第四章 酶

一、酶的概念：

酶(enzyme)是由活細(xì)胞產(chǎn)生的生物催化劑，這種催化劑具有極高的催化效率和高度的底物特異性，其化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)。酶按照其分子結(jié)構(gòu)可分為單體酶、寡聚酶和多酶體系(多酶復(fù)合體和多功能酶)三大類。

二、酶的分子組成：

酶分子可根據(jù)其化學(xué)組成的不同，可分為單純酶和結(jié)合酶(全酶)兩類。結(jié)合酶則是由酶蛋白和輔助因子兩部分構(gòu)成，酶蛋白部分主要與酶的底物特異性有關(guān)，輔助因子則與酶的催化活性有關(guān)。

與酶蛋白疏松結(jié)合并與酶的催化活性有關(guān)的耐熱低分子有機(jī)化合物稱為輔酶。與酶蛋白牢固結(jié)合并與酶的催化活性有關(guān)的耐熱低分子有機(jī)化合物稱為輔基。

三、輔酶與輔基的來(lái)源及其生理功用：

輔酶與輔基的生理功用主要是：⑴ 運(yùn)載氫原子或電子，參與氧化還原反應(yīng)。⑵ 運(yùn)載反應(yīng)基團(tuán)，如?；被?、烷基、羧基及一碳單位等，參與基團(tuán)轉(zhuǎn)移。大部分的輔酶與輔基衍生于維生素。

維生素(vitamin)是指一類維持細(xì)胞正常功能所必需的，但在許多生物體內(nèi)不能自身合成而必須由食物供給的小分子有機(jī)化合物。

維生素可按其溶解性的不同分為脂溶性維生素和水溶性維生素兩大類。脂溶性維生素有VitA、VitD、VitE和VitK四種;水溶性維生素有VitB1，VitB2，VitPP，VitB6，VitB12，VitC，泛酸，生物素，葉酸等。

1.TPP：即焦磷酸硫胺素，由硫胺素(Vit B1)焦磷酸化而生成，是脫羧酶的輔酶，在體內(nèi)參與糖代謝過程中α-酮酸的氧化脫羧反應(yīng)。

2.FMN和FAD：即黃素單核苷酸(FMN)和黃素腺嘌呤二核苷酸(FAD)，是核黃素(VitB2)的衍生物。FMN或FAD通常作為脫氫酶的輔基，在酶促反應(yīng)中作為遞氫體(雙遞氫體)。

3.NAD+和NADP+：即尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+，輔酶Ⅰ)和尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP+，輔酶Ⅱ)，是Vit PP的衍生物。NAD+和NADP+主要作為脫氫酶的輔酶，在酶促反應(yīng)中起遞氫體的作用，為單遞氫體。

4.磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺：是Vit B6的衍生物。磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺可作為氨基轉(zhuǎn)移酶，氨基酸脫羧酶，半胱氨酸脫硫酶等的輔酶。

5.CoA：泛酸(遍多酸)在體內(nèi)參與構(gòu)成輔酶A(CoA)。CoA中的巰基可與羧基以高能硫酯鍵結(jié)合，在糖、脂、蛋白質(zhì)代謝中起傳遞?；淖饔?，是?；傅妮o酶。

6.生物素：是羧化酶的輔基，在體內(nèi)參與CO2的固定和羧化反應(yīng)。

7. FH4：由葉酸衍生而來(lái)。四氫葉酸是體內(nèi)一碳單位基團(tuán)轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)中的輔酶。

8. Vit B12衍生物：Vit B12分子中含金屬元素鈷，故又稱為鈷胺素。Vit B12在體內(nèi)有多種活性形式，如5’-脫氧腺苷鈷胺素、甲基鈷胺素等。其中，5’-脫氧腺苷鈷胺素參與構(gòu)成變位酶的輔酶，甲基鈷胺素則是甲基轉(zhuǎn)移酶的輔酶。

四、金屬離子的作用：

1. 穩(wěn)定構(gòu)象：穩(wěn)定酶蛋白催化活性所必需的分子構(gòu)象;

2. 構(gòu)成酶的活性中心：作為酶的活性中心的組成成分，參與構(gòu)成酶的活性中心;

