第三章酶Enzyme 在实验室中，复杂有机物的合成与分解必需在高温、高压、强酸或强碱答剧烈条件 下进行，而在生物体内虽然涤件十分温和，许多复杂的化学变化却进行得极顺剂和迅速， 这种使化学反应变得容易和迅速的根本原因就是生物体内普遍荏在着生物催化剂 酶。酶与其他催化剂不同，它具有很大的专一性和极高的催化效率，能在机体中十分温和 的条件下起高效率的催化作用，这不是无机催化剂所能比拟的。 人们对酶的认识起源于生产实践。我国几千年前就开始制作发酵饮料及食品。1833 年Payon和Persoz从麦芽提取液中分离得到一种能水解淀粉的物质，称之为淀粉酶。 1857年微生物学家Pasteur等人提出酒精发酵是酵母细胞活动的结果，1878年提出了 “酶”这个概，Liebig等人提出发酵现象是由溶解于细胞液中的酶引起的。1913年 Michaelis和Menten提出了酶动力学原理一米氏学说，这对酶学反应机理的研究是一 个突破。1926年Sumner第一次从刀豆中提取出了脲酶结晶，并第一次证明酶有蛋白质性 质。20世纪30年代Northrop又分离出了结晶的胃蛋白酶、胰蛋白酶及胰凝乳蛋白酶，并 进行了动力学探讨，确立了酶的蛋白质本质。 现已鉴定出4000多种酶，其中不少得到结晶，很多种的一级结构或三级结构也已经 阐明。随着酶学理论研究的不断深入必将对生命本质的探索作出更大的贡献。 第一节酶的催化性质 酶是生物催化剂 是由活细胞产生的生物催化剂，这种催化剂具有极高的催化效率和高度的底 物特异性，其化学本质是蛋白质 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26 S rRNA前体经自身拼接 所释放出的内含子的缩短的形式。LI9RNA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的酶为核糖酶bo②ymes),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
1 第三章 酶 Enzyme 在实验室中，复杂有机物的合成与分解必需在高温、高压、强酸或强碱等剧烈条件 下进行，而在生物体内虽然条件十分温和，许多复杂的化学变化却进行得极顺利和迅速， 这种使化学反应变得容易和迅速的根本原因就是生物体内普遍存在着生物催化剂—— 酶。酶与其他催化剂不同，它具有很大的专一性和极高的催化效率，能在机体中十分温和 的条件下起高效率的催化作用，这不是无机催化剂所能比拟的。 人们对酶的认识起源于生产实践。我国几千年前就开始制作发酵饮料及食品。1833 年 Payon 和 Persoz 从麦芽提取液中分离得到一种能水解淀粉的物质，称之为淀粉酶。 1857 年微生物学家 Pasteur 等人提出酒精发酵是酵母细胞活动的结果，1878 年提出了 “酶” 这个概，Liebig 等人提出发酵现象是由溶解于细胞液中的酶引起的。1913 年 Michaelis 和 Menten 提出了酶动力学原理——米氏学说， 这对酶学反应机理的研究是一 个突破。1926 年 Sumner 第一次从刀豆中提取出了脲酶结晶，并第一次证明酶有蛋白质性 质。20 世纪 30 年代 Northrop 又分离出了结晶的胃蛋白酶、胰蛋白酶及胰凝乳蛋白酶，并 进行了动力学探讨，确立了酶的蛋白质本质。 现已鉴定出 4 000多种酶，其中不少得到结晶，很多种的一级结构或三级结构也已经 阐明。随着酶学理论研究的不断深入必将对生命本质的探索作出更大的贡献。 第一节 酶的催化性质 一 酶是生物催化剂 是由活细胞产生的生物催化剂，这种催化剂具有极高的催化效率和高度的底 物特异性，其化学本质是蛋白质 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。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。 3酶的分类 根据酶蛋白的特点将酶分为三类 (1)单体酶单体酶monomeric en2yme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 等。 (2)寡聚酶寡聚酶(oligomeric enzyme)油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。 三酶的分子组成与功能 (一)根据酶的组成将酶分成两类 (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，如脲酵、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=酶蛋白十辅助因子。 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。 (二)辅基与辅酶的来源及生理功能 大部分的辅酶与辅基衍生于维生素。维生素的重要性就在于它们是体内一些重要的代谢酶 的辅酶或辅基的组成成分。 维生素是指一类维持细胞正常功能所必需的，但在生物体内不能自身合成而必须由食物供 给的小分子有机化合物 2
