第四讲 酶
酶是生物催化剂
酶是活细胞产生的一类具有催化功能的生物分子，所以又称为生物催化剂绝大多数的酶都是蛋白质。
酶催化的生物化学反应，称为酶促反应。
在酶的催化下发生化学变化的物质，称为底物。
第一节 酶的分类与命名
一 酶的分类
（一）根据酶的化学组成可将酶分为：

1 单纯蛋白酶类：只含有蛋白质成分

2 结合蛋白酶类（全酶）：含有蛋白成分（酶蛋白） 和非蛋白成分（辅助因子）
全酶 = 酶蛋白 + 辅助因子
辅助因子
与酶蛋白结合比较疏松的小分子有机物
与酶蛋白结合紧密的小分子有机物。
金属离子作为辅助因子。
金属离子
辅酶
辅基
酶蛋白和辅助因子单独存在均无催化活性，只有二者结合为全酶才有催化活性。
酶蛋白决定酶催化专一性，辅助因子通常是作为电子、原子或某些化学基团的载体决定反应的性质。
辅酶与辅基的主要生理功用：
⑴ 运载氢原子或电子，参与氧化还原反应。
⑵ 运载反应基团，如酰基、氨基、烷基、羧基及一碳单位等，参与基团转移。
三、金属离子的作用
1. 稳定构象：稳定酶蛋白催化活性所必需的分子构象；
2. 构成酶的活性中心：作为酶的活性中心的组成成分，参与构成酶的活性中心；
3. 连接作用：作为桥梁，将底物分子与酶蛋白螯合起来。
（二）根据酶蛋白结构特点可将酶分为
单体酶：以一个独立的三级结构为完整生物功能分子的最高结构形式的酶。

寡聚酶：以一个独立的四级结构为完整生物功能分子的最高结构形式的酶。

多酶复合体：由多种酶彼此镶嵌成一个功能完整的具有特定结构的复合体, 它们相互配合依次进行，催化连续的 一系列相关反应。
（三）、酶的分类

根据酶所催化的反应类型，按照国际系统分类方法，将酶分为六大类：
氧化-还原酶催化氧化-还原反应。

主要包括脱氢酶(dehydrogenase)和氧化酶(Oxidase)。

如，乳酸(Lactate)脱氢酶催化乳酸的脱氢反应。
1 氧化-还原酶 Oxidoreductase
AH2 + B（O2）
+ BH2（H2O2，H2O）
A
转移酶催化基团转移反应，即将一个底物分子的基团或原子转移到另一个底物的分子上。 例如， 谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。
2 转移酶 Transferase
A·X + B
A +B·X
水解酶催化底物的加水分解反应。
主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。
例如，脂肪酶(Lipase)催化的脂的水解反应：
3 水解酶 hydrolase
AOH + BH
AB + H2O
裂合酶催化从底物分子中移去一个基团或原子形成双键的反应及其逆反应。
主要包括醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。
例如， 延胡索酸水合酶催化的反应。
4 裂合酶 Lyase
异构酶催化各种同分异构体的相互转化，即底物分子内基团或原子的重排过程。例如，6-磷酸葡萄糖异构酶催化的反应。
5 异构酶 Isomerase
常见的有消旋和变旋、醛酮异构、顺反异构和变位酶类。
合成酶，又称为连接酶，能够催化C-C、C-O、C-N 以及C-S 键的形成反应。这类反应必须与ATP分解反应相互偶联。
A + B + ATP + H-O-H ===A  B + ADP +Pi
例如，丙酮酸羧化酶催化的反应。
丙酮酸 + CO2  草酰乙酸
6 合成酶 Ligase or Synthetase
核酸酶是唯一的非蛋白酶。它是一类特殊的RNA，能够催化RNA分子中的磷酸酯键的水解及其逆反应。
7核酸酶（催化核酸） ribozyme
（一）习惯命名方法
（1）根据作用底物来命名，如淀粉酶、蛋白酶等。
（2）根据所催化的反应的类型命名，如脱氢酶、转移酶等。
（3）两个原则结合起来命名，如丙酮酸脱羧酶等。
（4）根据酶的来源或其它特点来命名，如胃蛋白酶、胰蛋白酶等。
二 酶的命名
（二）国际系统命名法
系统名称包括底物名称、构型、反应性质，最后加一个酶字。
例如：
习惯名称:谷丙转氨酶
系统名称:丙氨酸：-酮戊二酸氨基转移酶
酶催化的反应:
谷氨酸 + 丙酮酸  -酮戊二酸 + 丙氨酸
酶的编码
每个酶都有一个有四个数字组成的编码
一 酶和一般催化剂的共性
1.用量少而催化效率高；
2.它能够改变化学反应的速度，但是不能改变化学反应平衡。
3.只能催化热力学允许的反应，在反应前后不发生改变。
第二节 酶催化作用的特性
二 酶催化作用特性
1．高效性
2．专一性
3．反应条件温和
4. 酶的催化活性可调节控制
催化反应历程：
酶的催化作用可使反应速度提高106 -1012倍。
例如：过氧化氢分解
2H2O2 2H2O + O2
用Fe3+ 催化，效率为6*10-4 mol/mol.S，而用过氧化氢酶催化，效率为6*106 mol/mol.S。
用-淀粉酶催化淀粉水解，1克结晶酶在65C条件下可催化2吨淀粉水解。
1．高效性
酶的专一性 Specificity又称为特异性，是指酶在催化生化反应时对底物的选择性。根据专一性的不同又可分为：
（1) 绝对专一性
（2）相对专一性
（3）立体异构专一性
2．专一性
（1） 绝对专一性
有些酶对底物的要求非常严格，只作用于一个特定的底物。这种专一性称为绝对专一性（Absolute specificity)。
（2）相对专一性
有些酶的作用对象不是一种底物，而是一类化合物或一类化学键。这种专一性称为相对专一性(Relative Specificity)。
（3）立体异构专一性
酶的一个重要特性是能专一性地与手性底物结合并催化这类底物发生反应。
例如，淀粉酶只能选择性地水解D－葡萄糖形成的1，4－糖苷键
光学专一性
几何专一性
有些酶只能选择性催化某种几何异构体底物的反应，而对另一种构型则无催化作用。
如延胡索酸水合酶只能催化延胡索酸水合生成苹果酸，对马来酸则不起作用。
酶的立体异构特异性
酶促反应一般在pH 5-8 水溶液中进行，反应温度范围为20-40C。
高温或其它苛刻的物理或化学条件将引起酶的失活
3．反应条件温和
4.酶的催化活性可调节控制
如抑制剂调节、共价修饰调节、反馈调节、酶原激活及激素控制等。某些酶催化活力与辅酶、辅基及金属离子有关。
第三节 酶结构与功能的关系
酶的化学本质是蛋白质，同样具有一、二、三级结构，有些酶还具有四级结构。作为生物催化剂，酶的结构又有一些特点。

