生化第三章酶

第三章酶
本章要点
生物催化剂——酶：由活细胞产生的、对其底物具有高度特异性和高度催化效能的蛋白质。

一、酶的分子结构与功能
1.单体酶：由单一亚基构成的酶。

（如溶菌酶）
2.寡聚酶：由多个相同或不同的亚基以非共价键连接组成的酶。

（如磷酸果糖激酶-1）
3.多酶复合物（多酶体系）：几种具有不同催化功能的酶可彼此聚合。

（如丙酮酸脱氢酶复
合物）
4.多功能酶（串联酶）：一些酶在一条肽链上同时具有多种不同的催化功能。

（如氨基甲酰
磷酸合成酶Ⅱ）
（一）、酶的分子组成中常含有辅助因子
1.酶蛋白主要决定酶促反应的特异性及其催化机制；辅助因子主要决定酶促反应的性质和
类型。

2.酶蛋白和辅助因子单独存在时均无催化活性，只有全酶才具有催化作用。

3.辅酶与酶蛋白的结合疏松，可以用透析和超滤的方法除去。

在酶促反应中，辅酶作为底
物接受质子或基团后离开酶蛋白，参加另一酶促反应并将所携带的质子或基团转移出去，或者相反。

4.辅基则与酶蛋白结合紧密，不能通过透析或超滤将其除去。

在酶促反应中，辅基不能离
开酶蛋白。

5.作为辅助因子的有机化合物多为B族维生素的衍生物或卟啉化合物，它们在酶促反应中
主要参与传递电子、质子（或基团）或起运载体作用。

金属离子时最常见的辅助因子，约2/3的酶含有金属离子。

6.金属离子作为酶的辅助因子的主要作用
①作为酶活性中心的组成部分参加催化反应，使底物与酶活性中心的必需基团形成正确的空间排列，有利于酶促反应的发生；
②作为连接酶与底物的桥梁，形成三元复合物；
③金属离子还可以中和电荷，减小静电斥力，有利于底物与酶的结合；
④金属离子与酶的结合还可以稳定酶的空间构象。

7.金属酶：有的金属离子与酶结合紧密，提取过程中不易丢失。

8.金属激活酶：有的金属离子虽为酶的活性所必需，但与酶的结合是可逆结合。

（二）、酶的活性中心是酶分子执行其催化功能的部位
1.酶的活性中心（活性部位）：酶分子中能与底物特异地结合并催化底物转变为产物的具有特定三维结构的区域。

2.酶的必需基团：酶分子氨基酸残基的侧链中与酶活性密切相关的化学基团。

3.有的必需基团位于酶的活性中心内，有的必需基团位于酶的活性中心之外。

4.
5.酶活性中心内的这些必需基团在一级结构上可能相距较远，但在空间结构上互相接近，共同组成酶的活性中心。

辅助因子常参与酶活性中心的组成。

6.酶活性中心具有三维结构，往往形成裂缝或凹陷。

这些裂缝或凹陷由酶的特定空间构象所维持，深入到酶分子内部，且多由氨基酸残基的疏水基团组成，形成疏水“口袋”。

7.酶活性中心外的必需基团虽然不直接参与催化作用，却为维持酶活性中心的空间构象和（或）作为调节剂的结合部位所必需。

（三）、同工酶催化相同的化学反应
1.同工酶：催化相同的化学反应，但酶蛋白的分子结构、理化性质乃至免疫学性质不同的一组酶。

2.同工酶是长期进化过程中基因趋异的产物，因此从分子遗传学角度同工酶也可解释为“由不同基团或复等位基因编码，催化相同反应，但呈现不同功能的一组酶的多态型。

”
3.由同一基因转录的mRNA前提经过不同的剪接过程，生成的多种不同mRNA的翻译产物（一系列酶）也属于同工酶。

4.同一个体不同发育阶段和不同组织器官中，编码不同亚基的基因开放程度不同，合成的亚基种类和数量也不同，这使得某种同工酶在同一个体的不同组织，以及同一细胞的不同亚细胞结构的分布也不同，形成不同的同工酶谱。

