第三章酶一、酶的概念及作用特點(diǎn)二、酶的命名及分類三、酶催化的專一性四、酶促反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)五、酶的作用機(jī)理六、變構(gòu)酶與同工酶一、酶的概念及作用特點(diǎn)（一）概念

酶是由活細(xì)胞產(chǎn)生的具有催化作用的蛋白質(zhì)，又叫生物催化劑(Biocatalysts)。絕大多數(shù)的酶都是蛋白質(zhì)(Enzyme)。酶催化的生物化學(xué)反應(yīng)，稱為酶促反應(yīng)Enzymaticreaction。在酶的催化下發(fā)生化學(xué)變化的物質(zhì)，稱為底物substrate。（二）酶的作用特點(diǎn)1.酶和一般催化劑的共性用量少而催化率高。它能夠改變化學(xué)反應(yīng)的速度，但是不能改變化學(xué)反應(yīng)平衡。酶本身在反應(yīng)前后也不發(fā)生變化。酶能夠穩(wěn)定底物形成的過(guò)渡狀態(tài)，降低反應(yīng)的活化能，從而加速反應(yīng)的進(jìn)行。2）專一性

酶的專一性：又稱為特異性，是指酶在催化生化反應(yīng)時(shí)對(duì)底物的選擇性，即一種酶只能作用于某一類或某一種特定的物質(zhì)。亦即酶只能催化某一類或某一種化學(xué)反應(yīng)。例如：蛋白酶催化蛋白質(zhì)的水解；淀粉酶催化淀粉的水解；核酸酶催化核酸的水解。3）反應(yīng)條件溫和酶促反應(yīng)一般在pH5-8水溶液中進(jìn)行，反應(yīng)溫度范圍為20-40C。高溫或其它苛刻的物理或化學(xué)條件，將引起酶的失活。4）酶易失活凡能使蛋白質(zhì)變性的因素如強(qiáng)酸、強(qiáng)堿高溫等條件都能使酶破壞而完全失去活性。所以酶作用一般都要求比較溫和的條件如常溫、常壓和接近中性的酸堿度二、酶的命名及分類（一）酶的命名（1）習(xí)慣命名法根據(jù)其催化底物來(lái)命名（蛋白酶；淀粉酶）根據(jù)所催化反應(yīng)的性質(zhì)來(lái)命名（水解酶；轉(zhuǎn)氨酶；裂解酶等）結(jié)合上述兩個(gè)原則來(lái)命名（琥珀酸脫氫酶）有時(shí)在這些命名基礎(chǔ)上加上酶的來(lái)源或其它特點(diǎn)（胃蛋白酶、胰蛋白酶、鹼性磷酸脂酶和酸性磷酸脂酶）。（2）國(guó)際系統(tǒng)命名法系統(tǒng)名稱包括底物名稱、構(gòu)型、反應(yīng)性質(zhì)，最后加一個(gè)酶字。例如：習(xí)慣名稱:谷丙轉(zhuǎn)氨酶系統(tǒng)名稱:丙氨酸：-酮戊二酸氨基轉(zhuǎn)移酶酶催化的反應(yīng):-酮戊二酸+丙氨酸谷氨酸+丙酮酸（二）酶的分類1、從化學(xué)性質(zhì)分（國(guó)際系統(tǒng)分類法）1）氧化還原酶類2）轉(zhuǎn)移酶類3）水解酶類4）裂解酶類5）異構(gòu)酶類6）合成酶類2）轉(zhuǎn)移(移換)酶類

Transferases轉(zhuǎn)移酶催化基團(tuán)轉(zhuǎn)移反應(yīng)，即將一個(gè)底物分子的基團(tuán)或原子轉(zhuǎn)移到另一個(gè)底物的分子上。

