第三节酶

第三节酶
一、酶的催化作用
酶是生物催化剂，对生命活动是必不可少的。生物体内新陈代谢的一系列复杂化学反应 几乎均是由酶催化的，没有酶就没有新陈代谢，也就没有生命活动。
(一）酶的分子结构与催化作用

1. 酶的分子组成与其他蛋白质一样，化学本质为蛋白质的天然酶，可分为单纯蛋白质 的酶、结合蛋白质的酶两类。单纯蛋白质的酶完全由a-氨基酸按一定的排列顺序组成，如脲 酶、一些消化蛋白酶、淀粉酶、脂酶和核糖核酸酶等。牛胰核糖核酸酶就是一条由124个氨基 酸残基组成的多肽链。体内大多数酶属于结合蛋白质的酶类。结合蛋白质的酶类除由氨基酸 构成的蛋白质部分外，还含有其他小分子有机化合物或金属离子构成的辅助因子。根据辅助 因子与酶蛋白结合的牢固程度不同，又分为辅基或辅酶。酶的蛋白质部分称为酶蛋白，酶蛋白 与辅助因子组合成全酶。辅基与酶蛋白结合牢固，不能用透析、超滤等简单的物理化学方法使 之分开。辅酶与酶蛋白以非共价键结合，可用上述方法使之与酶蛋白分离。体内酶的种类很 多，而辅酶的种类却很少。一般来说，一种酶蛋白只能与一种辅助因子结合，形成一种特异性 的酶，而一种辅助因子则可与不同的酶蛋白结合，形成多种特异性的酶，催化各种特异的化学 反应。例如，辅酶I(NAD+)为传递氢原子和电子的辅酶，参与氧化还原反应。NAD+可作为 多种脱氢酶的辅酶，如L-乳酸脱氢酶、丙酮酸脱氢酶、L-谷氨酸脱氢酶等数十种脱氢酶均以 NAD+为其辅酶。

绝大多数辅酶成分中均含有不同的B族维生素。辅基大多为金属离子，如Zn2+为糜蛋白 酶的辅基，K+为丙酮酸激酶的辅基，但也有以其他有机化合物，如卟啉类为辅基的。
对结合(蛋白质的)酶类而言，决定酶反应特异性的是酶蛋白部分，辅助因子参与酶蛋白催 化的反应，直接与电子、原子或某些化学基团的传递或连接有关。

2. 酶的活性中心酶是具有一定空间结构的蛋白质或多肽链。虽然酶分子表面有许 多由氨基酸提供的化学基团，但其中只有一小部分基团与酶的催化作用直接有关。酶分子 中与酶活性有关的化学基团称为必需基团。这些必需基团与维持酶分子的空间构象有关。 酶分子中必需基团在空间位置上相对集中所形成的特定空间结构区域，是酶发挥催化作用

的关键部位，称为酶的活性中心。活性中心可与底物特异结合，将底物转化为产物。J且成
经肤链折叠，使之在空间位置上互相接近，构成活性中心。在结合酶类中，辅基、辅酶也多 参与活性中心的组成。还有些必需基团不参与活性中心组成，为维持活性中心空J旬构象所 必需，是活性中心外的必需基团。常见的必需基团有组氨酸的咪唑基，丝氨酸的羟基，半胱 氨酸的巯基，以及谷氨酸的7-羧基。当酶蛋白变性时，肽链展开，活性中心被拆散，酶的活 性也因而丧失。
(二）酶促反应的特点
酶是一类生物催化剂，遵守一般催化剂的共同规律。例如，它只能催化热力学上允许进行 的反应，而不能催化热力学上不能进行的反应，即不能新生反应;酶的作用只能使反应加速达 到平衡点，而不能改变平衡点;反应前后酶的质量不变。这些都是酶与一般催化剂相同之处。 但是，酶也具有与一般催化剂不同的特点。

