生化—酶类

    一、定义

    酶是一种生物催化剂，是有催化功能的蛋白质。

    二、人们对酶的认识过程

    1833年佩延（payen）和persoz从麦芽中抽提出一种对热敏感的物质，这种物质能将淀粉水解成可溶性糖，被称为淀粉糖化酶（diastase），意思是“分离”。所以后人命名酶时常加词尾-ase。由于他们用乙醇沉淀等方法提纯得到了无细胞的酶制剂，并发现了酶的催化特性和热不稳定性，所以一般认为他们首先发现了酶。

    19世纪西方对发酵现象的研究推动了对酶的进一步研究。巴斯德提出“酵素”一词，认为只有活的酵母细胞才能进行发酵。现在日本还经常使用“酵素”一词（ferment）。1878年德国人库恩（kuhne）提出“enzyme”一词，意为“在酵母中”。1896年德国人巴克纳（buchner）兄弟用石英砂磨碎酵母细胞，得到了能催化发酵的无细胞滤液，证明发酵是一种化学反应，与细胞的活力无关。这项发现涉及到了酶的本质，有人认为这是酶学研究的开始。

    1913年米凯利斯（michaelis）和门顿（menten）利用物理化学方法提出了酶促反应的动力学原理—米氏学说，使酶学可以定量研究。1926年美国人j b sumner从刀豆中结晶出脲酶（第一个酶结晶），并提出酶是蛋白质的观点。后来陆续得到多种酶的结晶，证明了这种观点，萨姆纳因而获得1947年诺贝尔奖。此后多种酶被发现、结晶、测定结构，并产生了酶工程等分支学科。

    进入80年代后，核糖酶（ribozyme）、抗体酶、模拟酶等相继出现，酶的传统概念受到挑战。1982年cech等发现四膜虫26s rrna前体具有自我剪接功能，并于1986年证明其内含子l-19 ivs具有多种催化功能。此后陆续发现多种具有催化功能的rna，底物也扩大到dna、糖类、氨基酸酯。还有人在实验室中设计合成新的核糖酶。甚至有人发现博莱霉素等肽类抗生素也有催化能力。这些新发现不仅增加了对酶的本质的研究，也有助于对生命起源等问题的探讨，使酶学研究进入新的阶段。

    三、酶的特性

    酶是生物体产生的，有催化能力的蛋白质。细胞内的蛋白质，90％都有催化活性。酶是一种生物催化剂，与一般催化剂一样，只改变反应速度，不改变化学平衡，并在反应前后本身不变。但酶作为生物催化剂，与一般的无机催化剂相比有以下特点：

    1催化效率高 酶的催化效率比无机催化剂高106－1013倍。举例来说，1mol马肝过氧化氢酶在一定条件下可催化5x106摩尔过氧化氢分解，在同样条件下1mol铁只能催化6x10－4摩尔过氧化氢分解。因此，这个酶的催化效率是铁的1010倍。也就是说，用过氧化氢酶在1秒内催化的反应，同样数量的铁需要300年才能反应完。

    2专一性强 一般催化剂对底物没有严格的要求，能催化多种反应，而酶只催化某一类物质的一种反应，生成特定的产物。因此酶的种类也是多种多样的。酶催化的反应称为酶促反应，酶促反应的反应物称为底物。酶只催化某一类底物发生特定的反应，产生一定的产物，这种特性称为酶的专一性。

    各种酶的专一性不同，包括结构专一性和立体专一性两大类，结构专一性又有绝对专一性和相对专一性之分。绝对专一性指酶只催化一种底物，生成确定的产物。如氨基酸：trna连接酶，只催化一种氨基酸与其受体trna的连接反应。相对专一性指酶催化一类底物或化学键的反应。如醇脱氢酶可催化许多醇类的氧化反应。还有许多酶具有立体专一性，对底物的构型有严格的要求。如乳酸脱氢酶只能催化l-乳酸，不能催化d-乳酸的反应。

    3反应条件温和 酶促反应不需要高温高压及强酸强碱等剧烈条件，在常温常压下即可完成。

    4酶的活性受多种因素调节 无机催化剂的催化能力一般是不变的，而酶的活性则受到很多因素的影响。比如底物和产物的浓度、ph值以及各种激素的浓度都对酶活有较大影响。酶活的变化使酶能适应生物体内复杂多变的环境条件和多种多样的生理需要。生物通过变构、酶原活化、可逆磷酸化等方式对机体的代谢进行调节。

    5稳定性差 酶是蛋白质，只能在常温、常压、近中性的条件下发挥作用。高温、高压、强酸、强碱、有机溶剂、重金属盐、超声波、剧烈搅拌、甚至泡沫的表面张力等都有可能使酶变性失活。不过自然界中的酶是多种多样的，有些酶可以在极端条件下起作用。有些细菌生活在极端条件下，如超噬热菌可以生活在90c以上环境中，高限为110c；噬冷菌最适温度为－2c，高于10c不能生长；噬酸菌生活在ph1以下，噬碱菌的最适ph大于11；噬压菌最高可耐受1035个大气压。这些噬极菌的胞内酶较为正常，但胞外酶却可以耐受极端条件的作用。有些酶在有机溶剂中可以催化在水相中无法完成的反应。