2 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。 3 酶的分类 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。 三酶的分子组成与功能 （一）根据酶的组成将酶分成两类 （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。 （二）辅基与辅酶的来源及生理功能 大部分的辅酶与辅基衍生于维生素。维生素的重要性就在于它们是体内一些重要的代谢酶 的辅酶或辅基的组成成分。 维生素是指一类维持细胞正常功能所必需的，但在生物体内不能自身合成而必须由食物供 给的小分子有机化合物
维生素可按其溶解性的不同分为脂溶性维生素和水溶性维生素两大类。脂溶性维生素有 VitA、VitD.VitE和VtK四种。 水溶性维生素有Yit巡1，Vit2,VitPP,Vi逃6，Yi逃L2,ViC,泛酸， 生物素，叶酸等。维生素及辅酶的研究是20世纪前半期生物化学最显著的成就，特别 是阐明了B族维生素在酶反应中担负辅酶的作用。在此时期从分子水平探讨人体的营养 需要所取得的划时代的进展，对人类的健康做出了重大贡献。 表5-8维生素及辅酶类型 类型 辅酶或其他功能 生化作用 疏胺素B) 焦磷酸硫胺素(P a-酮酸氧化脱妆等 核黄素B2 泛酸B) 辅酶A 酰基基团的转移 尼克感网 贸贤电手 吡哆醛B6 磷酸吡咳醛 氨基基团的转移 生物素B列 胞生物素 羟基的转 叶酸B) 四氢叶酸 一碳基团的转移 维生素(B回 8 氢原子的12移位 硫辛酸 硫辛酰赖氨酸 氢原子和酰基团的转 推生素C 羟化作用的铺助因表 维生素A 11-视黄醛 视觉循环 推生素D 钙和晓酸的代密 推生素E 抗氧化剂 维生素K 凝血醇原的性物合成 水溶性维生素 1.硫胺素 硫胺素(thiamine)或称为维生素B,存在于许多植物种子中，尤其是在谷物种子的外 皮中，因而在未经研磨的大米和全麦粒制作的食物中此种维生素的含量较丰富。在动植物 组织和酵母中它主要以辅酶即焦磷酸硫胺素(TPP)的形式存在。 人类若缺乏维生素B:则产生脚气病，脚气病在世界上以稻米为主要食物的地区比较 普遍。 焦磷酸硫胺素在α酮酸脱羧酶、丙酮酸脱羧酶、转酮酶和磷酸酮糖酶中起者辅酶的 作用。磷酸酮糖酶是某些细菌中的与戊糖代谢有关的酶，反应如下：
3 维生素可按其溶解性的不同分为脂溶性维生素和水溶性维生素两大类。脂溶性维生素有 VitA、VitD、VitE 和 VitK 四种。 水溶性维生素有 VitB1，VitB2，VitPP，VitB6，VitB12，VitC，泛酸， 生物素，叶酸等。维生素及辅酶的研究是 20 世纪前半期生物化学最显著的成就，特别 是阐明了 B 族维生素在酶反应中担负辅酶的作用。在此时期从分子水平探讨人体的营养 需要所取得的划时代的进展，对人类的健康做出了重大贡献。 表 5-8 维生素及辅酶类型 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 类 型 辅 酶 或 其 他 功 能 生 化 作 用 ───────────────────────────────────────────────── 硫胺素(B1) 焦磷酸硫胺素(TPP) α-酮酸氧化脱羧等 核黄素(B2) 黄素单核苷酸(FMN) 氢原子(电子)转移 黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD) 氢原子(电子)转移 泛 酸(B3) 辅 酶 A 酰基基团的转移 尼克酸(B5或 PP) 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 (NAD) 氢原子(电子)转移 (烟酸) 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP) 氢原子(电子)转移 吡哆醛(B6) 磷酸吡哆醛 氨基基团的转移 生物素(B7) 胞生物素 羟基的转移 叶 酸 (B11) 四氢叶酸 一碳基团的转移 维生素 (B12) B12 氢原子的1,2 移位 硫辛酸 硫辛酰赖氨酸 氢原子和酰基基团的转移 维生素 C 羟化作用的辅助因素 维生素 A 11-视黄醛 视觉循环 维生素 D 钙和磷酸的代谢 维生素 E 抗氧化剂 维生素 K 凝血酶原的生物合成 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 水溶性维生素 1．硫胺素 硫胺素(thiamine)或称为维生素 Bl，存在于许多植物种子中，尤其是在谷物种子的外 皮中，因而在未经研磨的大米和全麦粒制作的食物中此种维生素的含量较丰富。在动植物 组织和酵母中它主要以辅酶即焦磷酸硫胺素(TPP)的形式存在。 人类若缺乏维生素 B1 则产生脚气病，脚气病在世界上以稻米为主要食物的地区比较 普遍。 焦磷酸硫胺素在α-酮酸脱羧酶、丙酮酸脱羧酶、转酮酶和磷酸酮糖酶中起着辅酶的 作用。磷酸酮糖酶是某些细菌中的与戊糖代谢有关的酶，反应如下：
