酶化学

Section 3 酶化学

酶是由活细胞产生的，以蛋白质为主要成分的并具有极强的催化能力和高度专一性的生物催化剂，其化学本质是蛋白质。

一、酶的分类

①氧化还原酶类：催化氧化还原反应、电子及氢的转移，如琥珀酸脱氢酶 ②转移酶：催化分子间基团的转移，如谷丙转氨酶GPT ③水解酶：催化水解反应，如蛋白酶

④裂解酶：催化非水解地除去底物分子中的基团及其逆反应，如草酰乙酸脱羧酶 ⑤异构酶：催化分子异构，产生同分异构体，如普通糖磷酸异构酶 ⑥合成酶：在ATP的作用下，合成有关物质，如丙酮酸羧化酶

二、酶的化学本质1

大部分酶是蛋白质，酶是生物体合成的具有催化作用的蛋白质，某些核酸有催化活性，如核酶 （ribozyme）；某些抗体有催化活性，如抗体酶（abzyme）。

有的酶为结合蛋白，分子中除了蛋白质外，还有其他非蛋白质物质。结合蛋白的蛋白质部分叫酶蛋白，非蛋白质部分根据其与酶蛋白结合的紧密程度分为辅酶和辅基。前者与酶蛋白分子结合较疏松，后者结合较为紧密。酶蛋白与辅因子单独存在时均无活性，二者结合才能产生活力。酶蛋白与辅酶组成的完整分子为全酶。

全酶=酶蛋白+辅因子

金属离子

辅因子 辅基 小分子有机物 辅酶

决定酶催化专一性的是蛋白质部分。

三、酶的特性

1、高效性

2、专一性（specificaty）：一种酶只作用于一种或一类底物（substrate，S，既被酶作用的物质）

◆结构专一性 ①绝对专一性 ②相对专一性 A基团专一性 B键专一性 ◆立体异构专一性

3、高敏感性：即酶易失活，酶作用需要比较温和的条件，如常温、常压和接近中性的酸碱度等。这是由于酶的化学本质为蛋白质，凡使蛋白质变性的因素都能使蛋白质失活

4、可调节性：包括抑制剂调节、共价修饰调节、反馈调节、酶原激活和激素控制等

5、与辅酶、辅基和金属离子的相关性：结合酶的催化活性与辅酶、辅基和金属离子的作用是相关的。

四、酶的结构与功能

酶的活性部位又称酶的活性中心，是指酶分子中直接同底物结合，并起催化反应的空间部位。酶的活性部位上具有两个基团，直接同底物结合的为结合基团，决定酶的专一性；直接参与催化反应的为催化基团，觉得催化反应的性质。

酶的活性中心存在于酶分子表面，呈裂缝状。 1

多酶复合物是指由几种酶依靠非共价键彼此嵌合而形成的复合物，其中每一种酶催化一种反应，前一个酶的产物是后一个酶的底物，这样一次进行直到复合物中的每一种酶都参加反应，多美复合物又称多媒体系

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酶活性中心具有以下几个特点：

①活性中心只占酶分子总体积的很小一部分

②酶的活性部位是一个三维实体，具有三维空间结构。活性中心的空间构象不是刚性的，在与底物接触时表现出一定的柔性和、运动性

③诱导契合：酶的活性部位并不是和底物的形状正好互补的，而是在酶和底物的结合过程中，底物分子或酶分子、有时是两者的构象同时发生了一定的变化后才互补的，此时催化基团的位置正好处在所催化底物键的断裂和即将生成键的适当位置，这个动态辨认过程称为诱导契合（induced-fit）

④酶的活性部位位于酶分子表面的一个裂隙，内裂隙内是一个相当疏水的环境，从而有利于同底物的结合。 ⑤底物靠许多弱的键力与酶结合

必需基团是指酶分子中有些基团若经化学修饰（氧化、还原、酰化、烷化）使其改变，则酶的活性丧失，这些酶表现活性不可缺少的基团称为必需基团。常见的必须基团有：His的咪唑基、Ser的羟基、Cys的巯基、Glu的γ羧基。

五、酶原激活

有的酶在最初合成和分泌时，没有催化活性，这种没有催化活性的酶的前体称“酶原”。在一定的条件下，经过适当物质的作用转变成为有活性的酶的过程成为酶原激活。其实质是：酶活性中心的形成和暴露的过程。