例如，谷丙轉(zhuǎn)氨酶催化的氨基轉(zhuǎn)移反應(yīng)。3）水解酶類hydrolases水解酶催化底物的加水分解反應(yīng)。主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。例如，脂肪酶(Lipase)催化的脂的水解反應(yīng)：4）裂合（裂解）酶類Lyase主要包括醛縮酶、水化酶（脫水酶）及脫氨酶等。裂合酶催化從底物分子中移去一個(gè)基團(tuán)或原子而形成雙鍵的反應(yīng)及其逆反應(yīng)。例如，蘋(píng)果酸裂合酶即延胡索酸水合酶催化的反應(yīng)。6）合成酶類LigasesorSynthetases合成酶，又稱為連接酶，能夠催化C-C、C-O、C-N以及C-S鍵的形成反應(yīng)。這類反應(yīng)必須與ATP分解反應(yīng)相互偶聯(lián)。

A+B+ATP+H-O-H===A-B+ADP+Pi

例如，丙酮酸羧化酶催化的反應(yīng)。丙酮酸+CO2

草酰乙酸2、按酶的化學(xué)組成分類簡(jiǎn)單蛋白酶：指酶的活性僅僅決定于它的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。如脲酶、蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶。結(jié)合蛋白酶：這些酶只有在結(jié)合了非蛋白組分（輔助因子）后，才表現(xiàn)出酶的活性。3、根據(jù)酶的分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類單體酶（monomericenzyme）：一般由一條肽鏈組成，如溶菌酶、胰蛋白酶、木瓜蛋白酶等。寡聚酶（oligomericenzyme）：由2個(gè)或2個(gè)以上亞基組成，亞基間可以相同也可不同。亞基間以次級(jí)鍵締合。如3-磷酸甘油醛脫氫酶、乳酸脫氫酶、丙酮酸激酶等。多酶體系（multienzymesystem）：由幾種酶靠非共價(jià)鍵彼此嵌合而成。主要指結(jié)構(gòu)化的多酶復(fù)合體如丙酮酸脫氫酶系、脂肪酸合成酶復(fù)合體等。（一）結(jié)構(gòu)專一性（1）絕對(duì)專一性（Absolutespecificity)有些酶對(duì)底物的要求非常嚴(yán)格，只作用于一個(gè)特定的底物。這種專一性稱為絕對(duì)專一性。例如：脲酶、麥芽糖酶、淀粉酶、碳酸酐酶及延胡索酸水化酶（只作用于反丁烯二酸）等。（2）相對(duì)專一性(RelativeSpecificity)有些酶的作用對(duì)象不是一種底物，而是一類化合物或一類化學(xué)鍵。這種專一性稱為相對(duì)專一性(RelativeSpecificity)。包括：基團(tuán)專一性（對(duì)鍵兩端的基團(tuán)要求的程度不同，只對(duì)其中一個(gè)基團(tuán)要求嚴(yán)格）。如-葡萄糖苷酶，催化由-葡萄糖所構(gòu)成的糖苷水解，但對(duì)于糖苷的另一端沒(méi)有嚴(yán)格要求。胰蛋白酶，水解鹼性氨基酸的羧基形成的肽鍵。鍵(Bond)專一性。如酯酶催化酯的水解，對(duì)于酯兩端的基團(tuán)沒(méi)有嚴(yán)格的要求。（二）立體異構(gòu)專一性1、旋光異構(gòu)專一性有些酶對(duì)旋光異物體的底物構(gòu)型有嚴(yán)格的選擇性。

例如，淀粉酶只能選擇性地水解D－葡萄糖形成的1,4－糖苷鍵；L-氨基酸氧化酶只能催化L-氨基酸氧化；乳酸脫氫酶只對(duì)L-乳酸是專一的。四、酶促反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)（一）酶活力與酶反應(yīng)速度

1.

酶活力（enzymeactivity）：也稱酶活性，指酶催化一定化學(xué)反應(yīng)的能力。其大小可用在一定條件下，它所催化的某一化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)速度（reactionrate）來(lái)表示。

2.

