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第4章酶一、教学大纲基本要求酶的化学本质，酶催化反应的特点，酶的活性中心，酶在细胞内的分布特点；酶的习惯命名，酶的国际系统命名，酶的系统分类及编号，按酶蛋白分子的组成分类，同工酶、诱导酶；酶催化反应高效性的机理，酶催化反应专一性的机理，酶作用机理举例；底物浓度对酶促反应速度的影响，pH值对酶促反应速度的影响，温度对酶促反应速度的影响，酶的浓度对酶促反应速度的影响，激活剂对酶促反应速度的影响，抑制剂对酶促反应速度的影响，有机介质中的酶促反应；别构效应调节，共价调节，酶原的激活，多酶体系调节。二、本章知识要点1．酶的基本概念酶是一类具有高催化效率、高度专一性、活性可以调节的高分子生物催化剂。除了一些具有催化功能的RNA以外，绝大部分的酶都是蛋白质或带有辅助因子的蛋白质。在生物体内，种类繁多的酶使得各种代谢反应迅速而有序的进行。2．酶催化的特点（1）催化效率高，酶催化反应速度是相应的无催化反应速度的108-1020倍，并且至少高出非酶催化反应速度几个数量级。（2）专一性高，酶对反应的底物和产物都有极高的专一性，几乎没有副反应发生。（3）反应条件温和，温度低于100℃，正常大气压，接近中性pH环境。（4）酶的催化活性可以调节，根据生物体的需要，酶的活性受到多种调节机制的灵活调节。主要有反馈抑制调节、抑制剂和激活剂对酶活性的调节、别构调节、酶的共价修饰调节、酶的合成和酶的活化与降解等。（5）容易失活，高温、高压、强酸、强碱和重金属盐等因素都可能使3．酶与非酶催化剂相比的几点共性（1）催化效率高，含量低。（2）只改变化学反应速度，不改变化学反应平衡点。（3）降低反应的活化能。（4）反应前后自身的结构不变。催化剂改变了化学反应的途径，使得反应通过一条活化能比原来途径低的途径进行。催化剂的作用只反映在动力学上，即加快反应速度，但不影响反应的热力学，即不能改变化学平衡。4．酶的化学本质（1）组成酶的主要成分是蛋白质。有些酶仅由蛋白质组成，例如脲酶、溶菌酶、淀粉酶、脂肪酶和核糖核酸酶等有些酶不仅含有蛋白质（称为脱辅酶），还含有非蛋白质成分，称为辅助因子。脱辅酶与辅助因子结合，形成全酶以后才具有催化活性。例如，过氧化物歧化酶与辅助因子Cu2+、Zn2+结合，乳酸脱氢酶与辅助因子NAD+结合。（2）酶的辅助因子酶的辅助因子可以分为辅酶和辅基。辅酶是指与脱辅酶结合比较松的小分子有机物，可以用透析法除去，例如辅酶Ⅰ和辅酶Ⅱ。辅基是指以共价键和脱辅酶结合，不能用透析法除去的辅助因子，例如丙酮酸氧化酶中的黄素腺嘌呤二核苷酸。酶蛋白（脱辅酶）决定酶的专一性（选择底物），辅助因子决定酶促反应的类型（氧化还原、水解或基团转移等）。例如NAD+可与多种脱辅酶结合，分别组成专一性强的乳酸脱氢酶、醇脱氢酶、苹果酸脱氢酶和异柠檬酸脱氢酶。这些酶催化的底物不同，但是反应的类型都是氧化还原反应。5．酶的分类（1）氧化还原酶类，催化氧化还原反应。例如乳酸脱氢酶。（2）转移酶类，催化基团转移反应，例如谷丙转氨酶。（3）水解酶类，催化水解反应，例如淀粉酶和白酶。（4）裂合酶类（裂解酶），催化从底物上移去一个基团而形成双键的反应或其逆反应，例如醛缩酶。（5）异构酶，催化同分异构体相互转化，例如6-磷酸葡萄糖异构酶。（6）合成酶（连接酶），催化一切必须与ATP分解相偶联、并由两种物质合成一种物质的反应，例如CTP合成酶。根据酶蛋白的特点还可以将酶蛋白分为：（1）单体酶一般由一条肽链组成，例如溶菌酶和牛胰核糖核酸酶。有些单体酶由多条肽链组成，肽链键有二硫键连接，例如胰凝乳蛋白酶。（2）寡聚酶两个或两个以上亚基组成的酶。寡聚酶中有很多是调节酶，在代谢调控中起重要作用。大多数寡聚酶是胞内酶，而胞外酶一般是单体酶。（3）多酶复合体几种不同的酶依靠非共价键聚集在一起，往往催化一个连续的多步反应，可以方便调控和提高催化效率。6．