磷酸翻糖图 D-5磷酸木酮糖 铺我化 乙酰磷酸+磷酸甘油 在这些反应中，硫胺素分子中的噻唑环上的C位置上的氢原子容易解离出一质子以 形成一个负碳离子。此负碳离子与带正碳离子的丙酮酸加成，此加成物以后经电子重排发 生脱羧基反应，而后乙醛解离再生成负碳离子，这个过程如图518。 2,核黄素 核黄素iboflavin)又称为维生素B,自然界中存在的维生素B大多数为黄素单核甘 酸FN)和黄素腺嘌岭二核甘酸FAD)。MN和FAD在酶的活性中心中起着辅基的作 用。它们的结构如图 核黄素可以在绿色植物、细菌和真菌中合成，但不能在动物中合成。在动物中它以黄 素辅酶的形式存在。 核黄素缺乏症在人类中很难观察到，核黄素缺乏会患癞皮病。 核黄素辅酶的功能是起氧化还原作用。还原型的核黄素是无色的，当暴露在空气中 时就会氧化变为黄色的氧化型核黄素。还原反应是在一个“14加成反应”中加上两个氢 原子（两个电子和两个质子）而生成还原或消色的核黄素。此维生素的结构式及氧化还原反 应如下： 3.泛酸 泛酸(pantothenic acid)又称为维生素B, CH3 OH Q HOCH—C -CH-C- -CH-CH-COOH CH 泛酸 它是B-丙氨酸与a,Y二羟B,B-二甲基丁酸结合而成的化合物。 动物和微生物都需要泛酸，但是最初发现它是因为它具有促进酶酵母生长的能力。在 自然界这种维生素是作为辅酶A和酰基载体蛋白的组成成分存在的，它是乙酰化作用的 辅酶，辅酶A的结构式如上 由辅酶A和羧酸形成的硫具有特殊功能，使它在生化反应中起着一定的作用。 泛酸也是一种被称为酰基载体蛋白(4CP)的成分，这是一种只含几个氨基酸残基的热 稳定的小分子蛋白质。ACP在脂肪酸的合成中起重要作用，在ACP中，4-磷酸泛巯基酰 乙胺与蛋白质中的一个丝氨酸残基中的羟基呈共价连接。此分子内由于有泛酰巯基乙胺存 在，因而能以一种类似于辅酶A的方式与其巯基形成硫酯而起着酰基载体的作用。ACP 的蛋白质部分与4-磷酸泛酰巯基乙胺连接如下： 4.烟酸胺、烟酸
4 D-5-磷酸木酮糖 磷酸酮糖酶 辅羧化酶 乙酰磷酸 + 磷酸甘油醛 在这些反应中，硫胺素分子中的噻唑环上的 C2 位置上的氢原子容易解离出一质子以 形成一个负碳离子。此负碳离子与带正碳离子的丙酮酸加成，此加成物以后经电子重排发 生脱羧基反应，而后乙醛解离再生成负碳离子，这个过程如图 5-18。 2．核黄素 核黄素(riboflavin)又称为维生素 B2，自然界中存在的维生素 B2 大多数为黄素单核甘 酸(FMN)和黄素腺嘌呤二核甘酸(FAD)。FMN 和 FAD 在酶的活性中心中起着辅基的作 用。它们的结构如图。 核黄素可以在绿色植物、细菌和真菌中合成，但不能在动物中合成。在动物中它以黄 素辅酶的形式存在。 核黄素缺乏症在人类中很难观察到，核黄素缺乏会患癞皮病。 核黄素辅酶的功能是起氧化还原作用。还原型的核黄素是无色的，当暴露在空气中 时就会氧化变为黄色的氧化型核黄素。还原反应是在一个“l,4 加成反应”中加上两个氢 原子(两个电子和两个质子)而生成还原或消色的核黄素。此维生素的结构式及氧化还原反 应如下： 3．泛酸 泛酸(pantothenic acid)又称为维生素B3， HOCH2 C CH C CH3 OH CH3 O N H CH2 -CH2 -COOH 泛酸 它是β-丙氨酸与α,γ-二羟-β，β-二甲基丁酸结合而成的化合物。 动物和微生物都需要泛酸，但是最初发现它是因为它具有促进酶酵母生长的能力。在 自然界这种维生素是作为辅酶 A 和酰基载体蛋白的组成成分存在的，它是乙酰化作用的 辅酶，辅酶 A 的结构式如上： 由辅酶 A 和羧酸形成的硫酯具有特殊功能，使它在生化反应中起着一定的作用。 泛酸也是一种被称为酰基载体蛋白(ACP)的成分，这是一种只含几个氨基酸残基的热 稳定的小分子蛋白质。ACP 在脂肪酸的合成中起重要作用，在 ACP 中，4-磷酸泛巯基酰 乙胺与蛋白质中的一个丝氨酸残基中的羟基呈共价连接。此分子内由于有泛酰巯基乙胺存 在，因而能以一种类似于辅酶 A 的方式与其巯基形成硫酯而起着酰基载体的作用。ACP 的蛋白质部分与 4-磷酸泛酰巯基乙胺连接如下： 4．烟酸胺、烟酸
烟酸又称为维生素B5或维生素PP,它包括烟酸和烟酰胺两种化合物。 烟酸和烟酰胺的分布很广，动植物组织中都有。缺乏这种维生素会使人患癞皮病。 烟酰胺核苷酸是一些催化氧化还原反应的脱氢酶的辅酶。 酰其底物是专一的，而且对其辅酶也是专一的。例如，在磷酸戊糖途径中，催化6 磷酸葡萄糖氧化的6-磷酸葡萄糖脱氢酶要求NADP*作为辅酶，当6一磷酸葡萄糖氧化 时，NADP立即被还原。同样，乙醇脱氢酶催化乙醇氧化的同时，将NAD还原，其反 应如下： CHCH2OH+NAD*CHCHO+NADH+H* 根据烟酰胺核苷酸脱氢酶催化反应的研究证明：反应时从底物脱去2mo氢原子（两 个电子及两个质子)。氧化型及还原型的NAD(NADP)的结构简式及氧化还原反应见下 式：其中的R表示辅酶分子的其他部分。当1分子氧化型烟酰胺分子接受1个质子和两 个电子就转变为1分子还原型烟酰胺分子。 5.维生素B6 属于维生素B6的化合物有3种，即吡哆醛、吡哆胺和吡哆醇。 这三种维生素B6在动植物材料中广泛存在，谷粒中尤为丰富。自然界中存在的吡哆 醛和吡哆胺以其磷酸衔生物状态存在以作为辅酶。 漆酸此哆醛在氨基酸的转氨、脱梭和外消旋等重要反应中起着崔比作用，其中每个反 应都是由不同的专一性酶分子催化，但各反应中都以磷酸吡哆醛作为辅酶。 