8.1 酶可以按催化的反应类型分类 8.2 比活是酶纯化程度的指标 8.3 酶降低反应的活化能，但不会改变反应平衡 8.4 酶催化作用发生在活性部位

1. 第8章 酶学 8.1 酶可以按催化的反应类型分类 8.2 比活是酶纯化程度的指标 8.3 酶降低反应的活化能，但不会改变反应平衡 8.4 酶催化作用发生在活性部位 8.5 存在着几种解释酶催化作用的机制 8.6 米氏方程是表示酶促反应的速度方程 8.7 可逆抑制剂通过非共价键与酶结合 8.8 不可逆抑制剂共价修饰酶 8.9 酶促反应的速度受pH的影响 8.10 丝氨酸蛋白酶可以说明酶活性的许多特征 8.11 调节酶一般都是寡聚体 8.12 某些酶具有组织或器官特异性

2. 酶是非常有效的和特异性高的生物催化剂。酶催化反应条件温和、常温、常压。酶催化的反应比相应的没有催化剂的反应快103～1017倍。例如在0℃时，1mol过氧化氢酶能使5×106 mol H2O2分解为H2O和O2；而在同样条件下，每克离子铁只能使6×10－4mol H2O2分解，酶比铁离子快了1010倍。 酶作用的特异性分为绝对特异性、相对特异性和立体异构特异性。 绝对特异性是指酶只能催化一种或两种结构极相似的化合物的反应，如脲酶只水解尿素。而相对特异性是指酶可作用于一类化合物或一种化学键，如脂肪酶或酯酶催化酯键水解，对酯键两侧的基团要求不严格，对很多有机酸和醇（或酚）形成的酯键都能水解。

3. 立体异构特异性是指酶作用的底物应具有特定的立体结构才能被催化。这种异构性包括光学异构性和几何异构性。立体异构特异性是指酶作用的底物应具有特定的立体结构才能被催化。这种异构性包括光学异构性和几何异构性。 光学异构性是指一种酶只能催化一对镜像异构体中的一种，而对另一种不起作用。例如精氨酸酶只水解L-精氨酸生成L-鸟氨酸和尿素，而对D-精氨酸没有作用。 几何异构性是指立体异构中的顺式和反式，-、-构型。有的酶具有这种立体异构的专一性，如延胡索酸酶只能催化延胡索酸（反丁烯二酸）加水生成苹果酸，对顺丁烯二酸不起作用。

4. 8.1 酶的命名和分类是根据酶催化的反应 将酶按照酶催化的有机化学反应类型分为六大类型： 1. 氧化还原酶：催化氧化－还原反应。其中的大多数酶称之脱氢酶，但有些也称之氧化酶、过氧化酶、加氧酶或还原酶。 2. 转移酶：催化基团转移反应。其中许多转移酶需要辅酶。通常底物分子的一部分与酶或辅酶共价结合，这类酶包括激酶。 3. 水解酶：催化水解反应。这是特殊的一类转移酶，水作为转移的基团的受体。

5. 4. 裂合酶：催化非水解和非氧化的底物的消除反应，或裂解，生成一个双键。在裂解酶催化的可逆反应中，裂解酶催化一个底物加到第二个底物的一个双键处。催化细胞内的加成反应的裂解酶常命名为合成酶。 5. 异构酶：催化异构化反应。这类反应是最简单的酶促反应，因为这些反应只有一个底物或一个产物。 6. 连接酶：催化两个底物的连接反应或称之交联反应。这类反应通常需要输入能量，例如腺苷三磷酸ATP。连接酶也常称之合成酶。

6. 8.2 比活是酶纯化程度的指标 酶活性也称为酶活力，是指酶催化指定化学反应的能力。 酶活力的大小用酶活性单位的多少来表示。 比活是指每毫克蛋白含有的酶单位数。 猪肾氨基酰化酶各个步骤纯化数据

7. 8.3 酶降低反应的活化能，但不会改变反应平衡 一个简单的单底物的酶促反应可用下式表示。 E＋S＝ES＝E＋P 可以用相应反应历程图表示。 过渡态 无催化 自 由 能 活化能 自 由 能 催化 反应剂 自由能变化 产物 a.无酶催化的反应 b.酶催化的反应