二、酶的工作原理
酶与一般的催化剂一样，在化学反应前后都没有质和量的改变。

它们都只能催化热力学允许的化学反应；只能加速反应的进程，而不改变反应的平衡点，即不改变反应的平衡常数。

（一）、酶促反应特点
1.酶对底物具有极高的催化效率
2.酶对底物具有高度的特异性
①绝对专一性：有的酶只作用于特定结构的底物分子，进行一种专一的反应，生成一种特定结构的产物。

②相对专一性：有些酶对底物的专一性不是根据整个底物分子结构，而是根据底物分子中特定的化学键或特定的基团，因而可以作用于含有相同化学键或化学基团的一类化合物。

3.酶的活性与酶量具有可调节性
4.酶具有不稳定性
（二）、酶通过促进底物形成过渡态而提高反应速率
1.酶比一般催化剂更有效地降低反应的活化能
①活化分子：只有那些达到或超过一定能量水平的分子，才有可能相互碰撞并进入化学反应过程。

②活化能：在一定温度下，1摩尔反应物从基态转变成过渡态所需要的自由能，即过渡态中间产物比基态反应物高出的那部分能量。

③活化能是决定化学反应速率的内因，是化学反应的能障。

2.酶与底物结合形成中间产物
酶与底物结合的过程是释能反应，释放的结合能是降低反应活化能的主要能量来源。

①诱导契合作用使酶与底物密切结合。

诱导契合作用使得具有相对特异性的酶能够结合一组结构并不完全相同的底物分子，酶构象的变化有利于其与底物结合，并使底物转变为不稳定的过渡态，易受酶的催化攻击而转化为产物。

②邻近效应与定向排列使诸底物正确定位于酶的活性中心。

酶在反应中将诸底物结合到酶的活性中心，使它们相互接近并形成有利于反应的正确定向关系，这种邻近效应与定向排列实际上是将分子间的反应变成类似于分子内的反应，从而提高反应速率。

③表面效应使底物分子去溶剂化。

表面效应：酶的活性中心多形成疏水“口袋”，这样就造成一种有利于酶与其特定底物结合并催化其反应的环境。

酶促反应在此疏水环境中进行，使底物分子脱溶剂化，排除周围大量水分子对酶和底物分子中功能基团的干扰性吸收和排斥，防止水化膜的形成，利于底物与酶分子的密切接触和结合。

3.酶的催化机制呈现多元催化作用
△酶分子所含有的多种功能基团具有不同的解离常数，即使同一种功能基团处于不同的微环境时，解离程度也有差异。

①酸-碱催化作用：酶活性中心上有些基团时质子供体（酸），有些基团时质子受体（碱）。

这些基团参与质子的转移，可使反应速率提高10^2-10^5倍。

②亲核催化：酶活性中心亲核基团（如丝氨酸蛋白酶的Ser—OH等）释放出的电子攻击过渡态底物上具有部分正电性的原子或基团，形成瞬时共价键。

③共价催化：瞬时共价键形成后，底物被激活，并很容易进一步水解形成产物和游离的酶。

④亲电催化：酶活性中心内亲电子基团与富含电子的底物形成共价键。

由于酶分子的氨基酸侧链缺乏有效的亲电子基团，常常需要缺乏电子的辅助因子的参加。

★实际上许多酶促反应常常涉及多种催化机制的参与，共同完成催化反应。

三、酶促反应动力学
1．底物浓度对酶促反应速率的影响呈现矩形双曲线。

⑴米-曼氏方程（米氏方程）：ν= Vmax|S|/(Km+|S|)
①|S|<<Km时，一级反应；|S|>>Km时，零级反应。

②米氏方程的前提
a.反应时单底物反应
b.测定的反应速率为初速率（即指反应刚刚开始，各种影响因素尚未发挥作用时的
酶促反应速率）
c.当|S|<<Km时，在初速率范围内，底物的消耗很少（<5%），可以忽略不计。