6.生物素 生物素biotin)又称为维生素B,或维生素H,它是一种含硫的化合物，由服与硫成环 结合而成，并且有一个C5酸支链。 生物素在自然界广泛存在，肝和酵母中含量较丰富。这种维生素主要是通过ε-N-赖 氨酸残基而与蛋白质结合的。生物胞素即ε-从生物素酰L赖氨酸，是从含生物素的蛋白 质中分离出来的一种水解产物： 在大肠杆菌中乙酰辅酶A(乙酰C0A)转化成丙二酰C0A的反应有三种蛋白质参加 反应：①生物素羧化酶；②生物素羧基载体蛋白(BCCP):③乙酰CoA:丙二酰CoA转羧 基酶。 aAP+HCO,+BCP生莉发一ADP+5+BCCB一CO, (b)BCCB- C0,+乙酰C0A一段酯 上BCCP+丙二酰COA BCCP在这些步骤中起着关键性的作用。 7.叶酸
5 烟酸又称为维生素B5 或维生素PP，它包括烟酸和烟酰胺两种化合物。 烟酸和烟酰胺的分布很广，动植物组织中都有。缺乏这种维生素会使人患癞皮病。 烟酰胺核苷酸是一些催化氧化还原反应的脱氢酶的辅酶。 酰其底物是专一的，而且对其辅酶也是专一的。例如，在磷酸戊糖途径中，催化 6- 磷酸葡萄糖氧化的 6-磷酸葡萄糖脱氢酶要求 NADP+ 作为辅酶，当 6—磷酸葡萄糖氧化 时，NADP+ 立即被还原。同样，乙醇脱氢酶催化乙醇氧化的同时，将 NAD+ 还原，其反 应如下： CH3CH2OH + NAD+ CH3CHO + NADH + H+ 根据烟酰胺核苷酸脱氢酶催化反应的研究证明：反应时从底物脱去 2mol 氢原子(两 个电子及两个质子)。氧化型及还原型的 NAD（NADP）的结构简式及氧化还原反应见下 式：其中的 R 表示辅酶分子的其他部分。当 1 分子氧化型烟酰胺分子接受 1 个质子和两 个电子就转变为 1 分子还原型烟酰胺分子。 5．维生素B6 属于维生素 B6 的化合物有 3 种，即吡哆醛、吡哆胺和吡哆醇。 这三种维生素 B6 在动植物材料中广泛存在，谷粒中尤为丰富。自然界中存在的吡哆 醛和吡哆胺以其磷酸衍生物状态存在以作为辅酶。 磷酸吡哆醛在氨基酸的转氨、脱羧和外消旋等重要反应中起着催比作用，其中每个反 应都是由不同的专一性酶分子催化，但各反应中都以磷酸吡哆醛作为辅酶。 6．生物素 生物素(biotin)又称为维生素 B7 或维生素 H，它是一种含硫的化合物，由脲与硫戊环 结合而成，并且有一个 C5 酸支链。 生物素在自然界广泛存在，肝和酵母中含量较丰富。这种维生素主要是通过ε- N-赖 氨酸残基而与蛋白质结合的。生物胞素即ε-N-生物素酰-L-赖氨酸，是从含生物素的蛋白 质中分离出来的一种水解产物。 在大肠杆菌中乙酰辅酶 A（乙酰 CoA）转化成丙二酰 CoA 的反应有三种蛋白质参加 反应：①生物素羧化酶；②生物素羧基载体蛋白(BCCP)；③乙酰 CoA：丙二酰 CoA 转羧 基酶。 (a)ATP + HCO3 + BCCP ADP + Pi + BCCB 生物素羧化酶 (b)BCCB BCCP + 丙二酰CoA 转羧基酶 CO2 + 乙酰CoA CO2 BCCP 在这些步骤中起着关键性的作用。 7．叶酸
叶酸(folicacid)又称为维生素B1是由蝶啶、对氨基苯甲酸和L-谷氨酸连接而成，其 结构如上： 叶酸在自然界中广泛存在，它能治疗动物营养障碍性贫血病。 叶酸以其还原性产物起辅酶的作用。叶酸先经L叶酸还原酶还原成二氢叶酸DHF), 再被二氢叶酸还原酶还原成四氢(THF),这两个反应中的还原剂都是NADPH。 8.维生素B12 维生素B2是一种氰钴胺素(Cyanocobalamin),分离出的维生素B2除含CN外，也 可以含羟基、亚硝基、氯离子、硫酸根离子及其他阴离子，而且还有其他维生素B的类 似物存在，如在细菌中， 甘5 6一甲基苯骈咪 成基 被其他的含氮碱基所取 假维生素B2中，其含氨碱基为腺嘌吟，有时碱基可以是5-羟基苯骈咪唑。维生素B2 只在动物及微生物中发现，而不存在于植物中，它以辅酶B12状态存在。在此辅酶中，维 生素B12分子中的CN被5'-脱氧腺苷取代，与腺苷中的核糖的5碳原子连结，所以是5' 脱氧腺苷钴胺素。此有机金属中的亚甲基基团是此辅酶中的 一个活性中心。出铺酶相 光或 化物时便裂解 相应的羟基钴胺素或氰钴胺素。因而，自然界存在的 维生素B12很可能是以辅酶B12的形式存在。 9.硫辛酸 硫辛酸(lipoic acid)为一种含硫的脂肪酸，呈氧化型和还原型存在，结构式如下： 硫辛酸是丙酮酸脱氢酶和ā酮戊二酸脱氢酶多酶复合物中的一种辅助因素。在此复 合物中，硫辛酸起着转酰基作用，同时在这个反应中硫辛酸被还原以后又重新被氧化。 10.抗坏血酸 抗坏血酸ascorbic acid))又称为维生素C。它是一种己糖内酯，有L及D型两种异构 体，只有L型有生理作用。维生素C与辅酶的关系至今尚未被弄清。在动植物中，除去 豚鼠和灵长类动物（包括人类）外，都能以D葡萄糖合成抗坏血酸。人类膳食中缺乏抗坏血 酸时，便会得坏血病，这是一种引致水肿、皮下出血、贫血、牙齿和牙龈发生病理变化的 疾病。早在古代人们就己知道这种病，当水手长期航海而少食和缺食新鲜蔬菜、水果时即 会得此病。 抗坏血酸是一种很好的还原剂，其氧化形式为脱氢抗坏血酸，可被多种还原剂[如 胱甘肽(GSH)]所还原。