(3)易失活酶是蛋白质,凡是使蛋白质变性的因素(高温、高压、强酸、强碱等)都 能使酶的结构破坏,因而失去活性,所以酶的催化作用是在温和的条件(常温、常压和适 合的pH值等)下实现的。 (4)酶活力的调节控制酶活力可以调节控制。它的调控方式很多,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,详细内容将在后面讨论。这也是 化学调控的基础,叶面肥中含有许多离子,有些是光合酶的活化剂 (5)酶的催化活力与辅、辅基及金属离子有关有些酶是复合蛋白质,其中的小 分子物质(辅酶、辅基及金属离子)与酶的催化活性密切相关。若将它们除去,酶就会失去 酶的高效性、专一性及温和的作用条件在生物体内的新陈代谢中发挥着强有力的作 用,酶活力的调控使生命活动中的反应得以有条不紊地进行。 二、酶的化学本质 1.酶的蛋白质本质 蛋白质有多种生物功能,其中具有催化作用的蛋白质称为酶。几乎所有的酶都是蛋白 质。酶和其他蛋白质一样都是由氨基酸组成的,具有两性电解质的性质并具有一、二、 三、四级结构,也受物理因素(加热、紫外线照射等)及化学因素(酸碱、有机溶剂等)的作 用而变性或沉淀,丧失活性。酶的分子量也很大,其水溶液具有亲水胶体的性质,不能通 过透析膜。在体外酶被胰蛋白酶水解而失活。 2.酶的核酸性质 多年来人们一直认为酶都是蛋白质,然而,近年来有实验表明:核酸分子也是高活性 的酶。最使人震惊的例子是L9RNA,它是原生动物四膜虫26 S TRNA前体经自身拼接 所释放出的内含子的缩短的形式(黑板图示)。L19RNA在一定条件下能够以高度专 的形式催化寡聚核糖核苷酸底物的切割与连接。我们称本质为RNA的酶为核糖核酸酶 ( ribozymes,有时也称为RNA酶。它们很适于去识别并转化单链核酸,因为它们与所作 用的核酸底物享用共同的碱基配对语言 RNA分子和蛋白质分子一样,可以是非常有效的催化剂,但大多数的RNA的催化 效率不及蛋白质。因为RNA不同于蛋白质:首先RNA不能形成大的非极性分子,而且 与蛋白质相比它们的极性小得多;第二,核酸只有四种不同的构建单位,而蛋白质有20 种氨基酸作为基本的构建单位 、酶的底物专性 酶的两个最显著特性就是它们的高度专一性( specificity)和极高的催化效率。正是由 于这些特性使得酶与一般催化剂有明显的区别。酶对它所催化的反应与对底物的选择两方 面都是高度专一的。通常酶只能催化一种化学反应或一类相似的化学反应。酶对底物的选 择性很严格,有时甚至是绝对的。由于酶具有专一性,所以生物体内的代谢过程才能有
100 （3）易失活 酶是蛋白质,凡是使蛋白质变性的因素(高温、高压、强酸、强碱等)都 能使酶的结构破坏，因而失去活性，所以酶的催化作用是在温和的条件•(常温、常压和适 合的 pH 值等)下实现的。 （4）酶活力的调节控制 酶活力可以调节控制。它的调控方式很多，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，详细内容将在后面讨论。这也是 化学调控的基础，叶面肥中含有许多离子，有些是光合酶的活化剂。 （5）酶的催化活力与辅酶、辅基及金属离子有关 有些酶是复合蛋白质,其中的小 分子物质(辅酶、辅基及金属离子)与酶的催化活性密切相关。若将它们除去,酶就会失去 活性。 酶的高效性、专一性及温和的作用条件在生物体内的新陈代谢中发挥着强有力的作 用，酶活力的调控使生命活动中的反应得以有条不紊地进行。 二、酶的化学本质 1．酶的蛋白质本质 蛋白质有多种生物功能，其中具有催化作用的蛋白质称为酶。几乎所有的酶都是蛋白 质。