食品酶学

**章绪论 **节酶的命名与分类 一、酶的命名 （一）习惯命名法 1833年，Payen和Persoz从麦芽水抽提物中通过酒精沉淀发现一种热敏性物质，可将淀粉水解变为糖，由于它能从不可溶的淀粉颗粒中分离出可溶性糊精，他们将此物质命名为“diastase”（淀粉酶）。故早期酶命名原则普遍较随意，多数是由酶的发现者根据酶所催化底物、反应类型或酶的来源命名，统称“习惯命名法”，其命名原则如下所示。 （1）根据酶的作用底物命名，如水解六碳糖的酶称为己糖激酶，水解尿素的酶称为脲酶，水解蛋白质的酶称为蛋白酶等。 （2）根据酶催化反应的性质命名，如催化合成核酸的酶称为聚合酶，催化氧化反应的酶称为氧化酶，催化脱氢反应的酶称为脱氢酶。 （3）根据上述二者，同时结合作用底物和催化的反应类型来命名，如乳酸脱氢酶即为催化乳酸氧化脱氢成丙酮酸的酶，类似的还有丙酮酸脱羧酶。 （4）在上述命名原则基础上再结合酶的来源或某些特性来命名，如胰蛋白酶、碱性磷酸酯酶、木瓜蛋白酶、风味蛋白酶等。 （二）国际系统命名法 习惯命名法虽然应用历史悠久，但这种命名法缺乏科学系统性，易产生“一酶多名”或“一名多酶”的问题，不能体现酶催化反应的特性。为避免酶的命名出现混乱，国际生物化学联合会（现为国际生物化学与分子生物学联合会，IUBMB）于1956年成立国际酶学委员会（Enzyme Commission），并在1961年提出了酶的系统命名法，之后经过不断地更新完善，目前已得到国际生物化学与分子生物学联合会及广大研究学者的认可。 该命名法规定，每种酶的名称应明确标明作用底物及所催化反应的特征，即酶的名称应包含两部分：前面为底物，后面为催化反应的名称。若前面底物有两个，则两个底物都要写上，并在两个底物之间用“：分开，若底物之一是水，则可省略不写。例如，过氧化物酶，其系统名称为氏〇2：邻甲氧基酚氧化酶。 二、酶的分类 （一）国际系统分类法 1.蛋白类酶的分类 由于国际系统命名比较冗长，使用不方便，1978年国际生物化学联合会国际酶学委员会又将酶重新进行了分类，主要根据酶催化反应的性质，将酶分为六大类，分别用阿拉伯数字1～6表示；再根据底物中被作用的化学键等特点，将每一大类分为亚类、次亚类，*后再排列各个具体的酶。2018年8月，又增加了转位酶分类，所以现在共有七大酶类，即氧化还原酶（EC1）、转移酶（EC2）、水解酶（EC3）、裂合酶（EC4）、异构酶（EC5）、连接酶（EC6）和转位酶（EC7），其中EC为酶学委员会标识，如磷酸化酶的具体命名书写方式如图1.1所示。 编号的第1个数字为酶的大分类；第2个数字为大类中的亚类，如在氧化还原酶类中表示氧化反应供体基团的类型，水解酶中表示被水解键的类型等；第3个数字表示亚类中的分类，即次亚类，如在氧化还原酶类表示氢原子或电子受体的种类；第4个数字则为酶在小类中的流水编号。以这样的编号方式将酶排成一个表，每一种酶在这个表中的位置都可以用一个特定的编号来表示。具体的分类原则如下表1.1、表1.2所示。 七大类蛋白酶的主要特性如下所示。 （1）氧化还原酶类（oxidoreductase）指催化底物进行氧化还原反应的酶类，是一种催化电子由一个分子（即还原剂，又名氢受体或电子供体）传送往另一个分子（即氧化剂，又名氢供体或电子受体）的酶，如乳酸脱氢酶、过氧化氢酶都属于氧化还原酶。此类酶常需要辅因子，可根据反应时辅因子光电性质变化进行测定。典型代表乳酸脱氢酶（EC1.1.1.27）三维结构如图1.2所示。 （2）转移酶类（transferase）指催化底物之间进行某些基团的转移或交换的酶类，如各种转氨酶和激酶分别催化转移氨基和磷酸基的反应。转移酶常需要辅酶，但反应不易测定。在参与核酸、蛋白质、糖类及脂肪的代谢与合成中起到了重要作用。