第3章 酶
3.1 复习笔记
一、酶的分子结构与功能
酶是生物系统的反应催化剂，是细胞产生的在体内外均具有高度专一性和催化活性的生物大分子，其化学本质是蛋白质（注：核酶的化学本质是RNA）。
1蛋白酶的分类
（1）酶的国际系统分类（表3-1）
表3-1 酶的分类及反应类型
（2）根据酶蛋白分子的特点分类
①单体酶：由单一亚基构成的酶。
②寡聚酶：由多个亚基（相同或不同）以非共价键连接组成的酶。
③多酶复合物（又称多酶体系）：几种具有不同催化功能的酶彼此聚合形成。
④多功能酶（又串联酶）：在一条肽链上同时具有多种不同催化功能的酶。
（3）依据酶的化学成分
①单纯酶：仅含有蛋白质的酶。
②缀合酶：由蛋白质部分（称为酶蛋白）和非蛋白质部分（称为辅助因子）共同组成。
2酶组成的辅助成分
酶中常含有金属离子或小分子有机化合物等辅助因子。酶蛋白与辅助因子结合形成的复合物称为全酶，只有全酶才有催化作用。
（1）分类
依据辅助因子与酶蛋白结合的紧密程度与作用特点不同将其分为：
①辅酶：与酶蛋白的结合疏松，可以用透析或超滤的方法除去。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。
②辅基：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。
表3-2 辅酶及有关全酶
（2）化学本质
酶的辅助因子多为小分子的有机化合物或金属离子。
①有机化合物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。
②金属离子作为辅助因子的作用主要有以下几点：
a．作为酶活性中心的组成成分；
b．作为连接酶与底物的桥梁；
c．稳定酶的空间构象；
d．中和电荷，减小静电斥力，利于酶和底物的结合。
（3）作用
①维持酶的活性：酶蛋白与辅助因子单独存在时均无催化活性，两者结合在一起称为全酶，只有全酶才具有催化作用。
②辅助因子决定酶促反应的性质和类型；而酶蛋白主要决定酶促反应的特异性及其催化机制。
3酶的活性中心
（1）定义
酶的活性中心又称为活性部位，是指酶分子中氨基酸残基的侧链上的一些必需基团组成的能和底物特异的结合并将底物转化为产物的特定空间结构的区域。辅酶或辅基参与酶活性中心的组成。
①酶活性中心内的必需基团
a．结合基团
结合基团能够结合底物和辅酶，使之与酶形成复合物。
b．催化基团
催化基团能够影响底物中某些化学键的稳定性，催化底物发生反应并将其转变成产物。
（2）酶的活性中心的特点
酶的活性中心是酶分子中具有三维结构的区域，此区域深入到酶分子内部，且多为氨基酸残基的疏水基团组成的疏水环境。
4同工酶
（1）定义
同工酶是指催化相同化学反应，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）同工酶的本质
同工酶是由不同基因编码的多肽链，或由同一基因转录生成的不同mRNA所翻译的不同多肽链组成的蛋白质。
（3）同工酶的分布
同工酶存在于同一种属或同一个体的不同组织或同一细胞的不同亚细胞结构中，它使不同的组织、器官和不同的亚细胞结构具有不同的代谢特征。乳酸脱氢酶（LDH）是最先发现的同工酶。
（4）同工酶的作用
①同工酶谱的改变有助于对疾病的诊断。
②作为遗传标志，用于遗传分析研究。
二、酶的工作原理
1酶促反应的特点
（1）酶促反应具有极高的效率。
（2）酶促反应具有高度的特异性。
①绝对特异性
绝对特异性是指酶对底物要求非常严格，只作用于一种底物，生成一种特定结构的产物的特性。
②相对特异性
相对特异性是指酶对底物要求相对较低，可以作用于结构相似的一类物质的特性。
③立体异构特异性
立体异构特异性是指有些酶仅作用于底物分子的一种立体异构体的特性。
a．光学异构体特异性（举例）
糖代谢的酶类仅作用于D-葡萄糖及其衍生物，对L-葡萄糖及其衍生物则无作用；蛋白质代谢的酶类仅作用于L-氨基酸，对D-氨基酸则无作用。
b．几何异构体特异性（举例）
延胡索酸酶仅催化反丁烯二酸（延胡索酸）与苹果酸之间的裂解反应，对顺丁烯二酸则无作用。
（3）酶促反应具有可调节性。
（4）酶不稳定，受温度、pH等条件影响，易失活，故酶的作用条件温和。
2酶提高反应速率的机制
（1）活化能