1. 极高的催化效率酶的催化效率通常比一般催化剂高1〇6〜1〇12倍。碳酸野酶可催化 H2C〇3—H20+C02，其加速反应的数量级可达107倍，每分子酶每秒钟可转化40万分子的底 物(h2co3)。酶的高效催化是通过降低反应所需的活化能实现的。这是因为，即使在热力学 上允许进行的反应中，也只有那些能量较高的活泼分子才有可能进行化学反应。这些能量较 高的分子称为活化分子，他们是在反应体系中通过分子-分子相互作用(碰撞)从其他分子获能 的。使分子从基础状态达到活化分子所需要的能量称为活化能。活化能高低决定反应体系活 化分子多少，即决定反应速度。欲加速反应进行，或外加能量(如加热），或降低反应所需的活 化能。酶就是通过降低活化能加速化学反应的。

由底物的起始态转变成产物的终止态的过程中，非酶促反应所需活化能较高，反应较难实 现。在酶促反应中，底物首先与酶结合成中间产物，过渡态的中间产物再分解生成产物，并释 出酶。此两步所需的活化能均低于非酶促反应所需的活化能，因而反应易于进行。据计算，在 25°C时，活化能每减少4. 184kJ/m〇l(lkcal/m〇l)，反应速度可增加5. 4倍。酶正是通过大幅 度降低活化能加速反应的。

2. 高度的特异性一般催化剂常可催化同一类型的多种化学反应。如H+可催化蛋白 质、脂肪、淀粉等多种不同物质的水解，对底物的结构要求不甚严格，甚至很不严格；同时其反 应产物也常多种多样。但酶促反应则不然，如淀粉酶只能水解淀粉，而不能水解蛋白质和脂 肪。蛋白酶只能水解蛋白质，而且通常也只能水解由特定氨基酸构成的肽键。所以，酶促反应 对底物有一定的选择性，所催化的反应通常也只限于一种特定类型，生成特定的产物。换句话 说，一种酶只能作用于一种或一类化合物，催化进行一种类型的化学反应，得到一定的产物，这 种现象称为酶的特异性。各种酶所要求的特异性严格程度不一，有的酶只能作用于一种特定 结构的底物，进行一种专一的反应，生成一种特定结构的产物，称之为绝对特异性，如脲酶只能 催化尿素水解为(：02和NH3,但不能催化甲基尿素水解。另一类酶则特异性较差，可作用于 结构类同的一类化合物或化学键，如磷酸酶对一般的磷酸酯都能水解，不论是甘油磷酸酯、葡 萄糖磷酸酯或酚磷酸酯，这类反应属于相对特异性。还有一类反应则系立体异构特异性，即它 只能催化一种立体异构体进行反应，或其催化的结果只能生成一种立体异构体。如体内合成 蛋白质的氨基酸均为L型，所以体内参与氨基酸代谢的酶绝大多数均只能作用于L型氨基 酸，而不能作用于JD型氨基酸。
3. 酶促反应具有可调节性酶促反应受多种因素的调控，以适应机体对不断变化的内外

环境和生命活动的需要。例如，酶与代谢物在细胞内的区域化分布和进化过程中基因分化形的环境被激活和发挥作用。代谢物通过对代谢途径中关键酶、别构酶的抑制与激活和对酶的 共价修饰，对酶活性进行快速调节。酶生物合成的诱导与阻遏、酶降解速率的调节可发挥对酶 活性的长期调节作用。
(三）酶-底物复合物
酶在发挥催化作用前，需与底物密切结合。这种结合是酶与底物结构的相互诱导、相互形 变、相互适应的过程，这种解释酶与底物相互作用的学说称为诱导契合学说。换句话说，酶分 子的构象与底物的结构原来并不完全吻合;只有当底物与酶接近时，结构上才相互诱导适应， 酶与底物的结构均发生形变，更密切地多点结合。同时，酶在底物的诱导下，其活性中心进一 步形成，并与底物受催化攻击的部位密切靠近，形成酶-底物中间复合物。这种相互诱导的形 变还可使底物处于不稳定状态，易受酶的催化攻击。这种不稳定状态的底物，称为过渡态。在 设计酶的抑制剂时，最有效的抑制剂莫过于过渡态类似物，这为药物设计开辟了一个新的 方向。
二、辅酶与酶辅助因子
(_)维生素与辅酶的关系
许多酶的辅酶都含有维生素，特别是B族维生素。表1-1列举了一些维生素在辅酶中的 作用。 •
表1-1辅酶的种类及其作用