酶和其他蛋白质一样都是由氨基酸组成的，具有两性电解质的性质并具有一、二、 三、四级结构，也受物理因素(加热、紫外线照射等)及化学因素(酸碱、有机溶剂等)的作 用而变性或沉淀，丧失活性。酶的分子量也很大，其水溶液具有亲水胶体的性质，不能通 过透析膜。在体外酶被胰蛋白酶水解而失活。 2．酶的核酸性质 多年来人们一直认为酶都是蛋白质，然而，近年来有实验表明：核酸分子也是高活性 的酶。 最使人震惊的例子是 L19RNA，它是原生动物四膜虫 26S rRNA 前体经自身拼接 所释放出的内含子的缩短的形式（黑板图示）。L19RNA 在一定条件下能够以高度专一 的形式催化寡聚核糖核苷酸底物的切割与连接。我们称本质为 RNA 的酶为核糖核酸酶 (ribozymes)，有时也称为 RNA 酶。它们很适于去识别并转化单链核酸，因为它们与所作 用的核酸底物享用共同的碱基配对语言。 RNA 分子和蛋白质分子一样，可以是非常有效的催化剂，但大多数的 RNA 的催化 效率不及蛋白质。因为 RNA 不同于蛋白质：首先 RNA 不能形成大的非极性分子，而且 与蛋白质相比它们的极性小得多；第二，核酸只有四种不同的构建单位，而蛋白质有 20 种氨基酸作为基本的构建单位。 三、酶的底物专一性 酶的两个最显著特性就是它们的高度专一性(specificity) 和极高的催化效率。正是由 于这些特性使得酶与一般催化剂有明显的区别。酶对它所催化的反应与对底物的选择两方 面都是高度专一的。通常酶只能催化一种化学反应或一类相似的化学反应。酶对底物的选 择性很严格，有时甚至是绝对的。由于酶具有专一性，所以生物体内的代谢过程才能有一
定的方向和顺序。不同的酶具有不同程度的专一性。我们可以将酶的专一性分为三种类 1.绝对专性 有些酶的专一性是绝对的,即除一种底物以外,它对其他任何物质都不起催化作用 这种专一性称为绝对专一性。若底物分子发生细微的改变,便不能作为酶的底物。例如反 丁烯二酸酶仅能催化反丁烯二酸形成L苹果酸,却不能催化结构极其相似的顺丁烯二酸 发生此反应。 2.相对专一性 另外一些酶对底物专一性程度要求较低,能够对结构相似的一类化合物起催化作 用,这类酶的专一性称为相对专一性。它又可分为基团专一性和键专一性两类。现以水解 酶为例说明这两种类型的专一性。设底物A、B为两个化学基团,两者之间以一定的键 连接,当水解酶作用时,反应如下: A-B+HO- aoh+BH (1)基团专性有些酶除了要求A和B之间的键合适外,而且对其所作用键两 端的基团具有不同的专一性。例如A一B化合物,酶常对其中的一个基团(如A)具有高度 的甚至是绝对的专一性,而对另外一个基团(如B)具有相对的专一性。这种酶的专一性称 为基团专一性。例如,α-D葡萄糖苷酶能水解具有α-,4-糖苷键的D-葡萄糖苷,这种 酶对α-D-葡萄糖基团和α-糖苷键具有绝对专一性,而底物分子上的R基团则可以是任何 糖或非糖基嗽如甲基)。所以这种酶既能催化麦芽糖的水解,又能催化蔗糖的水解。 (2)键专一性有些酶的专一性更低,它只要求底物分子上有适合的化学键就可以 起催化作用,而对键两端的A、B基团的结构要求不严,只有相对专一性。例如,酯酶对 具有酯键( RCOOR′舶化合物都能进行催化,酯酶除了水解脂肪外,还能水解脂肪酸和 醇所合成的酯类。这种专一性称为键专一性。 立体专性 一种酶只能对一种立体异构体起催化作用,对其对映体则全无作用,这种专一性称 为立体专一性。自然界有许多化合物以立体异构体存在。氨基酸和糖类有D-构型及L-构 型的异构体,如D氨基酸的氧化酶能催化许多D氨基酸氧化,但对L氨基酸则完全不起 作用,所以D氨基酸氧化酶与DL-氨基酸作用时,只有一半的底物(D型)被分解,可用 此法来分离消旋化合物 四、酶的组成及分类 1.根据酶的组成将酶分成两类
