第四章 酶?

一、酶的概念：?

酶（enzyme）是由活細胞產(chǎn)生的生物催化劑，這種催化劑具有極高的催化效率和高度的底物特異性，其化學本質(zhì)是蛋白質(zhì)。酶按照其分子結(jié)構(gòu)可分為單體酶、寡聚酶和多酶體系（多酶復合體和多功能酶）三大類。?

二、酶的分子組成：?

酶分子可根據(jù)其化學組成的不同，可分為單純酶和結(jié)合酶（全酶）兩類。結(jié)合酶則是由酶蛋白和輔助因子兩部分構(gòu)成，酶蛋白部分主要與酶的底物特異性有關(guān)，輔助因子則與酶的催化活性有關(guān)。?

與酶蛋白疏松結(jié)合并與酶的催化活性有關(guān)的耐熱低分子有機化合物稱為輔酶。與酶蛋白牢固結(jié)合并與酶的催化活性有關(guān)的耐熱低分子有機化合物稱為輔基。?

三、輔酶與輔基的來源及其生理功用：?

輔酶與輔基的生理功用主要是：⑴ 運載氫原子或電子，參與氧化還原反應。⑵ 運載反應基團，如酰基、氨基、烷基、羧基及一碳單位等，參與基團轉(zhuǎn)移。大部分的輔酶與輔基衍生于維生素。?

維生素（vitamin)是指一類維持細胞正常功能所必需的，但在許多生物體內(nèi)不能自身合成而必須由食物供給的小分子有機化合物。?

維生素可按其溶解性的不同分為脂溶性維生素和水溶性維生素兩大類。脂溶性維生素有VitA、VitD、VitE和VitK四種；水溶性維生素有VitB1，VitB2，VitPP，VitB6，VitB12，VitC，泛酸，生物素，葉酸等。?

1.TPP：即焦磷酸硫胺素，由硫胺素（Vit B1）焦磷酸化而生成，是脫羧酶的輔酶，在體內(nèi)參與糖代謝過程中α-酮酸的氧化脫羧反應。?

2.FMN和FAD：即黃素單核苷酸（FMN）和黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD），是核黃素（VitB2）的衍生物。FMN或FAD通常作為脫氫酶的輔基，在酶促反應中作為遞氫體（雙遞氫體）。?

3.NAD+和NADP+：即尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+，輔酶Ⅰ）和尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP+，輔酶Ⅱ），是Vit PP的衍生物。NAD+和NADP+主要作為脫氫酶的輔酶，在酶促反應中起遞氫體的作用，為單遞氫體。?

4.磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺：是Vit B6的衍生物。磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺可作為氨基轉(zhuǎn)移酶，氨基酸脫羧酶，半胱氨酸脫硫酶等的輔酶。?

5.CoA：泛酸（遍多酸）在體內(nèi)參與構(gòu)成輔酶A（CoA）。CoA中的巰基可與羧基以高能硫酯鍵結(jié)合，在糖、脂、蛋白質(zhì)代謝中起傳遞?；淖饔?，是酰化酶的輔酶。?

6.生物素：是羧化酶的輔基，在體內(nèi)參與CO2的固定和羧化反應。?

7. FH4：由葉酸衍生而來。四氫葉酸是體內(nèi)一碳單位基團轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)中的輔酶。?

8. Vit B12衍生物：Vit B12分子中含金屬元素鈷，故又稱為鈷胺素。Vit B12在體內(nèi)有多種活性形式，如5'-脫氧腺苷鈷胺素、甲基鈷胺素等。其中，5'-脫氧腺苷鈷胺素參與構(gòu)成變位酶的輔酶，甲基鈷胺素則是甲基轉(zhuǎn)移酶的輔酶。?

四、金屬離子的作用：?

1. 穩(wěn)定構(gòu)象：穩(wěn)定酶蛋白催化活性所必需的分子構(gòu)象；?

2. 構(gòu)成酶的活性中心：作為酶的活性中心的組成成分，參與構(gòu)成酶的活性中心；?