所以两种类型的抗坏血酸可组成一个可逆的氧化还原系统。在 胶原形成时，抗坏血酸起着外源还原剂的作用，使脯氨酸转化成羟脯氨酸。因此，抗坏血 酸的生化作用与细胞的羟基化作用有关。 脂溶性维生素 1.维生系A 维生素A又称为视黄醇(retinol)。这些化合物是由其母体物质B-胡萝卜素形成的，所 以B-胡萝卜素又称为维生素A原。肠液中含有一种加氧酶，能将1分子B胡萝卜素裂解 产生2分子维生素A醛，它又可被醇脱氢酶还原成视黄醇。 在胡萝卜素中所有的双键均为反式构型，这在生成的视黄醇和视黄醛中仍保持不变。 ā-胡萝卜素、B胡萝卜素和Y-胡萝卜素及玉米黄素都是由植物合成的，动物不能合 成，因而维生素A的最好来源是绿色蔬菜。由于胡萝卜素具有疏水性质，它也存在于牛 奶和动物脂肪中，动物肝脏中储藏较多。淡水鱼的鱼肝油中有子脱氢视黄醇（维生素 6
6 叶酸(folic acid)又称为维生素B11是由蝶啶、对氨基苯甲酸和L-谷氨酸连接而成，其 结构如上： 叶酸在自然界中广泛存在，它能治疗动物营养障碍性贫血病。 叶酸以其还原性产物起辅酶的作用。叶酸先经 L-叶酸还原酶还原成二氢叶酸(DHF)， 再被二氢叶酸还原酶还原成四氢(THF)，这两个反应中的还原剂都是 NADPH。 8．维生素 B12 维生素 B 12 是一种氰钴胺素(Cyanocobalamin)，分离出的维生素 B12 除含 CN- 外，也 可以含羟基、亚硝基、氯离子、硫酸根离子及其他阴离子, 而且还有其他维生素 B12 的类 似物存在，如在细菌中，其 5，6-二甲基苯骈咪唑残基可被其他的含氮碱基所取代。 在 假维生素 B12 中，其含氮碱基为腺嘌呤，有时碱基可以是 5-羟基苯骈咪唑。维生素 B12 只在动物及微生物中发现，而不存在于植物中，它以辅酶 B12 状态存在。在此辅酶中，维 生素 B12分子中的 CN- 被 5′-脱氧腺苷取代，与腺苷中的核糖的 5′-碳原子连结，所以是 5′- 脱氧腺苷钴胺素。 此有机金属中的亚甲基基团是此辅酶中的一个活性中心。此辅酶相当 不稳定，当遇光或氰化物时便裂解成相应的羟基钴胺素或氰钴胺素。因而，自然界存在的 维生素 B12 很可能是以辅酶B12的形式存在。 9．硫辛酸 硫辛酸(lipoic acid)为一种含硫的脂肪酸，呈氧化型和还原型存在，结构式如下： 硫辛酸是丙酮酸脱氢酶和α-酮戊二酸脱氢酶多酶复合物中的一种辅助因素。在此复 合物中，硫辛酸起着转酰基作用，同时在这个反应中硫辛酸被还原以后又重新被氧化。 10．抗坏血酸 抗坏血酸(ascorbic acid)又称为维生素 C 。它是一种己糖内酯，有L 及 D 型两种异构 体，只有 L 型有生理作用。维生素 C 与辅酶的关系至今尚未被弄清。 在动植物中，除去 豚鼠和灵长类动物(包括人类)外，都能以 D-葡萄糖合成抗坏血酸。人类膳食中缺乏抗坏血 酸时，便会得坏血病，这是一种引致水肿、皮下出血、贫血、牙齿和牙龈发生病理变化的 疾病。早在古代人们就已知道这种病，当水手长期航海而少食和缺食新鲜蔬菜、水果时即 会得此病。 抗坏血酸是一种很好的还原剂，其氧化形式为脱氢抗坏血酸，可被多种还原剂 [如谷 胱甘肽（GSH）]所还原。所以两种类型的抗坏血酸可组成一个可逆的氧化还原系统。在 胶原形成时，抗坏血酸起着外源还原剂的作用，使脯氨酸转化成羟脯氨酸。因此，抗坏血 酸的生化作用与细胞的羟基化作用有关。 脂溶性维生素 1．维生素 A 维生素 A 又称为视黄醇(retinol)。这些化合物是由其母体物质β-胡萝卜素形成的，所 以β-胡萝卜素又称为维生素A 原。肠液中含有一种加氧酶，能将 1 分子β-胡萝卜素裂解 产生 2 分子维生素A1 醛，它又可被醇脱氢酶还原成视黄醇。 在胡萝卜素中所有的双键均为反式构型，这在生成的视黄醇和视黄醛中仍保持不变。 α-胡萝卜素、β-胡萝卜素和γ-胡萝卜素及玉米黄素都是由植物合成的，动物不能合 成，因而维生素 A 的最好来源是绿色蔬菜。由于胡萝卜素具有疏水性质，它也存在于牛 奶和动物脂肪中，动物肝脏中储藏较多。淡水鱼的鱼肝油中有 3-脱氢视黄醇（维生素
A2)。缺乏视黄醇的典型症状是上皮细胞中发生角化作用(keratinization),在眼晴中则会 引起干眼病。人类和实验动物缺乏视黄醇的早期症状为夜盲症。维生素A过多时也会引 起损害，在极端的情况下还可发现维生素A的毒害作用。 2.维生素D 维生素D是固醇类物质，其结构如右： 已知许多化合物对防止佝偻病有效，它们都是由不同类型的维生素D原经紫外线辐 射而衍生的。植物不含维生素D,但植物的固醇、麦角醇经紫外线照射可以得到维生素 D2(钙化醇)。动物阻织中的下脱氢胆固醇，存在于皮肤表层中，可由于紫外线辐射而转 化成维生素D。后者鱼肝油中也存在。 3.维生素E 维生素E是一种生育酚类化合物。生育酚有许多种，其中分布广泛、生物活性最强 的是α-生有酚，即57，&三甲基母有酚，结构式如下： 维生素E在自然界中分布甚广，在麦胚油、玉米油、花生油中大量存在，也存在于 动物的脂肪中。 生有酚在体外最重要的效应即它是一种强抗氧化剂。有人认为生有酚的生物化学作用 是能保护敏感的线粒体系统免受脂质过氧化物的不可逆抑制作用的影响。所以用缺乏生育 酚的动物制备的线粒体的活性大大衰退，这是由羟高铁血红素催化的高度不饱和脂肪酸的 氧化作用所引起的 4.