101 定的方向和顺序。不同的酶具有不同程度的专一性。我们可以将酶的专一性分为三种类 型。 1．绝对专一性 有些酶的专一性是绝对的，即除一种底物以外，它对其他任何物质都不起催化作用， 这种专一性称为绝对专一性。若底物分子发生细微的改变，便不能作为酶的底物。例如反 丁烯二酸酶仅能催化反丁烯二酸形成 L-苹果酸，却不能催化结构极其相似的顺丁烯二酸 发生此反应。 2．相对专一性 另外一些酶对底物专一性程度要求较低，能够对结构相似的一类化合物起催化作 用，这类酶的专一性称为相对专一性。它又可分为基团专一性和键专一性两类。现以水解 酶为例说明这两种类型的专一性。设底物 A、B 为两个化学基团，两者之间以一定的键 连接，当水解酶作用时，反应如下： A—B + H2O────→ AOH + BH （1）基团专一性 有些酶除了要求 A 和 B 之间的键合适外，而且对其所作用键两 端的基团具有不同的专一性。例如 A—B 化合物，酶常对其中的一个基团(如 A)具有高度 的甚至是绝对的专一性，而对另外一个基团(如 B)具有相对的专一性。这种酶的专一性称 为基团专一性。例如，α-D-葡萄糖苷酶能水解具有α-l，4-糖苷键的 D-葡萄糖苷，这种 酶对α-D-葡萄糖基团和α-糖苷键具有绝对专一性，而底物分子上的 R 基团则可以是任何 糖或非糖基团(如甲基)。所以这种酶既能催化麦芽糖的水解，又能催化蔗糖的水解。 （2）键专一性 有些酶的专一性更低，它只要求底物分子上有适合的化学键就可以 起催化作用，而对键两端的 A、B 基团的结构要求不严，只有相对专一性。例如，酯酶对 具有酯键（RCOOR′)的化合物都能进行催化，酯酶除了水解脂肪外，还能水解脂肪酸和 醇所合成的酯类。这种专一性称为键专一性。 3．立体专一性 一种酶只能对一种立体异构体起催化作用，对其对映体则全无作用，这种专一性称 为立体专一性。自然界有许多化合物以立体异构体存在。氨基酸和糖类有 D-构型及 L-构 型的异构体，如 D-氨基酸的氧化酶能催化许多 D-氨基酸氧化，但对 L-氨基酸则完全不起 作用，所以 D-氨基酸氧化酶与 DL-氨基酸作用时，只有一半的底物(D 型)被分解，可用 此法来分离消旋化合物。 四、酶的组成及分类 1．根据酶的组成将酶分成两类
(1)单因为酶是蛋白质,所以酶和其他蛋白质一样,可以根据其组成成分分为 简单蛋白质和结合蛋白质两类。有些酶其活性仅仅决定于蛋白质结构,这类酶属于简单蛋 白质,又称单酶,如脲酶、蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶及核糖核酸酶等。 (2)全酶另一类酶其蛋白质与非蛋白组分结合后才表现出酶活性,这类酶属于结 合蛋白质,称为全酶,即全酶=酶蛋白+辅助因子。 全酶中蛋白质部分称为酶蛋白,非蛋白部分称为辅助因子。在催化反应中酶蛋白与辅 因子所起的作用不同,酶的专一性取决于酶蛋白本身,辅助因子一般都在酶促反应中起运 输转移电子、原子或某些功能基(如参与氧化还原或运载酰基)的作用 酶的辅助因子包括金属离子及有机物,绝大多数情况下可以通过透析或其他方法将 全酶中的辅助因子除去。例如,酵母提取物有催化葡萄糖发酵的能力,透析除去辅助因子 后,酵母就失去了催化能力。这种与酶蛋白松弛结合的辅助因子称为辅酶( cofactor或 coenzyme),但在少数情况下,有一些辅助因子是以共价键和酶蛋白结合在一起的,不 易透析除去,这种辅助因子称为辅基( prosthetic group)。辅基与辅酶的区别只在于它们与 酶蛋白结合的牢固程度不同,并无严格的界限。一些可作为酶的辅助因子的辅酶和辅基见 表5-1 2.根据酶蛋白的特点将酶分为三类 (1)单体酶单体酶 monomerIc enzyme)只有一条多肽链。