3. 連接作用：作為橋梁，將底物分子與酶蛋白螯合起來。?

五、酶的活性中心：?

酶分子上具有一定空間構(gòu)象的部位，該部位化學基團集中，直接參與將底物轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物的反應過程，這一部位就稱為酶的活性中心。?

參與構(gòu)成酶的活性中心的化學基團，有些是與底物相結(jié)合的，稱為結(jié)合基團，有些是催化底物反應轉(zhuǎn)變成產(chǎn)物的，稱為催化基團，這兩類基團統(tǒng)稱為活性中心內(nèi)必需基團。在酶的活性中心以外，也存在一些化學基團，主要與維系酶的空間構(gòu)象有關(guān)，稱為酶活性中心外必需基團。?

六、酶促反應的特點：?

1．具有極高的催化效率：酶的催化效率可比一般催化劑高106～1020倍。酶能與底物形成ES中間復合物，從而改變化學反應的進程，使反應所需活化能閾大大降低，活化分子的數(shù)目大大增加，從而加速反應進行。?

2．具有高度的底物特異性：一種酶只作用于一種或一類化合物，以促進一定的化學變化，生成一定的產(chǎn)物，這種現(xiàn)象稱為酶作用的特異性。?

⑴絕對特異性：一種酶只能作用于一種化合物，以催化一種化學反應，稱為絕對特異性，如琥珀酸脫氫酶。?

⑵相對特異性：一種酶只能作用于一類化合物或一種化學鍵，催化一類化學反應，稱為相對特異性，如脂肪酶。?

⑶立體異構(gòu)特異性：一種酶只能作用于一種立體異構(gòu)體，或只能生成一種立體異構(gòu)體，稱為立體異構(gòu)特異性，如L-精氨酸酶。?

3．酶的催化活性是可以調(diào)節(jié)的：如代謝物可調(diào)節(jié)酶的催化活性，對酶分子的共價修飾可改變酶的催化活性，也可通過改變酶蛋白的合成來改變其催化活性。?

七、酶促反應的機制：?

1．中間復合物學說與誘導契合學說：酶催化時，酶活性中心首先與底物結(jié)合生成一種酶-底物復合物（ES），此復合物再分解釋放出酶，并生成產(chǎn)物，即為中間復合物學說。當?shù)孜锱c酶接近時，底物分子可以誘導酶活性中心的構(gòu)象以生改變，使之成為能與底物分子密切結(jié)合的構(gòu)象，這就是誘導契合學說。?

2．與酶的高效率催化有關(guān)的因素：①趨近效應與定向作用；②張力作用；③酸堿催化作用；④共價催化作用；⑤酶活性中心的低介電區(qū)（表面效應）。?

八、酶促反應動力學：?

酶反應動力學主要研究酶催化的反應速度以及影響反應速度的各種因素。在探討各種因素對酶促反應速度的影響時，通常測定其初始速度來代表酶促反應速度，即底物轉(zhuǎn)化量<5%時的反應速度。?

1．底物濃度對反應速度的影響：?

⑴底物對酶促反應的飽和現(xiàn)象：由實驗觀察到，在酶濃度不變時，不同的底物濃度與反應速度的關(guān)系為一矩形雙曲線，即當?shù)孜餄舛容^低時，反應速度的增加與底物濃度的增加成正比（一級反應）；此后，隨底物濃度的增加，反應速度的增加量逐漸減少（混合級反應）；最后，當?shù)孜餄舛仍黾拥揭欢繒r，反應速度達到一最大值，不再隨底物濃度的增加而增加（零級反應）。?

⑵米氏方程及米氏常數(shù)：根據(jù)上述實驗結(jié)果，Michaelis & Menten 于1913年推導出了上述矩形雙曲線的數(shù)學表達式，即米氏方程： ν= Vmax[S]/(Km+[S])。其中，Vmax為最大反應速度，Km為米氏常數(shù)。?

⑶Km和Vmax的意義：?

