生物化学之酶篇

一、酶

1、活化能：在一定温度下1mol底物全部进入活化态所需要的自由能，单位为kJ/mol.

2、酶作为生物催化剂的特点：

(1)酶易失活（酶所催化反应都是在比较温和的常温、常压和接近中性酸碱条件下进行）。

(2)酶具有很高的催化效率。

用酶的转换数（TN,等于催化常数k cat)来表示酶的催化效率，是指在一定条件下每秒钟每个酶分子转换底物分子数，或每秒钟每微摩尔酶分子转换底物的微摩尔数。转换数变化范围为1到104。

(3)酶具有高度专一性

所谓高度专一性是指酶对催化反应和反应物有严格的选择性。酶往往只能催化一种或一类反应，作用于一种或一类物质。

(4)酶活性受到调节和控制

a、调节酶的浓度一种是诱导或抑制酶的合成；一种是调节酶的降解。

b、通过激素调节酶活性激素通过与细胞膜或细胞受体相结合一起一系列生物学效应，以此来调节酶活性。

c、反馈抑制调节酶活性许多小分子物质的合成是由一连串的反应组成的，催化物质生产的第一步的酶，往往被它的终产物抑制——反馈抑制。

d、抑制剂和激活剂对酶活性的调节

e、其他调节方式通过别构调控、酶原激活、酶的可逆共价修饰和同工酶来调节酶活性。

3、酶的化学本质：除有催化活性的RNA之外几乎都是蛋白质。注：酶的催化活性依赖于它们天然蛋白质构象的完整性，假若一种酶被变性或解离成亚基就失活。因此，蛋白质酶的空间结构对它们的催化活性是必需的。

4、酶的化学组成

a、按化学组成分为单纯蛋白质和、缀合蛋白质两类。

单纯蛋白质酶类，除了蛋白质外，不含其他物质，如脲酶、蛋白酶、脂肪酶和核糖核酸酶等。

缀合蛋白质酶类，除了蛋白质外，还要结合一些对热稳定的非蛋白质小分子物质或金属离子。前者称为脱辅酶，后者称为辅因子。

即全酶=脱辅酶+辅因子。

b、根据辅因子与脱辅酶结合的松紧程度可分为辅酶和辅基。

辅酶：指与脱辅酶结合比较松弛的小分子有机物，通过透析方法可以除去，如辅酶Ⅰ和辅酶Ⅱ等。

辅基：指以共价键和脱辅酶结合，不能通过透析除去，需要经过一定的化学处理才能与蛋白质分开，如细胞色素氧化酶中的铁卟啉等。

注：生物体内辅酶（辅基）数目有限，而酶种类繁多，故同一种辅酶（辅基）往往可以与多种不同的脱辅酶结合而表现出多种不同的催化作用，这说明脱辅酶部分决定酶催化的专一性，而辅酶（辅基）部门在酶催化中通常起着电子、原子或某些化学基团的传递作用。

5、六大类酶的特征和举例

(1)氧化还原酶类是一类催化氧化还原反应的酶，可分为氧化酶和脱氢酶两类。

a、氧化酶类催化底物脱氢，并氧化生成H2O2和H2O。

b、脱氢酶类催化直接从底物上脱氢的反应，

即：

这类酶需要辅酶Ⅰ（NAD+)和辅酶Ⅱ(NADP+)作为氢供体或氢受体起传递氢的作用。

(2)转移酶类催化化合物某些基团的转移，即将一种分子上的某一基团转移到另一个分子上的反应。

(3)水解酶类催化水解反应，通式：

(4)裂合酶类催化从底物移去一个基团而形成双键的反应或其逆反应，通式为：

(5)异构酶类催化各种同分异构体之间的相互转变，即分子内部基团的重新排列，简式如下：

(6)连接酶类催化有腺苷三磷酸(ATP)参加的合成反应，即由两种物质合成一种新物质的反应。简式如下：

6、酶的专一性

(1)结构专一性

绝对专一性：有些酶对底物的要求非常严格，之作用于一种底物，而不作用于任何其他物质。

相对专一性：有些酶对底物的要求比上述绝对专一性要低一些，可作用于一类结构相近的底物。

基团专一性：具有相对专一性的酶作用于底物时，对链两端的基团要求程度不同，对其中的一个基团要求严格，对另一个则要求不严格。键专一性：具有相对专一性的酶作用于底物时，只要求作用于底物一定的键，而对键两端的基团无严格要求。