一 活性部位：酶分子中直接与底物结合，并 催化底物发生反应的部位。

酶活性中心包括两个部位
主要包括：
亲核性基团：丝氨酸的羟基，半胱氨酸的巯基和组氨酸的咪唑基。
必需基团：在酶分子中和酶的催化活性直接有关的基团，活性中心内外都有。
酸碱性基团：天门冬氨酸和谷氨酸的羧基，赖氨酸的氨基，酪氨酸的酚羟基，组氨酸的咪唑基和半胱氨酸的巯基等。
必需基团：
已糖激酶的活性中心
底 物
活性中心外的必需基团
结合基团
催化基团
活性中心
第四节 酶的催化作用机理
酶促反应：E + S === ES  E + P
反应方向, 主要取决于反应自由能变化H 。
而反应速度快慢,则主要取决于反应的活化能Ea。
（一）活化能降低
催化剂的作用是降低反应活化能Ea,从而起到提高反应速度的作用
一 酶作用高效率的机制
酶促反应的活化能
一 酶作用高效率的机制
（二）中间产物学说
在酶催化的反应中，第一步是酶与底物形成酶－底物中间复合物。当底物分子在酶作用下发生化学变化后，中间复合物再分解成产物和酶。
E + S ==== E-S  P + E
许多实验事实证明了E－S复合物的存在。E－S复合物形成的速率与酶和底物的性质有关。
酶-底物复合物的形成
酶（E）与底物（S）结合生成不稳定的中间物（ES），再分解成产物（P）并释放出酶，使反应沿一个低活化能的途径进行，降低反应所需活化能，所以能加快反应速度。
酶催化作用的本质是酶的活性中心与底物分子通过短程非共价力(如氢键,离子键和疏水键等)的作用，形成E-S反应中间物，
其结果使底物的价键状态发生形变或极化，起到激活底物分子和降低过渡态活化能作用。
锁 钥 学 说
二 酶作用专一性的机制
锁钥学说：
认为整个酶分子的天然构象是具有刚性结构的，酶表面具有特定的形状。酶与底物的结合如同一把钥匙对一把锁一样
诱导契合学说
诱导契合学说
该学说认为酶表面并没有一种与底物互补的固定形状，当底物与酶接近时，底物分子可以诱导酶活性中心的构象发生改变，使之成为能与底物分子密切结合的构象。
在酶促反应中，底物分子结合到酶的活性中心，一方面底物在酶活性中心的有效浓度大大增加，有利于提高反应速度；
另一方面，由于活性中心的立体结构和相关基团的诱导和定向作用，使底物分子中参与反应的基团相互接近，并被严格定向定位，使酶促反应具有高效率和专一性特点。
1 邻近效应和定向效应
三 与酶作用高效性有关的因素
邻 近 定 向 效 应
邻近效应与定向作用示意图
2 张力学说
这是一个形成内酯的反应。当 R＝CH3时，其反应速度比 R＝H的情况快315倍。
由于-CH3体积比较大，与反应基团之间产生一种立体排斥张力，从而使反应基团之间更容易形成稳定的五元环过渡状态。
3 酸－碱催化
酸-碱催化可分为狭义的酸-碱催化和广义的酸-碱催化。酶参与的酸-碱催化反应一般都是广义的酸－碱催化方式。