⑵Km与Vmax是重要的酶促反应动力学参数
①Km值等于酶促反应速率为最大速率一半时的底物浓度
②Km值时酶的特征性常数：Km值的大小并非固定不变，它与酶的结构、底物结构、反
应环境的pH、温度和离子强度有关，而与酶浓度无关。

③Km在一定条件下可表示酶对底物的亲和力
a.Km越大，表示酶对底物的亲和力越小；Km越小，酶对底物的亲和力越大。

b.并非所有的酶反应都是K3<<K2，有时甚至K3>>K2，这时的Km不能表示酶对底物
的亲和力。

④Vmax是酶被底物完全饱和时的反应速度
⑤酶的转换数（单位s^-1）：当酶被底物完全饱和时（Vmax），单位时间内每个酶分子（或
活性中心）催化底物转变成产物的分子数。

⑶Km和Vmax常通过林-贝作图法（双倒数作图法）求取
2．底物足够时酶浓度对酶促反应速率的影响呈直线关系
3．温度对酶促反应速率的影响具有双重性
①酶的最适温度：酶促反应速率达最大时的反应系统的温度。

②酶的最适温度不是酶的特征性常数，它与反应时间有关。

4．pH通过改变酶分子及底物分子的解离状态影响酶促反应速率
①原因：酶分子中的许多极性基团，在不同的pH条件下解离状态不同，酶活性中心的某些必需基团往往仅在某一解离状态时才最容易同底物结合或具有最大的催化活性。

许多具有可解离基团的底物和辅酶的荷电状态也受pH改变的影响，从而影响酶对它们的亲和力。

此外，pH还可影响酶活性中心的空间构象，从而影响酶的活性。

②酶促反应的最适Ph：酶催化活性最高时反应体系的pH。

③酶的最适Ph也不是酶的特征性常数，它受底物浓度、缓冲剂种类与浓度以及酶的纯度等因素的影响。

5．抑制剂可降低酶促反应速率
△酶的抑制剂：凡能使酶活性下降而不引起蛋白质变性的物质。

⑴不可逆性抑制剂与酶共价结合：不可逆抑制剂和酶的活性中心的必需基团共价结合，使酶失活。

⑵可逆性抑制剂与酶非共价结合：遵守米氏方程。

①竞争性抑制剂与底物竞争结合酶的活性中心
②非竞争性抑制剂结合活性中心之外的调节位点
Vmax 不变降低降低
6．激活剂可提高酶促反应速率
（1）酶的激活剂：使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加的物质。

a.必需激活剂：大多数金属离子激活剂对酶促反应是必不可少的，否则将测不到酶的活性。

b.非必需激活剂：有些酶即使激活剂不存在时，仍有一定的催化活性，激活剂则可使其活性增加。

★必需激活剂参加酶与底物或与酶-底物复合物结合反应，但激活剂本身不转化为产物；非必需激活剂通过与酶或底物或酶-底物复合物结合，提高酶的活性。

四、酶的调节
（一）、酶活性的调节是对酶促反应速率的快速调节
1.别构效应剂通过改变酶的构象二调节酶活性（如血红蛋白）
2.酶的化学修饰调节是通过某些化学基团与酶的共价可逆结合来实现的（如磷酸化和去磷酸化）
3.酶原需要通过激活过程才能产生有活性的酶
a.酶原（一种无活性的酶前体）：有些酶在细胞内合成或初分泌、或在其发挥功能前处于无活性状态。

