食品酶学复习资料（部分）
酶是生物体产生的一类具有生物催化活性的生物大分子。
同工酶是指在生物体内或组织中催化相同反应而具有不同分子形式（包括不同的氨基酸序列、空间结构等）的酶。 酶作为一种反应的催化剂，在食品加工及保藏的应用中，有着其他物理或化学手段无法比拟的优越性。首先，它不会有任何有害残留物质；其次，由于酶催化反应有着高度的专一性和高效性，酶制剂用量小，经济合算；第三，酶催化反应条件温和，食品营养成分损失少，易于操作且能耗较低。
酶制剂在食品加工中应用主要有以下优点：
? 作用条件温和，在常温、温和的pH、低浓度下即有活性。 ? 酶反应具有专一性，一般催化一种指定反应，无副反应。
? 反应速度易控制，通过温度、pH和所用酶的数量调节控制反应速度。 ? 食用酶来自天然无毒物，安全、高效、副作用小。 ? 反应到期望值时，方便使酶失活，易控制反应终点。
? 食品工业中应用酶制剂的加工过程所需费用较低，酶促反应速度快效率高用量少。 （1）氧化还原酶（Oxidoreductases）催化氧化还原反应；
? （2）转移酶（Transferases）催化分子间基团转移的反应； ? （3）水解酶（Hydrolases）催化水解反应；
? （4）裂合酶（Lyases）催化非水解地除去底物分子中的基团及其逆反应； ? （5）异构酶（Isomerases）催化分子的异构反应； ? （6）连接酶（Ligases）（也称为合成酶）催化两分子连接的反应，反应中酶与ATP
的一个焦磷酸键相偶联。
酶活力(Enzyme activity)：酶活力是指酶催化反应的能力，它表示样品中酶的含量。
比活力 (Specific activity) ：比活力是指单位蛋白质 (毫克蛋白质或毫克蛋白氮) 所含有的酶活力 (单位/毫克蛋白) 。比活力是酶纯度指标，比活力愈高表示酶愈纯，即表示单位蛋白质中酶催化反应的能力愈大。但比活力是个相对酶纯度指标。需采用电泳测定酶的实际纯度。 酶是在活细胞中合成的，但不是所有新合成的酶都具有催化活力，这种新合成酶的前体 (无催化活力) 称为酶原 (Proenzyme) 。 底物浓度对酶促反应速度的影响
v在1903年，Henri在用蔗糖酶水解蔗糖实验，研究反应中底物浓度与反应速度的关系时发现，当酶浓度不变时，可以测出一系列不同底物浓度下的化学反应速度，以该反应速度对底物浓度作图，可得到如图2-2所示的曲线。
从该曲线图可以看出，当底物浓度较低时，反应速度与底物浓度的关系呈正比关系，反应表
现为一级反应。然而随着底物浓度的不断增加，反应速度不再按正比升高，此时反应表现为混合级反应。当底物浓度达到相当高时，底物浓度对反应速度影响逐渐变小，最后反应速度几乎与底物浓度无关，这时反应达到最大反应速度（Vmax），反应表现为零级反应
? 中间络合物学说认为：当酶催化某一化学反应时，酶(E)首先需要和底物(S)结合生成
酶底物中间络合物即中间复合物(ES)，然后再生成产物(P)，同时释放出酶。该学说可以用下面的化学反应方程式来表示：
S + E ES → P + E
根据中间络合物学说很容易解释图3-2所示的实验曲线：
1、在酶浓度恒定这一前提条件下，当底物浓度很小时酶还未被底物所饱和，这时反应速度取决于底物浓度并与之成正比。
2、随着底物浓度不断增大，根据质量作用定律，中间复合物ES生成也不断增多，而反应速度取决于ES的浓度，故反应速度也随之增高但此时二者不再成正比关系。
3、当底物浓度达到相当高的程度时，溶液中的酶已经全部被底物所饱和，此时溶液中再也没有多余的酶，虽增加底物浓度也不会有更多的中间复合物ES生成，因此酶促反应速度变得与底物浓度无关，而且反应达到最大反应速度（Vmax）。
? 当以底物浓度[S]对反应速度v作图时，就形成一条双曲线。需要特别指出的是，只
有酶促催化反应才会有这种饱和现象，而与此相反，非催化反应则不会出现这种饱和现象。
米氏常数的含义:Km值就代表着反应速度达到最大反应速度一半时的底物浓度
米氏常数的应用价值
① Km是酶的一个特征性常数：也就是说Km的大小只与酶本身的性质有关，而与酶
浓度无关。
② Km值还可以用于判断酶的专一性和天然底物，Km值最小的底物往往被称为该酶的
最适底物或天然底物。