广义酸－碱催化是指通过质子酸提供部分质子,或是通过质子碱接受部分质子的作用，达到降低反应活化能的过程。
广义酸基团 广义碱基团（质子供体） （质子受体）
酶分子中可以作为广义酸、碱的基团
His 是酶的酸碱催化作用中最活泼的一个催化功能团。
4. 共价催化
催化剂通过与底物形成反应活性很高的共价过渡产物，使反应活化能降低，从而提高反应速度的过程，称为共价催化。
5 金属离子催化作用
金属离子可以和水分子的OH-结合，使水显示出更大的亲核催化性能。
 提高水的亲核性能
 电荷屏蔽作用
电荷屏蔽作用是酶中金属离子的一个重要功能。
 电子传递中间体
许多氧化-还原酶中都含有铜或铁离子，它们作为酶的辅助因子起着传递电子的功能。
第五节 酶促反应动力学
定义：

酶促反应动力学是研究酶促反应速度以及各

种条件下对酶反应速度的影响。
1 在低底物浓度时, 反应速度与底物浓度成正比，为一级反应。
2 底物浓度增大与速度的增加不成正比,为混合级反应.
3 当底物浓度达到一定值，几乎所有的酶都与底物结合后，反应速度达到最大值（Vmax），此时再增加底物浓度，反应速度不再增加，表现为零级反应。
一 底物浓度对酶促反应速度的影响
(一)V-S曲线
1913年，德国化学家Michaelis和Menten根据中间产物学说对酶促反映的动力学进行研究，推导出了表示整个反应中底物浓度和反应速度关系的著名公式，称为米氏方程。
Km — 米氏常数
Vmax — 最大反应速度
（二）米氏方程
（二）Km和Vmax的意义：
1. 当= Vmax／2时，Km=[S]。因此，Km等于酶促反应速度达最大值一半时的底物浓度。
2. Km可以反映酶与底物亲和力的大小。Km越小，酶与底物的亲和力越大。
=Ks
3. 可用于判断反应级数：
当[S]<0.01Km时，反应为一级反应；
当[S]>100Km时，ν=Vmax，反应为零级反应；
当0.01Km<[S]<100Km时，为混合级反应。
4. Km是酶的特征性常数：在一定条件下，某种酶的Km值是恒定的，因而可以通过测定不同酶的Km值，来判断是否为不同的酶。
5. Km可用来判断酶的最适底物：当酶有几种不同的底物存在时，通过测定酶在不同底物存在时的Km值，Km值最小者，即为该酶的最适底物。
6. 可用来确定酶活性测定时所需的底物浓度：当[S]=10Km时，ν= 91%Vmax，此时即为最合适的测定酶活性所需的底物浓度。
7. Vmax可用于计算酶的转换数：当酶的总浓度和最大速度已知时，可计算出酶的转换数，即单位时间内每个酶分子催化底物转变为产物的分子数。
二 pH 的影响
在一定的pH 下, 酶具有最大的催化活性,通常称此pH 为最适 pH。
pH
最适pH（optimum pH）
pH稳定性：在一定pH范围内酶是稳定
pH对酶作用的影响机制：
1.环境过酸、过碱使酶变性失活；
2.影响酶活性基团的解离；
3.影响底物的解离。
三 温度的影响
一方面是温度升高,酶促反应速度加快。
另一方面,温度升高,酶的高级结构将发生变化或变性，导致酶活性降低甚至丧失。
因此大多数酶都有一个最适温度。 在最适温度条件下,反应速度最大。
高温两种不同影响：
1.温度升高，反应速度加快；
2.温度升高，酶热变性速度
加快。
最适温度
低温影响：活化分子数目减少，反应速度降低，但温度升高后，酶活性又可恢复
1.温度降低，酶活性降低
2.温度过低,酶无活性但不变性
四 激活剂对酶作用的影响
凡能提高酶活力的物质都是酶的激活剂。如Cl-是唾液淀粉酶的激活剂。
金属离子：K+、Na+、 Mg2+、Cu2+、Mn2+、Zn2+、Se3+ Co2+、Fe2+ 阴离子： Cl-、Br-
有机分子 还原剂：抗坏血酸、半胱氨酸、谷胱甘肽
金属螯合剂：EDTA -
这些离子可与酶分子上的氨基酸侧链基团结合，可能是酶活性部位的组成部分，也可能作为辅酶或辅基的一个组成部分起作用
一般情况下，一种激活剂对某种酶是激活剂，而对另一种酶则起抑制作用；