8. 纵坐标表示自由能（G），横坐标为反应过程。从图中可以看到，S和P都含有一定的自由能，即处于称为基态的一种稳定的状态。S和P之间的平衡反映了它们的基态自由能的差别，它们之间存在着象座“ 山 ” 的能障，反应的底物必须提高能量水平才能跨越能障。 “ 山 ”顶处称为过渡态，因为具有过渡态能量的分子可以转化为 S 或 P。从反应物的基态到达过渡态所需要的能量称为反应的活化能。S→P的活化能用ΔG0S→P，P→S的活化能用ΔG0P→S表示。而ΔG0代表由S到P的整个标准自由能变化。一个底物要转化为产物必须克服活化能障，升高反应温度可以增加具有克服活化能障的底物分子数，但活化能并没有降低。

9. 8.4 酶催化作用发生在活性部位 酶分子一般都很大，但酶中真正起催化作用的部位只是酶分子中某一部位，该部位称为酶的活性部位，活性部位是酶结合和催化底物的场所。 活性部位是一个三维空间结构；通常位于酶蛋白的两个结构域或亚基之间的裂隙，或位于蛋白质表面的凹槽。 活性部位是多肽链折叠形成的一个特殊的空间结构，一些在氨基酸序列相距很远的氨基酸残基经折叠会靠近，有的就是活性部位的组成成分，直接参与酶的催化作用。 对活性部位没有直接贡献的其它部位是形成和稳定酶天然结构所需要的。当然酶的其它功能还包括调节功能和指导酶正确定向于细胞中的信号部分。

10. 8.5 存在着几种解释酶催化作用的机制 8.5.1 几乎所有酶的作用机制都包括酸碱催化机制 在活性部位，离子化的氨基酸残基侧链参与两类化学催化，即酸碱催化和共价催化，是两种主要的化学催化模式。 在酸碱催化中，一个反应的加速是通过催化一个质子转移完成的。酶利用在细胞接近中性pH条件下可以给出或接受质子的氨基酸侧链，酶的活性部位可以提供一个相当于强酸或强碱溶液的生物环境。 由于在大多数蛋白质中，组氨酸侧链咪唑基解离的pK值是6到7，所以它是一个在中性pH下用于质子转移的理想的基团。天冬氨酸和谷氨酸的羧基在某些酶中也可以充当酸碱催化剂，因为这些羧基解离的pKα值近似为4。

11. 用B：表示一个碱，或一个质子受体，而用BH＋表示相应的共轭酸，一个质子的供体。一个质子受体可以通过除去一个质子切断C-H键形成一个负碳离子。用B：表示一个碱，或一个质子受体，而用BH＋表示相应的共轭酸，一个质子的供体。一个质子受体可以通过除去一个质子切断C-H键形成一个负碳离子。

12. 也可参与涉及碳的其它键的断裂，例如一个C-N键的断裂，通过B：在中性溶液中除去水分子的一个质子后产生的一个等价的OH－来完成。也可参与涉及碳的其它键的断裂，例如一个C-N键的断裂，通过B：在中性溶液中除去水分子的一个质子后产生的一个等价的OH－来完成。

13. 8.5.2 许多酶催化的基团转移反应都是通过共价催化进行的 共价催化是第二种类型的化学催化模式，主要通过一个底物或底物的一部分与催化剂形成共价键催化基团的转移反应。在酶作用下的共价催化中，一个底物的一部分首先转移到酶上，然后再转移到第二个底物上。例如基团X从分子A-X转移到分子B上就是经共价ES复合物X-E，按如下两个步骤进行的。 A-X＋E ＝ A＋X-E X-E＋B ＝ B-X＋E A-X＝ B-X

14. 8.5.3 底物与酶的结合在催化过程中起着重要的作用 1. 底物靠近和定向于酶的活性部位 显然活性部位处的底物浓度越高越有利于反应。底物（也包括辅助因子）的敏感键逐渐靠近活性部位的催化基团，为的是定向于催化基团以便容易形成过渡态。 2. 底物变形 许多活性部位开始与底物并不相适合，但为了结合底物酶的活性部位不得不变形（诱导契合）以适合底物。一旦与底物结合，酶可以使底物变形，使得敏感键易于断裂和促使新键形成。

