第三章 酶 （ Enzymes）.

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1 第三章 酶 （ Enzymes）

2 · 核酶(ribozyme)和脱氧核酶(deoxyribozyme)：
生物催化剂 ：生物体内起催化作用的物质。 有两类 ： · 酶(enzyme – E) ： 是由活细胞合成的、对其特异底物起高效催化作 用的蛋白质，是机体内最主要的催化剂。 · 核酶(ribozyme)和脱氧核酶(deoxyribozyme)： 具有高效、高特异催化作用的核糖核酸和脱氧核 糖核酸。是近年来发现的另一类生物催化剂，为 数不多，主要作用于核酸。

3 1982 年，Thomas Cech 从四膜虫 rRNA 前体的加工研究中发现 rRNA 前体本身具有自我催化作用，并提出了核酶的概念。
1995年，Jack W.Szostak 首先报道了具有DNA连接酶活性的DNA片段，为生物催化剂的发展作出了新的贡献。

4 Enzymes are catalysts that change the rate of a reaction without being changed themselves. Enzymes are highly specific and their activity can be regulated. Virtually all enzymes are proteins, although some catalytically active RNAs have been identified.

5 (Molecular Structure and Function of Enzymes)
第一节 酶的分子结构与功能 (Molecular Structure and Function of Enzymes)

6 酶是蛋白质，具有一、二、三级乃至四级结构。
单体酶 ( monomeric enzyme ) ： 仅具有三级结构的酶。 寡聚酶 ( oligomeric enzyme ) ： 由多个相同或不同亚基以非共价键连接组成的酶。

7 多酶体系（multienzyme system）：
由几种不同功能的酶彼此聚合形成的多酶复合物。 多功能酶 ( multifunctional enzyme ) ： 有一些多酶体系在进化过程中由于基因的融合， 多种不同催化功能存在于一条多肽链中。又称串 联酶。

8 一、酶的分子组成 ： (molecular composition of enzymes) · 单纯酶 ：完全由氨基酸组成，主要是水解酶类、
· 单纯酶 ：完全由氨基酸组成，主要是水解酶类、 脲酶、消化蛋白酶、淀粉酶、核糖核酸 酶，较少。 · 结合酶 ：属结合蛋白质 蛋白质部分 ＋ 非蛋白质部分 全酶 （酶蛋白） （辅助因子 ） Apoenzyme Cofactor Holoenzyme

9 （一）辅助因子： 金属离子或小分子有机化合物 1、金属离子： 最多见，约 2／3的酶含有金属离子，常见的 有 K+、Na+、 Mg2+、Cu2+（Cu+）、Zn2+、 Fe2+（Fe3+）等。

10 金属酶： 有的金属离子与酶结合紧密，提取过程中不易丢 失，称为金属酶。如羧基肽酶、黄嘌呤氧化酶等。 金属激活酶： 有的金属离子虽为酶的活性所必需，但与酶的结合 不甚紧密，称金属激活酶。如己糖激酶、肌酸激酶 等。

11 作用： ⑴ 作为酶活性中心的催化基团参与催化反应，
传递电子。 ⑵ 作为连接酶与底物的桥梁，便于酶对底物起 作用。 ⑶ 稳定酶的构象。 ⑷ 中和阴离子，降低反应的静电斥力等。

12 2、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。种类不多，主要是B族维生素衍生物。 见 P53 表3－1

13 辅酶或辅基形式 所含维生素 作用 NAD+（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸，辅酶 I ） 尼克酰胺 ( PP ) 递氢 NADP+（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸，辅酶Ⅱ） FMN（黄素单核苷酸） 核黄素( B2 ) FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸） 核黄素 ( B2 ) TPP（焦磷酸硫胺素） 硫胺素 ( B1 ) 转移醛基 辅酶A ( CoA ) 泛酸 转移酰基 硫辛酸 钴胺素辅酶类 钴胺素 ( B12 ) 转移烷基 生物素 转移二氧化碳 磷酸吡哆醛 吡哆醛 ( B6 ) 转移氨基 四氢叶酸 叶酸 转移一碳单位

14 （二）辅助因子按其与酶蛋白结合的紧密程度与作用特
点分为辅酶与辅基： 1、辅酶 ( coenzyme ) ： 与酶蛋白以非共价键结合，结合疏松，可以用透 析或超滤的方法除去，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。

15 2、辅基 ( prosthetic group ) ：
与酶蛋白以共价键结合，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， 作为酶的一个组成成分。 金属离子多为辅基，小分子有机化合物有的属辅酶 （NAD+、NADP+），有的属辅基（FAD、FMN、 生物素），但辅酶或辅基有时经常混为一体，无严 格区分。

16 （三）结合酶的特点： 1、只有全酶才有活性。 2、一种酶只能有一种辅酶或辅基。 3、不同的酶可有相同的辅酶或辅基：
如乳酸脱氢酶、苹果酸脱氢酶、柠檬酸脱氢 酶均以 NAD+ 作为辅酶。 、酶蛋白决定特异性，辅助因子参与催化反应， 传递原子、电子、化学基团，决定反应的种 类与性质。

17 Some enzymes require the presence of cofactors, small nonprotein units, to function. Cofactors may be inorganic ions or complex organic molecules. A cofactor that is covalently attached to the enzyme is called a prosthetic group. A holoenzyme is the catalytically active form of the enzyme with its cofactors.