属于这一类的酶很少,一 般都是催化水解反应的酶,相对分子质量在13000~35000之间如溶菌酶、胰蛋白酶 (2)寡聚酶寡聚酶( oligomeric enzyme)由几个甚至几十个亚基组成,这些亚基可 以是相同的多肽链,也可以是不同的多肽链。亚基之间不是共价结合,彼此很容易分开。 寡聚酶的分子量从35万到几百万,如磷酸化酶a和3-磷酸甘油脱氢酶等。 (3)多酶体系多酶体系( multienzyme system)是由几种酶彼此嵌合形成的复合体。 它有利于一系列反应的进行。这类多酶复合体分子量很高,一般都在几百万以上。如脂肪 合成酶复合体。 表5-1一些酶的辅助因子 乙醇脱氢酶( alcchol dehydrogenase) 碳酸酐酶( carbonic anhydrase) 碳酸水解酶( phosphohydrolases 磷酸转移酶( phosphotransferases Mg mn 精氨酸酶( arginase) 丙酮酸羧化酸 (pyrN decarboxylase) Zn2+Mn2(还需生物素) 胞色素( cytochromes 过氧化物酶( peroxidse Fe2或Fe”(铁离子在卟啉环中) 过氧化氢酶( catalase) Fe2+或Fe”(铁离子在卟啉环中)
102 （1）单酶 因为酶是蛋白质，所以酶和其他蛋白质一样，可以根据其组成成分分为 简单蛋白质和结合蛋白质两类。有些酶其活性仅仅决定于蛋白质结构，这类酶属于简单蛋 白质，又称单酶，如脲酶、蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶及核糖核酸酶等。 （2）全酶 另一类酶其蛋白质与非蛋白组分结合后才表现出酶活性，这类酶属于结 合蛋白质，称为全酶，即全酶＝酶蛋白＋辅助因子。 全酶中蛋白质部分称为酶蛋白，非蛋白部分称为辅助因子。在催化反应中酶蛋白与辅 因子所起的作用不同，酶的专一性取决于酶蛋白本身，辅助因子一般都在酶促反应中起运 输转移电子、原子或某些功能基（如参与氧化还原或运载酰基）的作用。 酶的辅助因子包括金属离子及有机物，绝大多数情况下可以通过透析或其他方法将 全酶中的辅助因子除去。例如，酵母提取物有催化葡萄糖发酵的能力，透析除去辅助因子 后,酵母就失去了催化能力。这种与酶蛋白松弛结合的辅助因子称为辅酶(cofactor 或 coenzyme)•，但在少数情况下，有一些辅助因子是以共价键和酶蛋白结合在一起的，不 易透析除去，这种辅助因子称为辅基(prosthetic group)。辅基与辅酶的区别只在于它们与 酶蛋白结合的牢固程度不同，并无严格的界限。一些可作为酶的辅助因子的辅酶和辅基见 表 5-1。 2．根据酶蛋白的特点将酶分为三类 （1）单体酶 单体酶(monomeric enzyme)只有一条多肽链。属于这一类的酶很少,一 般都是催化水解反应的酶，相对分子质量在 13 000～35 000 之间,如溶菌酶、胰蛋白酶 等。 （2）寡聚酶 寡聚酶 (oligomeric enzyme)由几个甚至几十个亚基组成，这些亚基可 以是相同的多肽链，也可以是不同的多肽链。亚基之间不是共价结合,彼此很容易分开。 寡聚酶的分子量从3.5 万到几百万，如磷酸化酶 a 和 3-磷酸甘油脱氢酶等。 （3）多酶体系 多酶体系 (multienzyme system)是由几种酶彼此嵌合形成的复合体。 它有利于一系列反应的进行。这类多酶复合体分子量很高，一般都在几百万以上。如脂肪 合成酶复合体。 