    四、酶的命名与分类

    1命名

    酶的命名法有两种：习惯命名与系统命名。习惯命名以酶的底物和反应类型命名，有时还加上酶的来源。习惯命名简单，常用，但缺乏系统性，不准确。1961年国际酶学会议提出了酶的系统命名法。规定应标明酶的底物及反应类型，两个底物间用冒号隔开，水可省略。如乙醇脱氢酶的系统命名是：醇：nad+氧化还原酶。

    2分类

    按照催化反应的类型，国际酶学委员会将酶分为六大类。在这六大类里，又各自分为若干亚类，亚类下又分小组。亚类的划分标准：氧化还原酶是电子供体类型，移换酶是被转移基团的形状，水解酶是被水解的键的类型，裂合酶是被裂解的键的类型，异构酶是异构作用的类型，合成酶是生成的键的类型。

    （1）氧化还原酶 催化氧化还原反应，如葡萄糖氧化酶，各种脱氢酶等。是已发现的量最大的一类酶，其氧化、产能、解毒功能，在生产中的应用仅次于水解酶。需要辅因子，可根据反应时辅因子的光电性质变化来测定。按系统命名可分为19亚类，习惯上可分为4个亚类：

    2脱氢酶：受体为nad或nadp，不需氧。

    2氧化酶：以分子氧为受体，产物可为水或h2o2，常需黄素辅基。

    2过氧物酶：以h2o2为受体，常以黄素、血红素为辅基

    2氧合酶（加氧酶）：催化氧原子掺入有机分子，又称羟化酶。按掺入氧原子个数可分为单加氧酶和双加氧酶。

    （2）移换酶类 催化功能基团的转移反应，如各种转氨酶和激酶分别催化转移氨基和磷酸基的反应。移换酶也叫转移酶，多需要辅酶，但反应不易测定。按转移基团性质，可分为8个亚类，较重要的有：

    2一碳基转移酶：转移一碳单位，与核酸、蛋白质甲基化有关。

    2磷酸基转移酶：常称为激酶，多以atp为供体。少数蛋白酶也称为激酶（如肠激酶）。

    2糖苷转移酶：与多糖代谢密切相关，如糖原磷酸化酶。

    （3）水解酶类 催化底物的水解反应，如蛋白酶、脂肪酶等。起降解作用，多位于胞外或溶酶体中。有些蛋白酶也称为激酶。可分为水解酯键（如限制性内切酶）、糖苷键（如果胶酶、溶菌酶等）、肽键、碳氮键等11亚类。

    （4）裂合酶类 催化从底物上移去一个小分子而留下双键的反应或其逆反应。包括醛缩酶、水化酶、脱羧酶等。共7个亚类。

    （5）异构酶类 催化同分异构体之间的相互转化。包括消旋酶、异构酶、变位酶等。共6个亚类。

    （6）合成酶类 催化由两种物质合成一种物质，必须与atp分解相偶联。也叫连接酶，如dna连接酶。共5个亚类。

    3酶的编号

    国际酶学委员会根据酶的类别，给每种酶规定了统一的编号。酶的编号由ec和4个用圆点隔开的数字组成。ec表示酶学委员会，第一个数字表示酶的类别，第二个数字表示酶的亚类，第三个数字表示酶的小组，第四个数字表示酶在小组中的序列号。如ec1111表示这个酶是氧化还原酶，电子供体是醇，电子受体是nad+,序列号是1，即乙醇脱氢酶。胰蛋白酶的编号是ec3444，4个数字分别表示它的类型是水解酶；水解的键是肽键；是内切酶而不是外切酶；序列号是4。多功能酶可以有多个编号。

    五、酶的活力

    1定义 指酶催化一定化学反应的能力。

    2单位 在特定条件下，1分钟内转化1微摩尔底物所需的酶量为一个活力单位(u)。温度规定为25度，其他条件取反应的最适条件。

    比活：每毫克酶蛋白所具有的酶活力。单位是u/mg。比活越高则酶越纯。

    转化数：每分子酶或每个酶活性中心在单位时间内能催化的底物分子数(tn)。相当于酶反应的速度常数kp。也称为催化常数（kcat）。1/kp称为催化周期。碳酸酐酶是已知转换数最高的酶之一，高达36x106每分，催化周期为17微秒。

    3测定 一般采用测定酶促反应初速度的方法来测定活力，因为此时干扰因素较少，速度保持恒定。反应速度的单位是浓度/单位时间，可用底物减少或产物增加的量来表示。因为产物浓度从无到有，变化较大，而底物往往过量，其变化不易测准，所以多用产物来测定。

    第二节 酶的结构

    一、酶分子的化学组成

    酶的本质是蛋白质。酶与其他蛋白一样，由氨基酸构成，具有一、二、三、四级结构。酶也会受到某些物理、化学因素作用而发生变性，失去活力。酶分子量很大，具有胶体性质，不能透析。酶也能被蛋白酶水解。

    1辅因子

    有些酶完全由蛋白质构成，属于简单蛋白，如脲酶、蛋白酶等；有些酶除蛋白质外，还含有非蛋白成分，属于结合蛋白。其中的非蛋白成分称为辅因子(cofactor)，蛋白部分成为酶蛋白，复合物叫全酶。辅因子一般起携带及转移电子或功能基团的作用，其中与酶蛋白以共价键紧密结合的称为辅基，以非共价键松散结合的称为辅酶。