酶反應(yīng)速度：用單位時(shí)間內(nèi)、單位體積中底物的減少量或增加量來(lái)表示。單位：濃度/單位時(shí)間產(chǎn)物濃度時(shí)間酶反應(yīng)速度曲線斜率=濃度/時(shí)間=引起酶反應(yīng)速度降低的原因：底物濃度的降低；酶的部分失活；產(chǎn)物對(duì)酶的抑制；產(chǎn)物增加引起的逆反應(yīng)速度的增加等研究酶反應(yīng)速度以酶促反應(yīng)的初速度（initialspeed）為準(zhǔn)。1）酶反應(yīng)與底物濃度的關(guān)系E＋S

ES

P＋EMichaelis和Menten根據(jù)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的基本原理，推導(dǎo)出了底物濃度與酶反應(yīng)速度關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式，即米氏方程式：Km即為米氏常數(shù)Vmax為最大反應(yīng)速度

左式表示：米氏常數(shù)是反應(yīng)速度為最大值的一半時(shí)的底物濃度。當(dāng)反應(yīng)速度等于最大速度一半時(shí),即V=1/2Vmax,Km=[S]因此,米氏常數(shù)的單位為mol/L。2）米氏常數(shù)Km（1）米氏常數(shù)Km的意義不同的酶具有不同Km值，它是酶的一個(gè)重要的特征物理常數(shù)。Km值只是在固定的底物，一定的溫度和pH條件下，一定的緩沖體系中測(cè)定的，不同條件下具有不同的Km值。Km值表示酶與底物之間的親和程度：Km值大表示親和程度小，酶的催化活性低;Km值小表示親和程度大,酶的催化活性高（2）米氏常數(shù)的求法

1Km11

=

+

V

Vmax[S]Vmax雙倒數(shù)作圖法斜率=Km/Vmax-1/Km1/Vmax2.溫度對(duì)酶反應(yīng)速度的影響一方面是溫度升高,酶促反應(yīng)速度加快。另一方面,溫度升高,酶的高級(jí)結(jié)構(gòu)將發(fā)生變化或變性，導(dǎo)致酶活性降低甚至喪失。因此大多數(shù)酶都有一個(gè)最適溫度。在最適溫度條件下,反應(yīng)速度最大。3.pH值對(duì)酶反應(yīng)速度的影響在一定的pH下,酶具有最大的催化活性,通常稱此pH為最適pH4.酶濃度對(duì)酶反應(yīng)速度的影響Vmax=K3[E][E]酶濃度對(duì)反應(yīng)速度的影響5.激活劑對(duì)酶反應(yīng)速度的影響凡能提高酶活性的物質(zhì)，都稱為激活劑（activator）（1）無(wú)機(jī)離子：金屬離子(K+、Na+、Mg2+、Zn2+、Fe2+、Ca2+）陰離子(Cl-、Br-)、氫離子（2）中等大小的有機(jī)分子：某些還原劑、乙二胺四乙酸（EDTA）(3)某些酶類：酶原激活過(guò)程中的酶類

原理：a.酶活性中心的必需基團(tuán)b.酶-底絡(luò)合物形成的橋梁c.作為某些酶的輔助因子d.保護(hù)-SH酶不被氧化6.抑制劑對(duì)酶反應(yīng)速度的影響1)抑制作用與抑制劑凡使酶的活性降低或喪失，但并不引起酶蛋白變性的作用稱為抑制作用（inhibition）。能夠引起抑制作用的化合物則稱為抑制劑(inhibitor)。（抑制劑不同于變性劑）2)抑制作用的類型

