第三章酶Enzyme主講教師關亞群本章要求掌握酶的化學本質及酶促反應的特點，酶的結構與功能，酶促反應動力學的基本內容。熟悉酶促反應的機制，競爭性抑制作用和非競爭性抑制作用的動力學特點及酶原激活的意義。了解酶在生命活動中的重要意義，酶的命名、分類，酶與醫學的關系。酶的發展史公元前兩千多年，我國已有釀酒記載。1877年，Kuhne首次提出Enzyme一詞。1926年，Sumner首次從刀豆中提純出脲酶結晶，確立酶是蛋白質的觀念，并具有蛋白質的一切性質。1982年，Cech首次發現RNA也具有酶的催化活性，提出核酶(ribozyme)的概念。1995年，JackW.Szostak研究室首先報道了具有DNA連接酶活性DNA片段，稱為脫氧核酶(deoxyribozyme)。生物催化劑（Biocatalysts）生物催化劑：由活細胞產生的，具有催化功能的生物大分子。酶（enzyme）——是由活細胞合成的、對其特異性底物有高效催化作用的蛋白質，是機體內催化各種代謝反應最主要的催化劑。

核酶（ribozyme）——具有高效、特異催化作用的核酸（RNA）。主要參與RNA的剪接。第一節

酶的分子結構與功能單體酶：只有一條多肽鏈構成的酶。主要見水解酶類。寡聚酶：由多個相同或不同亞基以非共價鍵連接的酶。如：乳酸脫氫酶由亞基H、M形成的四聚體。多酶體系：在細胞內存在著許多由幾種不同功能的酶彼此聚合形成的多酶復合物。如：丙酮酸脫氫酶體系。多功能酶（串連酶）：一些多酶體系在進化過程中由于基因的融合，形成由一條多肽鏈組成卻具有多種不同催化功能的酶。如：脂肪酸合成酶系。一、酶的分子組成中常含有輔助因子

酶按分子組成分為：單純酶（simpleenzyme）：僅由氨基酸殘基構成的酶。如：淀粉酶、脲酶、脂酶、一些消化蛋白酶、核糖核酸酶等。

結合酶（conjugatedenzyme）：由蛋白質和非蛋白質組成。蛋白質部分：酶蛋白(apoenzyme)

輔助因子(輔酶或輔基)

金屬離子小分子有機化合物全酶(holoenzyme)結合酶的分子組成各部分在催化反應中的作用酶蛋白決定反應的特異性，輔助因子決定反應的種類與性質。金屬離子含金屬離子的酶分為：金屬酶：金屬離子與酶結合緊密,提取的過程中不易丟失,這類酶稱為金屬酶。如羧基肽酶、黃嘌呤氧化酶等。

金屬激活酶：金屬離子雖為酶的活性所必需，卻不與酶直接結合，而是通過底物相連接。這類酶稱為金屬激活酶。如己糖激酶等。金屬離子在全酶中的作用

①傳遞電子：作為酶活性中心的催化基團參與催化反應、傳遞電子。②架橋梁：作為連接酶與底物的橋梁，便于酶對底物起作用。③穩構象：穩定酶的構象所必需。④降斥力：中和陰離子，降低反應中的靜電斥力。小分子有機化合物作用：參與催化過程，起傳遞電子、質子或一些基團的作用。小分子有機化合物作為輔助因子的種類不多，都屬于維生素或維生素衍生物。小分子有機化合物的作用輔助因子的分類輔酶：與酶蛋白結合疏松，可以用透析或超濾的方法除去。在兩個酶促反應中充當質子或基團供體和受體的作用。如NAD、NADP。

輔基：與酶蛋白結合緊密，不能通過透析或超濾將其除去。在反應中輔基不能離開酶蛋白。如金屬離子，FAD、FMN、生物素等。二、酶的活性中心是酶分子中執行其催化功能的部位酶的必需基團：(essentialgroup)

酶分子中氨基酸殘基側鏈的化學基團中，一些與酶活性密切相關（酶發揮活性所必需）的化學基團。二、酶的活性中心是酶分子中執行其催化功能的部位酶的活性中心(activecenter)：