对于同一种酶，不同激活剂浓度会产生不同的作用。
应用激活剂时应注意
五 抑制剂对酶活性的影响
使酶的活性降低或丧失的现象，称为酶的抑制作用。能够引起酶的抑制作用的化合物则称为抑制剂。　
酶的抑制剂一般具备两个方面的特点：
a.在化学结构上与被抑制的底物分子或底物的过渡状态相似。
b.能够与酶以非共价或共价的方式形成比较稳定的复合体或结合物。
抑制剂类型和特点
竞争性抑制剂
可逆抑制剂 非竞争性抑制剂
反竞争性抑制剂
非专一性不可逆抑制剂
不可逆抑制剂
专一性不可逆抑制剂
抑制剂与酶的必需基团以共价键结合，引起酶活力丧失，不能用透析、超滤等物理方法除去抑制剂而使酶复活。
（一）不可逆抑制
1、非专一性不可逆抑制剂
抑制剂作用于酶分子中的一类或几类基团，这些基团中包含了必需基团，因而引起酶失活。
2、专一性不可逆抑制剂
这类抑制剂选择性很强，它只能专一性地与酶活性中心的某些基团不可逆结合，引起酶的活性丧失。
（二） 可逆抑制

抑制剂与酶蛋白以非共价方式结合，引起酶活性暂时性丧失。抑制剂可以通过透析等方法被除去，并且能部分或全部恢复酶的活性。根椐抑制剂与酶结合的情况，又可以分为三类
1 竟争性抑制
某些抑制剂的化学结构与底物相似，因而能与底物竟争与酶活性中心结合。当抑制剂与活性中心结合后，底物被排斥在反应中心之外，其结果是酶促反应被抑制了。

+
I
EI
ES
P+ E
E+S
竞争性抑制作用
竞争性抑制作用特点：
1）竞争性抑制剂的结构与底物结构十分相似，二者竞争酶的结合部位。
V/2
km
2）抑制程度取决于I和S的浓度以及与酶结合的亲和力大小。
km
′
无 I
有 I
3）可以通过增大底物浓度，即提高底物的竞争能力来消除。
4）Vmax不变，Km增大
2 非竟争性抑制
酶可同时与底物及抑制剂结合，引起酶分子构象变化，并导至酶活性下降。抑制剂与活性中心以外的基团结合，不与底物竞争酶的活性中心，所以称为非竞争性抑制剂。
如某些金属离子（Cu2+、Ag+、Hg2+）以及EDTA等，通常能与酶分子的调控部位中的-SH基团作用，改变酶的空间构象，引起非竞争性抑制。
非竞争性抑制作用
+
I
EI+S
ESI
ES
P+ E
E+S
+
I
实例：重金属离子（Cu2+、Hg2+、Ag+、Pb2+）
金属络合剂（EDTA、F-、CN-、N3-）
非竞争性抑制作用：底物和抑制剂同时与酶结合，但形成的EIS不能进一步转变为产物。
无 I
V/2
km
有 I
(′)
非竞争性抑制特点：
1）、抑制剂与底物结构不相似，抑制剂与酶活性中心以外的基团结合。
2）、Vm下降，Km不变
3）、非竟争性抑制不能通过增大底物浓度的方法来消除。
非竞争性抑制可用
下式表示：
3、反竞争性抑制作用酶只有在与底物结合后，才能与抑制剂结合，引起酶活性下降。
ESI
ES
P+ E
E+S
+
I
反竞争性抑制特点：
1）抑制剂与酶和底物的复合物结合。
2） Km和Vm下降
3）底物浓度增加，抑制作用加强。
反竞争性抑制：