食品酶工程-2

CollegeofFoodScience&NutritionalEngineeringFoodBiotechnology第四章食品酶工程CollegeofFoodScience&NutritionalEngineeringFoodBiotechnology基因工程蛋白质工程功能活性蛋白质酶CollegeofFoodScience&NutritionalEngineeringFoodBiotechnology酶工程基础酶的基本概念酶的活力酶分子的结构与功能CollegeofFoodScience&NutritionalEngineeringFoodBiotechnology一、酶的基本概念酶的定义与分类酶的命名酶的催化特性CollegeofFoodScience&NutritionalEngineeringFoodBiotechnology1、酶的定义•酶(Biocatalysts):是活细胞产生的一类具有催化功能的生物分子，所以又称为生物催化剂。•酶催化的生物化学反应，称为酶促反应(Enzymaticreaction)。•在酶的催化下发生化学变化的物质，称为底物(substrate)。CollegeofFoodScience&NutritionalEngineeringFoodBiotechnology2、酶的分类1）蛋白酶单体酶寡聚酶多酶体系多酶复合体多功能酶CollegeofFoodScience&NutritionalEngineeringFoodBiotechnology1、单体酶(Monomericenzyme)：由一条多肽链构成的酶。大多数的水解酶。2、寡聚酶(Oligomericenzyme)：由几个或多个亚基组成。亚基之间以非共价键结合。如：糖代谢的酶。CollegeofFoodScience&NutritionalEngineeringFoodBiotechnology3、多酶体系(Multienzymesystem)：由几个功能上相关的酶嵌合而成的酶的络合物。多功能酶（multifunctionalenzyme）：一些多酶体系在进化过程中由于基因的融合，形成由一条多肽链组成却具有多种不同催化功能的酶。丙酮酸脱氢酶系（E.coli）：丙酮酸脱氢酶（EⅠ）、硫辛酰转乙酰酶（EⅡ）和二氢硫辛酰脱氢酶（EⅢ）。EⅠEⅡEⅢ碱性EⅠEⅡEⅢ+EⅡEⅢ+脲CollegeofFoodScience&NutritionalEngineeringFoodBiotechnology2）核酶ribozyme：核酶是具有催化功能的RNA分子，是生物催化剂，可降解特异的mRNA序列。核酶的功能很多,有的能够切割RNA,有的能够切割DNA,有些还具有RNA连接酶、磷酸酶等活性。核酶的发现对于所有酶都是蛋白质的传统观念提出了挑战。1989年，核酶的发现者T.Cech和S.Altman被授予诺贝尔化学奖。CollegeofFoodScience&NutritionalEngineeringFoodBiotechnology3）国际系统分类法•1961年国际酶学委员会（EnzymeCommittee,EC）根据酶所催化的反应类型和机理分为：类别占总酶比例%利用率%水解酶hydrolases2665氧化还原酶oxidoreductases2725转移酶transferases245裂合酶lyases12~5异构酶isomerases5~1连接酶ligases6~1CollegeofFoodScience&NutritionalEngineeringFoodBiotechnology3、酶的命名根据其催化底物来命名；如：淀粉酶根据所催化反应的性质来命名；如：转氨酶。结合上述两个原则来命名，如：谷丙转氨酶。有时在这些命名基础上加上酶的来源或其它特点。如：小牛小肠碱性磷酸酶。1）习惯命名法2）系统命名法系统名称包括底物名称、构型、反应性质，最后加一个酶字。CollegeofFoodScience&NutritionalEngineeringFoodBiotechnology系统名、惯用名举例。乳酸+NAD+丙酮酸+NADH+H+惯用名：只取一个较重要的底物名称和反应类型。乳酸脱氢酶对于催化水解反应的酶一般在酶的名称上省去反应类型。例：系统名：包括所有底物的名称和反应类型。乳酸：NAD+氧化还原酶CollegeofFoodScience&NutritionalEngineeringFoodBiotechnology编号：E.C.X.X.X.XE.C:EnzymeCommission，国际酶学委员会缩写乳酸脱氢酶EC1.1.1.27第1大类，氧化还原酶第1亚类，氧化基团CHOH第1亚亚类，H受体为NAD+该酶在亚亚类中的序号国际系统命名法第一个数字编号：氧化还原酶：1转移酶：2水解酶：3裂解酶：4异构酶：5合成酶：6CollegeofFoodScience&NutritionalEngineeringFoodBiotechnology3、酶的催化特性1）酶和一般催化剂的共性用量少而催化效率高。它能够改变化学反应的速度，但是不能改变化学反应平衡。酶能够稳定底物形成的过渡状态，降低反应的活化能，从而加速反应的进行。CollegeofFoodScience&NutritionalEngineeringFoodBiotechnology2）酶催化作用特性高效性专一性反应条件温和酶活力可调节控制CollegeofFoodScience&NutritionalEngineeringFoodBiotechnology高效性：•有酶加入比无酶参加反应速度一般要高107-1013–例如：2H2O22H2O+O2过氧化氢酶的催化效率为Fe+催化的1010倍–用-淀粉酶催化淀粉水解，1克结晶酶在65C条件下可催化2吨淀粉水解。