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酶

http://www.sina.com.cn 2004/10/09 09:50 双博士丛书

　　酶

　　考点：

　　酶的定义、分子结构与功能；

　　酶促反应的特点与机制；

　　酶的反应动力学，即研究各种因素对酶促反应速度的影响；

　　酶活性的测定；

　　酶活性及含量的调节；

　　同工酶变构酶的定义；

　　辅酶与维生素。

　　重点：

　　酶的活性中心的组成，因为这是理解酶作用机制的基础；酶促反应动力学，尤其是米氏方程、Km含义，双倒数曲线及各类抑制剂对Km、Vmax的影响；对同工酶、变构酶的理解。

　　基本理论与知识：

　　一、酶的概念

　　酶通常的定义是指由活细胞合成的对其特异底物起高效催化作用的蛋白质，是机体内催化各种代谢反应最主要的催化剂，但现在已发现存在核酶，其本质为RNA而非蛋白质，主要参与RNA的剪接。

　　根据酶的结构特点可分单体酶、寡聚酶、多酶体系和多功能酶。

　　二、酶的分子组成

　　根据分子组成，酶分为单纯酶和结合酶

　　单纯酶：仅由氨基酸组成。

　　结合酶：包括两部分

　　蛋白质部分，称酶蛋白，决定反应的特异性。

　　非蛋白质部分，多为小分子有机化合物或金属离子，决定反应的种类与性质。

　　辅助因子又分两种：

　　辅基：与酶蛋白结合紧密，不能通过透析超滤方法除去，反应中不离开酶蛋白。

　　辅酶：与酶蛋白结合疏松，可用透析、超滤方法去除，反应中可离开酶蛋白，将携带的质子或团转移出去。

　　金属离子多为酶的辅基，可分为金属酶、金属激活酶，小分子有机化合物有的属于辅酶，有的属于辅基。结合酶两部分结合在一起形成的复合物称全酶，只有全酶才有催化作用。

　　三、酶的活性中心

　　酶分子中与酶的活性密切相关的化学基团叫做酶的必需基团。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成产物，这一区域叫做酶的活性中心，对结合酶来说，辅基或辅酶参与酶活性中心的组成。

　　必需基团

　　活性中心内的必需基团：

（1）催化基团：催化底物发生反应将其转变为产物。

　　（2）结合基团：与底物特异地结合

　　活性中心外的必需基团：

（1）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。

　　酶是一类催化剂，具有一般催化剂的特点，但酶是蛋白质，又具有其自身的特点：

　　1.酶促反应具有极高的效率，

　　酶能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能进人活化状态。

　　2.酶促反应具有高度特异性，一种酶只作用于一种或一类化合物或一定的化学键，进行一种类型的反应，得到一定结构的产物，这种现象称为酶的特异性。分绝对特异性，相对特异性和立体异构特异性。

　　3.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。

　　五、酶促反应的机制

　　（一）酶-底物复合物的形成和诱导契合假说：酶分子构象与作用物结构并不一定完全吻合，当两者接近时其结构相互诱导、相互变形和相互适应，进而相互紧密结合，即可更利于反应的进行。底物在酶的诱导下发生变形，处于不稳定状态，易于受酶的攻击，底物这种不稳定状态叫做过渡态。

　　（二）邻近效应与定向排列

　　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。实际上是将分子间的反应变成类似于分子内的反应，大大提高反应效率。

　　（三）多元催化

　　多元催化指酶同时具有酸和碱的特性。因为酶分子中含有不同功能基团，它们pK值不同，解离度不同，故可起酸的催化作用，也可起碱的催化作用，这种多功能基团的协同作用可极大地提高酶的催化作用。

　　(四）表面效应

　　酶的活性中心内多为疏水环境，底物与酶反应常在酶分子的内部疏水环境中进行，疏水环境排斥了介于底物与酶分子之间的水膜，也消除了水分子对酶和底物功能基团的干扰，有利于底物与酶分子间的直接接触。总之，一种酶的催化反应常常是多种催化机制的综合作用，这是酶促反应提高效率的原因。

　　六、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、激活物等。

　　注意酶促反应动力学中的反应速度一般指反应刚开始的速度，即初速度。

　　(一)底物浓度对反应速度的影响

　　1.在其他因素不变情况下，底物浓度的变化对反应速度(统一用初速度来比较)的影响的作图呈矩形双曲线。在底物浓度较低时，V随〔S〕的增加而急剧上升，两者呈正比关系，因为此时尚有大量游离酶分子可被利用。随着底物浓度的增加，反应速度不再呈正比加速，因为此时酶已大部分与底物结合，所含游离酶不多，故随底物浓度的增加，可再利用的酶量有限，故反应速度增加的幅度下降。若继续增加底物浓度，反应速度不再上升，此时酶的活性中心已被底物饱和。