六、酶的作用机制

在一个反应体系中，只有那些达到某一限度（能垒）的活化分子才能在碰撞中发生化学反应，活化分子越多，反应速度越快。

使反应达到其一定的能垒的途径：

①对反应体系加热或用光照射，从而使反应物分子获得所需要的活化能 ②使用适当的催化剂，降低反应能垒 ★关于酶作用专一性的假说 1、锁钥学说

1894年，Fischer提出的锁钥学说认为：酶与底物的关系就像锁与钥匙的关系一样。

2、诱导契合学说

酶分子与底物分子接近时,酶分子受底物分子的诱导,构象发生有利于底物结合的变化，酶于底物在此基础上互

补契合进行反应。

诱导契合学说的要点：

A、酶有其原来的形状，不一定一开始就是底物的模板

B、底物能诱导酶蛋白的形状发生一定变化（专一性结合）

C、当酶的形状发生变化后，就使得其中的催化基团形成正确的排列。

D、在酶反应过程中，酶活性中心构象的变化是可逆的。即酶与底物结合时，产生一种诱导构象，反应结束时，产物从酶表面脱落，酶又恢复其原来的构象。

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酶的作用机制包括酶如何同底物结合以及如何使反应加快。前者通过诱导契合学说得以解释阐明，后者通过中间产物学说进行进一步解释。

中间产物学说认为在酶促反应过程中，首先是酶与底物结合生成一个不稳定的中间产物ES，然后ES再分解为产物和原来的酶。

七、酶的反应速率和影响酶促反应速率的因素

1、酶的反应速率

酶促反应的速率一般是以单位时间内底物被分解的量或产物的增加量来表示。

2、酶促反应动力学（影响酶反应速率的因素）

酶促反应的速率受酶浓度、底物浓度、pH、温度、激活剂、抑制剂、反应产物和别构效应等因素的影响。 ◆酶浓度的影响

在有足够底物的情况下，而又不受其他因素的影响，酶的反应速率与酶浓度成正比。

◆底物浓度的影响（米氏方程）

在其他因素不变的情况下，底物浓度对反应速度的影响呈矩形双曲线关系。即在底物浓度很低的范围内，反应初速与底物浓度成正比；当底物浓度达到一定限度时，所有的酶全部与底物结合后，反应速率达到最大值Vmax，此时再增加底物也不能使反应速率增加。根据中间产物学说得出的米氏方程如下：

当反应速度v为Vmax的一半时，我们根据米氏方程可以得出：Km=[S]，也就是说：Km是最大反应速度一半时的底物浓度，Km称为米氏常数2。 ★Km值的计算：

为了求的准确的Km值，通常采用双倒数作图法来求解。

等号两边去倒数，则有：

整理得：

以 为横坐标， 为纵坐标，作图如左，斜

纵轴的截距为1/Vmax，横轴的截距为—1/Km。

率为

2

Km的重要意义是：

①Km值近似等于[ES]的解离常数，可表示酶与底物之间的亲和力，当Km大，说明ES容易解离，酶与底物结合的亲和力小 ②Km最小的底物，通常就是该酶的最适底物，也就是天然底物

③不同条件下具有不同的Km值，Km值是一个重要的物理常数是相对的 ④Km还可以推断某一代谢物在体内可能的代谢途径

⑤从Km的大小，可以知道正确测定酶活力时所需的底物浓度。在进行酶活力测定时，通常用4Km的底物浓度即可

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Hanes作图法：

Eadie-Hofstee作图法：

◆双底物反应

两个或两个以上的底物参加反应，形成双产物的酶反应，如氧化还原酶和转移酶催化的反应。 （1）序列反应

也称单置换反应，是指所有底物必须与酶结合才发生反应而释放产物，序列反应又可分为以下两种类型： ①有序反应：底物与酶的结合是严格有序的

②随机反应：底物与酶的结合是随机的，产物的释放也是随机的 （2）乒乓反应3

又称双置换反应，酶分子先与一个底物结合，接着释放一个产物，再与另一个底物结合，再释放一个产物。

◆温度的影响

温度升高，酶促反应速度加快。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。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。

最适温度 (optimum temperature)：酶促反应速度最快时的环境温度。它不是酶的特征性常数。

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胰蛋白酶、氨基转移酶和一些黄素酶催化的反应属于乒乓机制

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