第三章 酶 Enzyme

生物催化剂（Biocatalysts） 生物催化剂：由活细胞产生的，具有催化功能的生物分子。 酶（enzyme）——是由活细胞合成的、对其特异性底物有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）——具有高效、特异催化作用的核酸（RNA）。主要参与RNA的剪接。 酶催化的生物化学反应，称为酶促反应Enzymatic reaction 在酶的催化下发生化学变化的物质，称为底物substrate

第一节 酶的分子结构与功能 单体酶：只有一条多肽链构成的酶。主要见水解酶类。 第一节    酶的分子结构与功能 单体酶：只有一条多肽链构成的酶。主要见水解酶类。 寡聚酶：由多个相同或不同亚基以非共价键连接的酶 。如：乳酸脱氢酶由亚基H、M形成的四聚体。 多酶体系：在细胞内存在着许多由几种不同功能的酶彼此聚合形成的多酶复合物。如：丙酮酸脱氢酶体系。 多功能酶（串连酶）：一些多酶体系在进化过程中由于基因的融合，形成由一条多肽链组成却具有多种不同催化功能的酶。如：脂肪酸合成酶系。

一、酶的分子组成 酶按其分子组成分为：（见图） 单纯酶（simple enzyme）：仅由氨基酸残基构成的酶。如：淀粉酶、脲酶、脂酶、一些消化蛋白酶、核糖核酸酶等。 结合酶（conjugated enzyme）：由蛋白质和非蛋白质组成。前者称为酶蛋白（apoenzyme），后者称为辅助因子（辅酶或辅基）。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，只有全酶才有催化作用。

金属离子 辅助因子最为多见的是金属离子。 含金属离子的酶分为： 金属酶：金属离子与酶结合紧密,提取的过程中不易丢失,这类酶称为金属酶。如羧基肽酶、黄嘌呤氧化酶等。 金属激活酶：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。如己糖激酶等 。

金属离子在全酶中的作用 ①传电子：作为酶活性中心的催化基团参与催化反应、传递电子。 ②架桥梁：作为连接酶与底物的桥梁，便于酶对底物起作用。 ③稳构象：稳定酶的构象所必需。 ④降斥力：中和阴离子，降低反应中的静电斥力。

小分子有机化合物 小分子有机化合物在全酶中的作用： 参与催化过程，起传递电子、质子或一些基团的作用。 小分子有机化合物作为辅助因子的种类不多，都属于维生素或维生素衍生物。常见的见表 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。

辅助因子的分类 辅助因子按其与酶蛋白结合的紧密程度与作用特点分为：辅酶和辅基。 辅酶：与酶蛋白结合疏松，可以用透析或超滤的方法除去。在两个酶促反应中充当质子或基团供体和受体的作用。如NAD、NADP。 辅基：与酶蛋白结合紧密，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。 如金属离子多为此，FAD、FMN、生物素等。

二、酶的活性中心 酶的活性中心：酶的必需基团在空间结构上彼此靠近，组成具有特定空间结构、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或活性部位。（见图）。 对于结合酶，辅酶或辅基参与酶活性中心的组成。 酶的必需基团：与酶活性密切相关的基团称为必需基团。

酶活性中心内的必需基因有两种： 结合基团，其作用是与底物相结合，使底物与酶的一定构象形成复合物； 催化基团，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。 酶活性中心外的必需基团不参与活性中心的组成，但为维持活性中心应有的空间构象所必需。

第二节 酶促反应的特点与机制 酶和一般催化剂的共性 1.用量少而催化效率高。 2.它能够改变化学反应的速度，但是不能改变化学反应的平衡点。 第二节 酶促反应的特点与机制 酶和一般催化剂的共性 1.用量少而催化效率高。 2.它能够改变化学反应的速度，但是不能改变化学反应的平衡点。 3.酶能够稳定底物形成的过渡状态，降低反应的活化能，从而加速反应的进行。 活化能：是指一定条件下，能使1摩尔底物全部进入活化状态所需要的自由能

一、酶促反应的特点 1、高度的催化效率 酶的催化效率比无催化剂的自发反应速度提高108～1020倍，比无机催化剂的催化效率高107～1013倍。 如过氧化氢酶催化H2O2分解的速度是Fe2+催化其分解速度的8.3×109倍。 这种高度加速的酶促反应机制，主要是因为降低了反应活化能。（见图）

