第二章 酶1

三、酶活性的调节
影响酶促反应速度的因素包括： 底物浓度、酶浓度、pH、温度、抑制剂、激活剂等。
参与酶活性调控方式包括：
基因表达调控、激素、反馈抑制、蛋白酶激活、可逆共价修 饰、别构调节等。
（一）共价修饰
1.不可逆共价修饰：蛋白酶解激活
酶原与酶原的激活
有些酶在细胞内合成或初分泌时只是酶的无活性前体， 必须在一定条件下，这些酶的前体水解一个或几个特定的 肽键，致使构象发生改变，表现出酶的活性。这种无活性 酶的前体称为酶原（zymogen）。 酶原向酶的转化过程称为酶原的激活。酶原的激活实 际上是酶的活性中心形成或暴露的过程。
协同效应： 寡聚酶（几个亚基）中，每个亚基的一个结合部位， 一旦一个效应物结合以后，会引起（诱导）酶分子构 象变化，使得酶分子上的电子分布被改变， 结果是使 后面的配体对酶的亲和力发生相应的改变。 如果一个效应物结合以后，后面的配体更容易结合，则 为正协同效应。 如果一个效应物结合以后，面后的配体更难结合，则为 负协同效应。 但同促协同效应一般为正协同效应。
（一）不可逆抑制作用： 抑制剂与酶分子的必需基团共价结合引 起酶活性的抑制，且不能采用透析等简 单方法使酶活性恢复的抑制作用就是不 可逆抑制作用。 酶的 不可 逆抑制 作用包 括专一 性抑制 （如有机磷农药对胆碱酯酶的抑制）和 非专一性抑制（如路易士气对巯基酶的 抑制）两种。
（二）可逆抑制作用： 抑制剂以非共价键与酶分子可逆性 结合造成酶活性的抑制，且可采用 透析等简单方法去除抑制剂而使酶 活性完全恢复的抑制作用就是可逆 抑制作用。 可逆抑制作用包括竞争性、反竞争 性、和非竞争性抑制几种类型。
断裂或形成 酶活性中心外的必需基团：维持酶活性中心的空间构象
（三）酶促反应的特点与机制
一、酶促反应的特点 （一）酶促反应具有极高的效率 酶通过其特有的作用机制，比一 般催化剂更有效地降低反应的活 化能，使底物只需较少的能量便
可进入活化状态。
酶促反应的特点
（二）酶促反应具有高度的特异性（specificity）（专一性） 即一种酶仅作用于一种或一类化合物，或一定的化学键， 催化一定的化学反应并产生一定产物。 1、绝对特异性（absolute specificity） 2、相对特异性（relative specificity） 3、立体异构特异性（stereospecificity）
5. 可用来确定酶活性测定时所需的底物 浓度：当[S]=10Km时，ν = 91%Vmax，此 时即为最合适的测定酶活性所需的底物 浓度。
（一）过渡态、活化能、结合能
在化学反应中，只有活化分子才能进行反应。