b.酶原的激活：酶原向酶的转变过程。

c.酶原激活的实质:酶的活性中心形成或暴露。

（二）、酶含量的调节是对酶促反应速率的缓慢调节
1．酶蛋白的合成可被诱导或阻遏
a.诱导物：在转录水平上能促进酶合成的物质。

b.诱导作用：诱导物诱发酶蛋白合成的作用。

c.辅阻遏物：在转录水平上能减少酶蛋白合成的物质。

d.阻遏作用：辅阻遏物与无活性的阻遏蛋白结合而影响基因的转录。

e.一旦酶被诱导合成后，即使去除诱导因素，酶的活性仍然持续存在，直到该酶被降解或抑制。

f.与酶活性的调节相比，酶合成的诱导与阻遏是一种缓慢而长效的调节。

2．酶的降解与一般蛋白质降解途径相同
①组织蛋白降解的溶酶体途径（非ATP依赖性蛋白质降解途径）：由溶酶体内的组织蛋白酶非选择性催化分解一些膜结合蛋白、长半寿期蛋白质和细胞外的蛋白。

②组织蛋白降解的胞质途径（ATP依赖性蛋白质降解途径）：主要降解异常或损伤的蛋白质，以及几乎所有短半寿期（10min-2h）的蛋白质。

五、酶的分类与命名
（一）、酶可根据其催化的反应类型予以分类
1.氧化还原酶类（如乳酸脱氢酶）
2.转移酶类（如氨基转移酶）
3.水解酶类
4.裂合酶类（如醛缩酶）
5.异构酶类（如磷酸己糖异构酶）
6.合成酶类（如DNA连接酶）
（二）、每一种酶均有其系统名称和推荐名称
六、酶与医学的关系
（一）、酶与疾病的发生、诊断及治疗密切相关
1.许多疾病与酶的质和量的异常相关
①酶的先天性缺陷是先天性疾病的重要病因之一（如酪氨酸酶缺乏引起白化病）
②一些疾病可引起酶活性或量的异常
2.体液中酶活性的改变可作为疾病的诊断指标
3.某些酶可作为药物用于疾病的治疗
①有些酶作为助消化的药物（如胃蛋白酶）
②有些酶用于清洁伤口和抗炎（如胰蛋白酶）
③有些酶具有溶解血栓的疗效（如链激酶）
（二）、酶可作为试剂用于临床检验和科学研究
1.有些酶可作为酶偶联测定法中的指示酶或辅助酶
2.有些酶可作为酶标记测定法中的标记酶
3.多种酶称为基因工程的工具酶
1．金属离子作为辅助因子的作用有哪些?
答：①作为酶活性中心的催化基团参加反应。

②作为连接酶与底物的桥梁，便于酶对底物起作用。

③为稳定酶的空间构象所必需。

④中和阴离子，降低反应的静电斥力。

2．酶与一般催化剂相比有何异同?
答：A.相同点：①反应前后无质和量的改变；
②只催化热力学允许的反应；
③不改变反应的平衡点；
④作用的机理都是降低反应的活化能。

B.不同点：①酶的催化效率高；
②对底物有高度特异性；
③酶在体内处于不断的更新之中；
④酶的催化作用受多种因素的调节；
⑤酶是蛋白质，对热不稳定，对反应的条件要求严格。

