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1、第04章 酶第四章 酶 生物体内的各种化学反应几乎都是在特异的生物催化剂（biocatalyst）的催化下进行的。迄今为止，人们已发现两类生物催化剂：酶（enzyme）是由活细胞合成的、对其特异底物（substrate）起高效催化作用的蛋白质，是机体内催化各种代谢反应最主要的催化剂；核酶（ribozyme）是具有高效、特异催化作用的核酸，是近年来发现的一类新的生物催化剂，其作用主要参与RNA的剪接。 酶学知识来源于生产实践。酶的系统研究始于19世纪中叶对发酵本质的探讨。法国著名科学家巴斯德（Louis Pasteur）认为发酵是酵母细胞生命活动的结果，细胞破裂则失去发酵作用。 18eq年，德国

2、科学家Hans Buchner和 Eduard Buchner兄弟首次成功地用不含细胞的酵母提取液实现了发酵，从而证明发酵过程并不需要完整的细胞。这一贡献打开了通向现代酶学与现代生物化学的大门。 1926年，美国生化学家James BSumner第一次从刀豆得到脲酶结晶，并证明了脲酶的蛋白质本质。以后陆续发现的二千余种酶中，均证明酶的化学本质是蛋白质。直到 1982年，Thomas Cech从四膜虫 rRNA前体的加工研究中首先发现rRNA前体本身具有自我催化作用，并提出了核酶的概念。有关核酶的催化作用将在有关章节阐述。 生命活动离不开酶的催化作用。在酶的催化下，机体内的物质代谢有条不紊地进行

3、；同时又在许多因素的影响下，酶对代谢发挥着巧妙的调节作用。人体的许多疾病与酶的异常密切相关。许多药物也可通过对酶的作用来达到其治疗目的。随着酶学研究的深入，其成果必将为人类做出更大的贡献。 第一节酶的分子结构与功能 酶是蛋白质，同样具有一、二、三级结构，有些酶还具有四级结构。只由一条多肽链构成的酶称为单体酶（monomeric enzyme）；由多个相同或不同亚基以非共价键连接的酶称为寡聚酶（oligomeric enzyme）。在细胞内存在着许多由几种不同功能的酶彼此聚会形成的多酶复合物，即多酶体系（multienzyme system）。还有一些多酶体系在进化过程中由于基因的融合，形成由一

4、条多肽链组成却具有多种不同催化功能的酶，这类酶称为多功能酶（multifunctional enzyme）或串联酶（tandem enzyme）。 一、酶的分子组成 酶按其分子组成可分为单纯酶(simple enzyme)和结合酶（conjugated enzyme）。单纯酶是仅由氨基酸残基构成的酶，脲酶、一些消化蛋白酶、淀粉酶、脂酶、核糖核酸酶等均属此列。结合酶由蛋白质部分和非蛋白质部分组成，前者称为酶蛋白（apoenzyme），后者称为辅助因子（cofactor）。辅助因子是金属离子或小分子有机化合物。酶蛋白与辅助因子结合形成的复合物称为全酶（holoenzyme），只有全酶才有催化作用。

5、 金属离子是最多见的辅助因子，约23的酶含有金属离子。常见的金属离子有K+、Na+、Mg2+、Cu2+（Cu+）、Zn2+、Fe2+（Fe3+）等。有的金属离子与酶结合紧密，提取过程中不易丢失，这类酶称为金属酶（metalloenzyme），如羧基肽酶、黄瞟吟氧化酶等。有的金属离子虽为酶的活性所必需，却不与酶直接结合，而是通过底物相连接。这类酶称为金属激活酶（metal activated enzyme），如己糖激酶、肌酸激酶等。金属辅助因子的作用是多方面的，或者作为酶活性中心的催化基团参与催化反应、传递电子；或者作为连接酶与底物的桥梁，便于酶对底物起作用；或者为稳定酶的构象所必需；或者中和阴

6、离子，降低反应中的静电斥力等。 小分子有机化合物是一些化学稳定的小分子物质，主要作用是参与酶的催化过程，在反应中传递电子、质子或一些基团。虽然合小分子有机化合物的酶很多，但此种辅助因子的种类却不多，且分子结构中常含有维生素或维生素类物质（表41）。酶蛋白决定反应的特异性，辅助因子决定反应的种类与性质。酶的辅助因子按其与酶蛋白结合的紧密程度与作用特点不同可分为辅酶（coenzyme）与辅基（prosthetic group）。辅酶与酶蛋白的结合疏松，可以用透析或超滤的方法除去。辅酶在反应中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。辅基则与酶蛋白