（1）不可逆抑制作用（irreversibleinhibition)（2）可逆抑制作用(reversibleinhibition)（1）不可逆抑制作用（irreversibleinhibition)抑制劑與酶蛋白中的必需基團(tuán)以共價(jià)形式結(jié)合，引起酶的永久性失活,不能用透析或超濾等物理方法除去抑制劑而恢復(fù)酶活性。專一性不可逆抑制作用：這類抑制劑只作用于與酶活性部位有關(guān)的氨基酸殘基或一類酶。非專一性不可逆抑制作用：這類抑制劑作用于酶分子上不同的基團(tuán)或作用于幾類不同的酶。如：?；瘎┧狒突酋Ｂ鹊瓤墒姑傅鞍椎?OH、SH、NH2等發(fā)生?；?。（2）可逆抑制作用(reversiblenhibition)抑制劑與酶蛋白以非共價(jià)方式結(jié)合，引起酶活性暫時(shí)性喪失。抑制劑可以通過(guò)透析等方法被除去，并且能部分或全部恢復(fù)酶的活性。根椐抑制劑與酶結(jié)合的情況，又可以分為三類：a.競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用b.非競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用A、競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用某些抑制劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)與底物相似，因而能與底物竟?fàn)幣c酶活性中心結(jié)合。當(dāng)抑制劑與活性中心結(jié)合后，底物被排斥在反應(yīng)中心之外，其結(jié)果是酶促反應(yīng)被抑制了。竟?fàn)幮砸种仆ǔ？梢酝ㄟ^(guò)增大底物濃度，即提高底物的競(jìng)爭(zhēng)能力來(lái)消除。

竟?fàn)幮砸种聘?jìng)爭(zhēng)性抑制作用的例子B、非競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用抑制劑與酶活性中心以外的部位結(jié)合，因此既可同游離酶結(jié)合，又可同酶－底物復(fù)合物結(jié)合，這種作用稱非競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用。非競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑與酶活性中心以外的基團(tuán)結(jié)合。這類抑制作用不會(huì)因提高底物濃度而減弱

非竟?fàn)幮砸种莆濉⒚傅淖饔脵C(jī)理（一）酶的活性中心酶的活性中心（activecenter）：是指酶分子中與底物直接結(jié)合并使之轉(zhuǎn)變出產(chǎn)物的小區(qū)，也稱活性部位(activesite)。酶的活性中心有兩個(gè)功能部位：結(jié)合部位和催化部位。1）結(jié)合部位（Bindingsite）酶分子中與底物結(jié)合的部位或區(qū)域一般稱為結(jié)合部位。此部位決定酶的專一性。2）催化部位（catalyticsite）酶分子中促使底物發(fā)生化學(xué)變化的部位稱為催化部位。此部位決定酶所催化反應(yīng)的性質(zhì)。酶的活性中心具有以下特點(diǎn)：

（1）活性中心是酶分子表面的一個(gè)凹穴，有一定的大小和特殊的構(gòu)象，但它們不是剛性的，在與底物接觸時(shí)表現(xiàn)一定的柔性。（2）構(gòu)成活性中心的大多數(shù)氨基酸殘基為疏水性，使此小區(qū)形成一個(gè)非極性的微環(huán)境，有利于與底物結(jié)合。（3）有活性中心，底物以弱鍵與酶結(jié)合。（二）酶的催化機(jī)理1.酶反應(yīng)的過(guò)渡態(tài)學(xué)說(shuō)1931年Michaelis和Menten假設(shè)酶（E）與底物（S）先形成中間復(fù)合物（ES），再轉(zhuǎn)變成反應(yīng)產(chǎn)物（P），釋放出游離酶：

E＋S

ES

P＋E過(guò)渡態(tài)學(xué)說(shuō)：E+S===ES===ES*

EPE+P式中：ES為米氏復(fù)合物；ES*為過(guò)渡態(tài)中間物；EP為酶－產(chǎn)物中間物。酶反應(yīng)與非酶反應(yīng)活化能的比較