    在催化过程中，辅基不与酶蛋白分离，只作为酶内载体起作用，如黄素蛋白类酶分子中的fad、fmn辅基携带氢，羧化酶的生物素辅基携带羧基等等。辅酶则常作为酶间载体，将两个酶促反应连接起来，如nad+在一个反应中被还原成nadh，在另一个反应中又被氧化回nad+。它在反应中象底物一样，有时也称为辅底物。

    有30％以上的酶需要金属元素作为辅因子。有些酶的金属离子与酶蛋白结合紧密，不易分离，称为金属酶；有些酶的金属离子结合松散，称为金属活化酶。金属酶的辅因子一般是过渡金属，如铁、锌、铜、锰等；金属活化酶的辅因子一般是碱金属或碱土金属，如钾、钙、镁等。

    2单体酶、寡聚酶和多酶体系

    由一条肽链构成的酶称为单体酶，由多条肽链以非共价键结合而成的酶称为寡聚酶，属于寡聚蛋白。有时在生物体内一些功能相关的酶被组织起来，构成多酶体系，依次催化有关的反应。构成多酶体系是代谢的需要，可以降低底物和产物的扩散限制，提高总反应的速度和效率。

    有时一条肽链上有多种酶活性，称为多酶融合体。如糖原分解中的脱支酶在一条肽链上有淀粉-1，6-葡萄糖苷酶和4-α-d-葡聚糖转移酶活性；来自樟树种子的克木毒蛋白（camphorin）由一条肽链组成，有三种活性：1 rna n-糖苷酶活性，可水解大鼠28s rrna中第4324位腺苷酸的糖苷键，释放一个腺嘌呤；2 依赖于超螺旋dna构型的核酸内切酶活性，专一解旋并切割超螺旋环状dna形成缺口环状和线状dna；3 超氧化物歧化酶活性。来自红色链孢霉的arom多酶融合体是二聚体，每条肽链含五种酶活性，可催化莽草酸途径的第二至第六步反应，由于有中间产物的传递通道，使催化效率大为提高。

    二、酶的活性中心

    1定义

    酶是大分子，其分子量一般在一万以上，由数百个氨基酸组成。而酶的底物一般很小，所以，直接与底物接触并起催化作用的只是酶分子中的一小部分。有些酶的底物虽然较大，但与酶接触的也只是一个很小的区域。因此，人们认为，酶分子中有一个活性中心，它是酶分子的一小部分，是酶分子中与底物结合并催化反应的场所。活性中心是有酶分子中少数几个氨基酸残基构成的，它们在一级结构上可能相距很远，甚至位于不同的肽链上，由于肽链的盘曲折叠而互相接近，构成一个特定的活性结构。因此活性中心不是一个点或面，而是一个小的空间区域。

    2分类

    活性中心的氨基酸按功能可分为底物结合部位和催化部位。前者负责识别特定的底物并与之结合。它们决定了酶的底物专一性。催化部位是起催化作用的，底物的敏感键在此被切断或形成新键，并生成产物。二者的分别并不是绝对的，有些基团既有底物结合功能又有催化功能。

    koshland将酶分子中的残基分为四类：接触亚基负责底物的结合与催化，辅助亚基起协助作用，结构亚基维持酶的构象，非贡献亚基的替换对活性无影响，但对酶的免疫、运输、调控与寿命等有作用。前二者构成活性中心，前三者称为酶的必须基团。

    活性中心以外的部分并不是无用的，它们能够维持酶的空间结构，使活性中心保持完整。在酶与底物结合后，整个酶分子的构象发生变化，这种扭动的张力使底物化学键容易断裂。这种变化也要依靠非活性中心的协同作用。

    一般单体酶只有一个活性中心，但有些具有多种功能的多功能酶具有多个活性中心。如大肠杆菌dna聚合酶i是一条109kd的肽链，既有聚合酶活性，又有外切酶活性。

    3形成过程

    有些酶在细胞内刚刚合成或分泌时，尚不具有催化活性，这些无活性的酶的前体称为酶原。酶原通过激活才能转化为有活性的酶。酶原的激活是通过改变酶分子的共价结构来控制酶活性的一种机制，通过肽链的剪切，改变蛋白的构象，从而形成或暴露酶的活性中心，使酶原在必要时被活化成为有活性的酶，发挥其功能。

    4研究活性中心的方法

    酶的底物和竞争性抑制剂的结构特点有助于研究酶的活性中心的结构。酶的最适ph及速度常数等动力学特点也可提供一些信息。

    化学修饰在活性中心的研究中起过很重要的作用。因为活性中心的基团反应性常与其他基团不同，所以一些试剂可以专一性地与活性中心中的某种残基反应，而不与活性中心外的残基作用。如dfp（二异丙基氟磷酸）可与活性中心中的丝氨酸反应。tpck（n-对甲苯磺酰苯丙氨酰氯甲基酮）的专一性更强，只能与糜蛋白酶活性中心的his-57结合，称为亲和标记。它是底物类似物，烷化剂。tlck（赖氨酸衍生物）作用于胰酶的his-46。某些试剂的专一性不强，可用差示标记法：先用底物类似物保护活性中心，加入修饰剂，与活性中心以外的基团反应，然后除去抑制剂，再加入放射性标记的试剂，此时试剂只能与活性中心的基团反应，测定放射性的位置，即可找到活性中心。