7、结合紧密，不能通过透析或超滤将其除去，在反应中辅基不能离开酶蛋白。金属离子多为酶的辅基，小分子有机化合物有的属辅酶（如NAD+、NADP+等），有的属辅基（如FAD、FMN、生物素等）。 二、酶的活性中心 酶分子中存在的各种化学基团并不一定都与酶的活性有关。其中那些与酶的活性密切相关的基团称做酶的必需基团（essential group）。这些必需基团在一级结构上可能相距很远，但在空间结构上彼此靠近，组成具有特定空间结构的区域，能与底物特异地结合并将底物转化为产物。这一区域称为酶的活性中心（active center）或活性部位（active site）。 对结合酶来说，辅酶或辅基参与酶活性中

8、心的组成。 酶活性中心内的必需基团有两种：一是结合基团（binding group），其作用是与底物结合，使底物与酶的一定构象形成复合物；另一是催化基团（catalytic group），其作用是影响底物中某些化学键的稳定性，催化底物发生化学反应并将其转变成产物。活性中心内的必需基团可同时具有这两方面的功能。组氨酸残基的咪唑基、丝氨酸残基的羟基、半胱氨酸残基的巯基以及谷氨酸残基的羧基是构成酶活性中心的常见基团。还有一些必需基团虽然不参加活性中心的组成，但却为维持酶活性中心应有的空间构象所必需，这些基团是酶活性中心外的必需基团（图41）。 酶的活性中心是酶分子中具有三维结构的区域，或为裂缝，或为

9、凹陷。此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，且多为氨基酸残基的疏水基团组成的疏水环境，形成疏水“口袋”。 第二节 酶促反应的特点与机制 酶与一般催化剂一样，在化学反应前后都没有质和量的改变，微量的酶便可发挥巨大的催化作用。它们都只催化热力学允许的化学反应；只能加速可逆反应的进程，而不改变反应的平衡点，即不改变反应的平衡常数。但是，酶是蛋白，又具有一般催化剂所没有的生物大分子特性。酶促反应具有其特殊的性质与反应机制。 一、酶促反应的特点 （）酶促反应具有极高的效率 酶的催化效率通常比非催化反应高 108 l020倍，比一般催化剂高 107 1013倍。例如，脲酶催化尿素的水解速

10、度是H+催化作用的7X 1012倍；一胰凝乳蛋白酶对苯酰胺的水解速度是 H+的 6 X 106倍，而且不需要较高的反应温度。酶和一般催化剂加速反应的机制都是降低反应的活化能（activation energy）。在任何一种热力学允许的反应体系中，底物分子所含能量的平均水平较低。在反应的任何一瞬间，只有那些能量较高，达到或超过一定能量水平的分子（即活化分子）才有可能发生化学反应。活化分子所具有的高出平均水平的能量称为活化能。活化能也就是底物分子从初态转变到活化态所需的能量。活化分子愈多，反应速度愈快。酶通过其特有的作用机制，比一般催化剂更有效地降低反应的活化能，使底物只需较少的能量便可进入活化状

11、态（图42）。据计算，在25时活化能每减少4184kJ mol（1 kcal/mol），反应速度可增高54倍。 （二）酶促反应具有高度的特异性 与一般催化剂不同，酶对其所催化的底物具有较严格的选择性。即一种酶仅作用于一种或一类化合物，或一定的化学键，催化一定的化学反应并产生一定的产物，酶的这种特性称为酶的特异性或专一性（specific）。根据酶对其底物结构选择的严格程度不同，酶的特异性可大致分为以下三种类型。 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（absolute specificity）。例如，脲酶仅能催化尿素水解

12、生成 CO2和 NH3，琥珀酸脱氢酶仅催化琥珀酸脱氢生成延胡索酸。 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（relative specificity）。例如，磷酸酶对一般的磷酸酯键都有水解作用，可水解甘油或酚与磷酸形成的酯键；脂肪酶不仅水解脂肪，也水解简单的酯；蔗糖酶不仅水解蔗糖，也水解棉子糖中的同一种糖苷键。虽然不同的消化道蛋白酶对肽键两旁氨基酸残基组成的要求有所不同（例如，胰蛋白酶仅水解由碱性氨基酸的数基形成的肽键；氨基肽酶和数基肽酶仅分别作用于多肽链的氨基末端与羧基末端），但对其催化的蛋白质却无严格要求。 3立体异构特