(2)立体异构专一性：旋光异构专一性和几何异构专一性。

7、诱导契合假说

酶在发挥其催化作用之前，必须先与底物密切结合。这种结合不是锁与钥匙的机械关系，而是在酶和底物相互接近时，其结构相互诱导、相互形变和相互适应，这一过程称为没底物结合的诱导契合假说。酶的构象改变有利于底物的结合，底物也在酶的诱导下发生形变，处于不稳定状态，易受酶的催化攻击。这种不稳定状态称为过渡态。过渡态的底物与酶的活性中心在结构上最吻合，从而降低反应的活化能。

8、酶活力的几个概念

(1)酶活力：指酶催化某一化学反应的能力，酶活力大小可以用在一定条件下的反应速率来表示，二者呈线性关系。反应的初始速率与酶量呈线性关系，因此可以用初始速率测定制剂中的酶量。

注：通常以底物浓度的变化在起始浓度的5%以内的速率为初速率。

(2)酶的活力单位(U,activity unit)

酶活力的大小即酶含量的多少，用酶活力单位表示，即酶单位

(U)。是指在一定条件下，一定时间内将一定量的底物转化为产物所需的酶量。

国际单位(IU)表示酶活力，在最适反应条件（温度25度）下，每分钟催化1微摩尔底物转化为产物所需的酶量定为一个酶活力单位，即：1 IU=1 μmol/min.

(3)酶的比活力：代表酶的纯度，用每mg蛋白质所含的酶活力单位数表示，对同一种酶来说，比活力愈大，表示酶的纯度愈高。

比活力=活力U/mg蛋白=总活力U/总蛋白mg

9、核酶：具有催化活性的RNA, 即化学本质是核糖核酸(RNA), 却具有酶的催化功能。核酶的功能很多,有的能够切割RNA, 有的能够切割DNA, 有些还具有RNA 连接酶、磷酸酶等活性。与蛋白质酶相比，核酶的催化效率较低，是一种较为原始的催化酶。

10、抗体酶：是一种具有催化能力的蛋白质，本质上是免疫球蛋白，但是在易变区赋予了酶的属性。具有酶的一切性质。

二、酶促反应动力学

1、酶促反应动力学：是研究酶促反应的速率以及影响此速率的各种因素的科学。影响因素为：底物浓度、抑制剂、温度、pH和激活剂等。

2、底物浓度对酶反应速率的影响

(1)中间络合物学说：当酶催化某一化学反应时，酶首先和底物结合生成中间复合物(ES)，然后生成产物(P),同时释放出酶。

(2)Km值的物理意义，即Km值是当酶反应速率达到最大反应速率一

半时的底物浓度，单位是mol/L。

(3)Km值意义：

①Km是酶的一个特性常数：Km的大小只与酶的性质有关，而与酶的浓度无关。Km值随测定的底物、反应的温度、pH及离子强度而改变。

②Km值可以判断酶的专一性和天然底物。1/Km可近似的表示酶对底物亲和力的大小，1/Km越大，表面亲和力越大，因为1/Km越大，Km值越小，达到最大反应速率一半所需要的底物浓度越小。