18 (active center of enzyme)
二、酶的活性中心： (active center of enzyme) 必需基团 ( essential group ) ： 与酶的活性密切相关的化学基团。 活性中心 ( active center ）： 酶分子上必需基团比较集中，构成特定的空间结构, 能与底物特异结合，并催化底物转变成产物的区域。 具有三维结构，为裂缝或凹陷，多为氨基酸残基的 疏水基团组成的疏水环境 － “口袋” ，又称活性部 位（active site）。

19 活性中心内的必需基团： 结合基团：结合底物和辅酶，使之与酶形成复合物。 催化基团：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。 二者无明显界限，活性中心内的必需基团可同时具有 这两方面的功能，如His－咪唑基， Ser－羟基， Cys－巯基，Glu－γ羧基 。 活性中心外的必需基团： 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。

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21 底 物 活性中心以外的必需基团 结合基团 催化基团 活性中心

22 The active site is the region of the enzyme
that binds the substrate, to form an enzyme- substrate complex, and transforms it into product.

23 (Features and mechanisms of an enzyme-catalyzed reaction)
第二节 酶促反应的特点和机制 (Features and mechanisms of an enzyme-catalyzed reaction)

24 酶与一般催化剂一样，有许多共同的特点： · 在化学反应前后没有质和量的改变；
· 微量的酶可发挥巨大的催化作用； · 只催化热力学允许的化学反应； · 只能加速可逆反应的进程，不改变反应的平衡 点，不改变反应常数。 但酶是蛋白质，又具有一般催化剂没有的生物大分 子特性。

25 一、酶促反应的特点： (features of an enzyme-catalyzed reaction) （一）酶促反应具有极高的效率： 比非催化反应高108～1020倍，比一般催化剂高 107～1013倍。如脲酶催化尿素的水解速度是H+ 催化作用的 7×1012倍。 机制：更有效地降低反应的活化能。

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27 （二）酶促反应具有高度的特异性（specificity）: 一种酶仅作用于一种或一类化合物，或一定
化学键，催化一定的化学反应并产生一定的 产物，称为酶的特异性或专一性。 The ability of an enzyme to catalyze one specific reaction and essencially no others is perhaps its most significant property.

28 酶对其底物具有较严格的选择性，根据对其底物结
构选择的严格程度不同，分为三种类型: 1、绝对特异性 (absolute specificity) ： 只作用于特定结构的底物，进行一种专一的反应， 生成一种特定结构产物。 如：脲酶仅催化尿素→CO2+NH 琥珀酸脱氢酶仅催化琥珀酸→延胡索酸

29 2、相对特异性（relative specificity）：
作用于一类化合物或一种化学键，不太严格的选 择性。 如：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。

30 3、立体异构特异性 ( stereospecificity ) ：
仅作用于底物的一种立体异构体。 如：乳酸脱氢酶(LDH)仅催化 L-乳酸 →L-丙酮酸 ， 而不作用于 D- 乳酸，二者属于光学异构体。 延胡索酸酶仅催化延胡索酸（反丁烯二酸） → 苹果酸，对顺丁烯二酸无作用，二者属于 几何异构体。

31 （三）酶促反应的可调节性： 受多种因素调控，适应机体不断变化的内外
环境和生命活动的需要。

32 (mechanisms of enzyme-catalyzed reactions)
二、酶促反应的机制： (mechanisms of enzyme-catalyzed reactions) （一）酶－底物复合物的形成与诱导契合假说： E + S ↔ ES → P + E 底物与酶的结合不是锁钥式的机械关系，二者 相互靠近时，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。

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34 （二）酶促反应的机制： 1、邻近效应与定向排列： 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，相互接近并形成有利于 反应的正确定向关系，将分子间的反应变成分 子内的反应，大大提高反应速率。

35 邻近效应与定向排列

36 2、多元催化： 一般催化剂仅有一种解离状态，或酸催化，或碱
催化，酶是两性电解质，随环境pH改变，可有不 同解离度，同一种酶常常兼具酸、碱双重催化作 用，这种多功能基团的协同作用可极大地提高酶 的催化效能。

37 3、表面效应： 酶的活性中心多为疏水性 “口袋”，可排除水分子
对酶与底物的干扰性吸引或排斥，防止在酶与底 物之间形成水化膜，有利于酶与底物的密切接触。 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。

38 (Kinetics of Enzyme - Catalyzed Reactions)
第三节 酶促反应动力学 (Kinetics of Enzyme - Catalyzed Reactions)

39 酶促反应动力学研究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。要研究各因素对酶促反应速度的影响，必须遵循以下条件： · 初速度：反应开始时的速度，此时产物浓度接近 零，反应速度不会因产物堆积产生逆向 反应而降低。 · 研究某一因素，须保持其它因素不变。

40 Many factors that affect enzyme activity include enzyme and substrate concentration, temperature, pH, activator and inhibitors.