①當ν=Vmax/2時，Km=[S]。因此，Km等于酶促反應速度達最大值一半時的底物濃度。?

②當k-1>>k+2時，Km=k-1/k+1=Ks。因此，Km可以反映酶與底物親和力的大小，即Km值越小，則酶與底物的親和力越大；反之，則越小。?

③Km可用于判斷反應級數(shù)：當[S]<0.01Km時，ν=（Vmax/Km）[S]，反應為一級反應，即反應速度與底物濃度成正比；當[S]>100Km時，ν=Vmax，反應為零級反應，即反應速度與底物濃度無關(guān)；當0.01Km<[S]<100Km時，反應處于零級反應和一級反應之間，為混合級反應。?

④Km是酶的特征性常數(shù)：在一定條件下，某種酶的Km值是恒定的，因而可以通過測定不同酶（特別是一組同工酶）的Km值，來判斷是否為不同的酶。?

⑤Km可用來判斷酶的最適底物：當酶有幾種不同的底物存在時，Km值最小者，為該酶的最適底物。?

⑥Km可用來確定酶活性測定時所需的底物濃度：當[S]=10Km時，ν=91%Vmax，為最合適的測定酶活性所需的底物濃度。?

⑦Vmax可用于酶的轉(zhuǎn)換數(shù)的計算：當酶的總濃度和最大速度已知時，可計算出酶的轉(zhuǎn)換數(shù)，即單位時間內(nèi)每個酶分子催化底物轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物的分子數(shù)。?

⑷Km和Vmax的測定：主要采用Lineweaver-Burk雙倒數(shù)作圖法和Hanes作圖法。?

2．酶濃度對反應速度的影響：當反應系統(tǒng)中底物的濃度足夠大時，酶促反應速度與酶濃度成正比，即ν=k[E]。?

3．溫度對反應速度的影響：一般來說，酶促反應速度隨溫度的增高而加快，但當溫度增加達到某一點后，由于酶蛋白的熱變性作用，反應速度迅速下降。酶促反應速度隨溫度升高而達到一最大值時的溫度就稱為酶的最適溫度。酶的最適溫度與實驗條件有關(guān)，因而它不是酶的特征性常數(shù)。低溫時由于活化分子數(shù)目減少，反應速度降低，但溫度升高后，酶活性又可恢復。?

4．pH對反應速度的影響：觀察pH對酶促反應速度的影響，通常為一鐘形曲線，即pH過高或過低均可導致酶催化活性的下降。酶催化活性最高時溶液的pH值就稱為酶的最適pH。人體內(nèi)大多數(shù)酶的最適pH在6.5～8.0之間。酶的最適pH不是酶的特征性常數(shù)。?

5．抑制劑對反應速度的影響：?

凡是能降低酶促反應速度，但不引起酶分子變性失活的物質(zhì)統(tǒng)稱為酶的抑制劑。按照抑制劑的抑制作用，可將其分為不可逆抑制作用和可逆抑制作用兩大類。?

⑴不可逆抑制作用：?

抑制劑與酶分子的必需基團共價結(jié)合引起酶活性的抑制，且不能采用透析等簡單方法使酶活性恢復的抑制作用就是不可逆抑制作用。如果以ν～[E]作圖，就可得到一組斜率相同的平行線，隨抑制劑濃度的增加而平行向右移動。酶的不可逆抑制作用包括專一性抑制（如有機磷農(nóng)藥對膽堿酯酶的抑制）和非專一性抑制（如路易斯氣對巰基酶的抑制）兩種。?

⑵可逆抑制作用：?

抑制劑以非共價鍵與酶分子可逆性結(jié)合造成酶活性的抑制，且可采用透析等簡單方法去除抑制劑而使酶活性完全恢復的抑制作用就是可逆抑制作用。如果以ν～[E]作圖，可得到一組隨抑制劑濃度增加而斜率降低的直線?？赡嬉种谱饔冒ǜ偁幮?、反競爭性和非競爭性抑制幾種類型。?