13、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（stereospecificity）。例如，乳酸脱氨酶仅催化L乳酸脱氢，而不作用于D一乳酸；L氨基酸氧化酶仅作用于L氨基酸，对D一氨基酸则无作用。除上述光学异构体外，有些酶对几何异构体也显示出立体异构特异性。例如，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。 （三）酶促反应的可调节性酶促反应受多种因素的调控，以适应机体不断变化的内外环境和生命活动的需要。酶在长期进化过程中形成酶与代谢物在细胞内的区域化分布、多酶体系和多功能酶，基因分化形成各种类型的同工酶；代谢物通过对酶活

14、性的抑制与激活，对系列酶中的关键除进行调节，包括对变构酶的调节、酶共价修饰的级联调节等，以及通过对酶生物合成的诱导与阻遏作用等对酶进行量的调节。 二、酶促反应的机制 （一）酶一底物复合物的形成与诱导契合学说 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，进而相互结合。这一过程称为酶一底物结合的诱导契合假说（induced hypothesis）(图43)。酶的构象改变有利于与底物结合；底物在酶的诱导下也发生变形，处于不稳定的过渡态（transitionstate），易受酶的催化攻击。过渡态的底物与酶

15、的活性中心结构最相吻合。 （二）酶促反应的机制 1邻近效应与定向排列 在两个以上底物参加的反应中，底物之间必须以正确的方向相互碰撞，才有可能发生反应。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（proximity effect）与定向排列（orientation arrange）实际上是将分子间的反应变成类似于分子内的反应，从而大大提高反应速率。 2多元催化（multielement catalysis）一般催化剂通常仅有一种解离状态，只有酸催化，或只有碱催化。酶是两性电解质，所含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在不同的

16、蛋白质分子中处于不同的微环境，解离度也有差异。因此，同一种酶常常兼有酸、碱双重催化作用。这种多功能基团（包括辅酶或辅基）的协同作用可极大地提高酶的催化效能。 3表面效应（surface effect） 前已述及，酶的活性中心多为流水性“口袋”。疏水环境可排除水分子对酶和底物功能基团的干扰性吸引或排斥，防止在底物与酶之间形成水化膜，有利于酶与底物的密切接触。 应该指出的是，一种酶的催化反应常常是多种催化机制的综合作用，这是酶促反应高效率的重要原因。 第三节酶促反应动力学 酶促反应动力学研究的是酶促反应速度及其影响因素。这些因素包括酶浓度、底物浓度、pH、温度、抑制剂、激活剂等。酶促反应动力学的研

17、究具有重要的理论和实践意义。 一、底物浓度对反应速度的影响 在其他因素不变的情况下，底物浓度的变化对反应速度影响的作图呈矩形双曲线（rectangular hyperbola）（图44）。在底物浓度较低时，反应速度随底物浓度的增加而急骤上升，两者成正比关系，反应为一级反应。随着底物浓度的进一步增高，反应速度不再成正比例加速。反应速度增加的幅度不断下降。如果继续加大底物浓度，反应速度将不再增加，表现出零级反应，此时酶的活性中心已被底物饱和。所有的酶均有此饱和现象，只是达到饱和时所需的底物浓度不同而已。 （）米一曼氏方程式 解释酶促反应中底物浓度和反应速度关系的最合理学说是中间产物学说。酶首先与底

18、物结合形成酶一底物复合物（中间产物），此复合物再分解为产物和游离的酶。1913年LMichaelis和M. L. Menten提出了反应速度与底物浓度关系的数学方程，简称米氏方程式（Michaelis equation）： 米氏方程式的推导基于这样的假设：测定的反应速度为初速度，即反应刚刚开始，产物的生成量极少，逆反应可不予考虑；S超过E，【S】的变化在测定初速度的过程中可忽略不计。反应式（l）中KI、KZ和K3分别为各向反应的速度常数。反应中游离酶的浓度为总酶浓度减去结合到中间产物中的酶的浓度，即游离酶EES这样，ES生成的速度上才QK；（EESI）【引（）一”“出一”“一“一”“一”“”

19、四分解的速度二十户w一句be十间be（4）当反应处于稳态时，ES的生成速度二ES的分解速度，即 K；（EES）S。 KZES K3ES。111caujLn一 IES j K，。 KZ K3令：rKm KI“”k即为米氏常数，则LEZSESj SjKm【ES ESI 7 “一几十 is由于反应速度取决于单位时间内产物 P的生成量，所以 V K3ES。、。，。 Kt EI SI将式（5）代人得：V一生一尘土于 一Km LSJ当底物浓度很高，所有的酶都与底物生成中间产物（即【E丑引）时，度。即 Vra K3【ESj K3 E特式（7）代人式（6），得米氏方程式： V。IS Vu Km LSI （二）