或稱活性部位(activesite)，指必需基團在空間結構上彼此靠近，組成具有特定空間結構的區域，能與底物特異結合并將底物轉化為產物。結合基團：與底物結合，使底物與酶形成復合物；催化基團：影響底物中某些化學鍵的穩定性，催化底物轉變成產物。

活性中心外的必需基團：不參與活性中心的組成，但為維持活性中心應有的空間構象所必需。

二、酶的活性中心是酶分子中執行其催化功能的部位結合基團(bindinggroup)溶菌酶的活性中心*谷氨酸35和天冬氨酸52是催化基團；*色氨酸62和63、天冬氨酸101和色氨酸108是結合基團；*A~F為底物多糖鏈的糖基，位于酶的活性中心形成的裂隙中。活性中心的特點活性中心僅占酶的整個體積的相當小的一部分。活性中心是個三維的立體結構。結合的專一性決定于活性中心中精確規定的原子排列。大多數底物都以相當弱的力結合在活性中心。活性中心往往是裂隙、裂縫或“口袋狀”等，且可深入酶分子內部。并多為AA殘基的疏水基團組成的疏水環境。三、同工酶是催化相同的化學反應

但一級結構不同的一組酶定義：同工酶(isoenzyme)是指催化相同的化學反應，而酶蛋白的分子結構、理化性質及免疫學性質不同的一組酶。是由不同基因編碼的多肽鏈，或由同一基因轉錄生成的不同mRNA所翻譯的不同多肽鏈組成的蛋白質。三、同工酶是催化相同的化學反應

但一級結構不同的一組酶HHHHHHHMHHMMHMMMMMMMLDH1

(H4)LDH2(H3M)

LDH3(H2M2)LDH4(HM3)LDH5

(M4)乳酸脫氫酶的同工酶*舉例：乳酸脫氫酶(LDH1～

LDH5)生理及臨床意義在代謝調節上起著重要的作用；用于解釋發育過程中階段特有的代謝特征；同工酶譜的改變有助于對疾病的診斷；同工酶可以作為遺傳標志，用于遺傳分析研究。心肌梗死和肝病病人血清LDH同工酶譜的變化1酶活性心肌梗死酶譜正常酶譜肝病酶譜2345第二節酶的工作原理酶和一般催化劑的共性只能催化熱力學允許的化學反應；只能加速可逆反應的進程，而不改變反應的平衡點;在反應前后沒有質和量的變化；只需要微量；都能降低活化能。一、酶反應特點（一）酶反應具有極高的效率

酶的催化效率比無催化劑的自發反應速度提高108～1020倍，比無機催化劑的催化效率高107～1013倍。例1：過氧化氫酶催化H2O2分解的速度是Fe2+催化其分解速度的8.3×109倍。例2：碳酸酐酶催化CO2溶解于血中比一般催化劑至少快1000萬倍，大約一個碳酸酐酶分子每秒鐘能使10萬個CO2分子與水結合。（二）酶促反應具有高度特異性酶的特異性(specificity)

一種酶僅作用于一種或一類化合物，或一定的化學鍵，催化一定的化學反應并生成一定的產物。酶的這種特性稱為酶的特異性或專一性。

根據酶對其底物結構選擇的嚴格程度不同，特異性分為絕對特異性、相對特異性和立體異構特異性。1.絕對特異性酶只能作用于特定結構的底物，進行一種專一的反應，生成一種特定結構的產物。這種特異性稱為絕對特異性(absolutespecificity)。

例：琥珀酸脫氫酶僅催化琥珀酸脫氫生成延胡索酸。2.相對特異性酶作用于一類化合物或一種化學鍵，這種特異性稱相對特異性(relativespecificity)。這種選擇性不太嚴格（專一性相對較差）。例：胰蛋白酶可水解多種蛋白質。磷酸酯酶等。3.立體異構特異性酶僅作用于立體異構體中的一種，酶對立體異構物的這種選擇稱為立體異構特異性(stereospecificity)。

例：人體（包括大部分食肉動物）的淀粉酶只能水解α-1，4糖苷鍵；而不能水解β-1，4糖苷鍵。3.立體異構特異性根據旋光異構和幾何異構可分為：旋光異構特異性：如精氨酸酶只水解L-精氨酸，不能催化D-精氨酸水解。幾何異構特異性：如延胡索酸酶僅催化反丁烯二酸（延胡索酸）生成蘋果酸，而對順丁烯二酸（馬來酸）無作用。（三）酶促反應的可調節性