③ Km可以作为酶和底物结合紧密程度的—个度量指标，用来表示酶与底物结合的亲
和力大小。
④ 已知某个酶的Km值，就可以计算出在某一底物浓度条件下，其反应速度相当于
Vmax的百分比。
⑤ Km值还可以帮助我们推断具体条件下某一代谢反应的方向和途径，只有Km值小
的酶促反应才会在竞争中占优势。
如果由于酶必需基团的化学性质发生改变，但酶并未发生变性，而引起酶活力降低或丧失的作用则称为抑制作用(inhibition)。导致酶发生抑制作用的物质称为抑制剂(inhibitor)。
? 根据抑制剂与酶的作用方式的区别以及抑制作用是否可逆，我们可以将抑制作用分
为两大类，即：不可逆的抑制作用 可逆的抑制作用。
? 由于抑制剂与酶的必需基团以共价键的形式结合而引起酶活力降低或丧失，因此不
能用透析、超滤等物理方法去除抑制剂而使酶复活，这种抑制作用是不可逆的，称
之为不可逆抑制。此时被抑制的酶分子受到抑制剂对其不同程度的化学修饰，因此不可逆抑制从本质上来说就是酶的修饰抑制。
①非专一性不可逆抑制剂 主要包括以下六大类：
? a) 有机磷化合物 b) 有机汞、有机砷化合物：抑制含巯基的酶。 c) 重金属
盐：能使酶蛋白变性而失活。 d) 烷化剂：与酶必需基团中的巯基、氨基、羧基、咪唑基和硫醚基等结合，从而抑制酶活性。 e) 硫化物、氰化物和CO：这类物质能通过与酶中金属离子形成较为稳定络合物的形式，来抑制酶的活性。f)青霉素（Penicillin）：青霉素可通过与糖肽转肽酶活性部位丝氨酸羟基共价结合的方式，使糖肽转肽酶失活，导致细菌细胞壁合成受阻，从而损害细菌生长。
②专一性不可逆抑制剂 可以分为Ks型和Kat型两大类。
? a) Ks型不可逆抑制剂：具有与底物相类似的结构
? b) Kat型不可逆抑制剂：该类抑制剂不但具有与天然底物相类似的结构，而且抑
制剂本身也是酶的底物，这类不可逆抑制剂的特点是专一性极高，因此也被称为自杀性底物（suicide substrate）。
由于抑制剂与酶以非共价键的形式结合而引起酶活力降低或丧失，但能用透析、超滤等物理方法除去抑制剂而使酶复活，是可逆的，称之为可逆抑制(reversible inhibition)。
? 根据可逆抑制剂与底物的关系，将可逆抑制作用分为三种类型，它们分别是竞争性
抑制、非竞争性抑制和反竞争性抑制。
? ①竞争性抑制(competitive inhibition) ：是最常见的一种可逆抑制作用。抑制剂(I)
与底物(S)竞争酶(E)的同一结合部位，因此抑制剂的存在直接影响底物与酶的正常结合。这是由于酶的活性部位不能同时既与底物结合又与抑制剂结合，所以在底物和抑制剂之间会产生竞争，从而形成一定的平衡关系。 ? ②非竞争性抑制(noncompetitive inhibition) ：
? 这类抑制作用的特点是底物(S)和抑制剂(I)可以同时与酶(E)结合，两者之间
不存在竞争关系。
? 但是在酶与抑制剂结合后，还可以进一步与底物结合形成酶-底物-抑制剂复
合物ESI；酶与底物结合后，也可以进一步与抑制剂结合形成酶-底物-抑制剂复合物ESI。
? 但是这种中间的三元复合物，即酶-底物-抑制剂复合物ESI不能进一步分解
产生产物，因此相应的酶促反应速度下降。
由于这类抑制剂与酶活性部位以外的基团相结合，因此其结构与底物结构并无相似之处，而且不能用增加底物浓度的方法来解除这种抑制作用，故称非竞争性抑制。
? ③反竞争性抑制(uncompetitive inhibition) ：这类抑制作用的特点是只有在酶(E)与
底物(S)结合后，才能与抑制剂(I)结合，形成酶-底物-抑制剂复合物ESI，与非竞争性抑制相似，这种中间的三元复合物，即酶-底物-抑制剂复合物ESI不能进一步分解产生产物，因此相应的酶促反应速度下降。