    紫外、荧光、园二色光谱等方法也可用与活性中心的研究。在酶与底物结合时，位于底物结合部位的生色团必然会发生某种变化，从而导致其光谱的变化。这些生色团可以是酶本身带有的，也可以人工引入。这种方法可以用来判断活性中心的构成，也可以研究催化的反应过程。最直接最准确的方法是x-射线衍射。

    三、同工酶

    同工酶是同一生物催化同一反应的不同的酶分子。同工酶的催化作用相同，但其功能意义有所不同。不同种生物有相同功能的酶不是同工酶。同工酶具有相同或相似的活性中心，但其理化性质和免疫学性质不同。同工酶的细胞定位、专一性、活性及其调节可有所不同。每种同工酶都有其独特的功能意义。如乳酸脱氢酶(ldh)是由4个亚基组成的四聚体。亚基有a(m)和b(h)两种，有5种同工酶：ldh1(h4)、ldh2(mh3)、ldh3(m2h2)、ldh4(m3h)、ldh5(m4)。m、h两个亚基由不同基因编码，在不同细胞中合成速度不同，所以在不同的组织器官中5种同工酶的比例不同，经电泳分离后会得到不同的同工酶谱。人体心肌中ldh1和ldh2较多，而骨骼肌中ldh5较多。m亚基对丙酮酸的km较高，且不受底物抑制，因而肌肉可生成大量乳酸；h亚基的km小，并受底物抑制，随底物增加很快饱和，所以心脏生成乳酸很少，此酶主要用于乳酸的氧化。临床上通过分析病人血清ldh同工酶谱，有助于诊断病变发生的部位。如心肌损害时血清中ldh1升高；肺损害时ldh3升高。

    第三节 酶的催化机制

    一、酶与底物的结合

    酶与底物结合的作用力主要是氢键、盐键和范德华力。盐键是带电荷基团之间的静电吸引力，疏水基团之间的作用也称为疏水键。

    酶与底物的结合是有专一性的，人们曾经用锁和钥匙来比喻酶和底物的关系。这种“锁钥学说”是不全面的。比如，酶既能与底物结合，也能与产物结合，催化其逆反应。于是又提出了“诱导契合学说”,认为当酶与底物接近时，酶蛋白受底物分子的诱导，其构象发生改变，变得有利于与底物的结合和催化。

    二、酶加快反应速度的因素

    酶加快反应速度主要靠降低反应的活化能，即底物分子达到活化态所需的能量。例如脲酶可使尿素水解反应的活化能由136kj/mol降到46kj/mol，使反应速度提高1014倍。酶的催化机理主要有以下几点：

    1邻近定向 对一个双分子反应，酶可以使两个底物结合在活性中心彼此靠近，并具有一定的取向。这比在溶液中随机碰撞更容易反应。对不同的反应，由分子间反应变成分子内反应后，反应速度可加快100倍到1011倍。

    2底物形变 酶与底物结合时，不仅酶的构象改变，底物的构象也会发生变化。这种变化使底物更接近于过渡态，因此可以降低活化能。

    3酸碱催化和共价催化 酶活性中心的一些残基的侧链基团可以起酸碱催化或共价催化的作用。酸碱催化可分为一般酸碱催化和特殊酸碱催化两种，特殊酸碱催化是指h+和oh-的催化作用；一般酸碱催化还包括其他弱酸弱碱的催化作用。酶促反应一般发生在近中性条件，h+和oh-的浓度很低，所以酶促反应主要是一般酸碱催化。酶分子中的一些可解离集团如咪唑基、羧基、氨基、巯基常起一般酸碱催化作用，其中咪唑最活泼有效。

    有些酶有酸碱共催化机制及质子转移通路。四甲基葡萄糖在苯中的变旋反应如果单独用吡啶（碱）或酚（酸）来催化，速度很慢；如果二者混合催化，则速度加快，即酸碱共催化。如果把酸和碱集中在一个分子中，即合成α－羟基吡啶，它的催化速度又加快7000倍。这是因为两个催化集团集中在一个分子中有利于质子的传递。在酶－底物复合物中经常由氢键和共轭结构形成质子传递通路，从而大大提高催化效率。

    共价催化可分为亲电催化和亲核催化。丝氨酸蛋白酶、含巯基的木瓜蛋白酶、以硫胺素为辅酶的丙酮酸脱羧酶都有亲核催化作用。羟基、巯基和咪唑基都有亲核催化作用。金属离子和酪氨酸羟基、－nh3+都是亲电基团。共价催化经常形成反应活性很高的共价中间物，将一步反应变成两步或多步反应，绕过较高的能垒，使反应快速进行。例如胰蛋白酶通过丝氨酸侧链羟基形成酰基-酶共价中间物，降低活化能。

    4微环境的作用 有些酶的活性中心是一个疏水的微环境，其介电常数较低，有利于电荷之间的作用，也有利于中间物的生成和稳定。如赖氨酸侧链氨基的pk约为9，而在乙酰乙酸脱羧酶活性中心的赖氨酸侧链pk只有6左右。