维生素K 维生素K是L甲基萘醒的衍生物，最初的维生素K1是从首蓿中分离出来的，有一个 由4个类异戊二烯单位组成的叶绿基的侧链，其3个类异戊二烯被氧化。在维生素K,系 统中侧链上有69个类异戊二烯单位。维生素K及维生素K的结构式如图所示 最初维生素K1是从植物中分离出来的，所以植物性食物是维生素K1的丰富来源。K 系列的维生素可由细菌，尤其是肠内的细菌形成。因此健康动物不容易缺乏维生素K。 人类在某种情况下，即上述细菌被破坏或其生长受到抑制时可能会发生维生素K缺乏。 所以服用抗菌素，尤其是长时间服用，维生素K会降低到一定水平，致使血液凝集的时 间延长而发生危险。胆汁闭塞或使脂类在肠内的吸收降低时会发生维生素K缺乏症。 至今还没有发现维生素K在任何酶系统中有明显的作用。已知维生素K的主要作用 是促进血液凝锢，因为维生素K促进肝脏合成凝血酶原。缺乏维生素K会引起血液中凝 血酶原水平降低。此外，在一些细菌中维生素K也起着电子传递的作用，其作用和动物 的泛混相似。 (三)金属离子的作用稳定构象：稳定酶蛋白催化活性所必需的分子构象：构成磷 的活性中心：作为酶的活性中心的组成成分，参与构成酶的活性中心：连接作用：作为桥 梁，将底物分子与酶蛋白整合起来。 四酶的活性中心实验证明，酶的催化作用只局限在它的大分子的一定区域。 某些酶蛋白分子经水解切去相当一部分肽链后，其残余的部分仍保留一定的活力，似乎除 去的那部分肽链是与活力关系不大的次要结构。最初，把酶分子中与底物接触的或非常接
7 A2）。缺乏视黄醇的典型症状是上皮细胞中发生角化作用(keratinization)，在眼睛中则会 引起干眼病。人类和实验动物缺乏视黄醇的早期症状为夜盲症。维生素 A 过多时也会引 起损害,在极端的情况下还可发现维生素 A 的毒害作用。 2．维生素D 维生素 D 是固醇类物质，其结构如右： 已知许多化合物对防止佝偻病有效，它们都是由不同类型的维生素 D 原经紫外线辐 射而衍生的。植物不含维生素 D，但植物的固醇、麦角醇经紫外线照射可以得到维生素 D2(钙化醇)。 动物组织中的 T-脱氢胆固醇，存在于皮肤表层中，可由于紫外线辐射而转 化成维生素 D3 。后者鱼肝油中也存在。 3．维生素 E 维生素 E 是一种生育酚类化合物。生育酚有许多种，其中分布广泛、生物活性最强 的是α-生育酚，即 5,7,8-三甲基母育酚，结构式如下： 维生素 E 在自然界中分布甚广，在麦胚油、玉米油、花生油中大量存在，也存在于 动物的脂肪中。 生育酚在体外最重要的效应即它是一种强抗氧化剂。有人认为生育酚的生物化学作用 是能保护敏感的线粒体系统免受脂质过氧化物的不可逆抑制作用的影响。所以用缺乏生育 酚的动物制备的线粒体的活性大大衰退，这是由羟高铁血红素催化的高度不饱和脂肪酸的 氧化作用所引起的。 4．维生素K 维生素 K 是 L-甲基萘醌的衍生物，最初的维生素 K1 是从苜蓿中分离出来的，有一个 由 4 个类异戊二烯单位组成的叶绿基的侧链，其 3 个类异戊二烯被氧化。在维生素 K2系 统中侧链上有 6～9 个类异戊二烯单位。维生素 K1 及维生素 K2的结构式如图所示。 最初维生素 K1是从植物中分离出来的，所以植物性食物是维生素 K1的丰富来源。K2 系列的维生素可由细菌，尤其是肠内的细菌形成。因此健康动物不容易缺乏维生素 K 。 人类在某种情况下，即上述细菌被破坏或其生长受到抑制时可能会发生维生素 K 缺乏。 所以服用抗菌素，尤其是长时间服用，维生素 K 会降低到一定水平，致使血液凝集的时 间延长而发生危险。胆汁闭塞或使脂类在肠内的吸收降低时会发生维生素 K 缺乏症。 至今还没有发现维生素 K 在任何酶系统中有明显的作用。已知维生素 K 的主要作用 是促进血液凝固，因为维生素K 促进肝脏合成凝血酶原。缺乏维生素 K 会引起血液中凝 血酶原水平降低。此外，在一些细菌中维生素 K 也起着电子传递的作用，其作用和动物 的泛醌相似。 （三）金属离子的作用稳定构象：稳定酶蛋白催化活性所必需的分子构象；构成酶 的活性中心：作为酶的活性中心的组成成分，参与构成酶的活性中心；连接作用：作为桥 梁，将底物分子与酶蛋白螯合起来。 四 酶的活性中心 实验证明，酶的催化作用只局限在它的大分子的一定区域。 某些酶蛋白分子经水解切去相当一部分肽链后，其残余的部分仍保留一定的活力，似乎除 去的那部分肽链是与活力关系不大的次要结构。最初，把酶分子中与底物接触的或非常接