　　为解释酶促反应〔S〕与V的关系，提出了著名的米氏方程式，即：V=Vmax[S]/Km+[S]

　　当底物浓度很低时， Km＞〔S〕，分母〔S〕可不计，此时 V=Vmax[S]/Km,Vmax、Km对同一底物、同一酶、相同反应环境来说是一常数，故反应速度与底物浓度成正比。

　　当底物浓度很高时， Km＜〔S〕，Km可不计，V=Vmax，反应速度达最大速度，再增加〔S〕，也不影响反应速度。

　　故从米氏方程中，即可看出底物浓度对反应速度的影响。

　　2.Km的含义：

　　①Km是酶的特征常数，它只与酶的结构、酶所催化的底物和反应环境有关，与酶浓度无关。对于同一底物，不同两酶有不同的Km值，对于同一酶，不同底物也有不同的Km值。

　　②由米氏方程，当V=1/2 Vmax时，可得Km=〔S〕，由此可见，Km值表示酶促反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度。

　　③1/Km可近似表示酶对底物亲和力的大小，1/Ｋm越大表示二者亲和力越大，表示不需要很高的底物浓度，便可得到最大反应速度，要注意的是只有在中间产物解离成反应物的速度大大超过其分解成产物速度时才适用。

　　3.要求Km、Vmax，根据底物浓度对速度的矩形曲线求有很大难度，故将米氏方程要采取适当变换，作出直线图，方可更容易准确地求出Km、Vmax值，双倒数作图法是最常用的方法。将米氏方程取倒数：1/V=Km/Vmax*1/[S]+1/Vmax

　　（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。很显然若底物浓度很小，酶的浓度本来就很大，再增加酶浓度，对促进反应没什么意义。所以我们研究酶浓度对反应速度的影响，一般不考虑这种情况。

　　（三）温度对反应速度的影响

　　酶是蛋白质，温度对酶促反应速度具有双重影响，温度升高一方面可加快反应速度，同时也增加酶的变性。故当温度升高到一定程度时，酶开始变性，反应速度也开始下降低。温度一般会使酶活性破坏，故生化实验中，要保持酶活性，常采用低温贮存，一些菌种也须低温保存。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

　　酶活性受其反应环境的pH影响因为酶活性中心某些基团必须在某一解离状态，酶才会发挥最大催化活性，此外，底物也一样，在某一解离状态，才会与酶有最大亲和力，故需一定pH值，且不同的酶对pH有不同要求。酶活性最大时的pH为酶的最适pH值。

　　（五）抑制剂对反应速度的影响

　　能减弱或停止酶作用的物质称为酶的抑制剂。要注意的是必须不引起酶蛋白变性才可，某种物质使酶发生变性失活不属于抑制剂范畴。若抑制剂与酶结合牢固不能用简单的透析或超滤法去除，此类抑制剂为不可逆抑制剂；若用简单的透析和超滤法去除抑制剂，酶又重新表现原有活性的抑制剂称为可逆性抑制。

　　1．不可逆抑制作用

　　此类抑制剂通常以共价健与酶的活性中心上的必需基团相结合，使酶失活，根据抑制剂与酶结合的专一性，可分为专一性抑制剂和非专一性抑制剂。

　　2．可逆抑制作用

　　此类抑制剂通常以非共价键与酶或酶—底物复合物可逆性结合，使酶活性降低或消失。可逆性抑制作用的类型可分为以下三种：

　　（1）竞争性抑制作用：竞争性抑制是在酶作用体系中有与酶的底物结构相似的物质存在，能与底物竞争与酶活性中心的结合，使有活性的酶数量减少。如磺胺类药物通过竞争性抑制二氢叶酸还原酶，干扰核酸合成，从而影响细菌生长繁殖，发挥其抑菌作用。只要［S］足够高，Vmax仍可达到，但此时需较高的［S］。故竞争性抑制使Km增加，Vmax不变。

　　（2）非竞争性抑制作用：非竞争性抑制不影响底物与酶的结合，两者在酶分子上结合的位点不同，故酶与底物的亲和力不受影响，Km值不变，同样道理再增加［S］，也消除不了抑制剂与酶的结合，相当于减少了酶分子，故Vmax降低。

　　（3）反竞争性抑制作用：此类抑制剂仅与底物和酶形

　　成的中间产物结合，使中间产物的量下降，反竞争性抑制使中间产物不易转化为产物，因而酶与底物的亲和力增加，Km减小，Vmax减小。要熟记三类抑制剂对酶反应Km、Vmax影响，可通过双倒数曲线来更直观的表现出来。