    以上几点都可加速反应，但每种酶不同，可同时具有其中的几种因素。

    第四节 酶促反应的动力学

    酶促反应的动力学是研究酶促反应的速度以及影响速度的各种因素的科学。动力学研究既可以为酶的机理研究提供实验证据，又可以指导酶在生产中的应用，最大限度地发挥酶的催化作用。

    一、米氏方程

    1米氏方程的推导

    米氏学说是1913年michaelis和menton建立的，认为反应分为两步，先生成酶-底物复合物（中间产物），再分解形成产物，释放出游离酶。经过briggs和haldane的补充与发展，得到了现在的米氏方程。

    s＋e＝se＝p＋e

    对于上面的反应，首先有三点假设：第一，底物大过量，即[s]》[e]。第二，在反应初期，产物浓度极小，忽略逆反应即k-2=0；第三，稳态假设，即随着反应的进行，复合物的形成速度逐渐降低，分解加快，在某一时刻达到平衡，复合物的浓度为常数，这种状态称为“稳态”。体系达到稳态后，底物的消耗和产物的生成速度都是常数，且相等。经测定，酶加入体系后，在几毫秒之内即可达到稳态，所以我们测定的初速度通常是稳态速度。在产物积累较多之前，体系一直保持稳态，所以反应速度

    v=k2[es]。根据稳态假设，有k1[e][s]=(k-1+k2)[es]，即[es]=k1[e][s]/(k-1+k2)。定义(k-1+k2)/k1=km，因为[e]= [e]0-[es]，故[es]= [e]0[s]/(km+[s])。代入速度方程，得到v= k2[e]0[s]/(km+[s])。因为当[es]=[e]0时速度最大，所以vm=k2[e]0。代入，得到下列米氏方程：

    v=vmx[s]/(km+[s])

    2米氏常数的意义

    米氏常数的物理意义是反应速度达到最大反应速度一半时的底物浓度。其酶学意义在于，它是酶的特征常数，只与酶的性质有关，与酶浓度无关。不同的酶其km不同，同种酶对不同底物也不同。在k2极小时1/km可近似表示酶与底物的亲和力，1/km越大，亲和力越大。在酶的多种底物中，km最小的底物叫做该酶的天然底物。

    3米氏常数的测定

    从酶的v-[s]图上可以得到vm，再从1/2vm处读出[s]，即为km。但实际上只能无限接近vm，却无法达到。为得到准确的米氏常数，可以把米氏方程加以变形，使它相当于线性方程，通过作图得到准确的米氏常数。

    双倒数作图法 将方程改写为

    1/v=km/vmx1/[s]+1/vm

    实验时在不同的底物浓度测定初速度，以1/v对1/[s]作图，直线外推与横轴相交，横轴截踞为-1/km，纵轴截踞为1/vm。此法称为lineweaver-burk作图法，应用最广，但实验点常集中在左端，作图不易准确。

    eadie-hofstee法 将方程改写为

    v=-kmxv/[s]+vm

    以v对v/[s]作图，直线斜率为-km。

    4其他动力学参数

    kcat/km称为酶的专一性常数，它不受非生产性结合与中间产物积累的影响，可以表示酶对相互竞争的几种底物的专一性。生理条件下许多反应的底物浓度是很低的。在底物浓度很低时，v=（kcat/km）[e][s]，即kcat/km是表观二级速度常数。因为kcat /km=k3k1/（k2+k3），所以它小于k1，即小于酶和底物复合物生成的速度常数。它不是真实的微观速度常数，只有当反应的限速步骤是酶与底物的相互碰撞时，它才是真实的微观速度常数。扩散限制决定了速度常数的上限是108-109mol-1s-1，碳酸酐酶、磷酸丙糖异构酶、乙酰胆碱酯酶等都接近这一极限，说明他们的进化已经很完善。

    反应级数：对于xa+yb=p的反应，其速度v=k[a]a[b]b，对底物a是a级，对底物b是b级，整个反应的级数是a+b级。反应分子数是指在最慢的一步反应中，参加的最低分子数目。它是指反应机制，必须是整数；而反应级数是通过实验测得的，可以是小数。根据米氏方程，当底物浓度远大于米氏常数时，v=vm，是零级反应；反之，v=（vm/km）[s]，是一级反应。而中间部分则是混合级反应。

    二、多底物反应的机制

    许多酶催化的反应比较复杂，包含一种以上底物，它们的反应按分子数分为几类，单分子称为uni，双分子称为bi，三分子为ter，四分子为quad。较为常见的是双底物双产物反应，称为bi－bi反应：

    a+b→p+q

    目前认为大部分双底物反应可能有三种反应机理：

    1依次反应机理

    需要nad+或nadp+的脱氢酶的反应就属于这种类型。辅酶作为底物a先与酶生成ea，再与底物b生成三元复合物eab，脱氢后生成产物p，最后放出还原型辅酶nadh或nadph。

    2随机机理

    底物的加入和产物的放出都是随机的，无固定顺序。如糖原磷酸化的反应。

    3乒乓机制

    转氨酶是典型的乒乓机制，酶首先与底物a（氨基酸）作用，产生中间产物ea，底物中的氨基转移到辅酶，使辅酶中的磷酸吡哆醛变成磷酸吡哆胺，即ea转变为fp，然后放出产物p（α－酮酸），得到酶f，再与底物b（另一个酮酸）作用，放出产物q（相应的氨基酸）和酶e。由乙酰辅酶a、atp和hco3-三个底物生成丙酰辅酶a的反应也属于乒乓机制。