酶促反應受多種因素的調控，以適應機體對不斷變化的內外環境和生命活動的需要。二、酶通過促進底物形成過渡態

而提高反應速率在酶催化的反應中，第一步是酶與底物形成酶－底物中間復合物。當底物分子在酶作用下發生化學變化后，中間復合物再分解成產物和酶。

E+S====E-SP+E許多實驗事實證明了E－S復合物的存在。E－S復合物形成的速率與酶和底物的性質有關。

酶作用的機制降低反應活化能酶催化作用的中間產物學說二、酶通過促進底物形成過渡態

而提高反應速率

酶和一般催化劑一樣，加速反應的作用都是通過降低反應的活化能(activationenergy)

實現的。活化能：是指一定條件下，能使1摩爾底物全部進入活化狀態所需要的自由能。或底物分子從初態轉變到活化態所需的能量。（一）酶比一般催化劑更有效地降低反應活化能反應總能量改變非催化反應活化能酶促反應活化能一般催化劑催化反應的活化能能量反應過程底物產物酶促反應活化能的改變

二、酶通過促進底物形成過渡態

而提高反應速率1.誘導契合作用使酶與底物密切結合酶與底物相互接近時，其結構相互誘導，相互變形和相互適應，進而相互結合，這一過程稱為酶—底物結合的誘導契合(induced-fit)假說。（二）酶和底物的結合有利于底物形成過渡態ZnZnGlu270Tyr248Arg145底物

羧肽酶結合底物前后構象變化2.鄰近效應與定向排列使

諸底物正確定位于酶的活性中心酶在反應中將諸底物結合到酶的活性中心，使它們相互接近并形成有利于反應的正確定向關系。這種鄰近效應(proximityeffect)與定向排列(orientationarrange)實際上是將分子間的反應變成類似于分子內的反應，從而提高反應速率。3.表面效應使底物分子去溶劑化酶的活性中心多是酶分子內部的疏水“口袋”，酶反應在此疏水環境中進行，使底物分子脫溶劑化(desolvation)，排除周圍大量水分子對酶和底物分子中功能基團的干擾性吸引和排斥，防止水化膜的形成，利于底物與酶分子的密切接觸和結合。這種現象稱為表面效應(surfaceeffect)。（三）酶的催化機制呈多元催化作用

一種酶的催化反應常常是多種催化機制的綜合作用，所以酶促反應具有極高的催化效率。一般酸-堿催化作用(generalacid-basecatalysis)共價催化作用(covalentcatalysis)

親核催化作用(nucleophiliccatalysis)第三節酶促反應動力學是研究酶促反應的速度以及各種因素對酶促反應速度的影響機制。影響酶促反應速度的因素：底物濃度、酶濃度、溫度、pH、抑制劑、激活劑等。一、底物濃度對反應速率影響的作圖

呈矩形雙曲線

在其他因素不變的情況下，底物濃度對反應速率的影響呈矩形雙曲線關系。（一）米-曼氏方程式揭示

單底物反應的動力學特性Michaelis和Menten根據中間產學說的理論，并借助于反應速度（V）與底物濃度[S]的曲線，研究酶的動力學，得出V與[S]的數學公式，稱米-曼方程式。Km即為米氏常數，Vmax為最大反應速度（二）Km與Vmax是有意義的

酶促反應動力學參數1.當反應速度為最大速度一半時，Km等于酶促反應速度為最大速度一半時的底物濃度。＞＞2.當K2K3時，Km=K2/K1，近似于ES的解離常數Ks。Km表示酶對底物的親和力。Km值愈小，酶與底物的親和力愈大。（二）Km與Vmax是有意義的

酶促反應動力學參數3.

