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第12章 新陈代谢与酶(3)

食品加工业方面。酿酒厂和饮料厂利用果胶酶来澄清果酒和果汁,效果十分明显。又如,葡萄糖氧化酶可以除去密封饮料和罐头中的氧气,从而有效地防止饮料和食品氧化变质。再如,用木瓜蛋白酶制成的嫩肉粉,可以使肉丝、肉片等烹调后吃起来嫩滑可口。例如,支链淀粉酶是分解多糖类支链淀粉的酶,它能把胚芽转变为色泽较好的麦芽糖糖浆。麦芽糖的甜味没有葡萄糖浓,但很适口,且容易发酵、粘度大、溶解度大,用其制作糖果可以防止遇热变色,用于冰激凌可以防止产生砂糖结晶。

日常生活方面。照相业由于采用了酶技术使照相材料发生了很大变革。家庭用的洗衣粉里加了一些酶,它能够分解某些蛋白质等物质,使衣服上的血迹、汗渍等容易洗掉。但是,由于这些酶比较脆弱,在漂白剂一同起作用下很容易被破坏,然而酶工程可以解决这一技术难题。目前,市场上已经出现了能够和漂白剂一同起作用的去污酶洗衣粉。科学家通过对去污酶结构上的两个氨基酸进行修改,提高了这种酶的抵抗力。

化学工业方面酶制剂也得到了广泛应用,在塑料工业与合成纤维工业中,已经可以用酶制剂催化氢化链烯的生产;其他方面,一些纺织原料也可以利用酶制剂进行加工。例如,天然蚕丝(指家蚕吐出的蚕丝)的外表有一层丝胶,丝胶直接影响天然蚕丝的使用。过去,人们只能在高温条件下用碱性物质脱去天然蚕丝上的丝胶。现在,人们可以在温和的条件下,利用蛋白酶对天然蚕丝进行脱胶,脱胶后的蚕丝具有鲜亮的色泽和柔滑的手感。

3.化验诊断和水质监测

根据葡萄糖在葡萄糖氧化酶的催化作用下形成葡萄糖酸和过氧化氢,过氧化氢在过氧化氢酶的催化作用下形成水和原子氧,而氧原子可以将某种无色的化合物氧化成有色的化合物,人们根据这个原理,将上述两种酶和无色的化合物固定在纸条上,制成测试尿糖含量的酶试纸,当它与尿液相遇时,依据尿液中葡萄糖含量由少到多而呈现出浅蓝、浅绿、棕或深棕色,这样糖尿病人就可以方便地为自己化验尿糖的情况了。科学家根据同一原理,还研制出能够化验血糖数值的血糖快速测试仪,具有灵敏度高和速度快等优点。

酚是一类对人体有害的化合物,经常通过炼油和炼焦等工厂的废水排放到河流和湖泊中,科学家利用固定化多酚氧化酶研制成多酚氧化酶传感器,可快速测定出水中质量分数仅有2×10-7的酚。

4.用于生物工程其他分支领域

基因工程离不开内切酶和连接酶;植物体细胞杂交制备原生质体时,需要纤维素酶,人们把它们称为生物工程的工具酶,而这些酶可由酶工程得到。

三、酶作用的特性

酶是催化剂,只需微量就可以使所催化的反应加速进行,而其本身的质和量都不发生变化,此外酶是生物催化剂,它有着不同于化学催化剂的特性。

1.酶具有高效性

酶的催化能力远远超过化学催化剂。例如,碳酸酐酶能够催化下面的反应:碳酸酐酶是目前已经知道的催化反应速度最快的酶之一。每个碳酸酐酶分子每秒能够催化个,使它们与相同数量的结合,形成相同数量的。碳酸酐酶催化上述反应的速度比非酶催化的上述反应速度快上倍。酶为什么会具有这样强大的催化能力呢?酶的中间产物学说认为:酶在催化某一底物时,先与底物结合成一种不稳定的中间产物。这种中间产物极为活泼,很容易发生化学反应而变成反应物,并且放出酶。按照中间产物学说,酶的催化反应可以写成下式:S(底物)十E(酶)=SE(中间产物)=E十P(反应产物)

2.酶具有高度的专一性

这就是说,一种酶只能作用于一种底物,或一类分子结构相似的底物,促使底物进行一定的化学反应,产生一定的反应产物。酶为什么具有这样高度的专一性呢?这可以用“诱导契合学说”来解释。

所谓“诱导契合学说”是指底物一旦与酶结合,酶分子上的某些基因常常发生明显的变化,从而使酶蛋白的构成发生相应的变化,使酶的活性中心的空间结构和底物的空间结构十分吻合,最终契合形成酶-底物络合物,这种变化的结果,使酶只能与对应的化合物契合,从而排斥了那些形状、大小不适合的化合物。科学家们对羧肽酶等进行了X射线衍射研究,研究的结果有力地支持了这个假说。

3.酶很容易失活

同一般的催化剂相比,酶很容易失去活性。酶失活的原因是蛋白质的空间结构发生改变造成的。

酶的催化作用,受到温度、pH和某些化合物等因素的影响。

温度的影响:在一定的温度范围(0℃~40℃)内,酶的催化作用速度随着温度的升高而加快。一般地说,温度每升高10℃,反应速度就相应提高一倍。但超过60℃,绝大多数的酶就会失去活性。

pH的影响:酶对环境中的pH十分敏感。酶只有在一定的pH范围内才能表现出活性,超过这个范围,酶就失活了。即使在这个有限的pH范围内,酶的活性也要随着环境中pH的变动而有所不同。一般来说,酶的最适pH在4~8之间。但是,各种酶的最适pH是不一样的。