2、高度特异性 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的特性称为酶的特异性或专一性。 根据酶对其底物结构选择的严格程度不同，特异性分为三种： 绝对特异性、相对特异性、立体异构特异性。

（1）绝对特异性 绝对特异性：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。 如：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 相对特异性：酶作用于一类化合物或一种化学键，这种特异性称相对特异性。 这种选择性不太严格较差（专一性相对较差）。如磷酸酯酶等。 相对特异性分为： 族类特异性：对底物仅要求其化学键和一侧的基团。 键特异性：对底物仅选择性要求其化学键，不要求其键的二侧基团。

（3）立体异构特异性 立体异构特异性：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称为立体异构特异性 根据旋光异构和几何异构的要求可分为： 旋光异构特异性：如精氨酸酶只水解L-精氨酸，不能催化D-精氨酸水解。 几何异构特异性：如延胡索酸酶仅催化反丁烯二酸（延胡索酸）生成苹果酸，而对顺丁烯二酸（马来酸）无作用。

3、酶促反应的可调节性 体内代谢特通过对酶活性的激活或抑制，对反应途径中的关键酶进行调节，也可对酶合成进行诱导或阻遏作用对酶进行的调节。因此体内化学反应得以有精确调控下进行。

二、酶促反应的机制 1、酶-底物复合物的形成与诱导契合假说 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—底物结合的诱导契合假说。（见图）

2、邻近效应与定向排列 在酶促反应中，底物分子结合到酶的活性中心. 一方面底物在酶活性中心的有效浓度大大增加，有利于提高反应速度。 另一方面，由于活性中心的立体结构和相关基团的诱导和定向作用，使底物分子中参与反应的基团相互接近，并被严格定向定位，使酶促反应具有高效率和专一性特点。

3、多元催化 酶是两性电解质，同一种酶兼有酸、碱双重催化作用。

4、表面效应 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。 一种酶的催化反应常常是多种催化机制的综合作用，所以酶促反应具有极高的催化效率。

第三节 酶促反应动力学 酶动力学是研究酶促反应的速度以及各种因素对酶促反应速度的影响机制。 影响酶反应速度的因素： 第三节 酶促反应动力学 酶动力学是研究酶促反应的速度以及各种因素对酶促反应速度的影响机制。 影响酶反应速度的因素： 底物浓度、酶浓度、温度、pH、抑制剂、激活剂等。

一、底物浓度对反应速度的影响 在其因素不变的情况下，底物浓度的变化对反应速度的影响（见图） 解释酶促反应中底物浓度和反应速度关系可用：中间产物学说。（见图）

（一）米-曼氏方程式 Michaelis和Menten根据中间产学说的理论，并借助于反应速度（V）与底物浓度[S] 的曲线，研究酶的动力学，得出V与[S] 的数学公式，称米-曼方程式。 Km 即为米氏常数， Vmax为最大反应速度

米-曼氏方程式的推导 方程式的推导首先设立假设： （1）将反应过程限于初速度 （2）[S] 超过 [E] ，[S] 的变化在测定初速度的过程中可忽略不计。

K1 K3 E + S ES E + P 酶 底物 K2 中间产物 酶 产物 ES的生成速度= K1 ( [E] - [ES] ) [S] ---(3) ES的分解速度= K2 [ES] + K3 [ES] ---(4) 当反应处于稳态时，ES的生成速度=ES的分解速度，即 K1 ( [E] - [ES] ) [S] =K2 [ES] + K3 [ES] 经整理， ( [E] - [ES] ) [S] / [ES]=（K2 + K3）/ K1 令 Km = （K2 + K3）/ K1 Km为米氏常数，则 [ES] = [E] [S] / ( Km + [S] ) ---(5) 由于反应速度取决于单位时间内产物P的生成量，所以 V= K3 [ES] 将（5）式代入得： V= K3 [E][S] / ( Km + [S] ) ---(6) 当底物浓度很高，所有的酶都与底物生成中间产物（即[E]=[ES]时，反应达最大速度。即 Vmax = K3 [ES]= K3 [E] 代入（6）式，得米氏方程式： Vmax [S] V = ————— Km + [S]

（二）Km与Vmax的意义 1、当反应速度为最大速度一半时，Km等于酶促反应速度为最大速度一半时的底物浓度。 米氏方程式变换为: 整理得Km = [S]