Km值是酶的特征性常數之一，只與酶的結構，酶所催化的底物和反應環境（如溫度，pH,離子強度）有關，與酶的濃度無關。不同的酶，Km值不同。4.Vmax

是酶完全被底物飽和時的反應速度，與酶濃度呈正比。＞＞（三）Km值和Vmax值

可以通過作圖法求取將米-曼方程變換成直線形式。林-貝氏雙倒數作圖法Hanes作圖法。二、底物足夠時

酶濃度對反應速率的影響呈直線關系

當[S]>>[E]，酶被底物飽和時，反應速度與酶濃度成正比。關系式為：V=k3[E]0V[E]三、溫度對反應速率的影響具有雙重性溫度對酶促反應速度具有雙重影響。升高溫度一方面可加快酶促反應速度，同時也增加酶的變性。酶促反應速度最快時的環境溫度稱為酶促反應的最適溫度(optimumtemperature)。溫度對淀粉酶活性的影響四、pH通過改變酶和底物分子解離狀態

影響反應速率pH影響極性基團（酶、底物、輔酶）的解離狀態，酶催化活性最大時的環境pH稱為酶促反應的最適pH。0酶活性

pH

pH對某些酶活性的影響

胃蛋白酶

淀粉酶

膽堿酯酶

246810注意雖然一種酶的最適pH往往反映該酶正常環境的pH，但二者可能并不正好相同。在生理pH下，有些酶可能剛好處在最適范圍，而有些酶則處在高于或低于它們的最適pH環境中。因此，它們就會有不同的催化活性。這是酶的一種自然調節方式。最適pH不是酶的特征性常數，它受底物濃度、緩沖液種類與濃度、以及酶純度等因素的影響。五、抑制劑可逆地或不可逆地

降低酶促反應速率酶的抑制劑(inhibitor)

凡能使酶的催化活性下降而不引起酶蛋白變性的物質稱為酶的抑制劑。酶的抑制區別于酶的變性：抑制劑對酶有一定選擇性引起變性的因素對酶沒有選擇性抑制作用的類型不可逆性抑制(irreversibleinhibition)可逆性抑制(reversibleinhibition)根據抑制劑和酶結合的緊密程度不同，酶的抑制作用分為：

（一）不可逆性抑制劑主要與酶共價結合概念抑制劑通常以共價鍵與酶活性中心的必需基團相結合，使酶失活。（一）不可逆性抑制劑主要與酶共價結合例1：專一性不可逆性抑制有機磷農藥如敵百蟲、敵敵畏、1059等以及神經毒氣二異丙基氟磷酸（DFP---生化武器）等能特異地與膽堿酯酶活性中心絲氨酸的羥基結合，使酶失活，乙酰膽堿不能分解為乙酸和膽堿，而乙酰膽堿的積蓄造成迷走神經興奮而呈現毒性狀態。因此上述物質稱為神經毒劑。有機磷化合物羥基酶失活的酶酸例2：非專一性不可逆性抑制低濃度的重金屬離子如Hg2+、Ag+、As3+等可與酶分子的巰基結合，使酶失活。化學毒氣路易士氣（Lewisite）含砷（As3+）。路易士氣巰基酶失活的酶酸失活的酶BAL巰基酶BAL與砷劑結合物（二）可逆性抑制劑與酶和（或）

酶-底物復合物非共價結合

抑制劑通常以非共價鍵與酶或酶-底物復合物可逆性結合，使酶的活性降低或喪失；抑制劑可用透析、超濾等方法除去。競爭性抑制非競爭性抑制反競爭性抑制

1.競爭性抑制作用的抑制劑與

底物競爭結合酶的活性中心

定義

有些抑制劑與底物的結構相似，能與底物競爭酶的活性中心，從而阻礙酶-底物復合物的形成。這種抑制作用稱為競爭性抑制作用。+++ESIESEIPEE特點：I與S結構類似，競爭酶的活性中心；抑制程度取決于抑制劑與酶的相對親和力和與底物濃度的相對比例。竟爭性抑制通常可以通過增大底物濃度，即提高底物的競爭能力來消除。動力學參數特點：Vmax不變，表觀Km增大。抑制劑↑

無抑制劑1/V

1/[S]舉例丙二酸與琥珀酸競爭琥珀酸脫氫酶琥珀酸琥珀酸脫氫酶FADFADH2延胡索酸磺胺類藥物的抑菌機制H2N--SO2NH2對氨基苯磺酰胺H2N--COOH對氨基苯甲酸對氨基苯甲酸谷氨酸蝶呤葉酸磺胺類藥物的抑菌機制二氫蝶呤＋對氨基苯甲酸＋谷氨酸二氫葉酸合成酶二氫葉酸2.非競爭性抑制作用的抑制劑