	缩写名	转移細	所含维生素成分
焦磷酸硫胺素	TPP	醛基
黄素腺嘌呤二核苷酸	FAD	氢原子	Bz
黄素单核苷酸	FMN	氢原子	Bz
辅酶1/辅酶n	NAD+/NADP+	H+，电子	尼克酰胺
辅酶A	CoASH	酰基	遍多酸
磷酸吡哆醛		氨基	Be
辅酶Bi2		氢原子及烷基	B12
生物素		C02	生物素
四氢叶酸		一碳基团	叶酸
硫辛酸		酰基	硫辛酸
辅酶Q	CoQ	氢原子	辅酶Q

(二）辅酶作用
辅助因子参与酶的活性中心，决定酶促反应的性质。辅助因子是金属离子或小分子有机 化合物，根据其与酶蛋白结合的紧密程度可分为辅酶与辅基。多种辅酶的组成成分中均含有 不同的B族维生素，例如构成NAD+的维生素是尼克酰胺。
一般来说，一种酶蛋白能与一种辅助因子结合成为专一性的酶，而一种辅助因子可与不同 的酶蛋白结合以构成许多专一性不同的酶。如含锌的碳酸酐酶及羧基肽酶A，含辅酶I的各

种脱氢酶等。如此看来，在结合酶类，决定酶的高度专一性和高效率的是酶蛋白部分，而辅助
^连接有关，因而 也是酶作用的必要组成部分。
小分子有机化合物构成的辅酶有铁卟啉和B族维生素及其衍生物如尼克酰胺腺嘌呤二 核苷酸(NAD+，辅酶I)及黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)等。它们在催化反应中，主要起着运载 体的作用。氧化还原酶类的辅助因子如NAD+、FAD、铁卟啉等，运载氢原子及电子。其他酶 类的辅助因子，尚有运载〇32的生物素，运载酰基的辅酶A等。
(三）金属离子作用
金属离子构成辅基，如Zn2+为糜蛋白酶的辅基，K+为丙酮酸激酶的辅基等。以金属离子 为辅助因子的酶有两类，一类在纯化过程中，金属一直保留与酶蛋白结合，称为金属酶类。如 羧基肽酶含Zn2+，黄嘌呤氧化酶含Mo3+等。另一类乃金属与酶蛋白结合不牢固，纯化过程中 易丢失，需加入金属方具有酶活性。如激酶催化反应必须有Mg^的存在等。此类酶多称为 金属活化酶类。
三、酶促反应动力学
(―)的概念
如果我们用底物浓度对反应速度作图可以看出酶促反应呈双曲线型，即当底物浓度很低 时，反应速度(V)随着底物浓度([S])的增高，成直线比例上升。而当底物浓度继续增高时，反 应速度增高的趋势逐渐缓和。一旦当[S]达到相当高时，反应速度不再随[S]的增高而增高， 达到了极限最大值，称最大反应速度(D。当反应速度为最大反应速度一半时的[3]为Km 值，值亦称米氏常数，为酶的特征性常数。不同的酶值不同，同一种酶对不同底物有不 同的1^值。各种同工酶的1^值不同，也可借1^以鉴别之。上述反应过程经过数学推导可 得出一方程式，即米氏方程：
v V酬[S]
V~Km + lS]
(二）最适pH值和最适温度
酶活性受其所在环境pH的影响而有显著差异。其原因是酶的催化作用主要决定于活性 中心及一些必需基团的解离状态，有的需呈正离子状态，有的需呈负离子状态，有的则应处于 不解离状态，这就需要一定的pH环境使各必需基团处于适当的解离状态，使酶发挥最大活 性。通常只在某一 pH时，其活性最大，此pH值称为酶的最适pH。pH偏离最适pH时，无 论偏酸或偏碱，都将使酶的解离状况偏离最适状态，使酶活性降低。各种酶的最适pH不同， 但大多为中性、弱酸性或弱碱性。少数酶的最适pH远离中性，如胃蛋白酶的最适pH为1. 5, 胰蛋白酶的最适pH为7. 8。
酶对温度的变化极敏感。若自低温开始，逐渐增高温度，则酶反应速度也随之增加。但到 达某一温度后，继续增加温度，酶反应速度反而下降。这是因为温度对酶促反应有双重影响。 高温度一方面可加速反应的进行，另一方面又能加速酶变性而减少有活性酶的数量，降低催化 作用。当两种影响适当时，即既不因温度过高而引起酶损害，也不因过低而延缓反应进行时， 反应速度最快，此时的温度即为酶的最适温度。温血动物组织中，酶的最适温度一般在37°C 至40°C之间。仅有极少数酶能耐受较高的温度，例如，了DNA聚合酶在90°C以上仍具有活 性。还有些酶，在较高温度下虽然不表现活性，但却表现为热稳定性，如胰蛋白酶在加热到