    三、影响反应速度的因素

    （一）ph的影响 大部分酶的活力受ph值的影响，在一定的ph值活力最高，称最适ph。一般酶的最适ph在6－8，少数酶需偏酸或碱性条件。如胃蛋白酶最适ph在15，而肝精氨酸酶在97。

    ph影响酶的构象，也影响与催化有关基团的解离状况及底物分子的解离状态。最适ph有时因底物种类、浓度及缓冲溶液成分不同而变化，不是完全不变的。

    大部分酶的ph-酶活曲线是钟形曲线，但也有少数酶只有钟形的一半，甚至是直线。如木瓜蛋白酶底物的电荷变化对催化没有影响，在ph4-10之间是一条直线。

    （二）温度的影响 酶活随温度变化的曲线是钟形曲线，有一个最高点，即最适温度。温血动物的酶最适温度是35－40度，植物酶在40－50度。这是温度升高时化学反应加速（每升温10c反应速度加快1－2倍）与酶失活综合平衡的结果。一般酶在60度以上变性，少数酶可耐高温，如牛胰核糖核酸酶加热到100度仍不失活。干燥的酶耐受高温，而液态酶失活快。

    最适温度也不是固定值，它受反应时间影响，酶可在短时间内耐受较高温度，时间延长则最适温度降低。

    热失活的活化能一般为50-100kcal/mol，比一般反应的活化能高10倍，在30c以下是稳定的。

    （三）激活剂的影响 凡是能提高酶活性的物质都称为激活剂。大部分激活剂是离子或简单有机化合物。按照分子大小，可分为三类：

    1无机离子 可分为金属离子、氢离子和阴离子三种。起激活剂作用的金属离子有钾、钠、钙、镁、锌、铁等，原子序数在11－55之间，其中镁是多种激酶及合成酶的激活剂。阴离子的激活作用一般不明显，较突出的是动物唾液中的α淀粉酶受氯离子激活，溴的激活作用稍弱。

    激活剂的作用有选择性，对另一种酶可能起抑制作用。有些离子还有拮抗作用，如钠抑制钾的激活作用，钙抑制镁。有些金属离子可互相替代，如激酶的镁离子可用锰取代。激活剂的浓度也有影响，浓度过高可能起抑制作用。如对于nadp+合成酶，镁离子浓度在5－10x10-3m时起激活作用，在30x10-3m时酶活下降。

    2中等大小有机分子 某些还原剂如半胱氨酸、还原型谷胱甘肽、氰化物等，能激活某些酶，打开分子中的二硫键，提高酶活，如木瓜蛋白酶、d-甘油醛-3-磷酸脱氢酶等。另一种是edta，可螯合金属，解除重金属对酶的抑制作用。

    3蛋白质类 指可对某些无活性的酶原起作用的酶。

    （四）抑制剂（inhibitor）的作用

    使酶活力下降，但不引起酶蛋白变性的作用称为抑制作用。能引起抑制作用的物质叫做酶的抑制剂。抑制剂与酶分子上的某些必需基团反应，引起酶活力下降，甚至丧失，但并不使酶变性。研究抑制作用有助于对酶的作用机理、生物代谢途径、药物作用机制的了解。抑制作用根据可逆性可分为两类：可逆抑制与不可逆抑制。

    1不可逆抑制(irreversible inhibition) 此类抑制剂通常以共价键与酶结合，不能用透析、超滤等方法除去。按抑制剂的选择性，又可分为专一性与非专一性不可逆抑制剂。前者只能与活性部位的基团反应，后者可与多种基团反应。如对活性部位基团的亲和力比对其他基团大三个数量级，即为专一性抑制剂。有时因作用对象及条件不同，某些非专一性抑制剂会转化，产生专一性抑制作用。常用来判断专一性的方法有：有底物保护现象、有化学计量关系，且作用后酶完全失活、与失活的酶不反应。

    常见的不可逆抑制剂有：

    2有机磷化合物 可与酶中与酶活直接相关的丝氨酸上的羟基牢固结合，从而抑制某些蛋白酶及酯酶，是专一性抑制剂。此类化合物强烈抑制胆碱酯酶，使乙酰胆碱堆积，引起一系列神经中毒症状，又称为神经毒剂。二战中使用过的dfp及有机磷杀虫剂都属于此类。当有大量底物存在时，底物先与酶的活性部位结合，抑制作用就会减弱，称为底物保护作用。有机磷与酶结合后虽不解离，但有时可用肟化物（含-ch=noh基）或羟肟酸把酶上的磷酸根除去，使酶恢复活性。临床上用的解磷定(pam)就是此类化合物。

    2有机砷、汞化合物 与巯基作用，抑制含巯基的酶。如对氯汞苯甲酸，可用过量巯基化合物如半胱氨酸或还原型谷胱甘肽解除。砷化物可破坏硫辛酸辅酶，从而抑制丙酮酸氧化酶系统。路易斯毒气(chcl=chascl2)能抑制几乎所有的巯基酶。砷化物的毒性不能用单巯基化合物解除，可用过量双巯基化合物解除，如二巯基丙醇等。它是临床上重要的砷化物及重金属中毒的解毒剂。