不改變酶對底物的親和力

定義

有些抑制劑與酶活性中心外的必需基團相結合，不影響酶與底物的結合，酶和底物的結合也不影響酶與抑制劑的結合。底物和抑制劑之間無競爭關系。但酶-底物-抑制劑復合物(ESI)不能進一步釋放出產物。這種抑制作用稱作非競爭性抑制作用。+S－S+S－S+ESIEIEESEP特點:抑制劑與酶活性中心外的必需基團結合，底物與抑制劑之間無競爭關系；抑制程度取決于抑制劑的濃度；動力學特點：Vmax降低，表觀Km不變。

抑制劑↑1/V1/[S]無抑制劑舉例：別嘌呤醇（治療痛風的常用藥物，通過非競爭性抑制作用來抑制黃嘌呤氧化酶，從而降低尿酸的生成）質子化叔胺（R-NH3+）類化合物是乙酰膽堿酯酶的非競爭性抑制劑。重金屬離子（Cu2+、Hg2+、Ag+、Pb2+）金屬絡合劑（EDTA、F-、CN-、N3-）3.反競爭性抑制作用的抑制劑

僅與酶-底物復合物結合

定義:

抑制劑僅與酶和底物形成的中間產物(ES)結合，使中間產物ES的量下降。這樣，既減少從中間產物轉化為產物的量，也同時減少從中間產物解離出游離酶和底物的量。這種抑制作用稱為反競爭性抑制作用。3.反競爭性抑制作用的抑制劑

僅與酶-底物復合物結合+IESIE+SE+PES++ESESESIEP特點：抑制劑只與酶－底物復合物結合；抑制程度取決與抑制劑的濃度及底物的濃度；動力學特點：Vmax降低，表觀Km降低。抑制劑↑1/V1/[S]無抑制劑各種可逆性抑制作用的比較

六、激活劑可加快酶促反應速率定義

使酶由無活性變為有活性或使酶活性增加的物質稱為激活劑(activator)。必需激活劑(essentialactivator)非必需激活劑(non-essentialactivator)六、激活劑可加快酶促反應速率必需激活劑：有些激活劑對酶促反應是不可缺少的，否則將測不到酶的活性，這類激活劑稱為必需激活劑。如：金屬酶中的金屬離子

非必需激活劑：有些激活劑不存在時，酶仍有一定的催化活性，這類激活劑稱為非必需激活劑。如：金屬激活酶中的金屬離子；口腔無Cl-，但淀粉酶可消化淀粉，而胃則有Cl-，故其消化淀粉能力增強。

第四節酶的調節體內各種代謝途徑的調節主要是對代謝途徑中關鍵酶的調節。酶的調節酶活性的調節酶含量的調節變構調節共價修飾調節一、調節酶實現對酶促反應速率的快速調節（一）變構酶通過變構調節酶的活性變構調節(allostericregulation)一些代謝物可與某些酶分子活性中心外的某部分可逆地結合，使酶構象改變，從而改變酶的催化活性，此種調節方式稱變構調節。一、調節酶實現對酶促反應速率的快速調節（一）變構酶通過變構調節酶的活性變構激活劑變構抑制劑變構酶(allostericenzyme)變構部位(allostericsite)變構效應劑(allostericeffector)變構酶常為多個亞基構成的寡聚體，

具有協同效應。變構激活變構抑制

變構酶的Ｓ形曲線[S]V無變構效應劑

酶的變構調節是體內代謝途徑的重要快速調節方式之一。（二）酶的化學修飾調節是通過某些

化學基團與酶的共價結合與分離實現的共價修飾(covalentmodification)

在其他酶的催化作用下，某些酶蛋白肽鏈上的一些基團可與某種化學基團發生可逆的共價結合，從而改變酶的活性，此過程稱為共價修飾。（二）酶的化學修飾調節是通過某些

化學基團與酶的共價結合與分離實現的磷酸化與脫磷酸化（最常見）乙酰化和脫乙酰化甲基化和脫甲基化腺苷化和脫腺苷化－SH與－S－S互變常見類型酶的化學修飾是體內快速調節的另一種重要方式。酶的磷酸化與脫磷酸化-OHThrSerTyr酶蛋白H2OPi磷蛋白磷酸酶