① 競爭性抑制：抑制劑與底物競爭與酶的同一活性中心結(jié)合，從而干擾了酶與底物的結(jié)合，使酶的催化活性降低，這種作用就稱為競爭性抑制作用。其特點為：a.競爭性抑制劑往往是酶的底物類似物或反應產(chǎn)物；b.抑制劑與酶的結(jié)合部位與底物與酶的結(jié)合部位相同；c.抑制劑濃度越大，則抑制作用越大；但增加底物濃度可使抑制程度減??；d.動力學參數(shù)：Km值增大，Vm值不變。典型的例子是丙二酸對琥珀酸脫氫酶（底物為琥珀酸）的競爭性抑制和磺胺類藥物（對氨基苯磺酰胺）對二氫葉酸合成酶（底物為對氨基苯甲酸）的競爭性抑制。?

② 反競爭性抑制：抑制劑不能與游離酶結(jié)合，但可與ES復合物結(jié)合并阻止產(chǎn)物生成，使酶的催化活性降低，稱酶的反競爭性抑制。其特點為：a.抑制劑與底物可同時與酶的不同部位結(jié)合；b.必須有底物存在，抑制劑才能對酶產(chǎn)生抑制作用；c.動力學參數(shù)：Km減小，Vm降低。?

③ 非競爭性抑制：抑制劑既可以與游離酶結(jié)合，也可以與ES復合物結(jié)合，使酶的催化活性降低，稱為非競爭性抑制。其特點為：a.底物和抑制劑分別獨立地與酶的不同部位相結(jié)合；b.抑制劑對酶與底物的結(jié)合無影響，故底物濃度的改變對抑制程度無影響；c.動力學參數(shù)：Km值不變，Vm值降低。?

6．激活劑對反應速度的影響：能夠促使酶促反應速度加快的物質(zhì)稱為酶的激活劑。酶的激活劑大多數(shù)是金屬離子，如K+、Mg2+、Mn2+等，唾液淀粉酶的激活劑為Cl-。?

九、酶的調(diào)節(jié)：?

可以通過改變其催化活性而使整個代謝反應的速度或方向發(fā)生改變的酶就稱為限速酶或關(guān)鍵酶。?

酶活性的調(diào)節(jié)可以通過改變其結(jié)構(gòu)而使其催化活性以生改變，也可以通過改變其含量來改變其催化活性，還可以通過以不同形式的酶在不同組織中的分布差異來調(diào)節(jié)代謝活動。?

1．酶結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)：通過對現(xiàn)有酶分子結(jié)構(gòu)的影響來改變酶的催化活性。這是一種快速調(diào)節(jié)方式。?

⑴變構(gòu)調(diào)節(jié)：又稱別構(gòu)調(diào)節(jié)。某些代謝物能與變構(gòu)酶分子上的變構(gòu)部位特異性結(jié)合，使酶的分子構(gòu)發(fā)生改變，從而改變酶的催化活性以及代謝反應的速度，這種調(diào)節(jié)作用就稱為變構(gòu)調(diào)節(jié)。具有變構(gòu)調(diào)節(jié)作用的酶就稱為變構(gòu)酶。凡能使酶分子變構(gòu)并使酶的催化活性發(fā)生改變的代謝物就稱為變構(gòu)劑。當變構(gòu)酶的一個亞基與其配體（底物或變構(gòu)劑）結(jié)合后，能夠通過改變相鄰亞基的構(gòu)象而使其對配體的親和力發(fā)生改變，這種效應就稱為變構(gòu)酶的協(xié)同效應。變構(gòu)劑一般以反饋方式對代謝途徑的起始關(guān)鍵酶進行調(diào)節(jié)，常見的為負反饋調(diào)節(jié)。變構(gòu)調(diào)節(jié)的特點：① 酶活性的改變通過酶分子構(gòu)象的改變而實現(xiàn)；②酶的變構(gòu)僅涉及非共價鍵的變化；③調(diào)節(jié)酶活性的因素為代謝物；④為一非耗能過程；⑤無放大效應。?