    2氰化物 与含铁卟啉的酶（如细胞色素氧化酶）中的fe2+结合，使酶失活而抑制细胞呼吸。

    2重金属 银、铜、铅、汞等盐类能使大多数酶失活，可用螯合剂如edta解除。可能是与酶分子中的巯基发生反应，或置换酶中的金属离子。

    2烷化剂 主要是含卤素的化合物，如碘乙酸、碘乙酰胺、卤乙酰苯等，是一种非专一性抑制剂，可以烷化巯基，使酶失活。常用于鉴定酶中巯基。

    2自杀底物 以潜伏状态存在，与某些酶的活性中心结合后被激活，产生抑制作用。此类抑制剂有高度专一性，只有遇到靶子酶时才转变。也称为kcat型专一性不可逆抑制剂。另一类专一性不可逆抑制剂称为ks型，是底物类似物，如tpck等。

    2可逆抑制 与酶的结合是可逆的，可用透析法除去抑制剂，恢复酶活。根据抑制剂与底物的关系，可逆抑制可分为三种：

    （1）竞争性抑制 抑制剂结构与底物类似，与酶形成可逆的ei复合物但不能分解成产物p。抑制剂与底物竞争活性中心，从而阻止底物与酶的结合。可通过提高底物浓度减弱这种抑制。最典型的例子是丙二酸对琥珀酸脱氢酶的抑制。竞争性抑制剂使km增大，km&39;=kmx（1+i/ki），vm不变。

    竞争性抑制最常见，磺胺类药物就是竞争性抑制剂，如对氨基苯磺胺。它与对氨基苯甲酸相似，可抑制细菌二氢叶酸合成酶，从而抑制细菌生长繁殖。人体可利用食物中的叶酸，而细菌不能利用外源的叶酸，所以对此类药物敏感。抗菌增效剂tmp可增强磺胺的药效，因为其结构与二氢叶酸类似，可抑制细菌二氢叶酸还原酶，但很少抑制人体二氢叶酸还原酶。它与磺胺配合使用，可使细菌的四氢叶酸合成受到双重阻碍，严重影响细菌的核酸及蛋白质合成。

    植物中的某些生物碱如毒扁豆碱是胆碱酯酶的竞争性抑制剂，含季铵基团，与乙酰胆碱类似，能抑制胆碱酯酶活力。

    （2）非竞争性抑制 酶可以同时与底物和抑制剂结合，两者没有竞争。但形成的中间物esi不能分解成产物，因此酶活降低。非竞争抑制剂与酶活性中心以外的基团结合，大部分与巯基结合，破坏酶的构象，如一些含金属离子（铜、汞、银等）的化合物。亮氨酸是精氨酸酶的非竞争抑制剂，edta络合金属引起的抑制也是非竞争抑制，如对需要镁离子的己糖激酶的抑制。非竞争性抑制使km不变，vm变小。

    （3）反竞争性抑制 酶与底物结合后才能与抑制剂结合，复合物不能生成产物。反竞争性抑制剂使km和vm都变小。

    第五节 酶的调节

    生物体通过调节酶的功能来控制代谢速度。酶的调节机制有两类，一是对酶数量的调节，另一类是对酶活性的调节。前者通过控制酶的合成与降解速度来控制酶量，作用缓慢而持久，称粗调；后者改变酶的活性，效果快速而短暂，称细调。

    一、酶活性的调节

    （一）变构调节

    1定义

    有些酶在专一性的变构效应物的诱导下，结构发生变化，使催化活性改变，称为变构酶或别构酶（allosteric enzyme）。使酶活增加的效应物称为正调节物，反之称为负调节物。变构酶是寡聚酶，分子中除活性中心外还有别构中心（调节中心）。两个中心可在同一亚基，也可在不同亚基。有活性中心的亚基称为催化亚基，有别构中心的亚基称为调节亚基。别构效应也可扩展到非酶蛋白，如血红蛋白与氧结合的过程中也有别构效应。

    2分类

    大部分别构酶的v-[s]曲线呈s形，与米氏酶不同。这种曲线表明酶与一分子底物（或效应物）分子结合后，其构象发生改变，有利于后续分子的结合，称为正协同效应。这种现象有利于对反应速度的调节，在未达到最大反应速度时，底物浓度的略微增加，将使反应速度有极大提高。所以正协同效应使酶对底物浓度的变化极为敏感。

    另一类别构酶具有负协同效应，其动力学曲线类似双曲线，在底物浓度较低时反应速度变化很快，但继续下去则速度变化缓慢。所以负协同效应使酶对底物浓度变化不敏感。

    3判断

    有一些没有别构效应的酶也可产生类似的曲线，所以作图法不能完全作为判断别构酶的依据。可用rs值（saturation ratio，饱和比值）([s]90v/[s]10v)来定量地区分三种酶：rs等于81为米氏酶，大于81则有正协同效应，反之为负协同。更常用的是hill系数法，以log(v/(vm-v))对log[s]作图，曲线的最大斜率h称为hill系数，米氏酶等于1，正协同酶大于1，负协同小于1。

    4机

    齐变模型（m w c）：认为酶分子中所有原子的构象相同，无杂合状态。在低活性的紧张态（tight，t）和高活性的松弛态（relaxed form，r）之间存在平衡，效应物使平衡移动，从而改变酶的活性。此模型不适于负协同的酶。