酶催化作用的本质是降低反应的活化能。活化能是指在一定温度下，1摩尔反应物从基态分子转变成活化分子所需要的自由能。
（2）形成中间产物
酶催化底物反应时，首先必须与底物结合形成中间产物，酶与底物的特异结合是释能反应，释放的结合能使底物只需较少的能量便可进入过渡态。故活化能降低。
①诱导契合作用
在酶和底物相互接近时，其结构相互诱导、相互变形和相互适应，进而相互结合。
②邻近效应与轨道定向
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，使分子间的反应变为分子内的反应，从而加快反应的速率。
③表面效应
表面效应是底物在酶的活性中心这一疏水环境中脱溶剂化，排除周围大量水分子对酶和底物分子中功能基团的干扰，利于底物与酶分子的接触和结合的效应。
（3）酶的催化机制
①酸-碱催化作用
酸-碱催化作用是指酶活性中心有些基团可以作为质子的供体（酸）或成为质子的接受体（碱）参与质子的转移的作用。
②共价催化作用
共价催化作用是指酶的催化基团在催化过程中通过和底物形成瞬间共价键而将底物激活，并很容易进一步被水解形成产物和游离的酶的作用。
③亲核催化作用
亲核催化作用是指酶活性中心有的基团作为亲核基团提供电子给带有部分正电荷的过渡态中间物，从而加速产物的生成的作用。
④亲电催化
亲电催化与亲核催化相反，该类酶的活性部位含有亲电基团，为电子对的受体，能够从底物中接受电子，并与该底物以共价键结合成不稳定的共价中间物，快速完成反应。
三、酶促反应动力学
酶促反应动力学研究酶促反应速率及其影响因素。这些因素包括酶浓度、底物浓度、pH、温度、抑制剂、激活剂等。
1底物浓度对反应速率影响
底物浓度的变化对反应速率影响的作图呈矩形双曲线（在其他因素不变的情况下）（图3-1）。
图3-1 底物浓度对酶促反应速率的影响
图中：①曲线的a段：当底物浓度很低时，反应速率随底物浓度的增加而升高，呈一级反应；
②曲线的b段：随着底物浓度不断增加，反应速率上升的幅度不断变缓，呈现出一级反应与零级反应的混合级反应；
③曲线的c段：当底物浓度增加到一定值，反应速率达到最大（Vmax），此时的反应可视为零级反应。
（1）米-曼氏方程式
式中，Km为米氏常数，Vmax为最大反应速率，[S]为底物浓度。
①当[S]≪Km时，方程分母中的[S]可以忽略不计，米氏方程可以简化为
此时v与[S]成正比关系，反应呈一级反应（相当于图3-1中曲线的a段）。
②当[S]≫Km时，方程中的Km可以忽略不计，此时v＝Vmax，反应呈零级反应（相当于图3-1中曲线的c段）。
（2）酶促反应动力学参数
①米氏常数Km值
a．Km值等于酶促反应速率为最大反应速率一半时的底物浓度；
b．Km值为酶的特征性常数，Km值大小与酶的结构、底物结构、反应环境的pH、温度和离子强度等有关，而与酶浓度无关；
c．Km值在一定条件下可表示酶对底物的亲和力，如一种酶有几种底物，就有几种Km值，Km值最小的底物称该酶的最适底物。
②Vmax
Vmax指酶被底物完全饱和时的最大反应速率。
③酶的转换数
当酶被底物完全饱和时，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称为酶的转换数（kcat或k3），单位为S－1，酶的转换数可用来表示酶的催化效率。
（3）双倒数法求取Km值和Vmax
双倒数作图法又称为林-贝氏作图法，是最常见的作图法。它将米氏方程式等号两边取倒数，所得到的双倒数方程式称作林-贝氏方程式。
图3-2 双倒数作图法
2酶浓度对反应速率的影响
当底物充足时，酶浓度与反应速率成正比。
3温度对反应速率的影响
（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。其与反应时间有关，不是酶的特征性常数。
（2）温度对酶促反应速率的影响具有双重性。酶促反应时，随着反应体系温度的升高（到达酶的最适温度之前），酶促反应速率增高；达到最适温度以后，继续升温，可能使酶失去活性或者变性，酶促反应速率会下降。
4pH对反应速率的影响
（1）pH影响酶分子中的许多极性基团所带电荷的种类和数量，从而影响酶的催化活性。
（2）pH可以影响许多具有可解离基团的底物和辅酶（如ATP、NAD＋、辅酶A、氨基酸等）的荷电状态，从而影响酶对它们的亲和力。