表 5-1 一些酶的辅助因子 某些含有或需要金属离子的酶 辅助因子(金属离子) 乙醇脱氢酶(alcohol dehdrogenase) 碳酸酐酶(carbonic anhydrase) 羧肽酶(carboxypeptidase) 碳酸水解酶(phosphohydrolases) 磷酸转移酶(phosphotransferases) 精氨酸酶(arginase) 丙酮酸羧化酶(pyruv tecarboxylase) 细胞色素(cytochromes) 过氧化物酶(peroxidase) 过氧化氢酶(catalase) Zn2+ Zn2+ Zn2+ Mg2 Mg2+ Mn2+ Mn2+ Zn2+ Mn2+(还需生物素) Fe2+或 Fe3+(铁离子在卟啉环中) Fe2+或 Fe3+(铁离子在卟啉环中) Fe2+或 Fe3+(铁离子在卟啉环中)
琥珀酸脱氢酶 succinic dehydrogenase Fe2·或Fe还需FAD) 铁氧还蛋白( ferredoxin dehydrogenas) Fe(铁原子在铁硫品格中,这种蛋白存在于细菌代谢及光合 作用中,固氮酶中的这种蛋白质还含有钼原子) 铁黄素蛋白( Fe-flavaprotein) 酪氨酸酶( tyrosinase) u或Cu2+ 细胞色素氧化酶( cytochrome oxdase Cu或Cu2 漆酶( accase) Cu或Cu2 坏血酸氧化酶 ascorbic acid oxdase Cu或Cu2 丙酮酸磷酸激( pyruvate phosphokinase) K(也需要Mg) 细胞膜ATP酶( plasma membranc ATPase) Na(也需要K及Mg2) Fe+, Mo+ 第三节影响酶促反应速度的因素 、底物浓度对促反应速度的影响 所有的酶促反应,如果其他条件恒定,则反应速度决定于酶浓度和底物浓度,如果 酶浓度保持不变,底物浓度增加,反应速度 随之增加,并以双曲线形式达到最大速度。 酶促反应速度并不是随着底物浓度的增加而 直线增加,而是在高浓度时达到一个极限速 度。这时所有的酶分子已被底物所饱和,即 酶分子与底物结合的部位已被占据,速度不12rma 再增加,如图5-1所示。这个问题我们可以 用 Michaelis- Menten于1913年提出的学说 来解释。 Michaelis-Menten学说的要点是假设有 酶一底物中间产物形成,并假设反应中底物 底物浓度[S] 转变成产物的速度取决于酶一底物复合物转 变成反应产物和酶的速度,其关系如下 图5-1底物浓度对反应速度的影响 E+P 在上式中E表示酶,S表示底物,ES表示酶一底物复合物,P表示产物,K1、K1和 K2为三个假设过程的速度常数。若形成ES的速度为V则 VFKI(E]-ESDISI
103 琥珀酸脱氢酶(succinic dehydrogenase) 铁氧还蛋白(ferredoxin dehydrogenase) 铁黄素蛋白(Fe-flavoprotein) 酪氨酸酶(tyrosinase) 细胞色素氧化酶(cytochrome oxdase) 漆酶(laccase) 抗坏血酸氧化酶(ascorbic acid oxidase) 丙酮酸磷酸激酶(pyruvate phosphokinase) 细胞膜 ATP 酶(plasma membranc ATPase) 固氮酶(nitogenase) Fe2+或 Fe3+(还需 FAD) Fe(铁原子在铁硫晶格中，这种蛋白存在于细菌代谢及光合 作用中，固氮酶中的这种蛋白质还含有钼原子) Fe Cu+或 Cu2+ Cu+或 Cu2 Cu+或 Cu2 Cu+或 Cu2 K + (也需要 Mg2+) Na+ (也需要 K +及Mg2+) Fe2+，Mo2+ 第三节 影响酶促反应速度的因素 一、底物浓度对酶促反应速度的影响 所有的酶促反应，如果其他条件恒定，则反应速度决定于酶浓度和底物浓度，如果 酶浓度保持不变，底物浓度增加，反应速度 随之增加，并以双曲线形式达到最大速度。 