第一篇生物大分子的结构与功能 化尿素水解速率是H催化作用的7×102倍：a~胰凝乳蛋白酶对苯甲酰胺的水解速率是H催化作用的6 ×10°倍。而且，酶的这种高效催化作用是在常温常压下实现，与一般化学催化剂明显不同（表33）。 表33某些酶与一般催化剂催化效率的比较 底物 催化剂 反应温度（℃） 速率常数 尿素 62 7.4×10 脲刷 21 5.0x10 苯甲酰胺 52 24x10- OH 53 8.5×10 α-胰凝乳蛋白酶 25 14.9 H,0 的 22 过氧化氢酶 22 3.5×10 任何一种热力学允许的反应体系中，底物分子所含能量的平均水平较低，则底物之间很难发生化学 反应。在反应的特定瞬间，只有那些达到或超过一定能量水平的过渡态分子（活化分子）才有可能发生 化学反应。过渡态分子所具有的能量与底物平均能量（基态）的差值称为活化能(activation energ)。活 化能也就是底物分子从初态转变为过渡态所需的能量。酶通过与底物特异结合，使底物形成活泼的过 渡态，进而转变为产物。由于酶与底物的特异性结合是释能反应，释放的结合能是降低活化能的主要能 量来源。因此，酶比一般催化剂更有效地降低反应活化能，使底物分子只需较少的能量便可进人过渡 态，从而实现高效的催化作用（图3-5）。 结合 非化 过凌态 应 反应 底物平均能量 反应总能量改变 产物平均能量 反应进程 图35促反应活化能的改变 (二)酶对底物具有高度的专一性 与一般催化剂不同，酶对其所催化的底物具有严格的选择性。一种酶只作用于一种或一类化合物 或一定的化学键，催化一定的化学反应并产生一定结构的产物，酶的这种特性称为酶的特异性或专一性 (sp©ci近©iy)。不同酶的专一性有差异，但酶有专一性是酶的普遍特征，是确认酶的基本标准。 可根据酶对其底物结构选择的严格程度不同对酶的专一性进行分类。通常按酶专一性的高低分成 2
第三章酶与维生素 绝对专一性和相对专一性。也可以根据酶对底物的立体异构体有无选择性，或对底物的光学异构体有 无选择性等进行分类。 1馅村专一性和相对专一性 (1)绝对专一性：有的酶只能作用于特定结构的底物，催化其发生专一的反应，生成特定结构的产 物。酶对底物的这种严格的选择性称为绝对专一性(absolute specificity)。例如，脲酶只能催化尿素水 解生成CO,和NH,:尿酸酶只能催化尿酸氧化生成过氧化氢和5-羟基异尿酸：琥珀酸脱氢酶只能催化琥 珀酸与延胡索酸之间的氧化还原反应。药物抑制这类酶时只抑制一个反应。 (2)相对专一性：有些酶对底物的选择性不高，可作用于一类化合物或一种化学键，但也只能催化 特定类型的化学反应，生成特定结构的产物。酶对底物的这种不太严格的选择性称为相对专一性 ()。例如，羧酸酯酶可水解短链羧酸酯为对应羧酸和羟基化合物，但对成酯的羟基化 合物选择性非常低：磷酸酶对一般的磷酸酯键都有水解作用，可水解甘油或酚与磷酸基团形成的磷酸酯 键：蔗糖酶不仅水解蔗糖，也可水解棉子糖中的同一种糖苷键。这种对特定化学键具有选择性的相对专 一性，又称化学键专一性。消化道蛋白酶可水解多种蛋白质，但通常只断裂肽链中特定氨基酸对应的肽 键，如胰蛋白酶仅水解由碱性氨基酸形成的肽键。这类酶对形成化学键的基团和所形成化学键类型都 有选择性，又称基团专一性。 2.立体异构体专一性生物体内有此物质存在立体异构体。有些酶对底物的立体异构体具有明 确的选择性，仅作用于立体异构体中的某一种，生成的产物也只具有相应的某种立体结构。酶对底物的 这种专一性称为立体异构体专一性。