    序变模型（knf）：认为各个亚基可以杂合存在，变构是由于配体的诱导，而不是因为平衡的移动。协同性取决于与配体结合的亚基对空位亚基的影响。此模型对两种酶都适用。

    5举例

    （1）天冬氨酸转氨甲酰酶（atcase）：

    这是嘧啶合成途径的第一个酶，受到ctp的反馈抑制，可被atp激活。asp、氨甲酰磷酸均有正同促效应，ctp有异促效应，可使酶的s形程度增大，即rs值减小，ctp之间具有正协同作用，n=3。atp使rs增大，当达到饱和时即成为双曲线。atp和ctp都只改变酶的亲和力，而不影响vm。琥珀酸是天冬氨酸的类似物，在天冬氨酸浓度高时是竞争性抑制剂，而当天冬氨酸不足时则可模拟天冬氨酸的正调控变构作用而成为激活剂。

    此酶共12个亚基，其中催化和调节亚基各6个。分子结构为2个c3中间夹着3个r2，活性中心位于两个催化亚基中间。别构中心位于调节亚基的远端，通过变构影响催化亚基的活性。

    （2）磷酸甘油醛脱氢酶gdp

    共四个亚基，km1和km2都较小，易与nad＋结合，即在低底物浓度时反应较快；而km3则增大了100倍，很难与nad＋反应。这是由构象变化引起的。在生物体内，当nad＋不足时可以保证酵解的进行，而当过nad＋多时则供给其它反应，避免造成酸中毒。

    （二）共价调节

    这种调节是通过酶促共价修饰使其在活性形式与非活性形式之间转变。最典型的例子是动物组织的糖原磷酸化酶，它催化糖原分解产生葡萄糖-1-磷酸。这个酶有两种形式：高活性的磷酸化酶a和低活性的磷酸化酶b。前者是四个亚基的寡聚酶，每个亚基含有一个磷酸化的丝氨酸残基。这些磷酸基是活性必需的，在磷酸化酶磷酸酶的作用下可水解除去，变成两个低活性的半分子：磷酸化酶b。磷酸化酶b在磷酸化酶激酶的催化下又可以接受atp的磷酸基变成磷酸化酶a。

    共价调节酶可以将化学信号放大。一分子磷酸化酶激酶可以在短时间内催化数千个磷酸化酶b，每个产生的磷酸化酶a又可催化产生数千个葡萄糖-1-磷酸，这样就构成了两步的级联放大。实际上这是肾上腺素使糖原急剧分解的更长的级联放大的一部分。

    另一类共价调节酶是大肠杆菌谷氨酰胺合成酶等，它们接受atp转来的腺苷酰基的共价修饰，或酶促脱去腺苷酰基而调节活性。此外，酶原的激活也是一种共价调节。

    （三）酶原（proenzyme; zymogen）激活

    消化道分泌的蛋白酶往往以无活性的酶原形式分泌，到达目的地时才被激活。这样可以避免对消化腺的水解。

    胰凝乳蛋白酶原先被胰蛋白酶切割，产生π-胰凝乳蛋白酶，π-胰凝乳蛋白酶活性高，但不稳定，自相切割产生活性较低但稳定的α-胰凝乳蛋白酶。酶原激活后构象发生变化，形成疏水口袋，即有活性的酶。

    胃蛋白酶原中已形成完整的活性中心，但酶原中有一段碱性序列与活性中心形成盐桥，将活性中心堵塞。在ph5以下时，酶原可自动激活，失去44个残基的前体片段。激活的酶还可再激活其它酶原。

    胰蛋白酶原可被肠激酶激活，然后激活胰凝乳蛋白酶原、胰蛋白酶原、弹性蛋白酶原及羧肽酶原。所以胰蛋白酶是胰脏蛋白酶原的共同激活剂。

    酶原激活有时会切掉很多残基，如牛羧肽酶b激活时要从505个残基中切掉约200个残基。

    （四）激促蛋白和抑制蛋白

    钙调蛋白(c am)与钙离子结合后可以结合到许多酶上，将其激活。视觉激动过程中的一个酶含有抑制亚基，当这个亚基可逆释放时，酶的活性增加。

    二、酶含量的调节

    （一）合成速度的调节

    有一类酶称为诱导酶，是在细胞经特定诱导物诱导产生的。它的含量在诱导物存在下显著增高。诱导物一般是其底物或类似物。其他含量基本不变的酶称为结构酶。诱导酶在微生物中较多见，如大肠杆菌的半乳糖苷酶，在培养基中加入乳糖，则诱导产生，使细菌能利用乳糖。

    结构酶和诱导酶的区分是相对的，只是数量的区别，不是本质的区别。酶的合成受基因和代谢物的双重控制。基因是形成酶的内因，但酶的形成还受代谢物的调控，诱导物可增加酶量，酶的产物也能产生阻遏作用，使酶的生成量大大减少。也就是说，代谢物可以控制酶的生成速度和数量。

    （二）降解的控制

    酶量还可通过加快或减慢酶分子的降解来调节，如在饥饿时，肝脏中的精氨酸酶降解速度减慢，酶量增多；乙酰辅酶a羧化酶降解加快，酶量减少。