温度对酶促反应速度的影响 和绝大多数化学反应一样，酶促化学反应速度也和温度密切相关。温度对酶促化学反应速度的影响主要表现在两个方面：其一是当温度升高时，与一般化学反应一样，反应速度加快，这种影响可以用反应的温度系数来衡量。反应的温度系数是指反应温度提高10 ℃，其反应速度与原来反应速度之比，通常用Q10来表示。对大多数酶而言，酶促化学反应的温度系数Q10多为2，即温度每升高10℃，酶促化学反应速度为原反应速度的2倍。其二是由于酶的本质是蛋白质，因此随着温度逐渐升高，酶蛋白会因逐渐变性而失活从而导致酶促化学反应速度下降。在不同温度条件下进行某种酶促化学反应，然后将所测得的酶促反应速度相对于温度来作图，即可得到如图2-9所示的钟罩形曲线。从该曲线可以看出，在较低的温度范围内，酶促化学反应速度随温度升高而增大，但在超过一定温度后，酶促化学反应速度不见上升反而下降，因此只有在某一温度条件下，酶促化学反应速度达到最大值，通常把这个温度称为酶促化学反应的最适温度(optimum temperature)。在一定条件下每种酶都有其催化反应的最适温度。
最适温度不是酶的特征物理常数，相反它常常受到其他各种条件如底物种类、作用时间、pH和离子强度等因素影响。如最适温度随酶促反应进行时间的长短而改变，这是因为温度使酶蛋白发生变性效应是随时间而逐步累加的。一般而言，酶促反应进行时间长时酶的最适温度低，酶促反应进行时间短则最适温度高，所以只有在规定的酶促反应时间内才可确定酶的最适温度。酶在固体状态下比在溶液中对温度的耐受力更高。酶的冰冻干粉制剂通常在冰箱中可存放几个月以上，而酶溶液一般在冰箱中只能保存数周。所以酶制剂以固体保存为佳 对酶促反应速度影响的因素 底物浓度、抑制剂、温度、pH和激活剂等。
固定化酶(immobilized enzyme)，是指在一定的空间范围内起催化作用，并能反复和连续使用的酶。
固定化酶的优点：（1）同一批固定化酶能在工艺流程中重复多次地使用；
2）固定化后，和反应物分开，有利于控制生产过程，同时也省去了热处理使酶失活的步骤； （3）稳定性显著提高；（4）可长期使用，并可预测衰变的速度；（5）提供了研究酶动力学的良好模型。
? 固定化酶的制备方法、制备材料多种多样，不同的制备方法和材料，固定化后酶的
特性不同。对于特定的目标酶，要根据酶自身的性质、应用目的、应用环境来选择固定化载体和方法。在具体选择时，一般应遵循以下几个原则 （1）必须注意维持酶的构象，特别是活性中心的构象。 （2）酶与载体必须有一定的结合程度。 （3）固定化应有利于自动化、机械化操作。 （4）固定化酶应有最小的空间位阻。 （5）固定化酶应有最大的稳定性。 （6）固定化酶的成本适中。
交联法（cross-linking）是使用双功能或多功能试剂使酶分子之间相互交联呈网状结构的固定化方法。
? 固定化酶的活力在多数情况下比天然酶的活力低，其原因可能是：①酶活性中心的
重要氨基酸残基与水不溶性载体相结合；②当酶与载体结合时，它的高级结构发生了变化，其构象的改变导致了酶与底物结合能力或催化底物转化能力的改变；③酶被固定化后，虽不失活，但酶与底物间的相互作用受到空间位阻的影响。4.也有在个别情况下，酶经固定化后其活力升高，可能是由于固定化后酶的抗抑能力提高使得它反而比游离酶活力高。
利用胞内酶制作固定化酶时，先要把细胞破碎，才能将里面的酶提取出来，这就增加了工序和成本，且提取的酶往往不够稳定。因此人们设想直接固定那些含有所需胞内酶的细胞，并且就用这样的细胞来催化化学反应。固定化细胞按其生理状态又可分为固定化死细胞和活细胞两大类。最初固定化的细胞是死细胞或静止态细胞，只利用其酶活性
前者经固定化后，虽然整个细胞活力消失，但是，需要利用的“目的酶”仍保持催化活力；而后者经固定化后，细胞仍保存活性，能进行正常的生长、繁殖和新陈代谢，所以称为固定化活细胞或固定化增殖细胞。 与酶的固定化相比，固定化细胞保持了胞内酶系的原始状态与天然环境，有效地利用游离细胞完整的酶系统和细胞膜的选择通透性，既具有固定化酶的优点，又具有其自身的优越性： 固定化细胞的优越性
①无需进行酶的分离和纯化，减少酶的活力损失，同时大大降低了成本；
②可进行多酶反应，且不需添加辅助因子，固定化细胞不仅可以作为单一的酶发挥作用，而且可以利用菌体中所含的复合酶系完成一系列的催化反应，对于这种多酶系统，辅助因子再生容易；
③对于活细胞来说，保持了酶的原始状态，酶的稳定性更高，对污染的抵抗力更强； ④细胞生长停滞时间短，细胞多，反应快等等。正是由于固定化细胞的这些无可比拟的优势，尽管其出现远远晚于固定化酶，但其应用范围比固定化酶更为广泛。