41 (the effect of substrate on the rate of
一、底物浓度对反应速度的影响： (the effect of substrate on the rate of enzyme-catalyzed reactions) 酶浓度、pH、温度恒定。 （一）底物浓度曲线：V－[S]关系 呈矩形双曲线，分三段： 1、当[S]较低时，V 随［S］增加而急剧增加，成正 比关系，为一级反应。 2、随着［S］进一步增高，V 不再成正比加速，V 增加的幅度逐渐下降。 3、继续加大 [S], V 不再增加，表现出零级反应，酶 的活性中心被底物饱和。

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43 （二）米－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。 K K E + S ES P + E K2

44 1913年，Michaelis and Menten 提出了V－[S] 关系
的数学方程式－米曼氏方程式（米氏方程式）： Vmax[S] V = ————— Km + [S] Km 为米氏常数 Km = (K2 + K3)/ K1 K1 K2 K3为速度常数 Vmax：最大反应速度 [S]：底物浓度 V : 不同[S]时相应速度

45 当 [S] 很低时 ( [S] « Km )： V = Vmax / Km · [S] , V 与 [S] 成正比。 当 [S] 很高时（[S] » Km）： V ≌ Vmax ，V 达最大，[S] 增加也不 再影响 V 。

46 （三）Km 与 Vmax 的意义： 1、当V = 1/2 Vmax 时，Km= [S] (Vmax / V-1)， Km = [S]，Km 值等于酶促反应速度为最 大速度一半时的底物浓度。 The substrate concentration that produces half maximal velocity, termed the Km value or Michaelis constant.

47 Vmax V [S] Km Vmax/2

48 2、Km = ( K2 + K3 ) / K1 ，当 K2 » K3 ，即ES 解离成
E 和 S 速度大大超过分解成 E 和 P 的速度时，K3 可忽略不计。此时 Km 值近似于 ES 的解离常数 Ks , Km = K2 / K1 = [E] [S] / [ES] = Ks ，在这种情 况下，Km 值可用来表示酶对底物的亲和力。Km 越小， 亲和力越大，不需要很高的底物浓度便可 很容易地达到最大反应速度 Vmax 。

49 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（温度、pH、离子强度） 有关，与酶的浓度无关。各种酶 Km 值范围很广， 10－6～10－2 mmol / L 之间。 ⑴ 对于同一底物，不同的酶有不同的 Km 值。 例如：脑－己糖激酶→葡萄糖 ，Km = 0.05 mmol/L 肝－葡萄糖激酶→葡萄糖 ，Km = 10 mmol/L 若 [S] 相同，Km 越大，V越大。

50 ⑵ 多底物反应的同一种酶，对于不同的底物就有不同
的 Km 值。（有几种底物就有几个不同的 Km 值）。 Km 值最小的底物一般认为是该酶的天然底物或最 适底物。 例如：脑－己糖激酶 果糖：Km = 1.5 mmol / L 葡萄糖：Km = 0.05 mmol / L 4、 Vmax 是酶完全被底物饱和时的反应速度，与酶浓度 成正比。

51 （四）Km 值和 Vmax 值的测定： 底物浓度曲线是矩形双曲线，为渐近线，很难

52 1、双倒数作图法 ： 见 P59 图 3－4 又称林－贝氏作图法，是最常用的作图法。
将米氏方程两边取倒数，成为直线方程： 林－贝氏方程式 / V = Km / Vmax·1 / [S] + 1 / Vmax 横轴上截距：-1 / Km 纵轴上截距：1／Vmax 斜率： Km / Vmax 此作图法除用于求取 Km 和 Vmax 值外，还可用于 判断可逆性抑制反应的性质。

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54 2、Hanes作图法： 见 P59 图 3－5 将林－贝氏方程两边同乘以 [S] ： [S] / V = [S] / Vmax + Km / Vmax 横轴上截距：－Km 纵轴上截距：Km / Vmax 斜率: 1 / Vmax

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56 二、酶浓度对反应速度的影响 ： (the effect of enzyme on the rate of
enzyme-catalyzed reactions) 当 [S] » [E] 时，酶被底物饱和，V 与 [E] 变化成 正比关系，V = K3 [E]。

57 三、温度对反应速度的影响： (the effect of temperature on the rate of
enzyme-catalyzed reactions) 酶是生物催化剂，温度对酶促反应速度具有双 重影响：升高温度一方面加快酶促反应速度， 同时也增加酶的变性。 （一）最适温度 ( optimum temperature ) ： 酶促反应速度最快时的环境温度。温血动物组织 中酶的最适温度多在 35～40o C 之间。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。

58 There is an optimal temperature at which the reaction is most rapid.

59 （二）酶活性－温度曲线：见 P60 图 3－7 “钟形曲线” 或 倒 U 形 1、温度低于最适温度时，V 加快起主导作用。 2、温度高于最适温度时，V 因为酶变性而降低， 恢复最适温度，酶也不能复性。 3、酶的活性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。

60 （三）应用： 1、临床上低温麻醉是利用酶的性质减慢组织细胞 代谢速度，提高机体对氧和营养物质缺乏的耐 受性。 2、保存菌种。 3、生化实验中测定酶的活性，应严格控制反应液 的温度。 4、酶制剂应保存在冰箱中，取出应立即应用，以 免变性。

61 四、pH 对反应速度的影响： (the effect of pH on the rate of
enzyme-catalyzed reactions) · pH 条件影响酶活性中心上必需基团的解离状 态，只有在某一解离状态时才最容易同底物结 合或具有最大催化作用。 · pH还可影响酶活性中心的空间构象。 · 底物、辅酶也有解离性质，pH改变也可影响 它们的解离状态，影响与酶的亲和力。 pH的改变对酶的催化作用影响很大。