酶的专一性一种化合物能成为某种酶的底物，必须具备两个条件：该分子上有被酶作用的化学键以及有一个或多个结合基团能与酶活性中心结合。酶专一性的类型有多种。（1）结构专一性键专一性（对底物的结构要求最低）酶只对其作用的键的类型有限制，而对键两侧基团的种类没有特殊限制。例如酯酶可催化酯键（R—CO—OR’）水解，对酯键两侧的R和R’基团的结构没有限制。基团专一性酶不仅对键的类型有限制，还对键一端基团的种类有限制，但对另一端的基团限制不严格。例如α－D－葡萄糖苷酶，不仅要求作用的键是α－糖苷键，而且要求此键一端必须是葡萄糖残基，而对此键另一端的基团无限制，可以是水解蔗糖或麦芽糖。绝对专一性一种酶只能作用于一个底物，或只催化一个反应。例如大麦芽中的麦芽糖酶只作用于麦芽糖，脲酶只催化尿素水解。（2）立体异构专一性旋光异构专一性当底物具有旋光异构体时，酶只能作用于其中的一种异构体。例如谷氨酸脱氢酶只作用于L－Glu，乳酸脱氢酶只作用L－乳酸。几何异构专一性这种专一性能够区分顺反异构体。例如反丁烯二酸酶只催化反丁烯二酸生成苹果酸，对顺丁烯二酸无作用。立体化学专一性还表现在酶能区分从有机化学观点看属于对称分子中的两个等同的基团，只催化其中一个，而对另一个无作用。例如糖代谢中的顺－乌头酸酶作用于柠檬酸时，两个CH2COOH对顺－乌头酸酶来说是不同的。7．酶的专一性假说（1）三点结合及锁钥模型（刚性模板学说）酶的活性中心在酶分子表面的凹槽或空穴中，它的形状与底物分子的形状互补。底物分子或其一部分像钥匙一样，可以专一地插入酶活性中心，通过多个结合位点与酶结合，形成酶－底复合物，使得酶活性中心的催化基团正好对准底物的敏感键，进行催化反应。三点结合学说指出，底物分子与酶活性中心的基团必须三点都互补匹配，酶才能作用于这个底物。（2）诱导楔合模型酶分子与底物分子接近时，酶蛋白受底物分子诱导，构象发生有利于与底物结合的变化，酶与底物在此基础上互补楔合，进行催化反应。8．酶的活力（1）酶的量度与酶活力酶的量度一般不直接用酶的重量或酶的摩尔数表示，因为酶不易纯化、易失活，有些酶的分子量还不确切。通常用酶催化反应速度的大小来表示酶的活力。酶催化反应的速度快，酶的活力越高。（2）酶促反应速度用单位时间内、单位体积中底物的减少量或产物的增加量表示酶促反应速度。酶促反应速度以初速度为准，因为底物浓度的降低、酶的部分失活、产物抑制和逆反应等因素，都会使反应速度随反应时间的延长而下降。（3）酶的活力单位（U）国际酶学会标准单位：在特定条件下，1分钟内能转化1umol底物的酶量，称一个国际单位（IU）。特定条件是25℃，pH及底物浓度采用最适条件。实际工作中，每一种酶的测定活力的方法不同，对酶单位分别有一个明确的定义。同一种酶采用不同的测活方法，得到的酶活力单位是不同的。（4）酶的比活力每毫克酶蛋白所具有的酶活力，单位是U/mg蛋白质，可以用来表示酶的纯度。有时也用每克酶制剂或每毫升酶制剂含有的活力单位表示。通常在酶的分离、纯化过程中，总的酶蛋白的量减少，总的酶活力减少，但是酶的比活力增高。（5）酶的转换数和催化周期分子活性定义：每摩尔的酶在1秒钟内转化底物的摩尔数。亚基或催化中心活性定义：每摩尔的活性亚基或活性中心在1秒钟内转化底物的摩尔数。转换数的倒数是催化周期，表示一个酶分子每催化一个底物分子所需要的时间。例如乳糖脱氢酶转换数1000/秒，则它的催化周期是10-3秒。9．酶的分离纯化酶的分离纯化原则与蛋白质的分离纯化相同。可以用总活力的回收率和比活力的提高倍数这两个指标来判断分离纯化的效果。分离纯化步骤：（1）选材选择含酶量丰富的新鲜的材料。（2）破碎分别采用不同的方法破碎动物、植物、微生物细胞。（3）提取用低温、低盐缓冲液提取组织匀浆液中的酶，得到酶的初提液。（4）分离纯化在低温条件下，用各种分离纯化蛋白质的方法分离纯化初提液中的酶。先用盐析、等电点沉淀、有机溶剂沉淀等方法初步分离纯化，再用吸附层析、离子交换层析、凝胶过滤层析、亲和层析、高效液相层析和制备电泳技术等方法进一步分离纯化，得到纯酶溶液。