③Km=Ks，即ES的分解为反应的限制速率是，Km等于ES复合物的解离常数（底物常数），可以作为酶和底物结合紧密程度的一个度量，表示酶和底物结合的亲和力大小。

④若已知某个酶的Km值，就可以计算在某一底物浓度时，其反应速度相当于Vmax的百分率。

⑤Km值可以帮助推断某一代谢反应的方向和途径。

注:生物体内的代谢作用往往是在多酶体系下进行的，同一种底物往往可以被几种酶作用，催化不同的反应，走不同的途径。

3、酶抑制作用

失活作用：酶是蛋白质，凡可使酶蛋白变性而引起酶活力丧失的作用。抑制作用：由于酶的必须基团化学性质的改变，但酶未变性，而引起

酶活力的降低或丧失。

酶的抑制作用类型：

(1)不可逆的抑制作用：抑制剂和酶的必须基团以共价键结合而引起酶活力丧失，不能用透析、超滤等物理方法除去抑制剂而使酶复活，称为不可逆抑制。

(2)可逆的抑制作用：抑制剂与酶以非共价键结合而引起酶活力降低或丧失，能用物理方法除去抑制剂而使酶复活，这种抑制作用是可逆的，称为可逆抑制。

根据可逆抑制剂与底物的关系，可逆抑制作用分为3个类型：

①竞争性抑制：抑制剂(I)和底物(S)竞争酶的结合部位，从而影响了底物与酶的正常结合。因为酶的活性部位不能同时既与底物结合又与抑制剂结合，因而在底物和抑制剂之间产生竞争，形成一定的平衡关系。大多数竞争性抑制剂的结构与底物结构类似，因此能与酶的活性部位结合，与酶形成可逆的EI复合物，但EI不能分解成产物P，酶反应速率下降。其抑制程度取决于底物及抑制剂的相对浓度，这种抑制作用可以通过增加底物浓度而解除。

加入竞争性抑制剂后，Vmax不变，Km值变大。

②非竞争性抑制：底物和抑制剂同时和酶结合，两者之间没有竞争作用。酶和抑制剂结合后，还可以与底物结合：EI+S——ESI；酶和底物结合后还可以与抑制剂结合：ES+I——ESI。但是中间三元复合物不能进一步水解为产物，因此酶活力降低。这种抑制剂与酶活性部位以外的基团结合，其结构与底物无共同之处，这种抑制作用不能用增加底物浓度来解除抑制。故称非竞争性抑制。

加入非竞争性抑制剂后，Km值不变，Vmax变小。

③反竞争性抑制：酶只有和底物结合后，才能与抑制剂结合。反竞争性抑制剂多见于多底物反应中，而在单底物反应中比较少见。

加入反竞争性抑制剂后，Vmax变小、Km值也变小。

4、温度对酶反应的影响

从曲线图上可以看出，在较低的温度范围内，

酶反应速率随温度升高而增大，但超过一定

温度后，反应速率下降，因此只有在某一温

度下，反应速率达到最大值，这个温度通常

称为酶反应的最适温度。每一种酶在一定条

件下都有其最适温度。不是酶的特征物理常

数。

温度对酶促反应速率的影响表现在两方面：一方面是当温度升高时，与一般化学反应一样，反应速率加快。另一方面由于酶是蛋白质，随着温度的升高，使酶蛋白逐渐变性而失活，引起酶反应速率下降。Q10：反应温度升高10℃，其反应速率与原来反应速率之比的温度系数。

5、pH对酶反应的影响

酶的活力受环境pH的影响，在一定pH下，

酶表现最大活力，高于或低于此pH,酶活力

降低，通常把表现出最大活力的pH称为酶

的最适pH。

各种酶在一定条件下都有其特定的最适pH，

因此pH是酶的特性之一。

pH影响酶活力的原因有以下几方面：

(1)过酸或过碱可以使酶的空间结构破坏，引起酶构象的改变，酶活

性丧失。

(2)当pH改变不很剧烈时，酶虽未变性，但活力受到影响。

(3)pH影响维持酶分子空间结构的有关基团解离，从而影响了酶活性部位的构象，进而影响酶的活性。

6、激活剂对酶反应的影响

激活剂：凡是能提高酶活性的物质，其中大部分是无机离子或简单的有机化合物。激活剂对酶的作用具有一定的选择性，即一种激活剂对某种酶起激活作用，而对另一种酶可能起抑制作用。另外，激活离子对已同一种酶，可因浓度不同而起不同的作用。此外，酶原被一些蛋白酶选择性水解肽键而被激活，这些蛋白酶也可看成激活剂。

三、酶的作用机制和酶的调节。

1、酶的活性中心：酶的特殊催化能力只局限在大分子的一定区域，只有少数特异的氨基酸残基参与底物结合及催化作用，这些特异氨基酸残基比较集中的区域，即与酶活力直接相关的区域称为酶活性中心。分为结合部位和催化部位，前者决定酶的专一性，后者决定酶的催化能力。