62 （一）最适pH ( optimum pH ) : 酶催化活性最大时的环境 pH 称为最适 pH 。 除少数酶胃蛋白酶最适 pH 约为1.8 , 肝精氨酸酶 最适 pH 为 9.8 外，动物体内多数酶的最适 pH 接 近中性。 最适 pH 也不是酶的特征性常数，它受底物浓度、 缓冲液的种类与浓度、酶的纯度等因素的影响。

63 （二）酶活性－pH 曲线：见 P61 图 3－8 “钟形曲线” 或 倒 U 形 溶液 pH 高于或低于最适 pH 时，酶的活性降低， 远离最适 pH时甚至会导致酶失活。 （三）应用： 测定酶活性时，应选用适宜的缓冲液以保持酶 活性的相对恒定。

64 Each enzyme has an optimum pH at
which the rate of the reaction that it catalyzes is at its maximum. Slight deviation in the pH from the optimum lead to a decrease in the reaction rate. Larger deviations in pH lead to denaturation of the enzyme.

65 五、激活剂对反应速度的影响 ： (the effect of activators on the rate of
enzyme-catalyzed reactions) （一）激活剂 ( activator ) ： 使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加的物 质。 大多为金属离子，如 Mg2+、K+、Mn2+ ，少数 为阴离子，如 Cl- 等，也有许多有机化合物， 如胆汁酸盐等。

66 （二）分类： 1、必需激活剂： 大多数金属离子激活剂对酶促反应是不可缺少的， 否则将测不到酶的活性，它们与 E、S 或 ES 结合 参加反应，但不转化为产物。如己糖激酶 ：Mg2+- ATP作为酶的真正底物参加反应。 2、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。与 E、S 或 ES 结合，提高酶的催化活性。如：Cl- 是 唾液淀粉酶的非必需激活剂。

67 六、抑制剂对反应速度的影响： (the effect of inhibitors on the rate of enzyme-catalyzed reactions) 抑制剂（ inhibitor – I ）：凡能使酶的催化活性下 降而不引起酶蛋白变性的物质。 抑制剂多与活性中心内、外必需基团相结合，从 而抑制酶的活性。 根据抑制剂与酶结合的紧密程度不同，酶的抑制 作用可分为： 不可逆性抑制 可逆性抑制：竞争性抑制、非竞争性抑制、 反竞争性抑制。

68 （一）不可逆性抑制作用（ irreversible inhibition）：
1、定义：抑制剂与酶的必需基团以共价键相结合 而引起酶失活，不能用透析、超滤等方 法予以去除。 二者结合，可以是局限于活性中心上的必需基 团－专一性抑制剂 也可以不局限于活性中心上的必需基团－非专 一性抑制剂

69 An irreversible inhibitor binds tightly,
often covalently, to amino acid residues at the active site of the enzyme, permanently inactivating the enzyme.

70 2、举例： ⑴ 有机磷中毒： 作用于羟基酶，专一性抑制剂 有机磷化合物（农药敌百虫、敌敌畏、 1059等） 特异地与胆碱酯酶活性中心丝氨酸残基的羟基结 合，使酶失活。 解磷定 (PAM) 可解除有机磷化合物对羟基酶的 抑制作用。

71 有机磷＋胆碱酯酶→磷酰化酶 →乙酰胆碱↑↑ （活性 ） （失活） ↓ 磷酰化解磷定 ← 解磷定↓ 迷走神经兴奋 胆碱酯酶 中毒症状 （活性）
有机磷化合物 羟基酶 失活的酶 酸 有机磷＋胆碱酯酶→磷酰化酶 →乙酰胆碱↑↑ （活性 ） （失活） ↓ 磷酰化解磷定 ← 解磷定↓ 迷走神经兴奋 胆碱酯酶 中毒症状 （活性）

72 ⑵ 低浓度重金属离子 Hg2+、Ag+ 等： 作用于巯基酶, 非专一性抑制剂 化学毒气路易士气（芥子气）是砷化物，可与酶 分子的巯基结合，抑制巯基酶的活性。 二巯基丙醇 (BAL) 又称抗路易士气，含有两个巯 基，可与毒剂结合，解除重金属盐引起的巯基酶 中毒。

73 路易士气＋巯基酶 → 失活的酶 → 人畜中毒 （活性） 巯基酶 （活性） BAL与砷剂结合物 ← 二巯基丙醇 路易士气 失活的酶 巯基酶 酸
巯基酶 （活性）

74 （二）可逆性抑制作用（reversible inhibition）：
抑制剂通常以非共价键与酶和（或）酶－底物复 合物可逆性结合，使酶活性降低或消失，可用透 析或超滤的方法除去抑制剂，恢复酶活性。 根据 E、S、I 三者之间的关系，又分为三类： 竞争性抑制、非竞争性抑制、反竞争性抑制。

75 1、竞争性抑制作用（competitive inhibition）：
抑制剂与底物结构相似，可与底物竞争酶的活性 中心，从而阻碍酶与底物结合，由于抑制剂与酶 的结合是可逆的，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。

76 ⑴ 反应过程 ： K K E + S ES P + E K2 K K4 EI Ki = K5 / K4 = [E] [I] / [EI] Ki 为抑制常数，即酶与抑制剂结合的解离常数。 I