2、在K2》K3特定情况下，Km=K2 / K1，近似于ES的解离常数Ks，但不等同Ks。Km表示酶对底物的亲和力。 Km值愈小，酶与底物的亲和力愈大，酶的催化活性高，不要很高的底物浓度即可达最大反应速度。反之，亲和力小，催化活性低。 3、Km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（如温度，pH,离子强度）有关，与酶的浓度无关。不同的酶，Km值不同（见表）。范围在10-6—10-2mmol／L之间

4、Vmax 是酶完全被底物饱和时的反应速度，与酶浓度呈正比。 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（或酶活性中心）催化底物转变为产物的分子数。

（三）Km值和Vmax值的测定 为了准确又方便，许多学者将米-曼方程式变换成直线形式，其中林-贝氏双倒数作图法应用最广。 取米-曼方程式两边倒数，得下式： 以 1/V 和 1/[S] 作图，即得一条直线（见图） 此外，还有Hanes作图法。

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与酶的浓度变化成正比关系 V 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与酶的浓度变化成正比关系 [E] 酶浓度对反应速度的影响

三、温度对反应速度的影响 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。 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。

四、pH对反应速度的影响 pH影响极性基团（酶、底物、辅酶）的解离状态， 酶催化活性最大时的环境pH称为酶促反应的最适pH。

五、抑制剂对反应速度的影响 酶的作用可因多种因素的影响导致催化活性降低或丧失。最多见的有两种情况： ①失活作用：指一些物理因素或化学制剂破坏了酶分子特定的空间构象，引起酶活性的丧失，即酶的变性作用。 ②抑制作用：指抑制剂（凡能使酶的催化活性下降而不引起酶蛋白变性的物质）作用于酶的必需基团或使活性部位的化学性质发生改变，引起酶活性的降低或丧失。 两者有本质区别。

（一）不可逆性抑制作用 不可逆性抑制作用：是指抑制剂与酶活性中心的某些必需基团共价结合，导致酶活性丧失。 此种抑制剂不能用一般的物理方法如透析、超滤等方法予以去除。 抑制剂根据其作用的选择性不同分为两类： 专一性抑制剂：它仅仅与活性中心的有关基团反应。 如，有机磷农药（敌敌畏、敌百虫、1059等）中毒 非专一性抑制剂：它可以和一类或几类基团反应。 如，路易士气中毒

（二）可逆性抑制作用 可逆性抑制作用：是指抑制剂以非共价键与酶或酶-底物中间复合物可逆性结合，使酶活性降低或丧失。 这类抑制剂采用透析、超滤等方法可除去，使酶恢复活性。 可逆性抑制作用可分为三种类型： ①竞争性抑制作用、②非竞争性抑制作用、③反竞争性抑制作用。

1、竞争性抑制作用 竞争性抑制作用：抑制剂的化学结构与底物相似，能与底物竟争酶活性中心，从而阻碍酶与底物结合形成中间产物，这种抑制作用称竞争性抑制作用。(见图） 抑制程度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。 竟争性抑制通常可以通过增大底物浓度，即提高底物的竞争能力来消除。 动力学参数特点：Vmax不变,Km增大（见图）

举例： ①丙二酸、苹果酸、草酰乙酸与琥珀酸的结构类似，是琥珀酸脱氢酶的竞争性抑制剂。(见图） ②磺胺类药物的抗菌作用机制也是竞争性抑制。（见图） ③一些抗癌药物（如5-FU、6-MP）的抗癌作用机制也是竞争性抑制。

2、非竞争性抑制作用 非竞争性抑制作用：抑制剂与酶活性中心外的必需基团结合，改变了酶活性中心的构象，影响酶对底物的催化作用，使酶—底物—抑制剂复合物不能进一步释放出产物。这种抑制作用称为非竞争性抑制作用。（见图） 动力学参数特点： Vmax减小，Km不变(见图）

举例： ①别嘌呤醇（治疗痛风的常用药物，通过非竞争性抑制作用来抑制黄嘌呤氧化酶，从而降低尿酸的生成） ②质子化叔胺（R-NH3+）类化合物是乙酰胆碱酯酶的非竞争性抑制剂。

