研究生酶学1

为什么酶能有效地降低反应的活化能呢？这是因为

（1）酶与底物的邻近效应（Proximity）和定向效应（Orientation）。邻近效应是指A和B两个底物分子结合在酶分子的活性部位上，使得反应基团相互靠近，从而降

低了进入过渡态所需的能量，这种效应称为邻近效应。邻近效应大大增加了反应物的

有效浓度。底物有效浓度大，自然反应速度加快。定向效应是指当底物结合在酶活性

中心时，反应基团沿一定的方向相互靠近，使反应基团的分子轨道发生交叉，进入过

渡态。定向效应给反应基团分子轨道交叉提供了良好的条件。这是在溶液中由于分子

随机接触而进入过渡态所不能比拟的。

（2）酶与底物相互诱导的扭曲变形（strain或distortion）以及构象变化。我们知道过渡态分子是不稳定的，其中某些化学键是处于伸展或变形之中。反应物要达到过

渡态的化学键状态是需要能量的。酶活性部位与底物结合，可使底物的某些敏感键发

生变形，从而使底物分子更接近于过渡态。底物分子的变形可能是发生在底物与酶结

合时，为了很好地契合，底物的构象有了小的变化，也可能是由于底物诱导酶改变构

象之后随之而得的一个结果。总之，酶活性部位的某些基团或离子，使底物敏感键的

某些基团的电子云发生改变，即底物发生构象改变，形成互相契合的酶底物复合物。

（3）广义的酸碱催化，共价催化以及酶活性中心微环境的影响。酶活性中具有相

互的催化基团，这些基团可以参与催化反应，其具体的催化机理后面章节会专门讲到

的。此外，酶活性中心的微环境有利于特定的催化翻译能够进行。

在一个具体的酶催化反应中，上述因素往往是同时起作用，从而表现出酶催化功

能的高效性，这是一般化学催化剂所无法比拟的。

酶特异性的类型

一般来讲，一种物质能否成为某种酶的底物，必须具备两个条件，一是分子上具

有被酶作用的化学键，二是该分子应具有一个或多个结合基团与酶活性中心结合，并

使其敏感键对准酶的催化基团。

一般来说，酶的底物特异性一般可分为下列类型

（A）反应特异性（reaction specificity）：指酶只催化某一特定类型的反应，如氧

化作用（oxidation），转氨作用（transamination）等。

（B）底物特异性（substrate specificity）：指酶通常只选择性地与一组化学上相似

的分子中一种或一对分子发生有效地结合，如谷氨酸脱氨酶与氨基酸中谷氨酸有效地

结合，麦芽糖酶只作用于麦芽糖，脲酶只作用于尿素。后两者又称绝对专一性结合（absolute specificity）

（C）立体化学特异性（stereochemical specificity或stereospecificity）如果底物分子存在多种立体异构体（stereoisomers），它们中仅一种立体构性分子能有效地与酶

活性中心结合。如精氨酸酶只水解L-Arg，而不作用于D-Arg，乳酸脱氨酶只作用于L-乳酸。葡萄糖代谢中的酶仅作用于D-葡萄糖残基分子。反丁烯乙酸酶只作用于反丁

烯二酸，而不作用于顺反丁烯二酸等。反应特异性通常是由于酶活性位点内特异催化

基团的特殊性质决定的。底物特异性则是由酶活性位点内的接触残基和结合基团的作

用决定的。而立体特异性则需要酶活性部位的基团与底物分子在各个位置上相互作用。

生命现象表现了其内部反应过程的有序性，这种有序性是受多方面因素调节和控

制的。而酶活性的调控又是代谢调节作用的主要方式。酶活性调节主要有7种方式：1）、酶浓度调节

酶浓度调节主要表现在两个方面：一是诱导或抑制酶的合成，另一是调节酶的降

解。例如，β-半乳糖苷酶的合成，平时是处于被阻遏状态，当乳糖存在时，半乳糖苷

酶基因活化，诱导酶的合成。另一个方面各种酶在细胞内都有一定的寿命，最后都能

被蛋白酶降解掉，酶的降解也是对酶作用的一种调节方式。

2）、信号诱导调节

当外界信号分子与细胞膜上的受体作用后，可调节细胞内的酶蛋白的合成。比如乳糖合成酶有两个亚基：催化亚基和修饰亚基，催化亚基本身不能合成乳糖，但当它

与修饰亚基结合后，则可催化半乳糖和葡萄糖反应生成乳糖。修饰亚基的水平则是由

激素控制的妊娠时，修饰亚基在乳腺中生成，分娩时，由于激素水平急剧地变化，修

饰亚基大量地合成，与催化亚基结合后，即合成大量的乳糖。

3）、酶活力的调节

细胞内新合成的新生酶许多是无活性的前体（即酶原）形式存在。一旦生理需要，才通过限制性水解作用使酶原转变为具有生物活性的酶。这个过程也称为酶原激活。

例如胰蛋白酶原在小肠里被其它蛋白水解酶作用，切除一个六肽后，活化成胰蛋白酶。

4）、共价修饰调节

共价修饰调节本身也是通过酶催化来进行的，即在一个酶分子上，共价地引入一个基团从而改变它的活性，引入的基团又可能被另一个酶催化除去。例如磷酸化酶的

磷酸化和去磷酸化；大肠杆菌谷氨酸胺合成酶的腺苷酸化和去腺苷酸化都是以这种方

式来调节它们的活性。

5）、抑制剂的作用

酶活性可受到大分子或小分子抑制剂的抑制，从而影响酶活力。如抑肽酶可抑制胰蛋白酶的活性，2，3-二磷酸甘油可抑制磷酸变位酶的活性。

6）、反馈作用

在许多合成反应系列中，催化第一步反应的酶活性往往可被终端产物抑制。这种对自我合成的抑制称为反馈抑制。这在生物合成代谢中是常见的现象。例如，异亮氨

酸可抑制异亮氨酸合成代谢通路中的第一个酶-苏氨酸脱氢酶的活性。当异亮氨酸的浓

度降低到一定的水平时，抑制作用解除，合成反应又重新开始。

7）、金属离子的调节作用

一些酶需要K+活化，而Na+则不能活化，有时还有抑制作用。例如L-高丝氨酸脱氢酶，丙酮酸激酶，天门冬氨酸激酶，丙酮酸羧化酶。

另一些酶则需要Na+活化，K+起抑制作用。如蔗糖酶。

酶蛋白有三种组成形式

单体酶（monomeric enzyme）一般是由一条多肽链组成，但有的单体酶则是多条肽链组成，如胰凝乳蛋白酶是由三条肽链组成，肽链间由二硫键相连构成一个整体。这类含有几条肽链的单体酶往往是由一条无活性的前体多肽链（酶原）经活化断裂后形成的。

寡聚酶（oligomeric enzyme）是由两个或两个以上亚基组成的酶，这些亚基可以是相同

的，也可以是不同的。

多酶复合体（multienzyme complex）是由两个或两个以上的酶，靠非共价键连接在一起

而成。其中每一个酶催化一个反应，所有的反应依次连接，构

成一个代谢途径或代谢途径的一部分。由于这一串的反应是在

一个高度有序的多酶复合体内完成，所以反应效率非常高。

多酶融合体（multienzyme conjugate）是指一条多肽链上含有两种或两种以上催化活性

的酶。这往往是基因融合的产物。它们可以是单体酶

的形式，也可以是寡聚酶或多酶复合体的形式存在。

所有的酶被分为六大类（1）氧化还原酶类，（2）转移酶类，（3）水解酶类，（4）裂合酶类，（5）异构酶类，（6）连接酶类。

活性部位的含义