在系统命名法中，一种酶只可能有一个名称和一个编号。在国际科技文献中，一般使用酶的系统名称。但因某些系统名称太长，为方便起见，有时仍用酶的习惯名称。习惯命名的原则是据反应底物（如淀粉酶）或所催化的反应性质（如水解酶）以及二者相结合（如乳酸脱氢酶，即 EC1.1.1.27）的原则来命名。有时还加上酶的来源（如胃蛋白酶）或酶的其它特点（如酸性磷酸酯酶）。习惯命名缺乏系统性，有时出现一酶数名或一名数酶的情况。六大类酶的国际系统分类及所催化反应如表 5-1、表 5-2。 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。 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。 113

第三节酶的专一性酶的两个最显著的特性是高度的专一性和极高的催化效率。不同的酶具有不同程度的专一性。可以将酶的专一性分为绝对、相对和立体专一性三种类型。、绝对专一性有些酶的专一性是绝对的,即除一种底物以外,其它任何物质它都不起催化作用,这种专一性称为绝对专一性。若底物分子发生细微的改变,便不能作为酶的底物。例如脲酶只能分解脲,对脲的其它衍生物则完全不起作用。 (NH, ),C0 +H,0 RH,2NH,+co 、相对专一性些酶能够对在结构上相类似的一系列化合物起催化作用,这类酶的专一性称为相对专一性。它又可以分为基团专一性和键专一性两类。现以水解酶为例说明这两种类型的专一性。设A、B为底物的两个化学基团,两者之间以一定的键连结,当水解酶作用时,反应如下 A-B+H,O r AOH + BH 裳次、基团专一性有些酶除了要求A和B之间的键合适外,还对其所作用键两端的基团具有不同的专。例如A-B化合物,酶常常对其中的一个基团(如A)具有高度的甚至是绝对的专一性,而对另个基团(如B)则具有相对的专一性。这种酶的专一性称为基团专一性。例如α-D-葡萄糖苷酶能水具有α-1,4-糖苷键的D葡萄糖苷,这种酶对α-D-葡萄糖基团和α-糖苷键具有绝对专一性,而底物分子上的R基团则可以是任何糖或非糖基团(如甲基)。所以这种酶既能催化麦芽糖的水解,又能催化蔗糖的水解。 2、键专一性有些酶的专一性更低。它只要求底物分子上有适合的化学键就可以起催化作用,而对键两端的A、B基团的结构要求不严,只有相对的专一性。例如酯酶对具有酯键( RCOOR′)的化合物都能进行催化,酯酶除能水解脂肪外,还能水解脂眆酸和醇所合成的酯类。这种专一性称键专一性。立体专一性种酶只能对一种立体异构体起催化作用,对其对映体则全无作用,这种专一性称为立体专一性。自然界有许多化合物呈立体异构体存在;氨基酸和糖类有D-及L-型的异构体,如D-氨基酸氧化酶能催化许多D氨基酸的氧化,但对L氨基酸则完全不起作用。所以D氨基酸氧化酶与DL氨基酸作用时,只有半的底物(D型)被水解,可用此法来分离消旋化合物。第四节影响酶反应速度的因素在活细胞中一个合成反应必须以足够快的速度满足细胞对反应产物的需要。而有毒的代谢产物也必须以足够快的速度进行排除,以免积累到损伤细胞的水平。若需要的物质不能以足够快的速度提供,而有害的代谢产物不能以足够快的速度排走,势必造成代谢的紊乱。因此研究酶反应的速度既可阐明酶反应本身的性质,又可了解生物体的正常和异常的新陈代谢。酶反应是很复杂的,它的速度受底物浓度、酶本身的浓度、介质的pH、温度、反应产物、变构效应、活化剂和抑制剂等因素影响底物浓度的影响所有的酶反应,如果其它条件恒定,则反应速度决定于酶浓度和底物浓度,如果酶浓度保持不变, 当底物浓度增加,反应初速度随之增加,并以双曲线形式达到最大速度。酶反应速度并不是随着底物浓度的增加直线增加,而是在高浓度时达到一个极限速度。这时所有的酶分子已被底物所饱和,即酶分子与底物结合的部位已被占据,速度不再增加。这个问题可以用 Michaelis与 Menten于1913年提出的学说来解释。 (一)单底物反应 Michaelis- Menten学说的要点是他们假设有酶一底物中间产物的形成,并假设反应中底物转变成产物的速度取决于酶一底物复合物转变成反应产物和酶的速度,其关系如下:

第三节酶的专一性酶的两个最显著的特性是高度的专一性和极高的催化效率。不同的酶具有不同程度的专一性。可以将酶的专一性分为绝对、相对和立体专一性三种类型。一、绝对专一性有些酶的专一性是绝对的，即除一种底物以外，其它任何物质它都不起催化作用，这种专一性称为绝对专一性。若底物分子发生细微的改变，便不能作为酶的底物。例如脲酶只能分解脲，对脲的其它衍生物则完全不起作用。 (NH2)2CO ＋ H2O 脲酶 2NH3 ＋ CO2 二、相对专一性一些酶能够对在结构上相类似的一系列化合物起催化作用，这类酶的专一性称为相对专一性。它又可以分为基团专一性和键专一性两类。现以水解酶为例说明这两种类型的专一性。设 A、B 为底物的两个化学基团，两者之间以一定的键连结，当水解酶作用时，反应如下： A—B ＋ H2O AOH ＋ BH 1、基团专一性有些酶除了要求 A 和 B 之间的键合适外，还对其所作用键两端的基团具有不同的专一性。例如 A—B 化合物，酶常常对其中的一个基团（如 A）具有高度的甚至是绝对的专一性，而对另外一个基团（如 B）则具有相对的专一性。这种酶的专一性称为基团专一性。例如 α-D-葡萄糖苷酶能水解具有 α-1,4-糖苷键的 D-葡萄糖苷，这种酶对 α-D-葡萄糖基团和 α-糖苷键具有绝对专一性，而底物分子上的 R 基团则可以是任何糖或非糖基团（如甲基）。所以这种酶既能催化麦芽糖的水解，又能催化蔗糖的水解。 2、键专一性有些酶的专一性更低。它只要求底物分子上有适合的化学键就可以起催化作用，而对键两端的 A、B 基团的结构要求不严，只有相对的专一性。例如酯酶对具有酯键（RCOOR＇）的化合物都能进行催化，酯酶除能水解脂肪外，还能水解脂肪酸和醇所合成的酯类。这种专一性称键专一性。三、立体专一性一种酶只能对一种立体异构体起催化作用，对其对映体则全无作用，这种专一性称为立体专一性。自然界有许多化合物呈立体异构体存在；氨基酸和糖类有 D-及 L-型的异构体，如 D-氨基酸氧化酶能催化许多 D-氨基酸的氧化，但对 L-氨基酸则完全不起作用。所以 D-氨基酸氧化酶与 DL-氨基酸作用时，只有一半的底物（D 型）被水解，可用此法来分离消旋化合物。第四节影响酶反应速度的因素在活细胞中一个合成反应必须以足够快的速度满足细胞对反应产物的需要。而有毒的代谢产物也必须以足够快的速度进行排除，以免积累到损伤细胞的水平。若需要的物质不能以足够快的速度提供，而有害的代谢产物不能以足够快的速度排走，势必造成代谢的紊乱。因此研究酶反应的速度既可阐明酶反应本身的性质，又可了解生物体的正常和异常的新陈代谢。酶反应是很复杂的，它的速度受底物浓度、酶本身的浓度、介质的 pH、温度、反应产物、变构效应、活化剂和抑制剂等因素影响。一、底物浓度的影响所有的酶反应，如果其它条件恒定，则反应速度决定于酶浓度和底物浓度，如果酶浓度保持不变，当底物浓度增加，反应初速度随之增加，并以双曲线形式达到最大速度。酶反应速度并不是随着底物浓度的增加直线增加，而是在高浓度时达到一个极限速度。这时所有的酶分子已被底物所饱和，即酶分子与底物结合的部位已被占据，速度不再增加。这个问题可以用 Michaelis 与 Menten 于 1913 年提出的学说来解释。（一）单底物反应 Michaelis- Menten 学说的要点是他们假设有酶－底物中间产物的形成，并假设反应中底物转变成产物的速度取决于酶－底物复合物转变成反应产物和酶的速度，其关系如下： 116