典型代表葡萄糖激酶（EC2.7.1.2）三维结构如图1.3所示。 （3）水解酶类（hydrolase）主要催化底物的水解反应，如蛋白酶、磷酸酶等。水解酶一般起降解作用，多位于胞外（如消化道中）或溶酶体中，较易获得且一般结构简单，不需要辅因子，适于工业应用，因此酶工程中*早应用的酶多为水解酶，如蛋白酶、糖酶、酯酶等，也是目前生产中应用*多的酶。典型代表葡萄糖淀粉酶（EC3.2.1.3）三维结构如图1.4所示。 （4）裂合酶类（lyase）指催化一个底物分解为两个化合物或两个化合物合成为一个化合物的酶类，常见的如醛缩酶、水化酶、脱羧酶等。通常催化从底物上移去一个小分子而留下双键（或环）的反应或其逆反应。当某反应的合成方向更为重要，或是唯一的合成方式时，可以使用英文名称synthase，中文一般称“某某合酶”。国际生物化学与分子生物学联合会（IUBMB）调整过分类，把一部分裂合酶放到转移酶分类中，如柠檬酸合酶（citrate synthase）曾被列入裂合酶（EC4.1.3.7），现已转移到乙酰转移酶中（EC2.3.3.1）。典型代表果糖1，6-二磷酸醛缩酶（fructose 1，6-bisphosphate aldolase，FBA）（EC4.1.2.13）三维结构如图1.5所示。 （5）异构酶类（isomerase）是一类为了生物代谢需要而催化同分异构体间相互转化的酶。按异构化类型不同分六个亚类，包括消旋酶、差向酶、顺反异构酶、变位酶（分子内基团转移）及分子内氧化还原酶、分子内裂解酶等。典型代表肽基脯氨酰基顺反异构酶（EC5.2.1.8）三维结构如图1.6所示。 （6）合成酶类（synthetase）指催化两分子底物合成为一分子化合物，同时偶联有ATP倉品酶学的磷酸键断裂释能的酶类，如DNA连接酶、谷氨酰胺合成酶、氨酰-tRNA合成酶等。以前曾将合成酶作为通用名称，因为许多人将其与合酶（synthase）混淆，所以国际生物化学与分子生物学联合会（IUBMB）于1983年将其改为连接酶。该类酶在生物体中参与很多生命物质的合成，其在催化过程中需ATP等高能磷酸酯提供结合能，有时还需要金属离子参与。典型代表乙酰辅酶A（CoA）合成酶（EC6.2.1.1）三维结构如图1.7所示。 （7）转位酶类（translocase）也称为易位酶，是指催化离子或分子穿越膜结构的酶或其膜内组分的酶。这类酶中的一部分因为能够催化ATP水解，所以曾经被归类到ATP水解酶（EC3.6.3.X）中，现在则认为催化ATP水解并非其主要功能，所以划归到转位酶中。另外，不依赖酶催化反应的交换转运体（exchange transporter）不属于转位酶，如通过离子交换穿越膜结构等。典型代表ATP合酶（EC7.1.2.2）三维结构如图1.8所示。 2.核酸类酶的分类 自1982年以来，被发现的核酸类酶（ribozyme，R酶）越来越多，对它的研究也越来越深入和广泛。现已形成以下几种分类方式。 （1）根据酶催化反应类型，可以将R酶分为3类：剪切酶、剪接酶和多功能酶。 （2）根据酶催化的底物是其本身RNA分子还是其他分子，可以将R酶分为分子内催化（incis，或称为自我催化）和分子间催化（in trans）两类。 （3）根据R酶的结构特点不同，可分为锤头形R酶、发夹形R酶、含I型间插序列（IVS）R酶、含n型IVSR酶等。 （二）其他分类法 1.根据酶在代谢调节中的分类 根据酶在代谢调节中的作用，分为三大类。 （1）静态酶或组成酶。 （2）潜在酶，包括酶原、非活力型酶和与抑制剂结合的酶。 （3）调节酶，包括诱导酶、变构酶、同工酶和多功能酶等。 2.根据酶的来源和作用底物分类根据酶的来源和作用底物，分为三大类。 1）动物酶按照酶在动物细胞内所处位置划分，如唾液淀粉酶、胰蛋白酶等。 