2、酶活性中心的共同特点：

(1)活性部位在酶分子的总体积中只占相当小的部分，通常只占整个酶分子体积的1%-2%。

(2)酶的活性部位是一个三维实体。

(3)酶的活性部位与底物结合时，发生诱导契合效应。

(4)酶的活性部位是位于酶分子表面的一个裂缝内。

(5)底物通过次级键较弱的力结合到酶上。

(6)酶活性部位具有柔性或可运动性。

3、酶催化反应的独特性质：

(1)酶反应可分为两类，一类反应仅仅涉及到电子的转移，另一类反应涉及到电子和质子两者或者其他基团的转移。

(2)酶催化反应的最适pH范围通常是狭小的。

(3)与底物相比，酶分子很大，而活性部位通常只比底物稍大一些。

(4)酶催化反应的其他有利条件：

①在活性部位存在1个以上的催化基团，所以能进行协同催化；

②存在有结合部位，因此底物分子可以以反应中固有的方位结合在活性部位附近。

③在包含有2个或2个以上底物分子参加反应的情况中，存在着1个以上的底物分子结合的部位。

④有时，底物分子一某种方式被结合到酶分子上，使底物分子中的键产生张力，从而有利于过渡态复合物的形成。

4、影响酶催化效率的有关因素

(1)底物和酶的邻近效应(approximation,proximity)与定向效应(orientation)

邻近效应:指酶和底物结合形成中间复合物以后，使底物和底物（如双分子反应）之间，酶的催化基团与底物之间结合于同一分子而使有效浓度得以极大的升高，从而使反应速率大大增加的一种效应。

定向效应：指反应物的反应基团之间和酶的催化基团与底物的反应基

团之间的正确取位产生的效应。

(2)底物的形变(distortion)和诱导契合（induced fit)

(3)酸碱催化（acid-base catalysis)：通过瞬时的向反应物提供质子或从反应物接受质子以稳定过渡态，加速反应的一类催化机制。

(4)共价催化(covalent catalysis)：在催化时，亲核催化剂或亲电子催化剂能分别放出电子或汲取电子并作用于底物的缺电子或负电子中心，迅速形成不稳定的共价中间复合物，降低反应活化能，使反应加速。

(5)金属离子催化

(6)多元催化和协同效应

(7)活性部位微环境的影响

5、别构调控：酶分子的非催化部位与某些化合物可逆地非共价结合后发生构象的改变，进而改变酶活性状态，称为酶的别构调节。具有这种调节作用的酶称为别构酶。凡能使酶分子发生别构作用的物质称为效应物。

6、别构酶的性质

(1)别构酶一般都是寡聚酶，通过次级键由多亚基构成

(2)别构酶动力学由于别构酶有协同性，故其[S]对v的动力学曲线不是双曲线，而是S曲线（正协同）或表现双曲线（负协同）。(3)K型效应物和V型效应物：凡是改变底物的K0.5而不改变反应Vmax的效应物称为K型效应物；反之，凡是改变Vmax而不改变K0.5的效应物为V型效应物。

(4)别构酶经加热或用化学试剂等处理，可引起别构酶解离，失去调

节活性，称为脱敏反应。脱敏后的酶表现为米氏酶的动力学双曲线。

7、酶原激活

体内合成出的蛋白质，有时不具有生物活性，经过蛋白水解酶专一性作用后，构象发生变化，形成酶的活性中心，变成活性蛋白。这个不具有生物活性的蛋白质称为前体，如果活性蛋白质是酶，这个前体称为酶原。这种调控作用特点，由无活性状态转变成活性状态是不可逆的。

8、同工酶：指催化相同的化学反应，但其蛋白质分子结构、理化性质和免疫性能等方面都存在明显差异的一组酶。

9、维生素：维生素（英语：Vitamin）是一系列有机化合物的统称。它们是生物体所需要的微量营养成分，而一般又无法由生物体自己生产，需要通过饮食等手段获得。维生素不能像糖类、蛋白质及脂肪那样可以产生能量，组成细胞，但是它们对生物体的新陈代谢起调节作用。缺乏维生素会导致严重的健康问题；适量摄取维生素可以保持身体强壮健康；过量摄取维生素却会导致中毒。分为脂溶性维生素和水溶性维生素两类。

10、维生素缺乏症：因为各种维生素的生理功能不同，缺乏不同的维生素产生不同的疾病，这种由于缺乏维生素而引起的疾病成为维生素缺乏症。

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