近底物的部分称为酶的活性部位，而直接与酶催化有关的部位称为活性中心。这种活性中 心的概念不够严格。后来，大量工作，特别是X射线衍射法的发展，再结合化学方法所 得到的结果，使人们进一步明确了活性中心(Active site)的概念：对于单酶来说，活性中心 就是酶分子在三维结构上比较靠近的少数几个氨基酸残基或是这些残基上的某些基团，它 们在一级结构上可能相距甚远，甚至位于不同的肽链上，通过肽链的盘绕、折叠而在空间 构象上相互靠近：对于全酶来说，辅助因子或辅助因子上的某一部分结构往往是活性中心 的组成部分。活性中心有两个功能部位：一个是结合部位(binding site),一定的底物通过此 部位结合到酶分子上，它决定酶的专一性：另一个是催化部位(catalytic site),它决定酶的 催化能力，底物的键在此处被打断或形成新的键，从而发生一定的化学变化 酶的活性中心具有一定的三维空间结构，由几个特定的氨基酸残基构成，处于酶分子 表面的一个凹穴内，酶的活性中心结构取决于酶蛋白的空间结构，因此，酶分子中的其他 部位的作用对于酶的催化作用来说，可能是次要的，但绝不是毫无意义的，它们至少为酶 活性中心的形成提供了结构基础。当外界的物理化学因素破坏了酶的结构时，就可能影响 酶活性中心的特定结构，因而必然影响酶的活力。 表5-6一些酶的活性中心的氨基酸残基 多 酶分子的氨些酸残基数 活性中心的残基 牛核糖核酸A 124 溶菌酶 129 Asps 木瓜蛋白酶 212 Cys2s His1so 枯草杆菌蛋白， 275 Hiss4 Ser22 碳酸酐酶 258 Hisin 第二节酶促反应特点与机制 一酶促反应特点 1.薛和一般催化剂比整 (1)用量少且催化效率高 酶与一般催化剂一样，虽然细胞 中的相对含量很低，却能大大加 快反应速度。 陈底物复合物 (2)不改变反应的平衡点 与一般催化剂一样，酶仅能改变
8 近底物的部分称为酶的活性部位,而直接与酶催化有关的部位称为活性中心。这种活性中 心的概念不够严格。后来，大量工作，特别是 X 射线衍射法的发展，再结合化学方法所 得到的结果，使人们进一步明确了活性中心(Active site)的概念：对于单酶来说，活性中心 就是酶分子在三维结构上比较靠近的少数几个氨基酸残基或是这些残基上的某些基团，它 们在一级结构上可能相距甚远，甚至位于不同的肽链上，通过肽链的盘绕、折叠而在空间 构象上相互靠近；对于全酶来说，辅助因子或辅助因子上的某一部分结构往往是活性中心 的组成部分。活性中心有两个功能部位：一个是结合部位(binding site),一定的底物通过此 部位结合到酶分子上，它决定酶的专一性；另一个是催化部位(catalytic site)，它决定酶的 催化能力，底物的键在此处被打断或形成新的键，从而发生一定的化学变化。 酶的活性中心具有一定的三维空间结构，由几个特定的氨基酸残基构成，处于酶分子 表面的一个凹穴内，酶的活性中心结构取决于酶蛋白的空间结构，因此，酶分子中的其他 部位的作用对于酶的催化作用来说，可能是次要的，但绝不是毫无意义的，它们至少为酶 活性中心的形成提供了结构基础。当外界的物理化学因素破坏了酶的结构时，就可能影响 酶活性中心的特定结构，因而必然影响酶的活力。 表 5-6 一些酶的活性中心的氨基酸残基 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 酶 酶分子的氨基酸残基数 活 性 中 心 的 残 基 ────────────────────────────────────────────────── 牛胰核糖核酸酶 A 124 His129 His119 Lys41 溶菌酶 129 Asp52 Glu35 木瓜蛋白酶 212 Cys25 His150 枯草杆菌蛋白酶 275 His64 Ser221 碳酸酐酶 258 His95—Zn95—His129 ↓ His117 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 第二节酶促反应特点与机制 一酶促反应特点 1.酶和一般催化剂比较 （1）用量少且催化效率高 酶与一般催化剂一样，虽然细胞 中的相对含量很低，却能大大加 快反应速度。 （2）不改变反应的平衡点 与一般催化剂一样，酶仅能改变
化学反应的速度，并不能改变化学反应的平衡点。酶本身在反应前后也不发生变化。例 如，肽键遇水自发水解的反应极为缓慢，没有现实意义，当有酶存在时，这个反应则进行 得十分迅速。 (3.)可降低反应的活化能在一个化学反应体系中，反应开始时反应物(S)分子的能 量水平很低，为初态"(initial state)(A)。在反应的任何一瞬间反应物中都有一部分分子具 有比初态更高一些的能量，高出的这一部分能量称为活化能(activation energy),使分子进 入“过渡态”(transition state)(即活化态A),这时就能形成或打破一些化学键，形成新的物 质 产物P,即S转变为P。这些具有较高能量处于活化态的分子称为活化分子。反 应物中这种活化分子越多，反应速度越快。酶和一般催化剂一样可以降低反应的活化能， 增加活化分子数，加快反应速度。酶作为催化剂参加一些反应后，酶分子立即恢复原来的 状态，继续参加新的反应。 2.酶作为生物催化剂的特性 (1)催化效率高以分子比表示，酶催化反应的反应速度比非催化反应高10~10” 倍，比其他催化反应高10'一10倍。 (2)具有高度的专性一种壁只能作用于一类或一种特定的物质，这就是酶作用 的专一性(pecificity)。通常把被酶作用的物质称为底物(s bstrate)。所以也可以说一种 只能作用于一种或一类底物。不同的醯有不同的专一性。 (3)易失活壁是蛋白质，凡是使蛋自质变性的因素（高温、高压、强酸、强碱等）都 能使酶的结构破还，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H值等)下实现的。 (4)酶活力的调节控削酶活力可以调节控蒯。