E + S E S K-1 K1 K2 E + P 酶底物酶－底物复合物酶产物在上式中，K1、K -1 和K2为三个假设过程的速度常数。设 Km K K K ＝ 1 2 + − 1 ，Vmax＝K2[E1] E1为酶的总浓度则 V＝ S Km V S [ ]+ max[ ] 这就是Michaelis-Menten方程，K m 为米氏常数，它是酶的一个重要参数。当 V＝ max 2 1 V 时，则Km＝[S] 所以米氏常数 K m 为反应速度达到最大速度一半时的底物浓度（图 5-1）。测定K m 值有许多种方法，最常用的是Lineweaver-Burk的双倒数作图法。取Michaelis-Menten方程的倒数，可得下式： max max 1 [ ] 1 1 V S V K V m ＝ × + 此方程相当于一直线的数学表达：y =bx + a，K m 可以从直线的截距上计算出来。 K m 的重要意义是：（1）K m 不是酶-底物复合物ES的单独离解常数，而是ES在参加酶促反应中整个复杂化学平衡的离解常数，因为在一种酶促反应中，不是只有一系列的ES生成。K m 代表整个反应中底物浓度和反应速度的关系。K m 只与酶的性质有关，而与酶浓度无关。图 5-1 酶反应速度与底物浓度的关系 [S]－底物浓度；V－反应速度；Vmax－最大反应速度；Km米氏常数。（2）在严格条件下，不同酶有不同的K m 值，因而它是酶的重要物理常数，可通过测定K m 值鉴定不同的酶类，但如果一个酶有几种底物，则对每一种底物各有一个特定的K m 值。K m 还受pH及温度的影响。（3）当速率常数K 2比K -1 大很多时，米氏常数K m 表示酶对底物的亲和力。K m 值高表示酶和底物的亲和力弱，K m 值低时亲和力强。同一种酶有几种底物就有几个K m 值，其中K m 值最小的底物一般称为该酶的最适底物或天然底物。 (二)多种底物的反应实际上大多数酶反应是比较复杂的，一般包含有一种以上的底物，至少也是两种底物，即双底物反应： A ＋ B E P ＋ Q 目前认为大部分双底物反应可能有三种反应机理：（1）依次反应机理 E ＋ A EA B EAB EPQ P EQ E ＋ Q 用图式说明： 117

个反应的速度常数k和温度的关系可用 Arrhenius方程式表示 2. 3logk=log4-/(RT) 其中A为一常数,Ea为活化能,R为气体常数,而T为绝对温度。温度对酶反应的影响是双重的:(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。即通过减少有活性的酶而降低酶的反应速度。在酶本身不被变性的温度范围内, Arrhenius方程才适用。在一定条件下每一种酶在某一温度下才表现最大的活力,这个温度称为该酶的最适温度。最遹温度是上述温度对酶反应双重影响的结果。在低于最适温度时,前一种效应为主,在高于最适温度时,后一效应为主。一般来说动物细胞的酶的最适温度通常在37~50℃,而植物细胞的酶的最适温度较高,通常在50~60℃以上。生产上,酶一般应在最适温度以下进行催化反应,以延长酶的使用寿命。四、pH的影响一般催化剂当pH在一定范围内变化时,对催化作用没有多大影响。但是,每一种酶只能在一定的 pH范围内表现出它的活性。而且在某一pH范围内酶活性最高,称为最适pH。在最适pH的两侧活性都骤然下降,所以一般酶反应pH曲线呈钟形(图5-2) 胰蛋白酶最适pH 图52pH-酶活性关系图最适p时为什么酶的催化作用最大?可能有下列几种原因 (1)pH能影响酶分子结构的稳定性。一般来说酶在最适pH是稳定的,过酸或过碱都能引起酶蛋白变性而使酶失去活性。 (2)pH能影响酶分子的解离状态。因为酶是蛋白质,pH的变化会影响到蛋白质上的许多极性基团 (如氨基、羧基、咪唑基、巯基等)的离子特性,在不同pH条件下,这些基团解离的状态不同,所带电荷也不同,只有在酶蛋白处于一定解离状态下,才能与底物形成中间物。