3．酶蛋白与辅助因子的相互关系如何?
答：①酶蛋白与辅助因子一同组成全酶，单独哪一种均无催化活性。

②一种酶蛋白只能结合一种辅助因子形成全酶，催化一定的化学反应。

③一种辅助因子可与不同酶蛋白结合成不同的全酶，催化不同的化学反应。

④酶蛋白决定反应的特异性，而辅助因子具体参加化学反应，决定酶促反应的性质。

4．酶的必需基团有哪几种，各有什么作用？
答：酶的必需基团有活性中心内的必需基团和活性中心外的必需基团。

活性中心内的必需基团有催化基团和结合基团。

催化基团使底物分子不稳定，形成过渡态，并最终将其转化为产物。

结合基团与底物分子相结合，将其固定于酶的活性中心。

活性中心外的必需基团为维持酶活性中心的空间构象所必需。

5．举例说明酶的三种特异性。

答：①绝对特异性：有的酶只能作用于特定结构的底物，进行一种专一的反应，生成一种特定结构的产物。

这种特异性称为绝对特异性。

例如，脲酶只水解尿素。

②相对特异性：有一些酶的特异性相对较差，这种酶作用于一类化合物或一种化学键，这种不太严格的选择性称为相对特异性。

例如，脂肪酶水解脂肪和简单的酯，蛋白酶水解各种蛋白质的肽键等。

③立体异构特异性：一种酶仅作用于立体异构体中的一种，酶对立体异构物的这种选择性称为立体异构特异性。

例如，乳酸脱氢酶只作用于L-乳酸，而不催化D-乳酸。

6．简述“诱导契合假说”。

答：酶在发挥其催化作用之前，必须先与底物密切结合。

这种结合不是锁与钥匙式的机械关系，而是在酶与底物相互接近时，其结构相互诱导、相互变形和相互适应，这一过程称酶-底物结合的诱导契合假说。

酶的构象改变有利于与底物结合；底物也在酶的诱导下发生变形，处于不稳定状态，易受酶的催化攻击。

这种不稳定状态称为过渡态。

过渡态的底物与酶的活性中心结构最相吻合。

从而降低反应的活化能
1.比较三种可逆性抑制作用的特点
答：①竞争性抑制：抑制剂的结构与底物结构相似，共同竞争酶的活性中心。

抑制作用大小与抑制剂和底物的浓度以及酶对它们的亲和力有关。

K m升高，V max不变。

②非竞争性抑制：抑制剂与底物结构不相似或完全不相同，只与酶活性中心以外的必需
基团结合。

不影响酶在结合抑制剂后与底物的结合。

该抑制作用的强弱只与抑制剂
的浓度有关。

K m不变，V max下降。

③反竞争性抑制：抑制剂只与酶－底物复合物结合，生成的三元复合物不能解离出产物。

K m和V max均下降
抑制类型
竞争性抑制非竞争性抑制反竞争性抑制
与I结合的组分K m与V max变化双倒数直线E
K m↑，V max不变，
汇集于纵轴，截距为
1/V max
E、ES
K m不变，V max↓
汇集于纵轴，截距为
–1/K m
ES
K m↓，V max↓
平行线
2.如何理解必需基团与酶活性中心的相互关系？
答：酶是蛋白质，其分子比底物要大得多。

在反应过程中，酶与底物接触只限于酶分子上与酶活性密切相关的较小区域。

在此区域中，集中于与酶活性密切相关的基团，此基团称为必需基团或活性基团。

根据必需基团在酶活性中的作用不同，又可分为结合基团和催化基团，前者使酶与底物结合，后者催化底物反应。

有的必需基团既具有结合功能也有催化功能。

酶学上将这些必需基因比较集中并构成一定空间构象，直接参与酶促反应的区域叫做酶的活性中心或活性部位。

对单纯蛋白酶来讲，其活性中心就是由肽键上某些氨基酸残基组成，这些氨基酸残基，在蛋白质一级结构中可能彼此相距甚远，但经过肽链的折叠、卷曲等构象变化，使其相互集中形成三维构象成为活性中心。