3. 連接作用：作為橋梁，將底物分子與酶蛋白螯合起來(lái)。

五、酶的活性中心：

酶分子上具有一定空間構(gòu)象的部位，該部位化學(xué)基團(tuán)集中，直接參與將底物轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物的反應(yīng)過程，這一部位就稱為酶的活性中心。

參與構(gòu)成酶的活性中心的化學(xué)基團(tuán)，有些是與底物相結(jié)合的，稱為結(jié)合基團(tuán)，有些是催化底物反應(yīng)轉(zhuǎn)變成產(chǎn)物的，稱為催化基團(tuán)，這兩類基團(tuán)統(tǒng)稱為活性中心內(nèi)必需基團(tuán)。在酶的活性中心以外，也存在一些化學(xué)基團(tuán)，主要與維系酶的空間構(gòu)象有關(guān)，稱為酶活性中心外必需基團(tuán)。

六、酶促反應(yīng)的特點(diǎn)：

1.具有極高的催化效率：酶的催化效率可比一般催化劑高106～1020倍。酶能與底物形成ES中間復(fù)合物，從而改變化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)程，使反應(yīng)所需活化能閾大大降低，活化分子的數(shù)目大大增加，從而加速反應(yīng)進(jìn)行。

2.具有高度的底物特異性：一種酶只作用于一種或一類化合物，以促進(jìn)一定的化學(xué)變化，生成一定的產(chǎn)物，這種現(xiàn)象稱為酶作用的特異性。

⑴絕對(duì)特異性：一種酶只能作用于一種化合物，以催化一種化學(xué)反應(yīng)，稱為絕對(duì)特異性，如琥珀酸脫氫酶。

⑵相對(duì)特異性：一種酶只能作用于一類化合物或一種化學(xué)鍵，催化一類化學(xué)反應(yīng)，稱為相對(duì)特異性，如脂肪酶。

⑶立體異構(gòu)特異性：一種酶只能作用于一種立體異構(gòu)體，或只能生成一種立體異構(gòu)體，稱為立體異構(gòu)特異性，如L-精氨酸酶。

3.酶的催化活性是可以調(diào)節(jié)的：如代謝物可調(diào)節(jié)酶的催化活性，對(duì)酶分子的共價(jià)修飾可改變酶的催化活性，也可通過改變酶蛋白的合成來(lái)改變其催化活性。

七、酶促反應(yīng)的機(jī)制：

1.中間復(fù)合物學(xué)說與誘導(dǎo)契合學(xué)說：酶催化時(shí)，酶活性中心首先與底物結(jié)合生成一種酶-底物復(fù)合物(ES)，此復(fù)合物再分解釋放出酶，并生成產(chǎn)物，即為中間復(fù)合物學(xué)說。當(dāng)?shù)孜锱c酶接近時(shí)，底物分子可以誘導(dǎo)酶活性中心的構(gòu)象以生改變，使之成為能與底物分子密切結(jié)合的構(gòu)象，這就是誘導(dǎo)契合學(xué)說。

2.與酶的高效率催化有關(guān)的因素：①趨近效應(yīng)與定向作用;②張力作用;③酸堿催化作用;④共價(jià)催化作用;⑤酶活性中心的低介電區(qū)(表面效應(yīng))。

八、酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)：

酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)主要研究酶催化的反應(yīng)速度以及影響反應(yīng)速度的各種因素。在探討各種因素對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響時(shí)，通常測(cè)定其初始速度來(lái)代表酶促反應(yīng)速度，即底物轉(zhuǎn)化量<5%時(shí)的反應(yīng)速度。

1.底物濃度對(duì)反應(yīng)速度的影響：

⑴底物對(duì)酶促反應(yīng)的飽和現(xiàn)象：由實(shí)驗(yàn)觀察到，在酶濃度不變時(shí)，不同的底物濃度與反應(yīng)速度的關(guān)系為一矩形雙曲線，即當(dāng)?shù)孜餄舛容^低時(shí)，反應(yīng)速度的增加與底物濃度的增加成正比(一級(jí)反應(yīng));此后，隨底物濃度的增加，反應(yīng)速度的增加量逐漸減少(混合級(jí)反應(yīng));最后，當(dāng)?shù)孜餄舛仍黾拥揭欢繒r(shí)，反應(yīng)速度達(dá)到一最大值，不再隨底物濃度的增加而增加(零級(jí)反應(yīng))。