（3）pH还可影响酶活性中心的空间构象，从而影响酶的活性。
5抑制剂对反应速率的影响
酶的抑制作用分为不可逆性抑制与可逆性抑制两类。
（1）不可逆性抑制剂
不可逆性抑制剂通常和酶活性中心上的必需基团以共价键相结合，使酶失活。此种抑制剂不能用透析、超滤等方法予以去除。
（2）可逆性抑制剂
可逆性抑制剂通过非共价键与酶和（或）酶-底物复合物可逆性结合，使酶活性降低或消失。采用透析或超滤等方法可将抑制剂除去。
①竞争性抑制剂
竞争性抑制剂的化学结构与底物结构相似，与底物竞争酶活性中心，从而阻碍酶与底物的结合机会。
②非竞争性抑制剂
非竞争性抑制剂与底物之间无竞争性，但与酶活性中心以外的部位结合。酶与底物结合后，还可与抑制剂结合；酶和抑制剂结合后，也可再同底物结合，可形成三元复合物（ESI）。ESI形成后就不能分解为产物，因此影响反应速度。
③反竞争性抑制剂
酶必须与底物结合后，才与抑制剂结合，使中间产物ES的量下降，这种抑制作用称为反竞争性抑制作用。这类抑制很少见。
表3-3 三种可逆性抑制作用的速度方程和常数
图3-3 三类可逆抑制的双倒数作图
6激活剂可加快酶促反应速率
（1）激活剂的定义
激活剂是指使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加的物质。激活剂大多为金属离子，如Mg2＋、K＋、Mn2＋等；少数为阴离子，如Cl－等。也有许多有机化合物激活剂，如胆汁酸盐等。
（2）激活剂的分类
①必需激活剂
必需激活剂是指酶促反应中不可缺少的、酶的活性产生所必需的一类激活剂。它们与酶、底物或酶-底物复合物结合参加反应，但不转化为产物。Mg2＋为己糖激酶的必需激活剂。
②非必需激活剂
非必需激活剂是指在酶促反应中即使不存在也不影响酶活性产生的一类激活剂。Cl－是唾液淀粉酶的非必需激活剂。许多有机化合物激活剂也属于此类。
四、酶的调节
1酶活性的调节
（1）变构调节
变构调节是指代谢产物与关键酶分子活性中心外的某个部位可逆地结合，使酶发生变构而改变其催化活性的调节方式。酶分子中的这些结合部位称为变构部位或调节部位。
①变构酶
变构酶是指受变构调节的酶，又称别构酶。
②变构酶的分子结构
变构酶分子包括催化亚基（含催化部位的亚基）和调节亚基（含调节部位的亚基）。
③效应剂
a．变构激活剂
变构激活剂是指能够引起的协同效应使酶对底物的亲和力增加，从而加快反应速率的效应剂。所引起的效应成为变构激活效应。
b．变构抑制剂
变构抑制剂是指能够降低反应速率的效应剂。所引起的效应成为变构抑制剂。
（2）化学修饰调节
酶的化学修饰调节是指酶蛋白肽链上的一些基团可与某种化学基团发生可逆的共价结合，从而改变酶的活性的调节方式。包括磷酸化与脱磷酸化等。其中以磷酸化修饰最为常见。
（3）酶原激活
无活性的酶前体称为酶原。酶原激活的实质是酶活性中心的形成或暴露。
2酶含量的调节
（1）诱导与阻遏作用
①诱导作用
诱导作用是指在转录水平上促进酶生物合成的作用。
②阻遏作用
阻遏作用是指在转录水平上减少酶生物合成的作用。
③诱导与阻遏作用的特点：效应出现较迟，缓慢而长效。
（2）酶的降解
①降解途径
a．溶酶体蛋白酶降解途径（不依赖ATP的降解途径）
在溶酶体内酸性条件下，多种蛋白酶把吞人溶酶体的蛋白质进行无选择的水解。该途径主要水解细胞外来的蛋白质和长半寿期的蛋白质。
b．非溶酶体蛋白酶降解途径（又称依赖ATP和泛素的降解途径）
对细胞内的异常蛋白和短半寿期的蛋白质进行泛素标记，然后被蛋白酶所水解。
②影响降解速率的因素
包括：a．酶的结构；b．机体的营养和激素的调节。
六、酶与医学的关系
1酶与疾病
（1）许多疾病与酶的质和量的异常相关。
①酪氨酸酶缺乏引起白化病。
②急性胰腺炎时，胰蛋白酶原在胰腺中被激活，造成胰腺组织被水解破坏。
③酶活性受到抑制多见于中毒性疾病。
2酶与疾病诊断
血清酶对某些疾病的诊断具有更重要的价值。
3酶与疾病治疗
（1）作为助消化的药物；
（2）用于清洁伤口和抗炎；
（3）溶解血栓；
（4）通过抑制体内的某些酶达到治疗效果。
4酶可作为试剂用于临床检验和科学研究
（1）作为酶偶联测定法中的指示酶或辅助酶；
（2）作为酶标记测定法中的标记酶；
（3）作为基因工程常用的工具酶。