结合蛋白酶的活性中心的组成既有肽链上的某些氨基酸，又有辅助因子参加。

除组成酶活性中心的必需基团之外，尚有活性中心外的必需基团，这些基团主要与维持酶的空间构象有关；某些酶的空间构象的改变能影响酶活性。

3.简述K m和V max的意义。

答：K m：①K m值等于酶促反应速度为最大速度一半时的底物浓度。

②当ES解离成E和S 的速度大大超过分解成E和P的速度时，K m值近似于ES的解离常数K s。

在这种情况下，K m值可用来表示酶对底物的亲和力。

此时，K m值愈大，酶与底物的亲和力愈小；K m值愈小，酶与底物的亲和力愈大。

K s值和K m值的涵义不同，不能互相代替使用。

③K m值是酶的特性常数之一，只与酶的结构、酶所催化的底物和外界环境(如温度、pH、离子强度)有关,与酶的浓度无关。

各种酶的K m值范围很广，大致在10-2~10mmol/L之间。

V max：是酶完全被底物饱和时的反应速度。

如果酶的总浓度已知，便可从V max计算酶的转换数。

其定义是：当酶被底物充分饱和时，单位时间内每个酶分子(或活性中心)催化底物转变为产物的分子数。

对于生理性底物，大多数酶的转换数在1~104／秒之间。

4.举例说明竞争性抑制作用在临床上的应用。

答：以磺胺类药物为例，①对磺胺类药物敏感的细菌在生长繁殖时，不能直接利用环境中的叶酸，而是在菌体内二氢叶酸合成酶的催化下，以对氨基苯甲酸为底物合成二氢叶酸。

二氢叶酸是核苷酸合成过程中的辅酶之一四氢叶酸的前体。

②磺胺类药物的化学结构与对氨基苯甲酸相似，是二氢叶酸合成酶的竞争性抑制剂，抑制二氢叶酸的合成。

细菌则因核苷酸乃至核酸的合成受阻而影响其生长繁殖。

人类能直接利用食物中的叶酸，体内的核酸合成不受磺
胺类药物的干扰。

③根据竞争性抑制的特点，服用磺胺类药物时必须保持血液中药物的高浓度，以发挥其有效的竞争性抑菌作用。

许多属于抗代谢物的抗癌药物，如氨甲蝶呤(MTX)、5-氟尿嘧啶(5-Fu)、6-巯基嘌呤(6-MP)等，几乎都是酶的竞争性抑制剂，它们分别抑制四氢叶酸、脱氧胸苷酸及嘌呤核苷酸的合成，以抑制肿瘤的生长。

5.说明温度对酶促反应速度的影响及其使用价值。

答：酶是生物催化剂，温度对酶促反应速度具有双重影响。

升高温度一方面可加快酶促反应速度，但同时也增加酶变性的机会，又使酶促反应速度降低。

温度升高到60℃以上时，大多数酶开始变性；80℃时，多数酶的变性已不可逆。

综合这两种因素，酶促反应速度最快时的环境温度为酶促反应的最适温度。

在环境温度低于最适温度时，温度加快反应速度这一效应应起主导作用，温度每升高10℃，反应速度可加大1～2倍。

温度高于最适温度时，反应速度则因酶变性而降低。

临床上低温麻醉就是利用酶的这一性质以减慢组织细胞代谢速度，提高机体对氧和营养物质缺乏的耐受性，利于手术治疗。

低温保存生物制品和菌种也是基于这一原理。

生化实验中测定酶的活性时，应严格控制反应液的温度。

酶制剂应保存在冰箱中，从冰箱取出后应立即应用，以免因酶的变性而影响测定结果。

6.简述酶与医学的关系。

答：许多疾病发生与发展与酶的质和量的异常或酶受到抑制有关。

细胞内酶的改变可以通过血清酶的测定予以反映。

许多药物通过对细菌或人体内酶的作用达到治疗目的。

酶还可以作为诊断试剂和药物对某些疾病进行诊断与治疗。

酶还可作为工具酶或制成固定化酶用于科学研究；抗体酶是人工制造的兼有抗体和酶活性的蛋白质，具有广阔的开发前景。

第三章复习要点
1. 结合酶、辅酶、辅基。

2. 金属激活酶和金属酶。

3. 多酶复合物和多功能酶。

4. 同工酶定义及特征（结合第二篇）
5. 酶的活性中心及结构特征。

6. 米-曼氏方程式，Ｋm ，Vmax。

7. 酶的可逆抑制作用和不可逆抑制作用。

8. 竞争性抑制剂、非竞争性抑制剂、反竞争性抑制剂。

9. 变构酶、酶的共价修饰与酶活性调节（结合第二篇）
10. 酶原和酶原的激活。

11. 酶作用的特点。

12. 酶催化作用机制。

13. 影响酶促反应速率的因素。

14. 举例说明酶与疾病的关系（结合第二篇）。