20、凡与儿的意义 l。当反应速度为最大速度一半时，米氏方程式可以变换如下： V。 V。SI W“n：一阶步整理得Km【S。由此可见，Km值等于酶促反应速度为最大速度放度。反应达最大速半时的底物 K， K。 2Km 一生尘，当 KZDeK3，即 ES解离成 E和 S的速度大大超过分解成 E和 P的速 一”K“”“”一”一”“”“”一”“一”“”“一刎， K3可以忽略不计。此时见值近似于 ES的解离常数民。在这种情况下，凡值可用来表示酶对底物的亲和力。 vv Km二二一ryl？Fcr二K “” KI ES “”恻，凡值愈小，酶与底物的亲和力愈大。这表示不需要很高的底物浓度便可容易地B到最大反应速度。但

21、岛值并非在所有酶促反应中都远小于匈，所以，此时房值和九值的涵义不同，不能互相代替使用。 3Km值是酶的特征性常数之一，只与酶的结构、酶所催化的底物和反应环境（如温室小儿离子强度）有关，与酶的浓度无关。各种酶的几值范围很广，大致在10610nUnolL之间。对于同一底物，不同的酶有不同的几值；多底物反应的酶对于不p底物也有不同的Km值。 4Vin是酶完全被底物馆和时的反应速度，与酶浓度呈正比。如果酶的总浓度已知，便可从。计算酶的转换数（mm上议）。例如，1沪mde L的碳酸酥酶溶液在一秒钟内催化生成 06molL HZCO3，则每秒钟每 1分子酶可催化生成 6 XI护个分子atHZcQ。 Vma

22、x 0 6lrolxl8。 l KI二天空一守兰生坐失望二6XI08 “，LEJ 106InOUL” 动力学常数K3称为酶的转换数，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ll0秒之间。 （三）Xi值和Vmax值的测定 如图44所示，底物浓度曲线是矩形双曲线，其图形为渐进线，很难准确地测得见值和Vin值。过高的底物浓度不仅不易测得Vin值，在实验中还会出现很多困难。若将米氏方程式进行种种变换，将曲线作图改为直线作图，便可容易地用图解法准确求得Km值和Vra值。 双倒数作图法（double reeled pf

23、o）又称为林一贝氏（lineweavenButk）作图法，是最常用的作图法。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做林贝氏方程式： IKmll 下一7一”Wi7平方二（） V Vin LsJ V。u 若以 1V对 1 LS作图（图个5），可得一直线，其纵轴上的截距为 1Vin，横轴上的截距为一lKm。此作图法除用于求取Km值和 Vmax值外，还可用于判断可逆性抑制反应的性质（见后）。 此外，Hanes作留法（图个6）也是从米氏方程式衍化来的，其方程式为一 10 Km 图个5双料数作留法（s）EI！ 一正m0（到图个6 Illsles作日法 SIbl HyHler SI VVV L

24、J其根轴截距为一Km，直线的斜率为1Von。 二、酶浓度对反应速度的影响 在酶促反应系统中，当底物浓度大大超过酶的浓度，使酶被底物饱和时，反应速度猢的浓度变化成正比关系（图47）。从式（6）可知，当【E时，式中几可以忽略不计，其关S式可简化为V。k3E。 三、温度对反应速度的影响 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，同时也增加酶的变性。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称为酶促反应的最适温度（optimum temperature）。温血动物组织中酶的最适温度多在354

25、0之间。环境温度低于最适温度时，温度加快反应速度这一效应起主导作用，温度每升高10，反应速度可加大12倍。温度高于最适温度时，反应速度则因酶变性而降低（图48）。 酶的最适温度不是酶的特征性常数，它与反应进行的时间有关。酶可以在短时间内耐受较高的温度。相反，延长反应时间，最适温度便降低。 酶的活性虽然随温度的下降而降低，但低温一般不使酶破坏。温度回升后，酶又可以恢复活性。临床上低温麻醉便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。低温保存菌种也是基于这一原理。生化实验中测定酶活性时，应严格控制反应液的温度。酶制剂应保存在冰箱中，从冰箱中取出后应立即应用，以免发