15. 8.6 米氏方程是表示酶促反应的速度方程 酶促反应动力学简称之酶动力学，主要研究酶促反应的速度以及其它因素，例如抑制剂等对反应速度的影响。 在酶促反应中，如果底物的量远远超过酶量，则反应速度与酶浓度成正比。 反应速度 酶浓度

16. 如果固定酶浓度，改变底物浓度，酶促反应的速度与底物浓度有什么样关系呢？如果固定酶浓度，改变底物浓度，酶促反应的速度与底物浓度有什么样关系呢？ 在低浓度底物情况下，反应相对于底物是一级反应，反应速度与底物成直线关系。 当底物浓度处于中间范围时，相对于底物的反应是混合级反应。当底物浓度增加时，反应由一级反应向零级反应过渡。 在高浓度底物下，酶被底物饱和，反应相对于底物是零级反应。反应速度与底物浓度无关。酶被底物饱和时的速度称之最大反应速度Vmax， 当底物浓度[S]逐渐增大时，速度相对于[S]的曲线为一双曲线。

17. 酶浓度固定，反应速度与底物浓度之间的关系 零级反应 一级反应 底物浓度

18. 双曲线方程可以写成： Vmax[S] ＝—————— （4.2） Km＋[S] 该方程称为Michaelis-Menten方程（米氏方程），其中 Km值称之米氏常数，Vmax是酶被底物饱和时的反应速度。 米氏常数Km是酶促反应速度为最大酶促反应速度值一半时的底物浓度。这可通过用[S]取代米氏方程（4.2）中的Km证明，通过计算可得＝Vmax /2。

19. 酶（E）催化底物（S）在酶活性部位裂隙中先形成一个酶-底物复合物（ES），底物与酶短暂反应转化为一个产物（P）的双分子反应起始时的反应可以写作（把酶看作一个反应分子）：酶（E）催化底物（S）在酶活性部位裂隙中先形成一个酶-底物复合物（ES），底物与酶短暂反应转化为一个产物（P）的双分子反应起始时的反应可以写作（把酶看作一个反应分子）： k1 kcat E＋S → ES → E＋P （4.1） k－1 方程中的速度常数k1为 S 和 E 的结合常数，k－1是ES的解离常数。kcat为第二步反应的速度常数，也称为催化常数（或转换数）。由ES转换为游离的酶和产物的反应是用单箭头表示的。这是因为在刚开始的时候，生成的产物非常少，所以可逆反应（ES → E＋S）可以忽略。

20. 当底物浓度非常大时，反应速度接近于一个恒定值。在曲线的这个区域，酶几乎被底物饱和，反应相对于底物S是个零级反应。就是说再增加底物对反应速度没有什么影响。当底物浓度非常大时，反应速度接近于一个恒定值。在曲线的这个区域，酶几乎被底物饱和，反应相对于底物S是个零级反应。就是说再增加底物对反应速度没有什么影响。 （饱和时）＝Vmax＝[E][S]0＝[E]total＝cat[ES] （4.3） 速度常数等于催化常数cat。饱和时，所有的E都是以ES存在。方程（4.3）中还有另一个简单的关系式： Vmax＝cat [E]total 从中得出：cat＝Vmax / [E]total。催化常数是Vmax除以起始的酶浓度[E]total或除以在饱和条件下每秒每摩尔酶催化下转化成产物的底物的摩尔数。 cat的单位是s－1。cat的倒数是完成一个催化过程所需要的时间，所以催化常数可以衡量一个酶促反应的快慢。

21. 8.6.1米氏方程的推导 假定存在一个时间周期，在此期间 S 结合 E的速度与 ES 解离的速度相同。此时[ES]是个恒定值，因为 ES 解离为 E＋S 或 E＋P 的速度等于由 E＋S 形成 ES 的速度。由E＋S 形成 ES的速度取决于游离酶的浓度，即等于[E]total－[ES]。可写成： （－1＋cat）[ES]＝1（[E]total－[ES]）[S] （4.4） 整理方程，将速度常数集中在一边，并定义为米氏常数Km。 （－1＋cat） （[E]total－[ES]）[S] —————— ＝ Km ＝ ———————— （4.5） 1 [ES] 从方程（4.5）：Km[ES]＝（[E]total－[ES]）[S] [ES]（Km＋[S]）＝[E]total[S]