例如，丁烯二酸存在顺反两种立体异构体，延胡索酸酶只能催化反 丁烯二酸（延胡索酸）水化生成苹果酸，而对顺丁烯二酸无作用；延胡索酸酶催化逆反应时，苹果酸脱水 也只能生成反丁烯二酸，而不生成顺丁烯二酸。 3.光学异构体专一性生物体内有些物质存在光学异构体。有些酶通常对底物的光学异构体 有明显的选择性，生成的产物也只具有某种光学活性构型，例如，乳酸脱氢酶仅催化乳酸的反应，而对 D-乳酸无作用：氨基酸酰化酶仅能把L氨基酸氨基酰化后生成的酰胺水解成氨基酸，而不作用于D-氨 基酸的酰化衍生物。在生理条件下仅作用于一种物质的某种光学异构体的酶，如乳酸脱氢酶，既有光学 异构体专一性，同时又有绝对专一性。而氨基酸酰化酶虽有光学异构体专一性，但此酶可作用于大多数 L~氨基酸的酰化衍生物，属于相对专一性。 (三)酶活性的可调节性 在体内，酶活性受多种因素的调节，以适应不斯变化的内外环境和生命活动的需要。酶在物种进化 时程中形成的多酶体系和多功能酶、基因分化形成的各种同工酶等，可提高酶活性调修的效率。酶原的 激活使酶在合适的环境下才被激活和发挥作用。酶在激素等生理信号作用下发生共价修饰调节、别构 酶的抑制与激活等，可对酶活性进行快速调节。代谢物通过对相关代谢途径关键酶活性的抑制与激活， 也能精确调节代谢速率。通过对酶生物合成的诱导与阻遏、酶降解速率的调控实现对酶量的调节，可发 挥对酶活性的长效调节作用。生物体内各种生理信号和代谢物与不同代谢途径中各种关键酶的复杂相 互作用，构成了体内酶活性调节和代谢调节的复杂网络。 (四)不稳定性 酶的化学本质大多为蛋白质，其活性依赖于特有的空间构象。酶只有在较温和的条件下才能有效 地发挥催化作用，所有可能改变蛋白质构象的因素都会对酶的活性产生影响。反应体系的温度、溶液的 H,有机溶剂等常常会改变酶的活性。容易引起蛋白质变性的因素，包括变性剂和物理因素等，可使酶 蛋白发生变性而失去酶活性。酶的稳定性通常较差，即使在最适宜的条件下储存，原有活性也会逐渐降 低。相同条件下不同酿的稳定性差异可能较大，最话储存条件可能会明显不同。多数酶在低温下稳定 性好且冻干后可较长时间保存。特殊的酶在低温下稳定性好，但冻干后不一定适合长期保存。如苛求 芽孢杆菌胞内尿酸酶在低温下碱性溶液中保存稳定性最好，冻干后即使在-20℃稳定性也降低
二、酶促反应的机制 (一】酶底物复合物的形成与诱导契合假说 普遍认为，在酶促反应过程中，酶需要先与底物结合形成过渡态复合物，然后转变为酶与产物的复 合物，再释放出产物，酶分子恢复到未进行催化作用前的结构状态，使酶分子可以重新结合新的底物分 子，再进行新的催化反应。此过程称为酶的催化循环，其中酶结合底物形成的复合物称为酶-底物复合 物(enzyme-ubtrate complex,E-S复合物)。 酶与底物形成E-S复合物的过程涉及酶与底物的识别等相互作用，这是酶具有专一性的原因之一。 最早曾用锁与钥匙的关系来解释酶对底物的识别与结合，即锁钥学说。但越来越多的研究证明，酶与底 物的结合过程不是锁与钥匙式的机械关系，而是在酶与底物相互接近时，其结构相互诱导、相互变形和 相互话应，才使酶与底物相互结合形成ES复合物。议一时程称为感-底物结合的诱导望合假说 (induced-.hypothesis)(图3-6)。酶的构象发生改变以促进酶与底物的结合；底物在酶的诱导下也会 发生变形，处于能量较高的过渡态，易受酶的催化攻击转化为产物，过渡态的底物与酶活性中心的结构 互相吻合。