CollegeofFoodScience&NutritionalEngineeringFoodBiotechnology酶的专一性：又称为特异性，是指酶在催化生化反应时对底物的选择性结构专一性绝对专一性相对专一性立体异构专一性光学异构专一性几何异构专一性CollegeofFoodScience&NutritionalEngineeringFoodBiotechnology酶作用专一性的机制•相对专一性：可作用于一类或一些结构很相似的底物。•绝对专一性：只能作用于某一底物。•立体异构专一性：一种酶只能作用于一种立体异构体，或只能生成一种立体异构体。催化理论（1）“三点结合”（2）锁钥学说（3）诱导契合学说CollegeofFoodScience&NutritionalEngineeringFoodBiotechnology酶促反应一般在pH5-8水溶液中进行，反应温度范围为20-40C。高温或其它苛刻的物理或化学条件，将引起酶的失活。反应条件温和CollegeofFoodScience&NutritionalEngineeringFoodBiotechnology酶活力可调节控制•许多因素可以影响或调节酶的催化活性:–酶浓度的调节–激活剂调节–共价修饰调节–酶原激活–抑制剂的调节–反馈调节第一节酶的基本概念CollegeofFoodScience&NutritionalEngineeringFoodBiotechnology二、酶的活力酶活力用反应速度表示：反应速度用单位时间、单位体积中底物的减少量或产物的增加量表示（单位：浓度/时间）。酶活力亦称酶活性:指酶催化一定化学反应的能力。CollegeofFoodScience&NutritionalEngineeringFoodBiotechnology酶反应速度在最初一段时间内保持恒定，随着反应时间的延长，酶反应速度逐渐下降。原因：A.底物浓度下降B.酶在一定pH及温度下失活C.产物对酶的抑制，产物上升而加速逆反应。所以研究酶的反应速度以酶促反应的初速度为准。（一）酶活力CollegeofFoodScience&NutritionalEngineeringFoodBiotechnology（二）酶活力单位1个酶活力单位:特定条件下，在1分钟内能转化1µmol底物或催化1µmol产物形成所需的酶量。条件：温度250C,其它条件(pH及底物浓度)均采用最适条件。CollegeofFoodScience&NutritionalEngineeringFoodBiotechnology（三）酶的比活力酶的比活力:每毫克质量的蛋白质中所含的某种酶的催化活力，单位/毫克蛋白（U/mg蛋白质)。酶的比活力＝酶活力(单位)/mg(蛋白质或RNA)酶的比活力是比较酶制剂纯度和活力的一个指标。CollegeofFoodScience&NutritionalEngineeringFoodBiotechnology三、酶分子的结构酶分子的组成酶的活性中心与调节中心CollegeofFoodScience&NutritionalEngineeringFoodBiotechnology酶单纯酶结合酶（全酶）=酶蛋白+辅因子(一)酶分子的组成酶分子可根据其化学组成的不同，分为两类：单纯蛋白酶：它们的组成为单一蛋白质。结合蛋白酶：某些酶，例如氧化-还原酶等，其分子中除了蛋白质外，还含有非蛋白组分。结合蛋白酶的蛋白质部分称为酶蛋白，非蛋白质部分包括辅酶及金属离子(或辅因子cofactor)。酶蛋白与辅助成分组成的完整分子称为全酶。CollegeofFoodScience&NutritionalEngineeringFoodBiotechnology辅酶与酶蛋白结合得比较松的小分子有机物。辅基与酶蛋白结合得紧密的小分子有机物。金属激活剂金属离子作为辅助因子。辅因子：蛋白酶中非蛋白质部分，它可以是无机离子也可以是有机化合物。酶的催化专一性主要决定于酶蛋白部分。辅因子通常是作为电子、原子或某些化学基团的载体。CollegeofFoodScience&NutritionalEngineeringFoodBiotechnology维生素学名辅酶形式作用VB1硫胺素TPPα-酮酸脱氢酶的辅酶VB2核黄素FMN、FAD脱氢酶的辅酶,传递氢原子.Vpp尼克酸NAD+、NADP+不需氧脱氢酶的辅酶VB6吡哆醛磷酸吡哆醛转氨酶的辅酶泛酸遍多酸COA酰基载体叶酸四氢叶酸一碳单位的载体生物素羧化酶的辅酶硫辛酸传递氢VB12钴胺素甲基钴胺素转甲基酶的辅酶辅酶CollegeofFoodScience&NutritionalEngineeringFoodBiotechnology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。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(二)酶的活性中心与调节中心CollegeofFoodScience&NutritionalEngineeringFoodBiotechnology酶的结构及催化作用机制结合部位Bindingsite酶分子中与底物结合的部位或区域一般称为结合部位。催化部位酶分子中促使底物发生化学变化的部位称为催化部位。CollegeofFoodScience&NutritionalEngineeringFoodBiotechnology活性部位•通常将酶的结合部位和催化部位总称为酶的活性部位或活性中心。•结合部位决定酶的专一性•催化部位决定酶所催化反应的性质。CollegeofFoodScience&NutritionalEngineeringFoodBiotechnology调控部位Regulatorysite酶分子中存在着一些可以与其他分子发生某种程度的结合的部位，从而引起酶分子空间构象的变化，对酶起激活或抑制作用。CollegeofFoodScience&NutritionalEngineeringFoodBiotechnology一、概述•酶工程的概念酶工程又称酶