而且酶的解离状态也影响酶的活性。例如,胃蛋白酶在正离子状态下有活性,胰蛋白酶在负离子状态下有活性,而蔗糖酶在两性离子状态下才具有活性。 pH对底物解离的影响。许多底物或辅酶也具有离子特性(如ATP、NAD、CoA等),p的变化也影响它们的解离状态。而酶只与某种解离状态的底物才形成复合物。例如在pH90-10.0时,精氨酸解离成正离子,而精氨酸酶解离成负离子,此时酶活性最大。酶的最适pH值范围很广,有些酶在酸性pH卜最适,如胃蛋白酶,有些在碱性pH最适,如碱性磷酸酯酶,大部分酶的最适pH则在pH7附近。五、酶原的激活和激活剂 1、酶原的激活有的酶在分泌时是无活性的酶原,需要经某种酶或酸将其分子作适当的改变或切去一部分才能呈现活性。这种激活过程又称酶原致活作用或酶原激活作用。例如胰蛋白酶原的激活就是用肠激酶将其N端的一个肽段(六肽)切去,即变为活性胰蛋白酶,激活后产生的少量胰蛋白酶又可激活胰蛋白酶原。消化酶系和凝血酶在初分泌时都是酶原形式 2、激活剂凡是能提高酶活性的物质,都称为激活剂。激活剂对酶的作用具有一定的选择性, 种激活剂对某种酶能起激活作用,而对另一种酶可能起抑制作用。酶的激活剂多为无机离子或简单有机化合物。无机离子,如K、Na、Mg2、Zn2、Fe2、Ca2+及CI、Br等,一是作为酶的辅助因子,二是作为激活剂起作用。某些还原剂,如Cys、(GSH、氰化物等能激活某些酶,使酶蛋白中的二硫键还原成巯基,从而提高酶活性,如木瓜蛋白酶等。 EDTA(乙二胺四乙酸)为金属螯合剂,可解除重金属离子对酶的抑制作用而成为常用激活剂六、酶的抑制作用和抑制剂

一个反应的速度常数 k 和温度的关系可用 Arrhenius 方程式表示： 2.3logk = logA– Ea/(RT) 其中A为一常数，E a 为活化能，R为气体常数，而T为绝对温度。温度对酶反应的影响是双重的：（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。即通过减少有活性的酶而降低酶的反应速度。在酶本身不被变性的温度范围内，Arrhenius方程才适用。在一定条件下每一种酶在某一温度下才表现最大的活力，这个温度称为该酶的最适温度。最适温度是上述温度对酶反应双重影响的结果。在低于最适温度时，前一种效应为主，在高于最适温度时，后一效应为主。一般来说动物细胞的酶的最适温度通常在 37~50℃，而植物细胞的酶的最适温度较高，通常在 50~60 ℃以上。生产上，酶一般应在最适温度以下进行催化反应，以延长酶的使用寿命。四、pH 的影响一般催化剂当 pH 在一定范围内变化时，对催化作用没有多大影响。但是，每一种酶只能在一定的 pH 范围内表现出它的活性。而且在某一 pH 范围内酶活性最高，称为最适 pH。在最适 pH 的两侧活性都骤然下降，所以一般酶反应 pH 曲线呈钟形（图 5-2）。 6 最适pH 10 pH 胰蛋白酶图 5-2 pH-酶活性关系图最适 pH 时为什么酶的催化作用最大？可能有下列几种原因。（1）pH 能影响酶分子结构的稳定性。一般来说酶在最适 pH 是稳定的，过酸或过碱都能引起酶蛋白变性而使酶失去活性。（2）pH 能影响酶分子的解离状态。因为酶是蛋白质，pH 的变化会影响到蛋白质上的许多极性基团（如氨基、羧基、咪唑基、巯基等）的离子特性，在不同 pH 条件下，这些基团解离的状态不同，所带电荷也不同，只有在酶蛋白处于一定解离状态下，才能与底物形成中间物。而且酶的解离状态也影响酶的活性。例如，胃蛋白酶在正离子状态下有活性，胰蛋白酶在负离子状态下有活性，而蔗糖酶在两性离子状态下才具有活性。 pH对底物解离的影响。许多底物或辅酶也具有离子特性（如ATP、NAD+ 、CoA等），pH的变化也影响它们的解离状态。