这也是酶发挥催化作用依赖于柔性活性中心构象的原因所在 酶-底物复合物 图36酶与底物结合的诱导契合假说 (二)酶促反应的机制 酶的高效率和高专一性都是以酶活性中心精确的动态构象为基础。酶促反应的催化机制呈多元催 化作用。通过多种机制使酶与结合在活性中心的底物发生复杂的相互作用，从而实现酶的催化反应。 1.邻近效应与定向排列在多个底物参加的反应中，底物之间必须以正确的方向发生相互碰撞 才有可能发生反应。满足此要求的碰撞称为有效碰撞。酶将反应所需的底物和辅助因子，按照特定顺 序和特定空间位置定向结合到酶的活性中心，使它们彼此接近并形成有利于反应进行的正确定向。这 种邻近效应与定向排列是将分子之间的反应变成类似于分子内的反应，使反应速率显著提高 2.表面效应酶的活性中心多是酶分子内部的疏水“口袋”。疏水环境可排除水分子对酶和底物 分子中功能基团的干扰性吸引或排斥，防止在底物与酶之间形成水化膜，有利于酶与底物的密切接触与 结合。这种现象称为表面效应。 3.张力和变形作用酶活性中心的精确构象，可使其通过特定的基团，在不同方向对底物施加各 种作用，从而使需要断裂的化学键拉仲或者扭曲变形，有利于底物分子形成过渡态 4.普通酸-碱催化 一般催化剂通常仅有一种解离状态，只能讲行酸催化或碱催化。臨是两性解亲 的蛋白质，所含有的多种功能基团具有不同的解离常数。即使同一种基团处于不同的微环境时，解离程 度也有差异。酶活性中心上有些基团可作为质子的供体（普通酸），有些基团可成为质子的受体（普通 碱)。这些基团参与质子的转移，可极大地提高催化效率。这种催化作用称为普通酸碱催化作用，这是
第三章酶与维生素 生物化学常见的催化机制 5。共价催化多数酶在发生催化作用过程中，酶先和底物形成瞬间共价键而将底物激活，并很容 易进一步水解形成产物和游离的酶。这种催化作用称为共价催化。共价催化常发生在双底物反应中， 酶的活性中心先结合某一底物，将其转变为第一产物并释放，酶的活性中心结构稍有变化，然后再结合 另一底物，将其转变为第二产物并释放，酶的活性中心结构得以还原，可再进行循环催化反应。如氨基 转移酶催化的反应 共价催化主要有亲核共价催化和亲电子共价催化两种基本形式。亲核共价催化是由酶活性中心的 亲核基团（如羟基、巯基等）攻击底物分子上具有部分正电荷的原子或基团，形成瞬间共价键。亲电共 价催化是由酶活性中心的亲电子基团与富含电子的底物形成共价键，常需要有机辅助因子或金属离子 参与。 6.金属离子催化机制金属离子的作用机制很复杂：有的金属离子作为酶活性中心的组成部分参 与催化反应、传递电子：有的金属离子与酶蛋白结合后可以稳定酶的空间构象；有的金属离子作为连接 酶和底物的桥梁，便于酶和底物的密切接触：有的金属离子还可以中和电荷，降低静电排斥力而有利于 酶与底物的结合。有些酶蛋白需要结合多个相同的金属离子，但所结合的金属离子的作用不一定相同 如哺乳动物血浆中的芳香酯酶需要结合两个钙离子，但两个钙离子的作用是有差异的。 虽然酶确切的催化机制尚有许多不明之处，但酶的催化作用通常是多种催化机制的综合作用。酶 作为生物大分子具有多种氨基酸残基，甚至结合辅助因子，因而具备对底物施加多种影响的结构基础 实际上许多酶促反应往往有多种催化机制的参与，共同完成催化反应，这是酶促反应高效率的重要 原因。 第三节酶促反应动力学 酶促反应动力学(kinetics of enzyme-catalyed)是研究酶促反应速率及其影响因素的科学 酶促反应速率受到很多因素的影响，如酶浓度、底物浓度、pH,温度、抑制剂、激活剂等。