100°C后，再恢复至室温，仍有活性。大多数酶加热到60°C已不可逆地变性失活。酶的最适温
 者高。
四、抑制剂与激活剂
有些物质(不包括蛋白质变性因子)能减弱或停止酶的作用，此类物质称为酶的抑制剂。 抑制剂多与酶的活性中心内、外的必需基团结合，抑制酶的催化活性。如果能将抑制剂去除， 酶仍表现其原有活性。
(―)不可逆抑制作用
抑制剂与酶活性中心的必需基团形成共价结合，不能用简单透析、稀释等方法除去，这一 类抑制剂称为不可逆性抑制剂，所引起的抑制作用为不可逆性抑制作用。化学毒剂，如农药 1059、敌百虫等有机磷制剂即属此类。它们的杀虫或机体中毒作用主要是特异地与胆碱酯酶 活性中心的丝氨酸轻基结合，使酶失活。乙酰胆碱不能被失活的胆碱酯酶水解而蓄积，引起迷 走神经持续兴奋发生中毒症状。
(二）可逆性抑制
抑制剂以非共价键与酶或中间复合物发生可逆性结合，使酶活性降低或消失，应用简单的 透析、稀释等方法可解除抑制，这种抑制剂称为可逆性抑制剂。可逆性抑制剂引起的抑制作用 为可逆性抑制作用。可逆性抑制作用的类型可分为下列三种。

1. 竞争性抑制有些可逆性抑制剂与底物结构相似，能和底物竞争酶的活性中心，使酶 不能与底物结合，抑制酶促反应，称为竞争性抑制。这类抑制剂称为竞争性抑制剂。因为抑制 剂与酶的结合是可逆的，所以酶促反应抑制程度取决于底物、抑制剂与酶的亲和力及两者浓度 的相对比例。在竞争性抑制过程中，若增加底物的浓度，则竞争时底物占优势，抑制作用可以 降低，甚至解除，这是竞争性抑制的特点。例如，琥珀酸脱氢酶可催化琥珀酸的脱氢反应，却不 能催化丙二酸或戊二酸发生脱氢反应。但两者与琥珀酸结构类似，均为琥珀酸脱氢酶的竞争 性抑制剂。又如，磺胺类药物对多种细菌有抑制作用。这是因为细菌的生长繁殖有赖于核酸 的合成，而磺胺药的结构与核酸合成时所需的四氢叶酸中的对氨基苯甲酸结构相似性，因而能 与相应的酶竞争结合，抑制细菌。

当[S]足够高时，相对而言，竞争性抑制剂对酶的竞争性作用可忽略不计，此时几乎所有 的酶分子均可与底物相作用，故仍可达到最大反应速度(V^)。然而，由于竞争性抑制剂的干 扰，为达到无抑制剂存在时的反应速度，其所需的[S]将会升高；即在竞争性抑制剂存在时，酶 与底物的亲和力下降，即Km值变大。