77 ⑵ 特点： I 与 S 结构类似, 与酶活性中心上的同一部位结合。 I 的存在阻碍 E 与 S 结合, E 和 S 亲和力↓, Km ↑。 抑制程度取决于 I 与 E 的相对亲和力大小 （ Ki ） 及 [I] / [S] 比值：Ki 越大，抑制程度越轻；[S] » [I] 时，抑制解除，Vmax 不 变。 动力学特点：Vmax 不变，Km ↑。

78 · 纵轴截距相等，为1／Vmax , 故 Vmax 不变。
动力学方程 ：（双倒数方程） 1 / V = Km / Vmax · (1+ [I] / Ki) · 1 / [S] + 1 / Vmax 特征性曲线： · 是一组相交于纵轴的直线, 斜率为 Km / Vmax · (1+ [I] / Ki), 斜率随 [I]↑而 ↑。 · 纵轴截距相等，为1／Vmax , 故 Vmax 不变。 · 横轴截距为－1／Km·(1+ [I] / Ki ), 随［I］↑而↑， 表观 Km ↑。

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80 A competitive inhibitor competes with
the substrate molecules for binding to the active site of the enzyme. At high substrate concentration, the effect of a competitive inhibitor can be overcome. On a Lineweaver- Burk plot a competitive inhibitor can be seen to increase the Km but leave Vmax unchanged.

81 丙二酸：COOH CH2 COOH ，与琥珀酸结构相似， 竞争性地与琥珀酸脱氢酶的活性中心结合，丙二酸
⑶ 举例：丙二酸是琥珀酸脱氢酶的竞争性抑制剂 琥珀酸脱氢酶 COOH CH2 CH2 COOH COOH CH=CH COOH 琥珀酸(丁二酸) 延胡索酸（反丁烯二酸） 丙二酸：COOH CH2 COOH ，与琥珀酸结构相似， 竞争性地与琥珀酸脱氢酶的活性中心结合，丙二酸 与酶的亲和力远大于琥珀酸与酶的亲和力，因此阻 碍琥珀酸的脱氢反应。若增加琥珀酸浓度，此抑制 作用被减弱。 FADH2 FAD

82 ⑷ 意义：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。 例如：磺胺药抑菌机理－竞争性抑制二氢叶酸合成酶 · 对磺胺药敏感的细菌在生长繁殖时，不能利用 环境中的叶酸，而是以对氨基苯甲酸（PABA） 等为底物合成。

83 PABA＋二氢蝶呤＋谷氨酸 FH2 FH4 →核酸合成 磺胺药的化学结构与对氨基苯甲酸相似，是二氢叶酸
合成酶的竞争性抑制剂，抑制二氢叶酸的合成，细菌 因核酸合成受阻而影响其生长繁殖。 FH2合成酶 FH2还原酶

84 · 人类能直接利用食物中的叶酸，核酸的合成不受
磺胺药的干扰。 · 根据竞争性抑制的特点，服用磺胺药时必须保持 血液中药物的高浓度：首次剂量加倍，以后用维 持量。

85 2、非竞争性抑制作用（non-competitive inhibition）：
有些抑制剂可与酶活性中心外的必需基团结合， 不影响酶与底物的结合，酶和底物的结合也不影 响酶与抑制剂的结合。底物与抑制剂之间无竞争 关系，但酶－底物－抑制剂复合物 ( ESI ) 不能进 一步释放出产物。

86 ⑴ 反应过程 ： E + S ES → P + E I I Ki Ki′ EI + S ESI Ki = Ki′

87 ⑵ 特点： I 与 S 结构上无类似性，可逆性结合在酶的不同部 位 (活性中心外)，I 既能与 E 结合，也能与 ES 复 合物结合成 ESI －盲端化合物。 I 的存在并不影响 E 与 S的结合，Km 不变。 抑制程度取决于 [I]，与 [S] 无关，[S]↑不能解除 抑制，Vmax↓。 动力学特点 ：Km 不变，Vmax↓。

88 动力学方程： 1 / V = Km / Vmax· ( 1 + [I] / Ki ) · 1 / [S] + ( 1 + [I] / Ki ) · 1 / Vmax 特征性曲线： · 是一组相交于横轴的直线，斜率为Km / Vmax· (1+ [I] / Ki)，斜率随 [I]↑而↑。 · 纵轴截距为( 1+ [I] / Ki ) · 1 / Vmax ，随 [I]↑而↑， Vmax↓。 · 横轴截距相等，为－1／Km , 故 Km 不变。

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90 A noncompetitive inhibitor binds at a site other than the active site of the enzyme and decreases its catalytic rate. The effect of a noncompetitive inhibitor cannot be overcome at high substrate concentrations. On a Lineweaver-Burk plot a noncompetitive inhibitor can be seen to decrease Vmax but leave Km unchanged.