碑促反应动力 学研穷是酯学研究的基本内容，具有重要的理论和实践意义 化学反应速率指在设定的反应体系中，反应物随时间逐渐减少的速率或产物随时间逐步增加的速 率。反应速率可用物质量的变化速率表示，也可用物质浓度的变化速率表示，单位常用mmol/min, umol/min等。 简单酶促反应体系中底物和产物的浓度变化曲 产物 线加图所示（图37）。出变化曲线又称酶促反应讲 程曲线。为防止各种因素对所研究的酶促反应速率 的干扰，测定反应速率通常是测定酶促反应的初速 率(initial velocity)。初速率指在反应刚开始阶段 各种影响因素尚未发挥作用时的酶促反应速率，即 底物 酶促反应进程曲线为直线部分时的反应速率。此 反应时间 时，底物消耗很少，其浓度变化对反应速率的影响可 图3酶促反应进程曲线 忽略不计，且逆反应也不明显。一般以底物消耗小 于5%反应时段内的平均速率表示初速率。测定酶促反应初速率是目前研究酶促反应动力学的基本策 略。下面提及的反应速率均是指反应初速率。 一、底物浓度对酶促反应速率的影响 酶促反应速率与底物浓度密切相关。酶促反应与无催化剂时不同，其速率随底物浓度的变化存在
第一篇生物大分子的结构与功能 明显的底物饱和现象。在酶量等因素不变时，酶 反应速率()对底物浓度([S])作图呈双曲线（图 3.8) 在底物浓度较低时，反应速率随底物浓度的增 加而增加，两者为线性关系，反应呈一级反应。随着 底物浓度的进一步增高，反应速率不再与底物浓度 成正比例加速，而是缓慢增加，呈现出混合级反应 当底物浓度达到一定数值后，继续加大底物浓度，反 应速率基本不再增加，表现出零级反应。此现象即 图38底物浓度对酶促反应速率的影响 为酶促反应速率的底物饱和现象，此时酶的活性中 心被底物全部饱和。所有的酶均有此底物饱和现 象，但不同的酶达到饱和时所需的底物浓度不同。底物浓度和酶促反应速率的关系可以用中间产物学 说和米氏方程闻球 (一】酶促反应的中间产物学说和米氏方程 酶促反应过程中酶首先与底物结合形成酶-底物复合物（中间产物），再分解为产物和游离的酶，游 离的酶再进入下一个催化循环，此即中间产物学说。 E+SE+P (1) 酶底物中间产物酶产物 化学反应动力学机制主要有快速平衡和稳态假设两种理论。稳态假设应用最普遍。稳态假设认 为，在化学反应过程中，中间产物快速生成且较慢转变成产物。当反应进行到一定程度时，中间产物生 成速率等于其转变成产物的速率，则中间产物的浓度维持恒定。对酶促反应中间产物应用此稳态假设， 可以推导酶促反应动力学方程，解释酶的底物饱和现象。酶促反应动力学方程的推导需要以下条件： ①酶促反应速率为初速率，即反应刚开始，产物的生成量极少，逆反应可不予考虑：②反应是单底物反 应：③底物浓度[S]远大于酶的总浓度[E],通常要求[S]>100×[E]。在此条件下，反应中游离酶的浓 度为酶总浓度诚去与中间产物结合的酶浓度，即[游离酶]=[E]-[S]。k,为游离酶与底物结合生成 ES复合物的速率常数，k,为ES复合物解离成游离酶和底物的速率常数，k为ES复合物分解生成产物 的速率常数（见式1）。 这样 ES生成速率=k×([E]-[ES])×[S】 (2) ES分解速率=k,×[ES]+k×[ES] 当反应达到稳态时，S生成速率=S分解速率，即 k×([E]-[ES])×[S]=k1×[ES]+k,x[ES] (4) 经整理得 ([E]-x(s] ES (5) 令 水，5 则(5)转变成 [E]x[S]-[ES]x[S]=Kx[ES] 56