而酶只与某种解离状态的底物才形成复合物。例如在pH9.0~10.0 时，精氨酸解离成正离子，而精氨酸酶解离成负离子，此时酶活性最大。酶的最适pH值范围很广，有些酶在酸性pH下最适，如胃蛋白酶，有些在碱性pH最适，如碱性磷酸酯酶，大部分酶的最适pH则在pH7 附近。五、酶原的激活和激活剂 1、酶原的激活有的酶在分泌时是无活性的酶原，需要经某种酶或酸将其分子作适当的改变或切去一部分才能呈现活性。这种激活过程又称酶原致活作用或酶原激活作用。例如胰蛋白酶原的激活就是用肠激酶将其 N 端的一个肽段（六肽）切去，即变为活性胰蛋白酶，激活后产生的少量胰蛋白酶又可激活胰蛋白酶原。消化酶系和凝血酶在初分泌时都是酶原形式。 2、激活剂凡是能提高酶活性的物质，都称为激活剂。激活剂对酶的作用具有一定的选择性，一种激活剂对某种酶能起激活作用，而对另一种酶可能起抑制作用。酶的激活剂多为无机离子或简单有机化合物。无机离子，如K+ 、Na+ 、Mg2+、Zn2+、Fe2+、Ca2+及C1- 、Br- 等，一是作为酶的辅助因子，二是作为激活剂起作用。某些还原剂，如Cys 、GSH、氰化物等能激活某些酶，使酶蛋白中的二硫键还原成巯基，从而提高酶活性，如木瓜蛋白酶等。 EDTA（乙二胺四乙酸）为金属螯合剂，可解除重金属离子对酶的抑制作用而成为常用激活剂。六、酶的抑制作用和抑制剂 119

许多化合物能与一定的酶进行可逆或不可逆的结合,而使酶的催化作用受到抑制,这种化合物称为抑制剂,如药物、抗生素、毒物、抗代谢物等都是酶的抑制剂。一些动物、植物组织和微生物能产生多种水解酶抑制剂,如加工处理不当,会影响其食用安全性和营养价值酶的抑制作用可以分为三大类,即竞争性抑制、非竞争性抑制和不可逆的抑制竞争性抑制作用有些化合物特别是那些在结构上与天然底物相似的化合物可以与酶的活性中心可逆地结合。所以在反应中抑制剂可与底物竞争同一部位。与酶结合形成酶抑制剂复合物: E+ I 式中I为抑制剂,FI为酶-抑制剂复合物。酶-抑制剂复合物不能再与底物结合生成EIS。因为E的形成是可逆的,并且底物和抑制剂不断竞争酶分子上的活性中心,这种情况称为竞争性抑制作用。竞争性抑制作用的典型例子为琥珀酸脱氢酶,当有适当的氢受体(A)时,此酶催化下列反应琥珀酸(丁二酸)十受体(FAD)—二反丁烯二酸十还原性受体(FADH2) 许多与琥珀酸结构相似的化合物都能与琥珀酸脱氢酶结合,但不脱氢,这些化合物阻塞了酶的活性中心,因而抑制正常反应的进行。抑制琥珀酸脱氢酶的化合物有乙二酸、丙二酸、戊二酸等,其中最强的是丙二酸,当抑制剂与底物的浓度比为1:50时酶被抑制50% 2、非竞争性抑制作用有些化合物既能与酶结合,也能与酶底物复合物结合,称为非竞争性抑制剂,用下列反应表示其过程 E+S÷Es一E+P + EI EIS 非竞争性抑制剂与竞争性抑制剂不同之处在于这种抑制剂能与ES结合,而S也能与EI结合,都形成ESI。高浓度的底物不能使这种类型的抑制作用完全逆转,因为底物并不能阻止抑制剂与酶相结合。这是由于抑制剂和酶的结合部位与酶的活性部位不同,EI的形成发生在酶分子不被底物作用的另一个部位许多酶能被重金属离子如Ag、Hg2或Pb2等抑制,都是非竞争性抑制的例子。重金属离子与酶的巯基(一SH)形成硫醇盐: E-SH+As E-S-Ag+H 因为巯基对酶的活性是必需的,故形成硫醇盐后即失去酶的活性。由于硫醇盐形成具有可逆性,这种抑制作用可用加适当的巯基化合物(如半胱氨酸、谷胱甘肽)的办法去掉重金属而得到解除。竞争性抑制作用、非竞争性抑制作用及无抑制酶反应的区别列于表5-3。表5-3各种抑制作用的比较无抑制剂(正常) Km+sT 竞争性抑制不变增加非竞争性抑制 +(kn+[S] 减小不变反竞争性抑制 ST 小减小 E+S *:酶必须先与底物结合后才能与抑制剂结合 3、不可逆的抑制作用不可逆抑制剂是靠共价键与酶的活性部位相结合而抑制酶的作用。不能用透析、超滤等物理方法除去抑制剂而恢复酶活性