2. 非竞争性抑制有些非竞争性抑制剂可与活性中心外的必需基团结合，而不影响底物 与酶的结合，两者在酶分子上结合的位点不同。这样形成的酶-底物-抑制剂复合物不能释放 产物，这种抑制作用不能用增加底物的浓度消除抑制，故称非竞争性抑制。由于抑制剂不影响 酶对底物的亲和力，故其尺„值不变。但由于它与酶、ES复合物结合，等于减少了活性酶分子 或酶分子总量，使降低。
3. 反竞争性抑制此类抑制剂与非竞争性抑制剂不同，它只能与酶-底物复合物结合，而 不与游离酶结合。当ES与抑制剂结合后，能生成产物的ES减少，降低，这种抑制作用称 为反竞争性抑制。由于ES除了转变成产物外，又多了一条生成“废品”ESI的去路，使E与S 的亲和力增大，即其变小。现将三种可逆性抑制作用总结于表1-2。

表1-2三种可逆性抑制作用比较
作用!反竞争性抑制

与I结合的组分	E	E、ES	ES
动力学参数
表观1 iCm	增大	不变	减小
最大速度'	不变	降低	降低

(三）激活剂
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。激活剂大多为金属阳 离子，如Mg2+、K+、Mn2+等;少数为阴离子，如C卜等。也有许多有机化合物激活剂，如胆汁 酸等。大多数金属离子对酶促反应是不可缺少的，这类激活剂成为必需激活剂，如Mg2+对己 糖激酶的激活作用。有些激活剂不存在时，酶仍有一定的催化活性，这类激活剂称为非必需激 活剂，如cr对唾液淀粉酶的激活作用。激活剂通过与酶、底物或酶-底物复合物结合参加 反应。
五、酶活性的调节
(一） 别构调节
一些小分子物质能与酶的调节部位或亚基以非共价键相连，使酶的空间构象发生改变，从 而使酶的活性发生改变，这种被调节的酶称为别构酶，这种调节方式称为别构调节。前面讨论 的酶促反应动力学适合大多数酶促反应。在研究各种酶的反应动力学时，尚发现有很多酶催 化的反应动力学不符合米-曼方程。这类酶分子含调节位点或调节亚基，可与一些调节剂结 合，改变酶活性。这些酶的调节剂结合位点与底物在酶上的结合位点不同。当调节剂与酶结 合后，酶的空间构象发生变化，故称为别构酶。通常，细胞内的相关的代谢反应组合成代谢途 径，参与某一代谢途径的多种酶可依次将代谢物逐步转变，最后生成产物。代谢途径中有些酶 就属于别构酶，其活性受一些小分子物质、如代谢产物的别构调节，从而调控整个代谢途径的 速度和方向。在多数情况下，代谢途径中的第一个酶，或处于几条代谢途径交汇点的酶，多为 别构酶。当后续产物(常为终产物)堆积时，它们可作为别构调节剂，抑制上游的别构酶。别构 酶也可接受产物匮乏的信号刺激被激活。别构调节剂与酶的结合属于非共价结合，适应快速 调节的需要。
别构酶常由多亚基组成，有的亚基为催化亚基，有的亚基为调节亚基。以底物作为别构激 动剂为例，当底物与第一个调节亚基结合后，可引起其余亚基构象的变化，使它们更易于与底 物结合并进行催化反应，此称为正协同效应(激活效应），反之则为负协同效应(抑制效应）。它 们的反应动力学曲线呈“S”状，而非矩形双曲线。“S”状曲线是各亚基间协向效应的反映。别 构酶的别构调节是酶活性调节的形式之一。
(二） 共价修饰
被调节的酶在另一种酶的催化下，发生共价修饰，从而引起酶活性变化，称酶的化学修饰， 又称共价修饰。
化学修饰调节的特点：