酶促反应速度并不是随着底物浓度的增加而 直线增加，而是在高浓度时达到一个极限速 度。这时所有的酶分子已被底物所饱和，即 酶分子与底物结合的部位已被占据，速度不 再增加，如图 5-1 所示。这个问题我们可以 用 Michaelis-Menten 于 1913 年提出的学说 来解释。 Michaelis-Menten 学说的要点是假设有 酶—底物中间产物形成，并假设反应中底物 转变成产物的速度取决于酶－底物复合物转 变成反应产物和酶的速度，其关系如下： 在上式中 E 表示酶，S 表示底物，ES 表示酶—底物复合物，P 表示产物，K1、K-1 和 K2 为三个假设过程的速度常数。若形成 ES 的速度为Vf，则 Vf= K1([Et]-[ES])[S] 图 5-1 底物浓度对反应速度的影响 E + S ES E + P K1 K2 K-1 Vmax 1/2Vmax Km 底物浓度 [S] 反应速度 V
式中E为酶的总浓度,巴E-S]为未结合的酶的浓度。ES生成的速度V与未结合的酶浓 度及底物浓度成正比。ES消失的速度v为 Vd=K-1[ESH KESI 这是由于ES因生成初反应物(K1)或生成产物K2)而消失 当ES的生成速度与消失速度相等时,即 则 KI(Eth-ESDIS=K-[ES+K2 ESI 将上式移项 KI[EtIS]=K[ESIS]+K2[ES]+K-1[ESI KIEIS=(K1[S]+K+KES] KIEdIS ES (K1[SH+ K2+ K-1) k2+K-1 S]+ KI 设=K2{ES],V为观察所得的初速度,代入上式 K2[] : K2+K1 设K2+K1 =Km,Vmn=K[E则 KI Vmax[sI S+Km 这就是米氏方程( Michaelis- Menten equation),Km称之为米氏常数( Michae lis constant)。这个方程式表明了当已知Km及Vm时,酶反应速度与底物浓度之间的定量关 系 当酶促反应处于V=1Ix的特殊情况时 Km +ISI
104 式中 Et 为酶的总浓度，[Et]-[ES]为未结合的酶的浓度。ES 生成的速度 Vf 与未结合的酶浓 度及底物浓度成正比。ES 消失的速度 Vd 为 Vd= K-1[ES]+ K2[ES] 这是由于 ES 因生成初反应物(K-1)或生成产物(K2)而消失。 当 ES 的生成速度与消失速度相等时，即 Vf=Vd 则 K1([Et]-[ES])[S]＝K-l[ES]+K2 [ES] 将上式移项 K1[Et][S]＝Kl[ES][S]+K2[ES]+K-1[ES] K1[Et][S]＝(K1[S]+K2+K-1)[ES] K1[Et][S] [Et][S] [ES] ＝──────── ＝ ─────── (K1[S]+ K2+ K-1) K2+ K-1 [S]+ ─── K1 设 V＝K2[ES]，V 为观察所得的初速度，代入上式 K2[Et][S] V＝ ────── K2+ K-1 [S]+ ─── K1 设 K2+ K -1 ────＝Km，Vmax＝K2[Et], 则 K1 Vmax[S] V＝───── [S] + Km 这就是米氏方程 (Michaelis-Menten equation)， Km 称之为米氏常数(Michae1isconstant)。这个方程式表明了当已知 Km 及 Vmax 时，酶反应速度与底物浓度之间的定量关 系。 当酶促反应处于V＝1/2 Vmax 的特殊情况时， Vmax Vmax·[S] ── ＝ ────── 2 Km +[S]