第三章 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酶的辅助因子
缀合酶由蛋白质部分和非蛋白质部分组成，其中蛋白质部分称为酶蛋白，非蛋白质部分称为辅助因子。
（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）酶的活性中心
酶的活性中心是指酶分子中能与底物特异性结合，并催化底物转变为产物的具有特定三维结构的区域，又称活性部位。辅助因子常参与酶活性中心的组成。
（2）必需基团
必需基团是指酶分子中（位于氨基酸残基的侧链中）与酶的活性密切相关的化学基团，可分为结合基团和催化基团。
①结合基团
结合基团的作用是识别与结合底物和辅酶，形成酶-底物过渡态复合物。
②催化集团
催化基团的作用是影响底物中的某些化学键的稳定性，催化底物发生化学反应，进而转变成产物。
4同工酶
（1）定义
同工酶是指能够催化相同的化学反应，但其酶蛋白本身的分子结构、组成有所不同的一组酶。由于其活性中心的三维结构相同或相似，故可以催化相同的化学反应。
（2）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，共有5种。
二、酶的工作原理
1酶促反应的特点
（1）酶催化具有高效性。
（2）酶催化具有专一性。
①绝对专一性：酶对底物要求非常严格，只作用于一种底物。
②相对专一性：酶对底物要求相对较低，可以作用于结构相似的一类物质。
（3）酶活性与酶量具有可调性。
（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
许多酶促反应常常涉及多种催化机制，如：酸-碱催化、亲核催化、亲电催化、共价催化。
①酸-碱催化作用
酶活性中心上的某些基团可作为质子供体（酸）和受体（碱）参与质子的转移，从而提高酶促反应的速率。
②亲核催化
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。
③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。
④共价催化
很多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，这种催化作用称为共价催化作用。
三、酶促反应动力学
酶促反应动力学是研究酶促反应速率以及各种因素对酶促反应速率影响机制的科学。酶促反应速率可受多种因素的影响，如酶浓度、底物浓度、pH、温度、抑制剂及激活剂等。
1底物浓度
（1）底物浓度对酶促反应速率的影响
在酶浓度和其他反应条件不变的情况下，底物浓度[S]对酶促反应速率（v）的影响呈矩形双曲线（图3-1）。
图3-1 底物浓度对酶促反应速率的影响
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。
（2）米氏方程
注：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）。
（3）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。
（4）双倒数作图法求求取Km和Vmax
Km和Vmax常通过林-贝作图法求取。林-贝作图法又称双倒数作图法，将米氏方程的两边同时取倒数，并加以整理得一线性方程，即林-贝方程（图3-2）：
图3-2 双倒数作图法
2酶浓度
当底物足够时，酶浓度对酶促反应速率的影响呈正比关系。
3温度
（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
pH主要通过改变酶分子及底物分子的解离状态和酶活性中心的空间构象来影响酶促反应的速率。
（1）酶的最适pH是指催化活性最高时反应体系的pH。该值受底物浓度、缓冲液种类与浓度以及酶的纯度等因素的影响，也不是酶的特征性常数；
（2）高于或低于最适pH时，酶活性都会降低，有时甚至会导致酶变性失活。
5抑制剂
抑制剂是指引起酶活力的降低或丧失，但酶蛋白并没有变性的物质。可分为：
（1）不可逆性抑制剂
能够与酶活性中心的必需基团共价结合，进而使酶失活；不能用透析、超滤等方法予以去除。例如：
①有机磷农药。可使用阿托品和解磷定解救有机磷农药中毒。
②低浓度的重金属离子（Hg2＋、Ag＋、Pb2＋等）及As3＋等。能够与巯基酶中的巯基结合使酶失活，可使用二巯基丙醇（BAL）解除。
（2）可逆性抑制剂
可逆性抑制剂能够与酶非共价可逆性结合，使酶活性降低或消失；采用透析、超滤或稀释等物理方法可将抑制剂除去，使酶的活性恢复。可逆性抑制作用遵守米氏方程。
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
能够使酶活性增加的物质称为酶的激活剂。激活剂大多为金属离子，如Mg2＋、K＋等；少数为阴离子，如Cl－；也有一些有机化合物，如半胱氨酸。
（1）必需激活剂：对酶促反应必不可少的激活剂，Mg2＋为己糖激酶的必需激活剂。
（2）非必需激活剂：酶在激活剂不存在的条件下，也具有活性，激活剂可增加酶的活性，这类激活剂称为非必需激活剂，Cl－为唾液淀粉酶的非必需激活剂。
四、酶的调节
1酶活性的调节
酶活性的调节属于对酶促反应速率的快速调节，包括别构调节、可逆的共价修饰和酶原激活。
（1）别构调节
①別构调节
一些代谢物可与酶的活性中心外的某个部位非共价可逆结合，通过引起酶的构象改变来改变酶的活性的调节方式，又称变构调节。
②别构酶
受被别构调节的酶称为别构酶。
③别构效应剂
引起别构效应的物质称为別构效应剂；它可以是代谢途径的终产物、中间产物、酶的底物等；如果具有激活作用，称为別构激活剂，反之，称为別构抑制剂。
④别构部位或调节部位
酶分子与别构效应剂结合的部位称为别构部位。
（2）化学修饰调节
化学修饰调节是指酶蛋白肽链上的一些基团，可在一种酶的催化下与某些化学基团共价结合；同时又在另一种酶的催化下可去掉已结合的化学基团，从而影响酶的活性的调节方式。其最常见的形式是磷酸化和去磷酸化。
（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
酶含量的调节属于对酶促反应速率的缓慢调节，主要通过改变酶蛋白合成与分解的速率来调节酶的含量，进而影响酶促反应速率。
（1）酶蛋白合成可被诱导或阻遏；
（2）酶的降解与一般蛋白质降解途径相同，有溶酶体蛋白酶降解途径、依赖ATP和泛素的降解途径。
六、酶与医学的关系
1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酶的先天性缺失是先天性疾病的重要原因之一；
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。
2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。