⑵米氏方程及米氏常數(shù)：根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，Michaelis & Menten 于1913年推導(dǎo)出了上述矩形雙曲線的數(shù)學(xué)表達(dá)式，即米氏方程： ν= Vmax[S]/(Km+[S])。其中，Vmax為最大反應(yīng)速度，Km為米氏常數(shù)。

⑶Km和Vmax的意義：

①當(dāng)ν=Vmax/2時(shí)，Km=[S]。因此，Km等于酶促反應(yīng)速度達(dá)最大值一半時(shí)的底物濃度。

②當(dāng)k-1>>k+2時(shí)，Km=k-1/k+1=Ks。因此，Km可以反映酶與底物親和力的大小，即Km值越小，則酶與底物的親和力越大;反之，則越小。

③Km可用于判斷反應(yīng)級(jí)數(shù)：當(dāng)[S]<0.01Km時(shí)，ν=(Vmax/Km)[S]，反應(yīng)為一級(jí)反應(yīng)，即反應(yīng)速度與底物濃度成正比;當(dāng)[S]>100Km時(shí)，ν=Vmax，反應(yīng)為零級(jí)反應(yīng)，即反應(yīng)速度與底物濃度無(wú)關(guān);當(dāng)0.01Km<[S]<100Km時(shí)，反應(yīng)處于零級(jí)反應(yīng)和一級(jí)反應(yīng)之間，為混合級(jí)反應(yīng)。

④Km是酶的特征性常數(shù)：在一定條件下，某種酶的Km值是恒定的，因而可以通過測(cè)定不同酶(特別是一組同工酶)的Km值，來(lái)判斷是否為不同的酶。

⑤Km可用來(lái)判斷酶的最適底物：當(dāng)酶有幾種不同的底物存在時(shí)，Km值最小者，為該酶的最適底物。

⑥Km可用來(lái)確定酶活性測(cè)定時(shí)所需的底物濃度：當(dāng)[S]=10Km時(shí)，ν=91%Vmax，為最合適的測(cè)定酶活性所需的底物濃度。

⑦Vmax可用于酶的轉(zhuǎn)換數(shù)的計(jì)算：當(dāng)酶的總濃度和最大速度已知時(shí)，可計(jì)算出酶的轉(zhuǎn)換數(shù)，即單位時(shí)間內(nèi)每個(gè)酶分子催化底物轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物的分子數(shù)。

⑷Km和Vmax的測(cè)定：主要采用Lineweaver-Burk雙倒數(shù)作圖法和Hanes作圖法。

2.酶濃度對(duì)反應(yīng)速度的影響：當(dāng)反應(yīng)系統(tǒng)中底物的濃度足夠大時(shí)，酶促反應(yīng)速度與酶濃度成正比，即ν=k[E]。

3.溫度對(duì)反應(yīng)速度的影響：一般來(lái)說，酶促反應(yīng)速度隨溫度的增高而加快，但當(dāng)溫度增加達(dá)到某一點(diǎn)后，由于酶蛋白的熱變性作用，反應(yīng)速度迅速下降。酶促反應(yīng)速度隨溫度升高而達(dá)到一最大值時(shí)的溫度就稱為酶的最適溫度。酶的最適溫度與實(shí)驗(yàn)條件有關(guān)，因而它不是酶的特征性常數(shù)。低溫時(shí)由于活化分子數(shù)目減少，反應(yīng)速度降低，但溫度升高后，酶活性又可恢復(fù)。

4.pH對(duì)反應(yīng)速度的影響：觀察pH對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響，通常為一鐘形曲線，即pH過高或過低均可導(dǎo)致酶催化活性的下降。酶催化活性最高時(shí)溶液的pH值就稱為酶的最適pH。人體內(nèi)大多數(shù)酶的最適pH在6.5～8.0之間。酶的最適pH不是酶的特征性常數(shù)。

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（責(zé)任編輯：何以笙簫默）

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