（5）结晶调节纯酶液的pH，制备酶的晶体。（6）保存如果无法得到结晶，可以将纯酶液除盐，冻干后低温保存。也可将酶液制成25%或50％的甘油储存液，在－25℃或－50℃冰箱中保存。10．米氏方程米氏方程表示酶促反应的初速度与底物浓度的关系。米氏方程只适用于单底物酶促反应。单底物酶促反应包括异构酶、水解酶及大部分裂合酶催化的反应。中间络合物学说：酶在催化化学反应时先与底物结合，形成中间复合物（ES），然后生成产物（P），并释放出酶。米氏方的程讨论：（1）米氏常数Km的意义Km表示酶促反应速度达到最大反应速度的一半时底物的浓度。Km的单位与底物浓度的单位一致（mol·L-1或mmol·L-1）。Km是酶的特征常数，Km的大小只与酶的性质有关，与酶的浓度无关。（2）Km可表示酶与底物的亲和力如果一个酶有几种底物，则每一种底物各有一个特定的Km值，其中Km值最小的底物称该酶的最适底物或一天然底物。Km越小，达到最大反应速度一半所需的底物浓度愈小，表示底物与酶的亲和力越大。（3）相对速度（酶活性中心被占据分数Ys）当反应速度达到最大反应速度时，此时的反应速度与底物浓度无关，只与总酶浓度成正比。这表明此时酶的活性中心已经全部被底物占据。当反应速度达到最大反应速度的一半时，表明此时酶的部位有一半被占据。当一个酶的Km已知时，任何底物浓度下酶活性部位被占据分数为：（4）米氏方程所作曲线的曲度，不随Km和Vmax变化而变化。因此任何米氏酶，到达任何两个特定最大反应速度分数的时，对应的底物浓度之比为常数。设达到最大反应速度的0.9倍时，所需底物浓度为[S]0.9。根据米氏方程得到[S]0.9=9Km，[S]0.8=4Km，[S]0.7=2.33Km，[S]0.6=1.5Km，[S]0.5=1Km和[S]0.1=1/9Km。因此[S]0.9/[S]0.1=81，[S]0.7/[S]0.1=21。（5）双倒数作图法计算Km和Vmax对米氏方程两边取倒数，即将实验所得的初速度数据v和[S]取倒数，得各种1/v和1/[S]值，将1/v对1/[S]作图，得一直线。纵截距=横线距=－][][maxSKmSVVYsmax1VKm1斜率=11．多底物酶促反应的类型米氏方程只适用于单底物酶促反应，如异构、水解及大部分裂合反应，不适用于多底物酶促反应。按照底物与酶的结合顺序，分别用A、B表示不同的底物；按照产物从酶－产物复合物中的释放顺序，分别用P、Q表示不同的产物。（1）有序顺序反应2个底物与酶结合的先后顺序，以及2个产物从酶底复合物中释放的顺序都有严格的限制。底物A先与酶结合，然后底物B再与酶结合，A为领先底物。产物P先释放，产物Q后释放。例如乙醇脱氢酶。（2）随机顺序反应2个底物与酶结合时没有先后顺序，2个产物从酶底复合物中释放时也没有严格先后顺序。（3）乒乓反应底物A先与酶结合，生成产物P，当产物P释放以后，底物B再与酶结合，生成并释放产物Q。例如谷丙转氨酶。12．酶的抑制作用大多数都酶是蛋白质，使酶蛋白变性而引起酶活力丧失的作用称为酶的失活作用。使酶活力下降，但并不引起酶蛋白变性的作用称为抑制作用。抑制作用分为不可逆抑制作用和可逆抑制作用。抑制剂：不引起酶蛋白变性，但是能使酶分子活性中心上某些基团发生变化，引起酶活性下降甚至丧失，此类物质称为酶的抑制剂。(1)不可逆抑制作用抑制剂与酶活性中心的必需基团共价结合，使酶的活性丧失，不能用透析、过滤等物理方法除去抑制剂而使酶恢复活性。非专一性不可逆抑制：此类抑制剂可以与一类或几类基团反应。它们不仅能和酶分子中的必需基团作用，同时也能和相应的非必需基团作用。主要有酰化剂、烷化剂、含活泼双键试剂、亲电试剂、还原剂、有机汞、有机砷、氰化物和重金属。专一性不可逆抑制：此类抑制剂仅仅与活性部位的相关基团反应。专一性不可逆抑制剂可以分为Ks型专一性不可逆抑制和Kcat型专一性不可逆抑制剂。(2)可逆抑制作用抑制剂与酶以非共价键结合，引起酶活性的降低或丧失。可逆抑制剂与酶蛋白的结合是可逆