91 3、反竞争性抑制作用（uncompetitive inhibition）：
有些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，也同时减少从中间产物解离 出游离酶和底物的量。

92 ⑴ 反应过程 ： E + S ↔ ES → P + E ＋ I Ki′ 　　　　　　 ESI

93 ⑵ 特点： I 只与 ES 复合物结合。 I 的存在促进了 E 与 S 的结合，E 与S 亲和力↑， Km↓。 增加 [S] ，抑制程度↑, Vmax↓。 动力学特点：Km↓，Vmax↓。

94 动力学方程： 1 / V = Km / Vmax ·1 / [S] + ( 1+[I] / Ki ) · 1 / Vmax 特征性曲线： · 是斜率相同的一组平行线，斜率为 Km / Vmax。 · 纵轴截距为( 1+[I] / Ki ) · 1 / Vmax ，随 [I] ↑而↑, Vmax↓。 · 横轴截距为－1／Km· (1+ [I] / Ki), 随 [I] ↑而↓，表 观 Km↓。

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96 各种可逆性抑制作用的比较见P65 表3－3： 作用特征 无抑制剂 竞争性抑制 非竞争性抑制 反竞争性抑制 与 I 结合的组份 E E、ES
动力学参数 表观 Km Km 增大 不变 减小 最大速度   Vmax   降低 林贝氏作图 斜率 Km / Vmax 不变   纵轴截距 1 / Vmax 横轴截距   -1 / Km

97 七、酶活性测定与酶活性单位 ： (determination of enzyme activity and enzyme activity unit) (一) 酶活性测定 ： 1、目的： 了解组织提取液、体液或纯化的酶液中酶的存在 与多寡。 2、 酶的活性： 指酶催化化学反应的能力。衡量标准是酶促反应 速度的大小。

98 3、 酶促反应速度： 在适宜反应条件下，单位时间内底物的消耗或产 物的生成量来表示 。 4、 酶活性测定的条件： ⑴ 适宜的特定反应条件； ⑵ 影响酶促反应速度的各种因素应相对恒定； ⑶ 酶的样品应作适当处理。

99 5、注意事项 ： ⑴ 测定酶活性时，底物的量要足够（>10 Km），使 酶被底物饱和，以充分反映待测酶的活力。 ⑵ 测定代谢物时应保持酶足够浓度，根据反应时间 选择反应的最适温度，根据不同底物和缓冲液选 择反应的最适 pH，为获得最高反应速度，反应体 系中应含有适宜的辅助因子、激活剂等，但不应 含有抑制剂。

100 （二）酶的活性单位： 是衡量酶活力大小的尺度。 国际生化学会 ( IUB ) 酶学委员会于1976年规定： 在特定的条件下，每分钟催化 1 umol 底物转化 为产物所需的酶量为一个国际单位（IU）。

101 1979年该学会又推荐以催量单位来表示酶的活性 ( Katal – Kat ) ： 1催量（Kat）是指在特定条件下，每秒钟使 1 mol 底物转化为产物所需的酶量。 IU = × 10-9 Kat = nKat Kat = 6 × 107 IU

102 （ Regulation of Enzymes）
第四节 酶的调节 （ Regulation of Enzymes）

103 体内的各种物质代谢过程是由一系列不同的酶
催化完成，要改变反应速度，并不需要全部酶 活性改变，而仅限于某些酶活性的变化，就能 达到调节物质代谢的要求。

104 关键酶 ( key enzyme ) ： 催化单向不可逆反应，不全是限速酶。 限速酶 ( limiting enzyme ) ： 一系列酶中催化活性最低的酶，均为 关键酶。 对体内各种代谢途径的调节主要是对关键酶的调节，它们常是第一个酶或是处于分支代谢中的第一个酶。

105 酶的调节分： · 酶活性调节 ： 涉及一些酶结构的变化 — 快调节。包括酶原与酶 原激活、变构调节、共价修饰调节。 · 酶含量调节 ： 与酶的合成与降解有关 — 慢调节。 · 同工酶 ： 调节酶不同的分子形式，是酶活性调节的 特殊方 式。

106 一、酶活性的调节 ： (regulation of enzyme activity) （一）酶原与酶原的激活 ： 1、酶原（zymogen）： 有些酶在细胞内合成或初分泌,或在其发挥催化 功能前只是酶的无活性前体，必须在一定条件下， 这些酶的前体水解一个或几个特定的肽键，致使 构象发生改变，表现出酶的活性。 这种无活性 的酶的前体称为酶原。 多是一些蛋白水解酶类：胃蛋白酶、胰蛋白酶、 胰凝乳蛋白酶、羧基肽酶、弹性蛋白酶。

107 Some enzymes are synthesized as
larger inactive precursors called zymogens. These are activated by the irreversible hydrolysis of one or more peptide bonds.

108 2、酶原的激活 ： 无活性的酶原在一定条件下，转变为有活性酶 的过程，均伴有一级结构的改变。 （与酶的激活有本质区别） 举例： 切断6位 Lys－7位 Ile 之间肽键 ⑴ 胰蛋白酶原 胰蛋白酶 ＋ 六肽 （无活性） Ca2+ 肠激酶 （有活性） 胰蛋白酶有自身激活作用。

109 肠激酶 胰蛋白酶 甘 异 赖 缬 天 组 丝 S 46 183 活性中心 甘 异 缬 组 丝 S 赖 缬 天 胰蛋白酶原的激活过程

110 ⑵ 消化管内蛋白酶原的激活具有级联反应性质 ： 胰凝乳蛋白酶原
胰蛋白酶原→胰蛋白酶 → 羧基肽酶原A 加速食物消化 弹性蛋白酶原 肠激酶 激活

111 ⑶ 血液中凝血与纤维蛋白溶解系统的酶类也都以酶
原形式存在，也具有典型的级联反应形式： 少数凝血因子被激活→瀑布式放大作用→大量凝 血酶原转化为凝血酶→引发快速而有效的血液凝 固。