1. 调节酶所发生的共价修饰有多种形式，如磷酸化、甲基化、乙酰化等，其中以磷酸化修 饰为最多见。
2. 化学修饰的酶促反应进行较快，因此调节效应发生也较快。

3•调节酶在酶催化下所发生的化学修饰是不可逆反应。如果逆行(去修饰），需在另一种

4. 酶分子发生共价修饰后或引起亚基(亚单位)的聚合或解聚，或改变酶分子与其他相互

作用分子的识别、结合能力，影响代谢信号通路功能。

5. 此类酶所催化的反应较别构酶广泛，可以是限速反应，也可以是限速反应以外反应。
6. 因为这类酶发生的共价修饰属酶促反应，催化效率高，此外一种化学修饰调节的酶常 与其他化学修饰酶组合在一起，形成级联反应，所以有放大效应，也使代谢调节变得更加精细、 准确。

化学修饰调节在代谢途径调节的信号通路中具有广泛的意义。化学修饰调节主要以放大 效应调节代谢强度为主要作用，而别构调节大多以影响关键酶(代谢转折点的酶)使代谢发生 方向性的变化。它们的作用是相辅相成的，不可截然划分。有时这两种调节方式并存。有些 酶可被别构调节与化学修饰双重调节。
(三） 酶原激活
多数酶合成后即具活性，但有少部分酶在细胞内合成后并无活性，这类无活性的酶的前 体，称为酶原。当酶原被分泌出细胞，在蛋白酶等的作用下，经过一定的加工剪切，使肽链重新 折叠形成活性中心，或暴露出活性中心。由无活性的酶原变成有活性酶的过程称为酶原激活。 例如，胰腺合成的糜蛋白酶原无蛋白水解酶活性;当它分泌流人肠中后，受胰蛋白酶的激活，中 间切除两段二肽，形成三条肽段，重新折叠，将必需基团集中形成活性中心，糜蛋白酶原从而被 激活。
酶原激活具有重要的生理意义。一方面保护细胞本身的蛋白质不受蛋白酶的水解破坏， 另一方面保证合成的酶在特定部位和环境中发挥生理作用。例如，胰腺合成糜蛋白酶是为帮 助肠中食物蛋白质的消化。设想在胰腺中一旦合成的糜蛋白酶即具活性，就可使胰腺本身的 组织蛋白质水解。急性胰腺炎就是因为胰腺中的糜蛋白酶原、胰蛋白酶原就地被激活所致。 血液中通常存在的凝血酶原不会在血管中引起凝血。只有当出血时，血管内皮损伤暴露的胶 原纤维所含的负电荷活化了凝血因子XII，进而将凝血酶原激活成凝血酶，使血液凝固，以防 止大量出血。
(四） 同工酶
在体内并非所有具有相同催化作用的酶，都是同一种蛋白质。在不同器官中，甚至在同一 细胞内，常常含有几种分子结构不同、理化性质迥异、但却可催化相同化学反应的酶。这类具 有相同催化功能，但酶蛋白的分子结构、理化性质和免疫学性质各不相同的一组酶称为同工 酶。乳酸脱氢酶(LDH)是由4个亚基组成的蛋白质。组成LDH的亚基有两种类型，一种是 主要分布在心肌的H型亚基，另一种是分布于骨骼肌、肝的M型亚基。存在于心肌中的主要 LDH由4个H亚基构成(LDH〇,存在于骨骼肌、肝中的主要由4个M亚基构成(LDH5)。 在其他不同组织中所存在的LDH中，H亚基与M亚基组成比例各有不同，可组成H4 (LDH1)、H3M(LDH2)、H2M2(LDH3)、HM3(LDH4)&M4(LDH5)5 种 LDH 同工酶。这一 次序也是它们向正极电泳速度递减的顺序，可借以鉴别这5种同工酶。这5种同工酶在各器 官中的分布和含量不同，各器官组织都有其各自特定的分布酶谱。心肌富含H4，故当急性心 肌梗死时或心肌细胞损伤时，细胞内的LDH释人血中，同工酶谱分析表现为H4增高，可辅助 该病的诊断。