⑵共價修飾調(diào)節(jié)：酶蛋白分子中的某些基團可以在其他酶的催化下發(fā)生共價修飾，從而導致酶活性的改變，稱為共價修飾調(diào)節(jié)。共價修飾方式有：磷酸化-脫磷酸化等。共價修飾調(diào)節(jié)一般與激素的調(diào)節(jié)相聯(lián)系，其調(diào)節(jié)方式為級聯(lián)反應。共價修飾調(diào)節(jié)的特點為：①酶以兩種不同修飾和不同活性的形式存在；②有共價鍵的變化；③受其他調(diào)節(jié)因素（如激素）的影響；④一般為耗能過程；⑤存在放大效應。?

⑶酶原的激活：處于無活性狀態(tài)的酶的前身物質(zhì)就稱為酶原。酶原在一定條件下轉(zhuǎn)化為有活性的酶的過程稱為酶原的激活。酶原的激活過程通常伴有酶蛋白一級結(jié)構(gòu)的改變。酶原分子一級結(jié)構(gòu)的改變導致了酶原分子空間結(jié)構(gòu)的改變，使催化活性中心得以形成，故使其從無活性的酶原形式轉(zhuǎn)變?yōu)橛谢钚缘拿?。酶原激活的生理意義在于：保護自身組織細胞不被酶水解消化。?

2．酶含量的調(diào)節(jié)：是指通過改變細胞中酶蛋白合成或降解的速度來調(diào)節(jié)酶分子的絕對含量，影響其催化活性，從而調(diào)節(jié)代謝反應的速度。這是機體內(nèi)遲緩調(diào)節(jié)的重要方式。?

⑴酶蛋白合成的調(diào)節(jié)：酶蛋白的合成速度通常通過一些誘導劑或阻遏劑來進行調(diào)節(jié)。凡能促使基因轉(zhuǎn)錄增強，從而使酶蛋白合成增加的物質(zhì)就稱為誘導劑；反之，則稱為阻遏劑。常見的誘導劑或阻遏劑包括代謝物、藥物和激素等。?

⑵酶蛋白降解的調(diào)節(jié)：如饑餓時，精氨酸酶降解減慢，故酶活性增高，有利于氨基酸的分解供能。?

3．同工酶的調(diào)節(jié)：在同一種屬中，催化活性相同而酶蛋白的分子結(jié)構(gòu)，理化性質(zhì)及免疫學性質(zhì)不同的一組酶稱為同工酶。同工酶在體內(nèi)的生理意義主要在于適應不同組織或不同細胞器在代謝上的不同需要。因此，同工酶在體內(nèi)的生理功能是不同的。?

乳酸脫氫酶同工酶（LDHs）為四聚體，在體內(nèi)共有五種分子形式，即LDH1（H4），LDH2（H3M1），LDH3（H2M2），LDH4（H1M3）和LDH5（M4）。心肌中以LDH1含量最多，LDH1對乳酸的親和力較高，因此它的主要作用是催化乳酸轉(zhuǎn)變?yōu)楸嵩龠M一步氧化分解，以供應心肌的能量。在骨骼肌中含量最多的是LDH5，LDH5對丙酮酸的親和力較高，因此它的主要作用是催化丙酮酸轉(zhuǎn)變?yōu)槿樗?，以促進糖酵解的進行。?

十、酶的命名與分類：?

1．酶的命名：主要有習慣命名法與系統(tǒng)命名法兩種，但常用者為習慣命名法。?

2．酶的分類：根據(jù)1961年國際酶學委員會（IEC）的分類法，將酶分為六大類：① 氧化還原酶類：催化氧化還原反應；②轉(zhuǎn)移酶類：催化一個基團從某種化合物至另一種化合物；③水解酶類：催化化合物的水解反應；④裂合酶類：催化從雙鍵上去掉一個基團或加上一個基團至雙鍵上；⑤異構(gòu)酶類：催化分子內(nèi)基團重排；⑥合成酶類：催化兩分子化合物的締合反應。