26、生酶的变性。 四、pH对反应速度的影响 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，其所带电荷的种类和数量也各不相同，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作用。此外，许多底物与辅酶（如 ATP、 NAD+、辅酶 A、氨基酸等）也具有解离性质，购的改变也可影响它们的解离状态，从而影响它们与酶的亲和力。因此，pH的改变对酶的催化作用影响很大（图49）。酶催化活性最大时的环境pH称为酶促反应的最适 pH（optimum pH）。虽然不同酶的最适 pH各不相同，但除少数（如胃蛋白酶的最适 pH约为18，肝精氨酸酶最适 pH为 98）外，动物体内多

27、数酶的最适pH接近中性。 最适 pH不是酶的特征性常数，它受底物浓度、缓冲液的种类与浓度、以及酶的纯度等因素的影响。溶液的 pH高于或低于最适 pH时，酶的活性降低，远离 pH时甚至会导致酶的变性失活。在测定酶的活性时，应选用适宜的缓冲液以保持酶活性的相对恒定。 五、抑制剂对反应速度的影响 凡能使酶的催化活性下降而不引起酶蛋白变性的物质统称做酶的抑制剂（inhibitary）。抑制剂多与酶的活性中心内、外必需基团相结合，从而抑制酶的催化活性。除去抑制剂后酶的活性得以恢复。根据抑制剂与酶结合的紧密程度不同，酶的抑制作用分为可逆性抑制与不可逆性抑制两类。 （）不可逆性抑制作用不可逆性抑制作用（ir

28、reversible inhibition）的抑制剂通常以共价键与酶活性中心上的必需基团相结合，使酶失活。此种抑制剂不能用透析、超滤等方法予以去除。农药敌昆虫、敌敌畏、1059等有机磷化合物能特异地与胆碱酯酶（choline esterase）活性中心丝氨酸残基的羟基结合，使酶失活。乙酸胆碱的积蓄造成迷走神经兴奋而呈现毒性状态。这些具有专一作用的抑制剂常被称为专一性抑制剂。低浓度的重金属离子（如Hg2+、Ag3+等）及 As3+可与酶分子的巯基结合，使酶失活。由于这些抑制剂所结合的流基不局限于必需基团，所以此类抑制剂又称为非专一性抑制剂。化学毒气路易士气（Lewisite）是一种含砷的化合物，

29、它能抑制体内的巯基酶而使人畜中毒。这些中毒可用药物防护和解毒。解磷定（pyridine aldoxime methyliodide，PAM）可解除有机磷化合物对羟基酶的抑制作用。重金属盐引起的流基酸中毒可用二流基丙醇（British anti-Lewisite，BAL）解毒。BAL含有2个一SH基，在体内达到一定浓度后，可与毒剂结合使酶恢复活性。 （二）可逆性抑制作用 可逆性抑制作用（reversible inhibition）的抑制剂通常以非共价键与酶和（或）酶一底物复合物可逆性结合，使酶活性降低或消失。采用透析或超滤的方法可将抑制剂除去，使酶恢复活性。可逆性抑制作用的类型大体可分为以下三种

30、： 1竞争性抑制作用有些抑制剂与酶的底物结构相似，可与底物竞争酶的活性中心，从而阻碍酶与底物结合形成中间产物。由于抑制剂与酶的结合是可逆的，抑制程度则取决于抑制剂与酶的相对亲和力和与底物浓度的相对比例。这种抑制作用称为竞争性抑制作用（competitive inhibition），其反应过程如下：丙二酸对琥珀酸脱氢酶的抑制作用是竞争性抑制作用的典型实例。丙二酸与酶的亲和力远大于琥珀酸与酶的亲和力，当丙二酸的浓度仅为玻璃酸浓度的150时，酶的活性便被抑制50。若增大琥珀酸的浓度，此抑制作用可被减弱。酶和抑制剂结合形成的复合物 EI不能转化为产物。其中，K称为抑制常数，即酶与抑制剂结合的解离常数。

31、按米氏方程式的推导方法演化出竞争性抑制剂、底物和反应速度之间的动力学关系如下：有不同浓度抑制剂存在时，以1V对1S作图（图410），可以发现，无论解性抑制剂的浓度如何，各直线在纵轴上的截距均与无抑制剂时相同，均为1Vmax。这说明酶促反应的Vmax不因有竞争性抑制剂的存在而改变。有竞争性抑制剂存在时，从横轴上的截距量得的“Km值”（称为表观Km值，apparent Km）大于无抑制剂存在时的Km值，可见，竞争性抑制作用使酶的表现Km值增大。 竞争性抑制作用的原理可用来阐明某些药物的作用机制和指导探索合成控制代谢的新药物。磺胺类药物是典型的代表。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（dihydrifilic acid synthetase）的催化下，以对氨基苯甲酸等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