3、反竞争性抑制作用 反竞争性抑制作用：抑制剂仅与酶和底物形成的中间产物（ES）结合，使中间产物ES的量下降，既减少从中间产物转化为产物的量，也减少从中间产物解离出游离酶和底物的量，这种抑制作用称为反竞争性抑制作用。（见图） 动力学参数特点： Vmax及Km都减小（见图）

六、激活剂对反应速度的影响 酶的激活剂：使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加的物质。如：金属离子、阴离子、有机化合物。 必需激活剂：有些激活剂对酶促反应是不可缺少的，否则将测不到酶的活性，这类激活剂称为必需激活剂。如：金属酶中的金属离子 非必需激活剂：有些激活剂不存在时，酶仍有一定的催化活性，这类激活剂称为非必需激活剂。如：金属激活酶中的金属离子；口腔无Cl-，但淀粉酶可消化淀粉，而胃则有Cl-，故其消化淀粉能力增强

七、酶活性测定与酶活性单位 酶活性：是指酶催化化学反应的能力。 酶活性的衡量标准是酶促反应速度的大小。 酶的活性单位：酶促反应在单位时间内生成一定量的产物或消耗一定数量的底物所需的酶量 。 酶活性的国际单位（IU）：在特定条件下，每分钟催化1μ mol底物转化为产物所需的酶量为一个国际单位。(1976) 1催量（1 kat）是指在特定条件下，每秒钟使1mol底物转化产物所需的酶量。(1979) Kat与IU的换算：1IU＝16.67×10-9Kat， 1Kat＝6×107IU

第四节 酶的调节 体内各种代谢途径的调节主要是对代谢途径中关键酶的调节 变构调节 酶活性的调节 共价修饰调节 酶的调节 酶含量的调节

一、酶活性的调节 多酶体系：细胞中的一些酶催化的反应常常组成一个连续的反应链，前一个酶反应的产物正好是后一个酶反应的底物，以这种方式联系在一起的一组酶称为多酶体系。 限速酶：多酶体系催化的代谢通路中，速度最慢，控制着整个代谢通路进行速度的酶促反应称为该通路的限速反应，催化此步反应的酶称为该多酶体系的限速酶，又称为关键酶。

（一）酶原与酶原的激活 酶原：无活性酶的前体称为酶原 酶原的激活：酶原向酶的转化过程称为酶原的激活。 酶原的激活的机制：酶原分子靠近N端的一个或几个特定的肽键断裂—→分子构象改变—→酶的活性中心形成。(酶的活性中心形成或暴露的过程 )。 举例：胰蛋白酶原（见图）

酶原的激活的意义： 1）防止自身消化：避免细胞产生的蛋白酶对细胞进行自身消化，使酶在特定的部位和环境中发挥作用，保证体内代谢的正常进行 2）酶原还可以视为酶的储存形式。如凝血因子

（二）变构酶 变构调节：某些代谢物可以与某些酶分子活性中心外的某一部位（变构部位或称调节部位）可逆的结合，使酶发生变构并改变其催化活性。此种调节称为变构调节。 变构激活效应：效应剂引起的协同效应使酶对底物的亲和力增加，从而加快反应速度，此效应称为变构激活效应 。 变构抑制效应：效应剂引起的协同效应使酶对底物的亲和力降低，从而降低反应速度，此效应称为变构抑制效应 。

（三）酶的共价修饰调节 （1）酶的共价修饰的概念 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，这一过程称为酶的共价修饰 （2）酶的共价修饰的方法：磷酸化与脱磷酸化（最常见）、乙酰化与脱乙酰化、甲基化与脱甲基化、腺苷化与脱腺苷化，以及—SH与—S—S—的互变等。

二、酶含量的调节 1.酶蛋白合成的诱导与阻遏（对代谢的缓慢而长效的调节） 诱导剂：在转录水平上促进酶（常见于分解代谢的酶类）生物合成的化合物。（诱导作用） 辅阻遏剂：在转录水平上减少酶（常见于合成代谢的酶类）生物合成的物质。（阻遏作用） 2.酶降解的调控 细胞内酶的降解速度与机体的营养和激素的调节有关。