112 酶原的生成和激活是体内酶活性调节的一种特殊方 式。
3、酶原激活机制： 无活性的 酶原 有活性的酶 活性中心未形成 形成活性中心 胰蛋白酶 活性中心被掩盖 暴露活性中心 胃蛋白酶 酶原的生成和激活是体内酶活性调节的一种特殊方 式。 切断一个或几个肽键 构象改变

113 4、意义： ⑴ 消化管内蛋白酶以酶原形式分泌，不仅保护消化 器官本身不受酶的水解破坏，而且保证酶在特定 部位与环境发挥其催化作用。如急性胰腺炎：自 身消化。 ⑵ 酶原还可看作酶的贮存形式，一旦需要便转化为 有活性的酶，发挥其对机体的保护作用。

114 （二）变构酶（ allosteric enzyme ）： 变构酶的两个部位： 活性中心：结合底物，称为催化部位。 变构部位：结合调节物，称为调节部位。 变构酶常含有多个亚基，酶分子的催化部位和
调节部位有的在同一亚基内，有的不在同一亚 基内，含催化部位的亚基称为催化亚基，含调 节部位的亚基称为调节亚基。

115 1、变构调节（allosteric regulation）与
变构效应 ( allosteric effect ) ： 代谢物与某些酶分子上的变构部位以非共价键可 逆地结合，使酶构象改变，导致酶活性变化，从 而调节物质代谢速度，这种调节方式称为变构调 节。这种效应称为变构效应。

116 · 变构酶 ：受变构调节的酶。 · 变构效应剂 ：导致变构效应的代谢物。有些底
物本身就是变构效应剂。 · 变构激活效应 ：导致变构效应后，使酶活性升 高，从而加快反应速度。 · 变构抑制效应 ：导致变构效应后，使酶活性下 降，从而降低反应速度。

117 · 变构激活剂 ：引起变构激活效应的调节物。 · 变构抑制剂 ：引起变构抑制效应的调节物。 · 变构激活调节 ：以底物或其前体作为变构激活剂，
降低 Km ，增大 Vmax ，避免过多 底物堆积。 · 变构抑制调节 ：是最常见的变构调节，以产物作为 变构抑制剂－反馈抑制，减少底物 消耗，避免了产物的过多生产。

118 举例 ：糖酵解途径的关键酶磷酸果糖激酶－1 是变构酶。 磷酸果糖激酶－1 F-6-P + ATP FDP + ADP Mg2+ ATP 和柠檬酸是变构抑制剂，防止产物过剩。 ADP 和 AMP 是变构激活剂，增加ATP生成。

119 Allosteric enzymes are often multi-
subunit proteins. In addition, allosteric enzymes may be controlled by effector molecules (activators or inhibitors) that bind to a site other than the active site and alter the rate of enzyme activity.

120 2、协同效应（cooperative effect）： 指酶与一种配体（效应剂）结合后，影响其与另
一种配体（底物）的结合能力。 如果两种配体相同，则为同促协同效应。 如果两种配体不同，则为异促协同效应。 协同效应包括正协同效应和负协同效应。 变构激活属异促正协同效应，变构抑制属异促负 协同效应。

121 3、变构酶的底物浓度曲线 ： 如果效应剂是底物本身，则正协同效应的底物
浓度曲线，即 V－[S] 关系不服从米氏方程，呈 S 形曲线。见 P67 图 3－ 变构激活剂存在：曲线左移，既使 [S] 很低， 仍有显著激活作用。 变构抑制剂存在：曲线右移，[S] 很低时，既 使稍有升高，仍表现明显 的抑制，必须进一步升高， 才能对抑制有所克服。

122

123 (三) 酶的共价修饰调节 （covalent modification of enzyme）： 1、定义： 代谢途径中的某些限速酶，在另一种酶的作用下， 使其结构中的某些特殊基团进行可逆的共价修饰， 从而快速改变该酶的活性，称为共价修饰调节或 化学修饰调节。

124 酶的共价修饰调节包括磷酸化与脱磷酸化、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，其中以磷酸化与脱磷酸化最为常见。 例如： 蛋白激酶 E + ATP E-P + ADP 磷蛋白磷酸酶 E-P + H2O E + Pi

125 酶的磷酸化与脱磷酸化 -OH Thr Ser Tyr 酶蛋白 H2O Pi 磷蛋白磷酸酶 ATP ADP 蛋白激酶 -O-PO32-

126 The activity of many enzymes is altered
by the reversible making and breaking of a covalent bond between the enzyme and a small nonprotein group. The most common such modification is the addition and removal of a phosphate group; phosphorylation and dephosphorylation, respectively.