ATPADP蛋白激酶ThrSerTyr-O-PO32-酶蛋白（三）酶原的激活使無活性的酶原

轉變成有催化活性的酶有些酶在細胞內合成或初分泌時只是酶的無活性前體，此前體物質稱為酶原。

在一定條件下，酶原向有活性酶轉化的過程。酶原(zymogen)酶原的激活酶原激活的機理酶原分子構象發生改變形成或暴露出酶的活性中心一個或幾個特定的肽鍵斷裂，水解掉一個或幾個短肽在特定條件下賴纈天天天天甘異賴纈天天天天纈組絲SSSS46183甘異纈組絲SSSS腸激酶胰蛋白酶原活性中心胰蛋白酶原的激活過程酶原的激活的意義：防止自身消化：避免細胞產生的蛋白酶對細胞進行自身消化，使酶在特定的部位和環境中發揮作用，保證體內代謝的正常進行。酶原還可以視為酶的儲存形式。如凝血因子。

二、酶含量的調節包括

對酶合成與分解速率的調節（一）酶蛋白合成可被誘導或阻遏誘導作用(induction)

阻遏作用(repression)二、酶含量的調節包括

對酶合成與分解速率的調節（二）酶降解的調控與一般蛋白質降解途徑相同溶酶體蛋白酶降解途徑（不依賴ATP的降解途徑）

非溶酶體蛋白酶降解途徑（又稱依賴ATP和泛素的降解途徑）第五節酶的分類與命名一、酶可根據其催化的反應類型予以分類氧化還原酶類(oxidoreductases)轉移酶類(transferases)水解酶類(hydrolases)裂解酶類(lyases)異構酶類(isomerases)合成酶類(synthetases,ligases)第五節酶的分類與命名二、每一種酶均有其系統名稱和推薦名稱系統名稱(systematicname)推薦名稱(mendedname)一些酶的分類與命名酶的分類催化的化學反應舉例系統名稱EC編號推薦名稱氧化還原酶類乙醛+NADH+H+乙醇：NAD+

氧化還原酶EC1.1.1.1乙醇脫氫酶轉移酶類草酰乙酸+L-谷氨酸L-天冬氨酸：-酮戊二酸氨基轉移酶EC2.6.1.1天冬氨酸轉氨酶水解酶類D-葡萄糖+H3PO4D-葡糖-6-磷酸水解酶EC3.1.3.9葡糖6-磷酸酶裂解酶類磷酸二羥丙酮+醛酮糖-1-磷酸裂解酶EC4.1.2.7醛縮酶異構酶類D-果糖-6-磷酸D-葡糖-6-磷酸酮-醇異構酶EC5.3.1.9磷酸果糖異構酶連接酶類L-谷氨酰胺+ADP+磷酸L-谷氨酸：氨連接酶EC6.3.1.2谷氨酰胺合成酶第六節酶與醫學的關系一、酶和疾病密切相關（一）酶的質、量與活性的異常均可引起某些疾病（二）酶的測定有助于對許多疾病的診斷（三）酶和某些疾病的治療關系密切一、酶和疾病密切相關（一）酶的質、量與活性的異常均可引起某些疾病有些疾病的發病機理直接或間接和酶的異常或酶活性受到抑制相關。許多疾病也可引起酶的異常，這種異常又使病情加重。激素代謝障礙或維生素缺乏可引起某些酶的異常。酶活性受到抑制多見于中毒性疾病。

（二）酶的測定有助于對許多疾病的診斷酶的活性是指酶催化化學反應的能力，其衡量的標準是酶促反應速率。酶促反應速率可在適宜的反應條件下，用單位時間內底物的消耗或產物的生成量來表示。酶的活性單位是衡量酶活力大小的尺度，它反映在規定條件下，酶促反應在單位時間（s、min或h）內生成一定量（mg、μg、μmol等）的產物或消耗一定數量的底物所需的酶量。1．酶活性測定和酶活性單位是定量酶的基礎

在特定的條件下，每分鐘催化1μmol底物轉化為產物所需的酶量為一個國際單位。１催量(kat)是指在特定條件下，每秒鐘使１mol底物轉化為產物所需的酶量。kat與IU的換算：1IU=16.67×10-9kat國際單位(IU)催量單位(katal)2．血清酶對某些疾病的診斷具有更重要的價