许多化合物能与一定的酶进行可逆或不可逆的结合，而使酶的催化作用受到抑制，这种化合物称为抑制剂，如药物、抗生素、毒物、抗代谢物等都是酶的抑制剂。一些动物、植物组织和微生物能产生多种水解酶抑制剂，如加工处理不当，会影响其食用安全性和营养价值。酶的抑制作用可以分为三大类，即竞争性抑制、非竞争性抑制和不可逆的抑制。 1、竞争性抑制作用有些化合物特别是那些在结构上与天然底物相似的化合物可以与酶的活性中心可逆地结合。所以在反应中抑制剂可与底物竞争同一部位。与酶结合形成酶-抑制剂复合物： E ＋ I EI 式中 I 为抑制剂，EI 为酶-抑制剂复合物。酶-抑制剂复合物不能再与底物结合生成 EIS。因为 EI 的形成是可逆的，并且底物和抑制剂不断竞争酶分子上的活性中心，这种情况称为竞争性抑制作用。竞争性抑制作用的典型例子为琥珀酸脱氢酶，当有适当的氢受体（A）时，此酶催化下列反应：琥珀酸（丁二酸）＋受体（FAD）反丁烯二酸＋还原性受体（FADH2）许多与琥珀酸结构相似的化合物都能与琥珀酸脱氢酶结合，但不脱氢，这些化合物阻塞了酶的活性中心，因而抑制正常反应的进行。抑制琥珀酸脱氢酶的化合物有乙二酸、丙二酸、戊二酸等，其中最强的是丙二酸，当抑制剂与底物的浓度比为 1︰50 时酶被抑制 50%。 2、非竞争性抑制作用有些化合物既能与酶结合，也能与酶-底物复合物结合，称为非竞争性抑制剂，用下列反应表示其过程： E ES E EI EIS ＋ S ＋ P ＋＋ I I S 非竞争性抑制剂与竞争性抑制剂不同之处在于这种抑制剂能与 ES 结合，而 S 也能与 EI 结合，都形成 ESI。高浓度的底物不能使这种类型的抑制作用完全逆转，因为底物并不能阻止抑制剂与酶相结合。这是由于抑制剂和酶的结合部位与酶的活性部位不同，EI 的形成发生在酶分子不被底物作用的另一个部位。许多酶能被重金属离子如Ag+ 、Hg2+ 或Pb2+ 等抑制，都是非竞争性抑制的例子。重金属离子与酶的巯基（—SH）形成硫醇盐： E－SH ＋ Ag＋ E－S－Ag ＋ H+ 因为巯基对酶的活性是必需的，故形成硫醇盐后即失去酶的活性。由于硫醇盐形成具有可逆性，这种抑制作用可用加适当的巯基化合物（如半胱氨酸、谷胱甘肽）的办法去掉重金属而得到解除。竞争性抑制作用、非竞争性抑制作用及无抑制酶反应的区别列于表 5-3。表 5-3 各种抑制作用的比较类型公式 Vmax Km 无抑制剂（正常） V= [ ] max [ ] K S V S m + Vmax Km 竞争性抑制 V= [ ] [ ] 1 max [ ] S K I K V S i m +⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ + 不变增加非竞争性抑制 V= ( ) [ ] [ ] 1 max [ ] K S K I V S m i + + ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ + 减小不变反竞争性抑制﹡ V= [ ] [ ] 1 max [ ] S K I K V S i m ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ + + 减小减小 ﹡：酶必须先与底物结合后才能与抑制剂结合： Km Ki I E + S ES ESI 3、不可逆的抑制作用不可逆抑制剂是靠共价键与酶的活性部位相结合而抑制酶的作用。不能用透析、超滤等物理方法除去抑制剂而恢复酶活性。 120