酶催化时，酶活性中心首先与底物结合生成 一种酶 - 底物复合物（ ES ），此复合物再分解 释放出酶，并生成产物。
第二章 酶
一、酶的一般特性
（一）概念： 迄今为止，发现的两类生物催化剂： 酶（enzyme）是由活细胞合成的、对其特异底物起高效 催化作用的蛋白质，是机体内催化各种代谢反应最主要 的催化剂； 核酶（ribozyme）是具有高效、特异催化作用的核酸， 是近年来发现的一类新的生物催化剂，其作用主要参与 RNA的剪接。
2. Km 可以反映酶与底物亲和力的大小。 Km 越小，酶与底物的亲和力越大。 3. Km 是酶的特征性常数：在一定条件下， 某种酶的 Km 值是恒定的，因而可以通过测定 不同酶（特别是一组同工酶）的Km值，来判 断是否为不同的酶。 4. Km 可用来判断酶的最适底物：当酶有几 种不同的底物存在时，通过测定酶在不同底 物存在时的 Km 值， Km 值最小者，即为该酶的 最适底物。
（二）别构调节（变构调节）
别构酶（变构酶）都是由多个亚基组成的寡聚酶，分子 中有两个重要的结构部位：一个为结合和催化底物的活性 中心；另一个是结合代谢物的别构中心。这两个活性部位 既可位于不同的亚基上，也可以位于同一亚基的不同结构 区域。
当酶的别构中心可逆地结合了某一别构剂以后，可引起 酶分子的构象改变，进而影响酶与底物的亲和力，导致酶 促反应发生变化，这种作用称为酶的变构效应，这种酶称 为别构酶。
胰 蛋 白 酶 原 的 激 活
酶原的激活的重要生理意义：
（1）保护酶的分泌器官本身不受酶的消化；
（2）保证酶在其特点的部位与环境发挥其催化作用； （3）酶原还可以视为酶的贮存形式。
2.可逆共价修饰 化学修饰调节 有些酶，在细胞内另种酶的催化下，酶蛋白肽链上的一些 基团与某种化学基团发生可逆的共价结合，从而改变酶的活 性，以调节代谢途径，这一过程称为酶的共价修饰或化学修 饰。 酶的共价修饰包括磷酸化与脱磷酸化、乙酰化与脱乙酰 化、甲基化与脱甲基化、腺苷化与脱腺苷化等等。 其中以磷酸化修饰最为常见：磷酸化由蛋白激酶催化完成； 去磷酸化由蛋白磷酸酶催化完成。
3.亲核催化（共价催化）
酶利用其富电子的亲核基团攻击底物缺少电子的亲电子 中心，二者结合形成共价中间物，以稳定过渡态。
4.亲电催化
酶利用缺少电子的亲电子体，攻击底物富电子的亲核中 心。如某些酶利用其金属离子作为亲电子体。
5.静电效应 阳离子过渡态的正电荷（正碳离子）可被酶活性中心 带负电荷的Asp、Glu侧链稳定；阴离子过渡态的负电荷 （氧阴离子）可被酶活性中心带正电荷的Arg、Lys侧链及 金属离子稳定。
pH对酶促反应速度的影响


人体内大多数酶的最适pH在6.5～ 8.0之间。 酶的最适pH不是酶的特征性常数。 pH对酶促反应速度的影响，其原因 主要是由于pH的改变导致了酶的催 化基团以及底物分子的解离状态改 变或者导致了酶蛋白的变性。
五、抑制剂对反应速度的影响


凡是能降低酶促反应速度，但不引起 酶分子变性失活的物质统称为酶的抑制 剂(inhibitor)。 按照抑制剂的抑制作用，可将其分为 不 可 逆 抑 制 作 用 (irreversible inhibition) 和 可 逆 抑 制 作 用 (reversible inhibition)两大类。
6.诱导契合
酶蛋白结合底物时，构象发生变化，不仅使活性中 心的功能基团获得必需的空间位置，而且为形成稳定的 过渡态提供必要的次级键。 酶-底物复合物的形成与诱导契合假说
诱导契合假说


酶与底物相互接近时，其结构相互诱导、相互 变形、相互适应，进而相互结合。 当底物与酶接近时，结构上才相互诱导适应， 酶与底物的结构均有形变。酶在底物的诱导下 活性中心的某些氨基酸残基或基团获得正确的 空间定位，其活性中心进一步形成，以利于底 物的结合与催化。这种因底物诱导而产生的酶 构象的变化称为酶作用的诱导契合假说 (induced-fit hypothesis)



（二）酶促反应的机制
1、邻近效应 底物与酶形成复合物后，使反应基团在空间上型号靠近， 而使有效浓度极大提高。因此，酶促反应动力学与分子内 反应相似。 2.一般酸碱催化： 化学键的断裂和形成需要转移电子。通过酶促反应是通过 某种方式增加反应基团固有的亲核性或亲电子性，如在酶 的活性中心基团上增加或去除电子。
（四）酶活性测定与酶活性单位
酶的活性：是指酶催化化学反应的能力，其衡量标准是酶促 反应速度的大小。 酶的活性单位：是衡量酶活力大小的尺度，它反映在规定条 件下，酶促反应在单位时间（s、min或h）内生成一定量（mg、 μg、μmol）的产物或消耗一定数量的底物所需的酶量。 1976年国际生化学会（IUB）酶学委员会规定： 在特定的条件下，每分钟催化 1 μmol底物转化为产物所需的 酶量为一个国际单位（IU）。
酶是催化剂 酶是使化学反应加速， 本身不发生变化， 不被消耗的物质。
（二）酶的分子组成和结结构
酶按其分子组成可分为： 单纯蛋白酶（simple enzyme）：
仅由氨基酸残基构成的酶，如一些蛋白酶、淀粉酶、脲酶等。
结（缀）合蛋白酶（conjugated enzyme）：
由蛋白部分（酶蛋白apoenzyme）-（决定催化作用的线，呈S型曲线。 意义：底物浓度有微小的变化 可引起反应速度的巨大变化。 有利于在较低的底物浓度下调 节细胞代谢。
（三）酶含量的调节