它的调控方式很多，包括抄削遇 节、共价修饰调节、反馈调节、原邀活和邀素控削等，详细内容将在后面讨论 (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自质，其中的处 分子物质（藤、辅基及金属离子）与酶的催化活性密切相关。卷将它们除去，盛会失去 适性。 酶的高效性、专一性及温和的作用条件在生物性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素地进行。 3、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(specif道ciy)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 轻性很亚格，有时其至是绝对的。由于酶具有专一性，所以生物体内的代谢时程木能有一 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 刑 (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 9
9 化学反应的速度，并不能改变化学反应的平衡点。酶本身在反应前后也不发生变化。例 如，肽键遇水自发水解的反应极为缓慢，没有现实意义，当有酶存在时，这个反应则进行 得十分迅速。 (3.)可降低反应的活化能 在一个化学反应体系中,反应开始时反应物(S)分子的能 量水平很低，为"初态"(initial state)(A)。在反应的任何一瞬间反应物中都有一部分分子具 有比初态更高一些的能量，高出的这一部分能量称为活化能(activation energy)，使分子进 入“过渡态”(transition state)(即活化态 A * )，这时就能形成或打破一些化学键，形成新的物 质——产物(P)，即 S 转变为 P。这些具有较高能量处于活化态的分子称为活化分子。反 应物中这种活化分子越多,反应速度越快。酶和一般催化剂一样可以降低反应的活化能， 增加活化分子数，加快反应速度。酶作为催化剂参加一些反应后，酶分子立即恢复原来的 状态，继续参加新的反应。 2．酶作为生物催化剂的特性 （1）催化效率高 以分子比表示,酶催化反应的反应速度比非催化反应高 108～1020 倍,比其他催化反应高107～10 13倍。 （2）具有高度的专一性 一种酶只能作用于一类或一种特定的物质，这就是酶作用 的专一性(specificity)。通常把被酶作用的物质称为底物(substrate)。所以也可以说一种酶 只能作用于一种或一类底物。不同的酶有不同的专一性。 （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。 （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。 3、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 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+HO 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，αD-葡萄糖苷酶能水解具有α山，4糖苷键的D葡萄糖苷，这种酶 对a-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一构型及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。 二酶促反应机制 (一)酶与底物分子的结合 酶的活性中心具有一定的大小和一定的几何形状，这样便于与底物的结合，那么酶 与底物究竞如何与底物结合呢？这与酶的专一性直接相关。关于这个问题有两个假说： (1)锁与钥匙学说E. Fischer在1890年提出，底物分子或底物分子的一部分像钥匙那样，专一地楔入到酶的活 性中心部位，也就是说底物分子 进行化学反应的部位与酶分子上 图5-7酶与底物的相互关系酶与 底物的锁匙关系学说示意图 有催化效能的必需基团间具有紧 密互补的关系（如图57所标） 这个学说强调指出只有固定的底物才能楔入与它互补的酶表面，用这个学说可以较好 地解释酶的立体异构专一性。 10
10 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。 二 酶促反应机制 （一）酶与底物分子的结合 酶的活性中心具有一定的大小和一定的几何形状，这样便于与底物的结合，那么酶 与底物究竞如何与底物结合呢？ 这与酶的专一性直接相关。关于这个问题有两个假说: （1）锁与钥匙学说 E． Fischer 在 1890 年提出，底物分子或底物分子的一部分像钥匙那样，专一地楔入到酶的活 性中心部位，也就是说底物分子 进行化学反应的部位与酶分子上 有催化效能的必需基团间具有紧 密互补的关系(如图 5-7 所示)。 这个学说强调指出只有固定的底物才能楔入与它互补的酶表面，用这个学说可以较好 地解释酶的立体异构专一性。 图 5-7 酶与底物的相互关系—酶与 底物的锁匙关系学说示意图