按照不可逆抑制作用的选择性不同,又可分为专一性的不可逆抑制和非专一性的不可逆抑制两类。专一性不可逆抑制仅仅和活性部位的有关基团反应,非专一性的不可逆抑制则可以和一类或几类基团反应。但这种区别也不是绝对的,因作用条件及对象等不同,某些专一性抑制剂有时会转化,产生非专性不可逆抑制作用。有些抑制剂的抑制活性是潜在的,其抑制基团隐藏于分子内部或呈结合态,或在酶的催化过程中形成。这类抑制剂有着与底物类似的结构,能有效地与酶的活性部位相结合,在酶的催化作用下,抑制剂分子中的潜在抑制基团被活化,并与酶活性中心的功能基团不可逆地结合,从而导致酶的失活,这类抑制被称为酶的“自杀性抑制剂” 大豆中已分离出大豆胰蛋白酶、胰淀粉酶和脂酶抑制剂。在蛋清中存在有丰富的蛋白酶抑制剂, 微生物分泌的酶抑制剂种类特别多,如链霉菌是制备蛋白酶抑制剂的极好材料, 第五节酶的作用原理据现在所知,与酶高催化效率有关的重要因素有以下几个方面: (1)底物与酶的活性中心诱导楔合形成转变态 (2)酶使底物分子中的敏感键“变形”而易于断裂 (3)某些酶与底物形成不稳定的、共价的中间物而对底物进行“共价催化” (4)酶活性中心的某些基团作为质子供体或质子受体而对底物进行“酸碱催化” (5)酶活性中心提供低介电疏水区域 (6)酶活性中心催化基团提供电子跃迁连续能级而降低反应活化能具体讨论如下 (一)底物和酶诱导楔合形成转变态当底物未与酶结合时,酶活性中心的催化基团还未能与底物十分靠近,但由于酶活性中心的结构有一种可适应性,即当专一性底物与活性中心结合时,酶蛋白会发生一定的构象改变,使反应所需要的酶分子中的催化基团与结合基团正确地排列并定位,以便能与底物楔合,使底物分子可以“靠近”及“定向”于酶。这使活性中心局部的底物浓度提高。酶构象发生的这种改变是反应速度增高的一种很重要的原因 (二)酶使底物分子中的敏感键发生“变形”而易于断裂酶中的某些基团或离子可以使敏感键中的某些基团的电子云密度增高或降低,产生“电子张力” 使敏感键的一端更加敏感,更易于发生反应。有时甚至使底物分子发生变形。这样就使酶-底物复合物易于形成 (三)共价催化这种方式是底物与酶形成一个反应活性很高的共价中间物,这个中间物很容易变成转变态,因此反应的活化能显著降低,底物可以越过较低的“能阀”而形成产物。 (四)酸碱催化有机模式反应提出,酸碱催化剂是催化有机反应的最普遍和最有效的催化剂。酶蛋白中含有好几种可以起广义酸碱催化作用的功能基,如氨基、羧基、硫氢基、酚羟基及咪唑基等。其中组氨酸的咪唑基既是一个很强的亲核基团,又是一个有效的广义酸碱功能基影响酸碱催化反应速度的因素有两个,第一个是酸碱的强度。在这些功能基中,组氨酸咪唑基的解离常数约为60,这意味着由咪唑基上解离下来的质子浓度与水中的相近,因此它在接近于生物体液 pH的条件下,既可以作为质子供体,又可以作为质子受体在酶反应中起催化作用。因此,咪唑基是最有效、最活泼的一个催化功能基。第二个是这些功能基供出质子或接受质子的速度。咪唑基供出或接受质子的速度十分迅速,其半寿期小于10-0秒。而且,供出或接受质子的速度几乎相等。由于咪唑基有如此的优点,所以虽然组氨酸在大多数蛋白质中含量很少,却很重要。 (五)酶活性中心是低介电疏水区域某些酶的活性中心穴内相对地说是非极性的,因此,酶的催化基团被低介电环境所包围,在某些情况下,还可能排除高极性的水分子。这样,底物分子的敏感键和酶的催化基团之间就会有很大的反应力,有助于加速酶反应。 (六)提供电子跃迁连续能级而降低反应活化能酶活性中心催化基团分属不同的肽键共振系统,通过刚性肽键平面而能相对区分,催化基团各自拥有类似分子轨道的区域性最高占有轨道和最低空轨道,不同催化基团的区域性前沿轨道能级各不相同, 从而为底物分子的电子跃迁提供了连续能级而使反应活化能显著降低。就好像一个人(电子)从地面(最高