三、同工酶 同工酶：指催化相同的化学反应，而酶蛋白的分子结构、理化性质乃至免疫学性质不同的一组酶。（“一同三不同”） 举例：①乳酸脱氢酶LDH（四聚体） 亚基：骨骼肌型亚基（M）和心肌型亚基（H） 类型：LDH1（H4）、LDH2（H3M）、LDH3（H2M2）、LDH4（HM3）、LDH5（M4） 各种不同组织器官含量与分布比例不同（见图）

②肌酸激酶（二聚体） 亚基：肌型（M）和脑型（B） 脑中含CK1（BB型） 骨骼肌中含CK3（MM型） CK2仅见于心肌中 同工酶的意义：临床诊断（见图）

第五节 酶的命名与分类 一、酶的命名 国际系统命名法： 第五节 酶的命名与分类 一、酶的命名 国际系统命名法： 系统名称包括底物名称与反应性质，最后加一个酶字。如果底物不止一个，则在底物之间用“：”隔开。 举例见表

二、酶的分类 根据酶促反应的性质，酶可分为六大类： 1、氧化还原酶类：催化底物进行氧化还原反应的酶类。如乳酸脱氢酶、琥珀酸脱氢酶等。 2、转移酶类：催化底物分子之间基团转移的酶类。如甲基转移酶、磷酸化酶等 3、水解酶类：催化底物分子进行水解反应的酶类。如蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶等

4、裂解酶类：催化从底物分子上移去一个基团而形成双键的反应或其逆反应的酶。如醛缩酶、水化酶、脱水酶、脱羧酶、合酶、裂解酶等。 5、异构酶类：催化底物分子异构反应的酶类。如葡萄糖异构酶、磷酸甘油酸变位酶等。 6、合成酶类：催化两分子底物合成为一分子化合物，同时偶联有ATP的磷酸键断裂释能的酶类。如谷氨酰胺合成酶、丙酮酸羧化酶等。

第六节 酶与医学的关系 一、酶与疾病的关系 1、酶与疾病的发生 2、酶与疾病的诊断 3、酶与疾病的治疗

二、酶在医学上的应用 1、酶作为试剂用于临床检验 2、酶作为药物用于临床治疗 3、酶作为工具用于科学研究与生产 （1）工具酶 （2）酶标记测定法 （3）固定化酶 （4）抗体酶

氧化还原酶

增加反应体系中活化分子数目，有两种可能途径： 过渡态即活化态 增加反应体系中活化分子数目，有两种可能途径： ①向体系提供能量，如加热等。 ②降低活化能，间接增加活化分子的数目。 初态

酶反应速度与底物浓度的关系

斜率=Km/Vmax 1/Vmax -1/Km

一些酶的命名举例 编号 推荐名称 系统名称 催化反应 EC 1.4.1.3 谷氨酸脱氢酶 L-谷氨酸：NAD+氧化还原酶 L-谷氨酸 + H2O+NAD+ α-酮戊二酸 + NH3 + NADH EC 2.6.1.1 天冬氨酸氨基转移酶 L-天冬氨酸： α-酮戊二酸氨基转移酶 L-天冬氨酸 + α-酮戊二酸 草酰乙酸 + L-谷氨酸 EC 3.5.3.1 精氨酸酶 L-精氨酸脒基水解酶 L-精氨酸 + H2O L-鸟氨酸 + 尿素

低浓度的重金属离子（Hg2+、Ag+）及As3+可以巯基结合（活性中心内或外的） 含多个巯基的化合物在体内达一定浓度后可与毒剂结合 （治疗药物） 复活的酶 低浓度的重金属离子（Hg2+、Ag+）及As3+可以巯基结合（活性中心内或外的）

直接作图 参数特点 Vmax不变 Km增大 斜率Km / Vmax 增大 双倒数作图

直接作图 Vmax减小，Km不变 双倒数作图

直接作图 Vmax及Km都减小 双倒数作图

单纯酶 酶 酶蛋白 辅酶 金属酶 结合酶 金属离子 (全酶) 金属激活酶 辅助因子 有机小分子 辅基

一 些 酶 的 Km 值 酶 底物 Km（mmol/L） 过氧化氢酶 H2O2 25 己糖激酶 葡萄糖 0.15 果糖 1.5 乳酸脱氢酶 丙酮酸 0.017 丙酮酸脱氢酶 1.3 葡萄糖-6-磷酸脱氢酶 6-磷酸-葡萄糖 0.058 β半乳糖苷酶 乳糖 4.0

(对氨基苯甲酸)