酶促反應(yīng)非酶促反應(yīng)反應(yīng)進(jìn)程自由能底物ESES*EP產(chǎn)物2.鄰近和定向效應(yīng)鄰近效應(yīng)：在酶促反應(yīng)中，由于酶和底物分子之間的親和性，底物分子向酶的活性中心靠近，最終結(jié)合到酶的活性中心，使底物在酶活性中心的有效濃度大大增加的效應(yīng)。定向效應(yīng)：當(dāng)專一性底物向酶活性中心靠近時(shí)，會(huì)誘導(dǎo)酶分子構(gòu)象發(fā)生改變，使酶活性中心的相關(guān)基團(tuán)和底物的反應(yīng)基團(tuán)正確定向排列，同時(shí)使反應(yīng)基團(tuán)之間的分子軌道以正確方向嚴(yán)格定位，使酶促反應(yīng)易于進(jìn)行。以上兩種效應(yīng)使酶具有高效率和專一性特點(diǎn)。3.誘導(dǎo)楔合學(xué)說(shuō)該學(xué)說(shuō)認(rèn)為酶表面并沒(méi)有一種與底物互補(bǔ)的固定形狀，而只是由于底物的誘導(dǎo)才形成了互補(bǔ)形狀，從而有利于底物折結(jié)合。誘導(dǎo)楔合學(xué)說(shuō)的四個(gè)要點(diǎn)酶有其原來(lái)的形狀，不一定一開(kāi)始就是底物的模板底物能誘導(dǎo)酶蛋白的形狀發(fā)生一定變化（專一性結(jié)合）當(dāng)酶的形狀發(fā)生變化后，就使得其中的催化基團(tuán)形成正確的排列。在酶反應(yīng)過(guò)程中，酶活性中心構(gòu)象的變化是可逆的。即酶與底物結(jié)合時(shí)，產(chǎn)生一種誘導(dǎo)構(gòu)象，反應(yīng)結(jié)束時(shí)，產(chǎn)物從酶表面脫落，酶又恢復(fù)其原來(lái)的構(gòu)象。4.酸堿催化在酶促反應(yīng)中，酶分子的某些功能基團(tuán)可作為酸或堿通過(guò)瞬間向底物提供質(zhì)子或從底物分子抽取質(zhì)子，相互作用而形成過(guò)渡復(fù)合物，使活化能降低，加速反應(yīng)進(jìn)行，稱作酸堿催化（acid-baseratalysis）。酸-堿催化可分為狹義的酸-堿催化和廣義的酸-堿催化。酶參與的酸-堿催化反應(yīng)一般都是廣義的酸－堿催化方式。廣義酸－堿催化是指通過(guò)質(zhì)子酸提供部分質(zhì)子,或是通過(guò)質(zhì)子堿接受部分質(zhì)子的作用，達(dá)到降低反應(yīng)活化能的過(guò)程。5.共價(jià)催化催化劑通過(guò)與底物形成反應(yīng)活性很高的共價(jià)過(guò)渡產(chǎn)物，使反應(yīng)活化能降低，從而提高反應(yīng)速度的過(guò)程，稱為共價(jià)催化。酶中參與共價(jià)催化的基團(tuán)主要包括以下親核基團(tuán)：

His的咪唑基，Cys

的硫基，Asp的羧基，Ser的羥基等；親電子基團(tuán)：H+

、Mg2+、Mn2+

、Fe3+某些輔酶，如焦磷酸硫胺素和磷酸吡哆醛等也可以參與共價(jià)催化作用。六、變構(gòu)酶與同工酶（一）變構(gòu)酶1.概念：某些酶的分子表面除活性中心外，尚有調(diào)節(jié)部位，當(dāng)調(diào)節(jié)物（或稱別構(gòu)物）結(jié)合到此調(diào)節(jié)部位時(shí)，引起酶分子構(gòu)象變化，導(dǎo)致酶活性改變，這類酶稱為變構(gòu)酶。其結(jié)構(gòu)特性：（1）有多個(gè)亞基（2）有四級(jí)結(jié)構(gòu)（3）酶分子中除了有結(jié)合底物并催化反應(yīng)的活性中心外，還有可以結(jié)合調(diào)節(jié)物的別構(gòu)中心?；钚灾行暮蛣e構(gòu)中心可能位于不同的亞基或相同的亞基的不同部位。幾個(gè)相關(guān)概念別構(gòu)效應(yīng)（allostericeffect）：調(diào)節(jié)