按照不可逆抑制作用的选择性不同，又可分为专一性的不可逆抑制和非专一性的不可逆抑制两类。专一性不可逆抑制仅仅和活性部位的有关基团反应，非专一性的不可逆抑制则可以和一类或几类基团反应。但这种区别也不是绝对的，因作用条件及对象等不同，某些专一性抑制剂有时会转化，产生非专一性不可逆抑制作用。有些抑制剂的抑制活性是潜在的，其抑制基团隐藏于分子内部或呈结合态，或在酶的催化过程中形成。这类抑制剂有着与底物类似的结构，能有效地与酶的活性部位相结合，在酶的催化作用下，抑制剂分子中的潜在抑制基团被活化，并与酶活性中心的功能基团不可逆地结合，从而导致酶的失活，这类抑制被称为酶的“自杀性抑制剂”。从大豆中已分离出大豆胰蛋白酶、胰淀粉酶和脂酶抑制剂。在蛋清中存在有丰富的蛋白酶抑制剂，微生物分泌的酶抑制剂种类特别多，如链霉菌是制备蛋白酶抑制剂的极好材料。第五节酶的作用原理据现在所知，与酶高催化效率有关的重要因素有以下几个方面：（1）底物与酶的活性中心诱导楔合形成转变态；（2）酶使底物分子中的敏感键 “变形”而易于断裂；（3）某些酶与底物形成不稳定的、共价的中间物而对底物进行“共价催化”；（4）酶活性中心的某些基团作为质子供体或质子受体而对底物进行“酸碱催化”；（5）酶活性中心提供低介电疏水区域；（6）酶活性中心催化基团提供电子跃迁连续能级而降低反应活化能。具体讨论如下：（一）底物和酶诱导楔合形成转变态当底物未与酶结合时，酶活性中心的催化基团还未能与底物十分靠近，但由于酶活性中心的结构有一种可适应性，即当专一性底物与活性中心结合时，酶蛋白会发生一定的构象改变，使反应所需要的酶分子中的催化基团与结合基团正确地排列并定位，以便能与底物楔合，使底物分子可以“靠近”及“定向”于酶。这使活性中心局部的底物浓度提高。酶构象发生的这种改变是反应速度增高的一种很重要的原因。（二）酶使底物分子中的敏感键发生“变形”而易于断裂酶中的某些基团或离子可以使敏感键中的某些基团的电子云密度增高或降低，产生“电子张力”，使敏感键的一端更加敏感，更易于发生反应。有时甚至使底物分子发生变形。这样就使酶-底物复合物易于形成。（三）共价催化这种方式是底物与酶形成一个反应活性很高的共价中间物，这个中间物很容易变成转变态，因此反应的活化能显著降低，底物可以越过较低的“能阀”而形成产物。（四）酸碱催化有机模式反应提出，酸碱催化剂是催化有机反应的最普遍和最有效的催化剂。酶蛋白中含有好几种可以起广义酸碱催化作用的功能基，如氨基、羧基、硫氢基、酚羟基及咪唑基等。其中组氨酸的咪唑基既是一个很强的亲核基团，又是一个有效的广义酸碱功能基。影响酸碱催化反应速度的因素有两个，第一个是酸碱的强度。在这些功能基中，组氨酸咪唑基的解离常数约为 6.0，这意味着由咪唑基上解离下来的质子浓度与水中的[H＋ ]相近，因此它在接近于生物体液 pH的条件下，既可以作为质子供体，又可以作为质子受体在酶反应中起催化作用。因此，咪唑基是最有效、最活泼的一个催化功能基。第二个是这些功能基供出质子或接受质子的速度。咪唑基供出或接受质子的速度十分迅速，其半寿期小于 10－10 秒。而且，供出或接受质子的速度几乎相等。由于咪唑基有如此的优点，所以虽然组氨酸在大多数蛋白质中含量很少，却很重要。（五）酶活性中心是低介电疏水区域某些酶的活性中心穴内相对地说是非极性的，因此，酶的催化基团被低介电环境所包围，在某些情况下，还可能排除高极性的水分子。这样，底物分子的敏感键和酶的催化基团之间就会有很大的反应力，有助于加速酶反应。（六）提供电子跃迁连续能级而降低反应活化能酶活性中心催化基团分属不同的肽键共振系统，通过刚性肽键平面而能相对区分，催化基团各自拥有类似分子轨道的区域性最高占有轨道和最低空轨道，不同催化基团的区域性前沿轨道能级各不相同，从而为底物分子的电子跃迁提供了连续能级而使反应活化能显著降低。就好像一个人(电子)从地面(最高 121

华南理工大学：《食品生物化学》教学课件（双语版）第5章 酶（宁正祥）

华南理工大学：《食品生物化学》教学课件（双语版）第5章酶（宁正祥）