　　（六）激活剂的影响

　　使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加的物质称为酶的激活剂。激活剂可分为必需激活剂和非必需激活剂。必需激活剂对酶促反应是不可缺少的，否则酶将无活性。非必活激活剂不存在时，酶仍有一定的催化活性，酶促反应仍可以进行。

　　（七）酶活性测定

　　要测定生物组织中酶蛋白含量会很难，故通常我们通过测定酶活性来确定酶量，而酶活性用酶反应速度来表示。测定时要求影响酶促反应速度的各种因素保持恒定，如①底物量要够多，使酶可被饱和②根据反应时间使酶处于反应最适温度条件下③根据缓冲液性质使酶处于最适pH条件下④在反应体系中含有适当的辅助因子，激活剂，去除抑制剂。⑤若无连续监测装置，要能及时使反应终止⑥反应体系做处理，防止其他酶类干扰待测酶的活性。上述各种条件都是为了使酶发挥最大催化活性，以充分反应待测酶活力。

　　七、酶的调节

　　主要通过改变酶活性和含量来实现

　　（一）酶活性的调节

　　1．酶原与酶原的激活

　　酶原是指无活性的酶的前体。酶原激活后转化为酶，即具有催化活性。酶原的激活实际上是酶的活性中心形成或暴露的过程，常通过水解掉一个或几个短肽而实现。酶原的激活有重要的生理意义：保证酶在其特定的部位与环境发挥其催化作用。此外，酶原还可视为酶的贮存方式，但需要使酶原转化为有活性的酶，发挥对机体的保护作用。

　　2变构酶

　　体内一些代谢物可以与某些酶分子活性中心以外的某一部位可逆地结合，使酶发生变构并改变其催化活性，这种调节方式叫变构调节。受变构调节的酶叫变构酶。

　　根据对反应速度的影响分为变构激活剂、变构抑制剂。变构酶常由多亚基构成，包括催化亚基和调节亚基。有多个亚基的酶存在协同效应，若底物即为效应剂，则效应剂对酶的影响与O.2对血红蛋白携氧力的影响相似。变构酶的〔S〕对反应速度的影响曲线为S形曲线，不符合米氏方程。

　　3．酶的共价修饰调节

　　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，改变酶的活性，这一过程称为酶的共价修饰或化学修饰。如磷酸化与去磷酸化，化与去乙酰化、甲基化与去甲基化等。酶的共价修饰是体内快速调节的一种重要方式。

　　（二）酶含量的调节

　　1．酶蛋白合成的诱导和阻遏：指在酶蛋白合成过程中，在转录水平上，促进或减少酶的生物合成。与前面变构、共价修饰调节不同，酶的诱导与阻遏作用是对代谢缓慢而长效的调节。

　　2．酶降解的调控

　　酶是蛋白质，也在不断的自我更新，可以通过改变酶分子的降解速度来调节细胞内酶的含量。

　　（三）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。同工酶一般指在基因水平上，由不同基因编码的多肽链或同一基因，不同mRNA翻译的多肽链组成的pr。翻译后经修饰生成的多种不同形式的pr分子不属于同工酶。同工酶催化相同的化学反应，但对同底物表现不同的Km值。乳酸脱氢酶有五种同工酶，肌酸激酶有三种同工酶，它们在不同组织器官中的含量与分布不同，由于此使不同的组织细胞有不同的代谢特点，也可根据此对疾病做出早期诊断。

　　八、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。②转移酶类。③水解酶类。④裂解酶类。⑤异构酶类。⑥合成酶类。

　　九、血清酶的变化与疾病诊断

　　临床上常通过测定血清中某些酶的活性来协助诊断某些疾病，如急性心肌炎时血清转氨酶活性升高，前列腺癌患者有大量酸性磷酸酶释放入血。许多药物可通过抑制生物体内的某些酶来达到治疗的目的，如前述的磺胺药。

　　十、维生素与辅酶

　　全酶由酶蛋白和辅酶或辅基组成，辅酶与酶蛋白结合疏松，可以用透析、超滤的方法进行分离。酶辅基则常以共价健与酶蛋白结合，也可以是非共价键牢固结合，均不易与酶蛋白分离。维生素是体内重要的辅酶组成表3-1部分，常见的维生素见表:

维生素

辅酶

酶

VitB₁

VitB₂

VitPP

VitB₆

泛酸

生物素

叶酸

VitB₁₂

TPP

FAD、FMN

NAD⁺、NADP⁺

磷酸吡哆醛

辅酶A

生物素

四氢叶酸

钴胺素

丙酮酸脱氢酶，α-酮酸氧化脱羧酶、转酮醇酶

氧化还原酶类

不需氧脱氢酶

转氨酶、氨基酸脱羧酶

酰基转移酶

羧化酶

一碳单位的活性载体

甲硫氨酸合成酶

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