22. [E]total[S] [ES]＝ ———— （4.6） Km＋[S] 由于酶促反应速度取决于ES转换为E＋P的速度。 ＝cat[ES] （4.7） 将方程（4.6）代入（4.7）， cat [E]total[S] ＝ —————— （4.8） Km＋[S] 因为cat [E]total＝Vmax，代入方程（4.8），就得到了米氏方程。 Vmax[S] ＝—————— （4.9） Km＋[S]

23. （－1＋cat） —————— ＝ Km  1 如果cat比1或－1小得多，cat可以忽略，Km就变成了 －1 / 1，这是 ES 解离为E＋S的平衡常数。 同样Michaelis和Menten假定ES与E＋S处于快速的平衡中， Km就是 ES 的解离常数。因此 Km是 E 对 S 的亲和力的量度。如果 Km的值越小，表明 E 与 S 结合的越紧密。 如果一个酶可作用几个底物，例如己糖激酶对葡萄糖的Km值为1.5×10－4；对果糖的Km值为1.5×10－3 ，显然酶对葡萄糖的亲和性更高，葡萄糖就称之为己糖激酶的天然底物。

24. 8.6.2 Km 和 Vmax可以用双倒数作图法确定 在计算机广泛应用之前，通常都是利用米氏方程的转换形式求出Km和Vmax值。常用的米氏方程转换形式是Lineweaver-Burk方程，也称为双倒数方程。 1 Km 1 1 —— ＝—— · —— ＋ ——  Vmax [S] Vmax 将1/ 对1/[S]作图，可以获得一条直线。从直线与x轴的截距可以得到 1/Km 的绝对值；而 1/Vmax 是直线与y轴的截距。虽然由双倒数作图得到的 Km 和 Vmax 值的精确性要比计算机计算给出的值差，但双倒数作图直观、容易理解，为酶抑制研究提供了易于识别的图形。

26. 8.7 可逆抑制剂通过非共价键与酶结合 8.7.1 竞争性抑制剂只与游离的酶结合

27. 竞争性抑制剂一与酶结合就阻止了底物与酶的结合，所以说底物、抑制剂与酶的结合是竞争性的。竞争性抑制剂一与酶结合就阻止了底物与酶的结合，所以说底物、抑制剂与酶的结合是竞争性的。 只要底物浓度浓度足够大，酶仍然可以被底物饱和，就象没有抑制剂存在时一样，即最大反应速度应当是不变的。 因此在有竞争性抑制剂存在下， Vmax不变，但Km 增加。 吲哚是胰凝乳蛋白酶的竞争性，这是由于酶作用的底物Trp的侧链中含有吲哚基。

28. 8.7.2 反竞争性抑制剂只与ES结合 反竞争性抑制剂只与ES结合，而不与游离酶结合。

29. 在反竞争性抑制作用中，Vmax减小（1/Vmax增大），Km减小（即1/Km的绝对值增大）。在反竞争性抑制作用中，Vmax减小（1/Vmax增大），Km减小（即1/Km的绝对值增大）。

30. 8.7.3 非竞争性抑制剂与ES和E都结合 非竞争性抑制剂与底物结合部位不同，所以他既可与E结合，也可与ES结合，生成的EI和ESI都是失活形式的复合物。

31. 在非竞争性抑制作用中， Km不变， Vmax变小。

32. 8.7.4 可逆的酶抑制剂常用于酶学研究和临床 临床上通过改变酶活性可以提供非常有效的治疗手段。在癌症和微生物或病毒感染中，药物治疗的目的是在不伤害宿主细胞的条件下防止受侵害细胞或病毒的繁殖。例如通过抑制病毒DNA合成所需要的酶就可使病毒感染减轻。 核苷3ˊ-叠氮-2ˊ,3ˊ-脱氧胸腺嘧啶（AZT,）是第一个用于治疗获得性免疫缺陷综合症（AIDS）的药物，它通过代谢可转换为相应的AZT 5ˊ-三磷酸，该三磷酸化合物抑制催化由病毒RNA模板合成DNA的逆转录酶。