酶含量的调节是指通过改变细胞中酶蛋白合成 或降解的速度来调节酶分子的绝对含量，影响其 催化活性，从而调节代谢反应的速度。 酶含量的调节是机体内迟缓调节的重要方式。
酶促反应的特点
（三）酶促反应的可调节性 酶促反应受多种因素的调控，以适应机体不断变化的 内外环境和生命活动的需要。 调节酶活性的方式很多，诸如变构调节、共价修饰调 节、酶生物合成的诱导和阻遏等。 (四)酶易失活（变性）能使蛋白质变性的因素都会使酶失活。
酶促反应的特点
（一）酶促反应具有极高的效率
（二）酶促反应具有高度的特异性（specificity） （三）酶促反应的可调节性 （四）酶易失活
比活力：活力单位数/mg = u/mg, 也是指酶的纯度， 达到极限值时为已纯化到均一程度。
转换数：酶的催化常数。在一定条件下每秒钟每个酶分 子转换底物的分子数。
米氏方程
Vmax为最大反应速度 [S]为底物浓度 Km为米氏常数
Vmax[ S ] V K m [S ]
Km和意义：
1. 当ν =Vmax/2时，Km=[S]。因此，Km等于酶促 反应速度达最大值一半时的底物浓度。
和非蛋白部分（辅助因子 cofactor）-（传递氢、电子、基团）组成。
关系：一种酶蛋白只与特定的辅助因子结合形成全酶的形式，而一种辅 助因子可以是许多酶蛋白的辅助因子，协助催化同一反应类型。



辅助因子可以是金属离子或小分子有机 化合物。 辅酶（coenzyme）：与酶蛋白结合疏 松，可以用透析或超滤的方法除去。 辅基（prosthetic group）：与酶蛋白 结合紧密，不易除去。
（一）酶蛋白合成的调节：



酶蛋白的合成速度通常通过一些诱导剂或阻遏剂来进行 调节。凡能促使基因转录增强，从而使酶蛋白合成增加 的物质就称为诱导剂；反之，则称为阻遏剂。 酶的底物对酶蛋白的合成具有诱导作用；代谢终产物对 酶的合成有阻遏作用 。 激素可以诱导关键酶的合成，也可阻遏关键酶的合成 。
（二）酶蛋白降解的调节：
温度对酶促反应速度的影响


酶的最适温度与实验条件有关，因 而它不是酶的特征性常数。 低温时由于活化分子数目减少，反 应速度降低，但温度升高后，酶活 性又可恢复。
四、pH对反应速度的影响


观察 pH 对酶促反应速度的影响， 通常为一“钟形”曲线，即pH过高 或过低均可导致酶催化活性的下降。 酶催化活性最高时溶液的 pH 值就 称为酶的最适pH。
S + E
SE
S + P

基态：反应物在反应前的能量状态。
过渡态（活化态）：反应物在反应途径中能量最高、最不 稳定的形式，此时的正在发生化学键的断裂或形成。 活化能：在一定温度下1mol底物全部进入活化状态所需 的自由能，等于过渡态和基态的自由能差。 结合能：是形成酶-底物复合物过程中释放的能量，主要 来自酶和底物之间结合的次级键，每个次级键的形成都释 放出少量的自由能。这是降低酶促反应活化能和形成稳定 过渡态的主要能量来源。

通过调节酶的降解速度以控制酶的活性。
补充：影响酶反应速度的因素
二、酶浓度对反应速度的影响

当反应系统中底物的浓度足够大时， 酶促反应速度与酶浓度成正比，即 ν =k[E]。
三、温度对反应速度的影响


一般来说，酶促反应速度随温度的增高 而加快。但当温度增加达到某一点后， 由于酶蛋白的热变性作用，反应速度迅 速下降，直到完全失活。 酶促反应速度随温度升高而达到一最 大值时的温度就称为酶的最适温度。
金属辅助因子的作用
1、作为酶活性中心的催化基团参与催化反应、传递 电子；
2、作为连接酶与底物的桥梁，便于酶对底物起作用；
3、稳定酶的构象所必需；
4、中和阴离子，降低反应中的静电斥力。
酶的活性中心
必需基团（essential group）：酶分子中与酶活性密切相关的 基团。 活性中心（active center）必需基团在空间结构上彼此靠近， 组成具有特定空间结构的区域，能与底物特异地结合并将底 物转化为产物。 结合基团（部位） 结合底物 酶活性中心内的必需基团 催化基团（部位）催化化学键