某些化合物的影响:有些化合物可引起酶失活,如酒精、有机磷农药、有机氯农药等有机小分子物质;重金属离子等;有些离子或简单的有机化合物,能够增强酶的活性,这些物质叫做酶的激活剂。例如,经过透析的唾液淀粉酶的活性不高、如果加入少量的,这种酶的活性就会大大增强,因为中的起到了激活唾液淀粉酶的作用;还有些物质能够抑制酶的活性,这类物质叫做酶的抑制剂,例如,氰化物可以抑制细胞色素氧化酶的活性。

【探究活动】

探究酶的激活剂及抑制剂

一、探究目的

学习检定激活剂和抑制剂影响酶反应的方法和原理

二、探究原理

酶的活性常受某些物质的影响,有些物质能使酶的活性增加,称为酶的激活剂;有些物质能使酶的活性降低,称为酶的抑制剂。例如,氯化钠为唾液淀粉酶的激活剂,硫酸铜为其抑制剂。

很少量的激活剂或抑制剂就会影响酶的活性,而且常有特异性。值得注意的是激活剂和抑制剂不是绝对的,有些物质在低浓度时为某种酶的激活剂,而在高浓度时则为该酶的抑制剂。例如,氯化钠达到1/3饱和度时就可抑制唾液淀粉酶的活性。

三、材料及用具

1.1%淀粉溶液。

2.1%氯化钠溶液。

3.碘化钾——碘溶液:将碘化钾20克和碘10克溶解在100ml水中,使用前稀释10倍。

4.稀释100~200倍的新鲜唾液。

5.0.1%硫酸铜溶液。

四、探究步骤

取3支试管,编号。向第l支试管中加入l%氯化钠溶液l毫升,向第2支试管中加入0.1%的硫酸铜溶液l毫升,向第3支试管中加入蒸馏水l毫升作对照。再向每支试管各加入0.l%淀粉溶液3毫升和稀释的唾液l毫升。摇匀各管内容物,一齐放入37℃恒温水浴中保温,10~15分钟后取出。冷后,各滴入2~3滴碘化钾——碘溶液,混匀。观察比较3支试管颜色的深浅。

如果激活剂或抑制剂的作用不明显,主要原因可能是唾液淀粉酶活性不够高,可以适当延长反应时间或者降低唾液稀释倍数,然后再继续实验。

探究酶的专一性

一、探究目的

本实验以唾液淀粉酶和蔗糖酶对淀粉和蔗糖的作用为例,说明酶的特异性。

二、材料用具

1.2%蔗糖溶液:蔗糖是典型的非还原糖,若商品蔗糖中还原糖含量超过一定标准,则呈现还原性,这种蔗糖不能使用。所以,实验前必须进行检查。本实验用的蔗糖至少应是分析纯的试剂。

2.0.3%氯化钠的l%淀粉溶液(新鲜配制)

3.稀释200倍的新鲜唾液。

4.蔗糖酶溶液:取干酵母100克,置于乳钵内,添加适量蒸馏水及少量石英砂。用力研磨提取约l小时,再加蒸馏水,使总体积约为500毫升,过滤。将滤液保存于冰箱内备用。

5.本尼迪克特(Benedict)试剂:将硫酸铜17.3克溶解于100毫升热蒸馏水中。冷却后,稀释至150毫升。取柠檬酸钠173克及碳酸钠(Na2CO3、H2O)100克,加水600毫升,加热使之溶解,冷后,稀释至850毫升。最后,把硫酸铜溶液缓缓倾入柠檬酸钠-碳酸钠溶液中。混匀后,用细口瓶贮存。此试剂可长时间保存。

三、探究步骤

1.淀粉酶的特异性实验

取2支试管,各加入本尼迪克特(Benedict)试剂2毫升,再分别加入l%淀粉溶液或2%蔗糖溶液各4滴。混合均匀后,放在沸水浴中煮2~3分钟。观察有无红黄色沉淀产生,纯净的淀粉和蔗糖不呈阳性反应。

再取3支试管,每管各加入稀释200倍的新鲜唾液l毫升。再分别加入l%淀粉溶液或2%蔗糖溶液各3毫升。混匀,放入37℃恒温水浴中保温,15分钟后取出。各加本尼迪克特试剂2毫升,摇匀,放在沸水浴中煮2~3分钟。观察有无红黄色沉淀产生。

新鲜唾液的稀释倍数,一般为200倍。但是,由于不同人或同一人不同时间采收的唾液内淀粉酶的活性并不相同,有时差别很大,稀释倍数可以是50~300倍,甚至超出此范围。因此,应事先确定稀释倍数。另外,要注意除去唾液里的气泡,避免稀释倍数不准确面影响实验结果。稀释好的新鲜唾液用滤纸过滤后待用。

2.蔗糖酶的特异性实验

取2支试管,各加入蔗糖酶溶液l毫升,再分别加入l%淀粉溶液3毫升或2%蔗糖溶液3毫升。摇匀,放入37℃恒温水浴中保温,10分钟后取出,各加入本尼迪克特试剂2毫升,混匀后放入沸水浴中煮2~3分钟。观察有无红黄色沉淀产生。

再取l支试管,加入蔗糖酶l毫升和蒸馏水3毫升,混匀,加入本尼迪克特试剂2毫升,摇匀,在沸水浴中煮2~3分钟。可以观察到试管内溶液呈现轻度阳性反应,这是由于蔗糖酶溶液本身含有少量还原性杂质的缘故。因此,用此管作为对照,即可解释上述用淀粉作底物的试管内呈现轻度阳性反应的原因。

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