33. 氨甲蝶呤和三甲氧苄二氨嘧啶都是二氢叶酸还原酶的竞争性抑制剂，该酶是胸腺嘧啶单磷酸（TMP）合成所必需的酶。氨甲蝶呤和三甲氧苄二氨嘧啶都是二氢叶酸还原酶的竞争性抑制剂，该酶是胸腺嘧啶单磷酸（TMP）合成所必需的酶。 氨甲蝶呤可以抑制脊椎动物二氢叶酸还原酶和被用于选择性杀伤快速分裂的细胞，是最成功的癌症化疗制剂之一。 三甲氧苄二氨嘧啶是原核生物二氢叶酸还原酶的一个有潜力的选择性抑制剂，但对人的还原酶的抑制很弱，所以常被用于某些细菌感染和疟疾的治疗。

35. 另外，磺胺药是以对氨基苯磺酰胺为主要成分的消炎药（杀菌药），它的结构非常类似于细菌生长繁殖所需要的叶酸中对氨基苯甲酸，叶酸在二氢叶酸合成酶的催化下生成二氢叶酸，所以磺胺药与叶酸竞争结合二氢叶酸合成酶，因此磺胺药是细菌二氢叶酸合成酶的竞争性抑制剂。另外，磺胺药是以对氨基苯磺酰胺为主要成分的消炎药（杀菌药），它的结构非常类似于细菌生长繁殖所需要的叶酸中对氨基苯甲酸，叶酸在二氢叶酸合成酶的催化下生成二氢叶酸，所以磺胺药与叶酸竞争结合二氢叶酸合成酶，因此磺胺药是细菌二氢叶酸合成酶的竞争性抑制剂。 人由于可以直接从食物中获得叶酸，所以基本上不受磺胺药。但细菌不能利用外源的叶酸。

36. 磺胺药中的主要成分 叶 酸

37. 8.8 不可逆抑制剂共价修饰酶 不可逆抑制抑制剂与酶分子形成一个稳定的共价键。有机磷化合物、有机汞、有机砷化合物、氰化物等都是酶的不可逆抑制剂。有机磷化合物可以使以可反应的丝氨酸为活性部位残基的水解酶失活。 神经毒气二异丙基氟磷酸（DFP）是有机磷化合物中的一员。DFP与酶活性部位的丝氨酸残基反应生成二异丙基磷酰丝氨酸。神经毒气对神经极端有毒，生物学上的作用抑制乙酰胆碱酯酶，使乙酰胆碱不能分解为乙酸和胆碱，乙酰胆碱的堆积引起一系列神经中毒症状，所以也称为神经毒剂。

38. 二异丙基氟磷酸（DFP）与酶活性部位的丝氨酸残基反应生成二异丙基磷酰丝氨酸。两者之间形成的是共价健。二异丙基氟磷酸（DFP）与酶活性部位的丝氨酸残基反应生成二异丙基磷酰丝氨酸。两者之间形成的是共价健。

39. 低浓度的吡啶醛肟甲碘化物（PAM）可以作为解毒药取代磷酸和重新激活取代的酶。低浓度的吡啶醛肟甲碘化物（PAM）可以作为解毒药取代磷酸和重新激活取代的酶。 因为带正电荷的甲基吡啶基团可以与乙酰胆碱酯酶的阴离子部位结合，取代靠近有机酯的磷原子的亲核氧，使酶恢复活性。

40. 8.9 酶促反应的速度受pH的影响 反应的起始速度对pH作图，大多数情况下可得到一个钟形曲线，例如葡萄糖-6-磷酸酶。有的酶温度曲线不是钟形，例如胃蛋白酶是个偏向酸性区的半钟形曲线。从曲线可以看出，在某一pH下，反应速度可达到最大，这一pH称为酶的最适pH。 钟形曲线 半钟形曲线 葡萄糖-6-磷酸酶 胃蛋白酶

41. 8.10 丝氨酸蛋白酶可以说明酶活性的许多特征 4.10.1 胰凝乳蛋白酶原是胰凝乳蛋白酶的非活性前体 丝氨酸蛋白酶家族活性部位中都含有丝氨酸残基，包括凝血因子和胰凝乳蛋白酶、胰蛋白酶和弹性蛋白酶等消化酶。 细胞合成的是蛋白酶的非活性前体－酶原，必须经过共价修饰才能具有活性。 肠胰蛋白酶原、胰凝乳蛋白酶原、弹性蛋白酶原和羧肽酶原在合适的生理条件下，于细胞外通过有选择地水解一个或几个肽键后被激活。