127 2、特点 ： ⑴ 共价修饰酶都有无活力（低活力）和有活力（高 活力）两种形式，二者之间的互变均由不同的酶 催化，催化互变的酶又间接受到激素调节。 ⑵ 可连锁进行，逐级进行磷酸化或脱磷酸作用，出 现级联放大效应，调节效果强。

128 ⑶ 耗能反应，但比合成酶蛋白耗能少，作用快速，
是体内快速调节的另一重要方式。 ⑷ 很多关键酶，受变构调节与共价修饰调节双重 调控。

129 二、酶含量的调节 ： (regulation of enzyme amount) （一）酶蛋白合成的诱导与阻遏 ： 某些底物、产物、激素、药物等可以影响酶的 生物合成。 · 诱导剂 ：转录水平上促进酶生物合成的化合物。 · 诱导作用 ：诱导剂诱导酶蛋白生物合成的作用。 · 辅阻遏剂 ：在转录水平上减少酶生物合成的物 质。 · 阻遏作用 ：辅阻遏剂与无活性的阻遏蛋白结合， 影响基因转录。

130 诱导剂在诱导酶生物合成过程的转录后，还需要有翻译和翻译后加工等过程，其效应出现较迟，几个小时才能见效。然而一旦酶被诱导合成后，即使去除诱导因素，酶的活性仍存在。
酶的诱导与阻遏作用是对代谢的缓慢而长效的调节。

131 （二）酶降解的调控 ： 酶是机体组成成分，也在不断自我更新。一
旦酶构象受到破坏，便极易被蛋白水解酶所 识别，降解成氨基酸。 · 酶的降解速度与酶的结构密切相关。 · 酶的降解速度也与机体的营养和激素的调节 有关。

132 · 非溶酶体蛋白酶降解途径（依赖ATP和泛素的降解
细胞内降解蛋白质的两条途径： · 溶酶体蛋白酶降解途径（不依赖ATP的降解途径）： 在溶酶体酸性条件下，多种蛋白酶把吞入的蛋白 质进行无选择的水解。主要水解外来的蛋白质和 长半衰期的蛋白质。 · 非溶酶体蛋白酶降解途径（依赖ATP和泛素的降解 途径）： 在胞液内对细胞内的异常蛋白质和短半衰期的蛋 白质进行泛素标记，然后被蛋白酶水解。

133 （一）定义 ： 三、同工酶（isoenzyme）： 同一种属中能催化相同的化学反应，但酶蛋 白的分子结构、理化性质乃至免疫学性质各
不相同的一组酶。 均具有四级结构，多为由两个或两个以上亚 基组成的寡聚体。

134 （二）原因 ： 同工酶是由不同基因或等位基因编码的多肽 链，或由同一基因转录生成的不同mRNA翻 译的不同多肽链组成的蛋白质，但翻译后经 修饰生成的多分子形式不在同工酶之列。

135 （三）特点 ： 1、可存在于同一种属，或同一个体的不同组织， 或同一细胞的不同亚细胞结构中。 2、一级结构可不同，但活性中心相似。 3、由于分子结构差异，催化同一反应，但对底 物的专一性、亲和力乃至动力学都可能存在 差异，功能也有所不同。

136 （四）举例：乳酸脱氢酶同工酶 （ lactate dehydrogenase － LDH ) 1、作用 ： LDH 乳酸 + NAD 丙酮酸 + NADH + H+ LDH5 乳酸 ： CH3 CHOH COOH 丙酮酸 ： CH3 CO COOH

137 骨骼肌型 （M型）和心肌型（H型） 这两种亚基以不同的比例组成五种同工酶：
2、组成 ： 四聚体酶，亚基有两种： 骨骼肌型 （M型）和心肌型（H型） 这两种亚基以不同的比例组成五种同工酶： H M LDH1 (H4) LDH2 (H3M) LDH3 (H2M2) LDH4 (HM3) LDH5 (M4) 乳酸脱氢酶的同工酶

138 3、特点 ： ⑴ 由于分子结构差异，具有不同的电泳速度 ： 由1→5递减。 ⑵ 对同一底物表现不同的 Km 值。 ⑶ 单个亚基无酶的催化活性。

139 ⑷ LDH 同工酶在不同组织器官中的含量与分布比例
不同，使不同组织与细胞具有不同的代谢特点。 心肌中：主要是 LDH1，对 NAD＋有较大亲和力， 易受丙酮酸抑制，作用是使乳酸脱氢生成 丙酮酸，便于心脏利用乳酸氧化供能。 骨骼肌中：主要是 LDH5 ，对 NADH 亲和力大，不 易受丙酮酸抑制，作用是使丙酮酸还原 生成乳酸，有利于骨骼肌产生乳酸。

140 Isoenzymes are different forms of an
enzyme which catalyze the same reaction, but which exhibit different physical or kinetic properties. The isoenzymes of lactate dehydrogenase (LDH) can be separated electrophoretically and can be used clinically to diagnose a myocardial infarction.

141 肌酸激酶（ creatine kinase－CK ) 同 工酶 ： 二聚体酶，两种亚基：
肌型（M型）和脑型 （B型） 脑中含 CK1 ( BB型 ) 心肌中含 CK2 ( MB型 ) 骨骼肌中含 CK3 ( MM型 ) 血清 CK2 活性的测定对于早期诊断心肌梗 死有一定意义 。

142 （五）意义 ： 同工酶的测定已应用于临床实践，当组织病
变时，可能有某种特殊的同工酶释放到血液， 同工酶谱的改变有助于疾病的诊断。 如 ： 正常血浆LDH2 > LDH1 ，心肌梗死时 可见 LDH1 > LDH2 ，肝病时 LDH5 活 性升高。