2）植物酶按照植物种类划分，如木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶等。 3）微生物酶按照微生物种类划分，如细菌淀粉酶、霉菌淀粉酶等。 3.根据酶的*适作用pH与作用底物分类 根据酶的*适作用pH与作用底物，分为中性蛋白酶、碱性蛋白酶和酸性蛋白酶等。 4.根据酶在细胞合成后存在部位分类 根据酶在细胞中合成后存在部位不同，分为胞内酶、胞外酶等。 5.根据酶作用体系是否外加酶分类 根据酶作用体系是否外加酶，分为内源酶和外源酶。 第二节食品酶学发展历史及现状 一、食品酶学发展历史 （一）酶的发现及早期研究 酶是生物体产生的一类具有催化活性的生物大分子，可以分为蛋白类酶和核酸类酶两大类别，蛋白类酶中的蛋白质与核酸类酶的核糖核酸起催化作用。人类应用酶的历史久远，*新的考古发现将我国酿酒的历史推进到8600年前，远超过传说中仪狄、杜康造酒的年代。在4000年前我国仰韶文化晚期至龙山文化时期，就有大量的酒具和陶器，也证明了在遥远的史前时期人们就开始用谷物酿酒。我国《书经》中有“若作酒醴，尔惟麹蘖”，表明麹蘖是制作酒的必需材料。麹是发霉的谷物，蘖是发芽的谷物，它们含有丰富的微生物和酶，谷物中的淀粉必须经酶先水解成麦芽糖或葡萄糖后才能酒化。在国外，4000多年前埃及人用牛胃液生产干酪，牛胃液含有的凝乳酶是干酪生产的关键酶，能破坏酪蛋白的胶束使牛奶凝结。然而，在这些生产活动中人们并没有意识到酶的存在，也不了解其性质原理；只是根据过往经验，无意识地进行着一些酶的应用，史前时期酶学的发展尚停留在低水平应用阶段。 （二）近代酶学发展史 1783年，意大利科学家Spallanzani设计了山鹰的消化实验，将肉装入有小孔的金属小笼后放入山鹰胃中，经代谢排出后只剩下金属小笼，笼中的肉却消失了，说明了胃液中可能存在使肉消化分解的物质，这项研究动摇了“蠕动消化理论”。在此之前人类认为食物在胃中消化是靠胃壁蠕动的机械碾磨过程，并非化学过程。1810年，法国化学家JasephGay-lussac发现酵食品酶学母可将糖转化为酒精。1814年，俄国科学家Kirchhoff发现淀粉经稀酸加热分解为葡萄糖，揭示了在酶的催化下淀粉会发生水解的过程。1833年，法国科学家Payen和Persoz发现了淀粉酶（diastase）并指出淀粉酶具有热不稳定性，这也是人类历史上首次发现酶。从此酶登上历史舞台，人们真正认识了酶的存在和作用，开始触及酶作用的本质原因和过程。 1855年，Sch6enbein在植物体内发现了过氧化物酶，可以减少愈创树脂变色。随后在1856年，Sch6enbein在蘑菇中发现了多酚氧化酶，这是一种含铜酶，广泛存在于许多植物、动物、细菌和一些真菌中。不久后，越来越多的酶被研究人员发现。在此时期，许多科学家对发酵的本质产生浓厚兴趣并展开了积极的探索，德国化学家Liebig认为发酵是由化学物质作用引起的，是纯粹的化学过程。但法国微生物学家和化学家Pasteur认为酒精发酵是酵母菌细胞活动的结果，与活细胞环境密切相关。两位科学家就发酵本质展开了长达半个世纪的论战，生物化学就是在解决发酵本质的著名论战中产生的。 1878年，德国科学家Ktihne将酵母中具有发酵酒精能力的物质称为酶（enzyme），首次提出酶的概念，此词来源于希腊文，由“en（在）”和“zyme（酵母）”二字组合，表示酶包含在酵母中。1894年，德国化学家Fischer提出了酶与底物作用的“锁钥学说”，用以解释酶作用的专一性。但是锁钥学说有较大的局限性，与大量实验证明不相吻合。1896年德国化学家Buchner发现酵母的无细胞抽提液也能将糖发酵成酒精，表明酶可以从细胞中分离出来，在细胞内外都可以进行催化作用，证明了发酵的本质是酶作用的化学过程，将这种