42. 胰凝乳蛋白酶原的激活首先是在胰蛋白酶的催化下，Arg-15和Ile-16之间的肽键被切断，生成一个具有很高活性的，但相当不稳定的称为-胰凝乳蛋白酶。胰凝乳蛋白酶原的激活首先是在胰蛋白酶的催化下，Arg-15和Ile-16之间的肽键被切断，生成一个具有很高活性的，但相当不稳定的称为-胰凝乳蛋白酶。 -胰凝乳蛋白酶的氨基酸残基第13和14、146和147以及148和149之间的肽键易于被活性的胰凝乳蛋白酶切割，称为自动激活作用，切下了Ser-14－Arg-15和Thr-147－Asn-148两个二肽，最后生成了最稳定形式的酶，即-胰凝乳蛋白酶，或简称为胰凝乳蛋白酶。 胰凝乳蛋白酶是含有241个氨基酸残基的由3条链组成的蛋白酶。胰凝乳蛋白酶的三级结构是通过连接残基1和122、42和58、136和201、168和182以及191和220的5个二硫键稳定的。

43. 胰凝乳蛋白酶原的激活过程 胰蛋白酶 -胰凝乳 蛋白酶 胰凝乳蛋白酶 胰凝乳蛋白酶

44. 8.10.2 凝血涉及酶原激活的级联反应 凝血涉及十多种蛋白，其中某些蛋白质是以非活性的丝氨酸蛋白酶原形式在血液中循环。当血管损伤时，凝血酶原通过级联反应的方式被快速地激活。每一个丝氨酸蛋白酶对它的底物都具有很高的特异性，催化一个或几个肽键的水解。 酶原的依次激活最终导致凝血酶的生成，凝血酶催化可溶性的循环中的血纤维蛋白原转化为不溶的血纤维。 凝血蛋白数字的大小大致表示出发现的先后次序，脚标a特指有活性的因子。凝血酶和因子VIIa、IXa、Xa、XIa和XIIa是与其它丝氨酸蛋白酶，例如胰蛋白酶同源的丝氨酸蛋白酶。

45. 凝血酶原和因子VII、XI和X都含有钙结合部位，Ca2+是将这些凝血因子定位于血小板膜表面所必需的。凝血酶原和因子VII、XI和X都含有钙结合部位，Ca2+是将这些凝血因子定位于血小板膜表面所必需的。 组织因子和因子Va以及 VIIIa是促进特殊蛋白酶活性的非酶辅助因子蛋白质。 血友病是一种遗传病，常见的血友病A是缺少因子VIII的血液遗传病，而不常见的血友病B是由于缺少因子XI造成的。编码这两种因子的基因都位于X染色体上，所以血友病是与X染色体相关的疾病。 患有血友病A的病人现在可以通过注射因子VIII治疗，因子VIII是通过编码该蛋白的基因的克隆和表达制备的。

46. 外在途径 血管损伤 内在途径 组织因子 交联的血纤维蛋白

48. 8.10.3 X-射线晶体图分析揭示了丝氨酸蛋白酶底物结合特异性 胰凝乳蛋白酶、胰蛋白酶和弹性蛋白酶结构上的微小差别反映出它们底物的特异性。胰蛋白酶与胰凝乳蛋白酶之间结构上的主要区别是胰凝乳蛋白酶的疏水性口袋的底部是一个不带电荷的氨基酸残基（图a），而胰蛋白酶是一个带电荷的天冬氨酸残基（图b），这个带负电荷的残基是造成胰蛋白酶底物特异性的原因，在ES复合物中，它与底物的带正电荷的Arg和Lys残基的侧链形成离子对。 弹性蛋白酶在三级结构上类似于胰凝乳蛋白酶，但弹性蛋白酶的结合口袋要浅得多。胰凝乳蛋白酶和胰蛋白酶结合部位的入口处有两个甘氨酸残基，而在弹性蛋白酶的入口处是比甘氨酸大得多的缬氨酸和苏氨酸残基（图c）。

49. 胰凝乳蛋白酶的疏水性口袋的底部是一个不带电荷的氨基酸残基胰凝乳蛋白酶的疏水性口袋的底部是一个不带电荷的氨基酸残基

50. 底物“口袋”中有一个带电荷的天冬氨酸残基