第三章酶与维生素 学习目标 通过本章的学习，你应该能够： 掌握酶的概念与化学本质，酶活性中心的概念，酶催化作用的特点，底物浓度 对酶促反应影响的米氏方程，Km和Vmax的概念及其意义，不可逆性抑制 的概念、特点与常见实例，可逆性抑制的概念，竞争性抑制的概念、特点与 常见实例，别构调节与共价修饰调节的概念与作用特点，酶原及酶原激活 的概念，维生素的概念与分类。 熟悉常见辅酶或辅基的种类，维生素与常见辅助因子的对应关系，必需基团的 概念及其作用，酶浓度、温度、pH、激活剂对酶促反应的影响，最适温度和 最适pH的概念，酶原激活的过程与生理意义，常见水溶性维生素和脂溶 性维生素的来源、生理功能和缺乏症。 了解单纯酶、全酶、酶蛋白、酶的辅助因子、辅酶和辅基的概念，辅酶或辅基的 作用，同工酶的概念，同工酶的实例，酶专一性的分类，酶促反应高效性的 机制，酶区域化分布的意义，酶的催化机制，Km和Vmx的测定方法，不可 逆性抑制与变性的区别，非竞争性抑制与反竞争性抑制的概念，常见的激 活剂，酶活性及酶活性单位的概念，别构酶的概念与动力学特点，酶含量 的调节方式，酶的分类与命名，酶与医学的关系，常见水溶性维生素和脂 溶性维生素的结构特点。 生物体内的新陈代谢是一切生命活动的基础。新陈代谢过程是通过各种化学反应有序进行 来实现的。这些化学反应有条不紊地进行依赖于生物体内存在的一类极为重要的生物催化剂(b ocatalyst)一酶(enzyme)的催化作用。酶是对特异底物(substrate)起高效催化作用的一类生物催 化剂。酶的化学本质大多为蛋白质。有少数酶是核酸，譬如核酶(ibozyme)的化学本质就是 RNA. 现代自然科学对酶的研究得益于对发酵机制的探索。1850年法国科学家Louis Pasteur提出发酵是 活酵母细胞的生理活动。1897年德国科学家Edward Buchner利用酵母提取液实现了无酵母细胞的发 酵，证实了酵母中生物催化剂的存在。1926年美国生物化学家James Sumner首次从刀豆中分离结晶出 脲酶，并首次证明了脲酶的化学本质为蛋白质。此后发现的酶均证明其化学本质为蛋白质。因此，人们 一直认为生物催化剂的化学本质为蛋白质。20世纪80年代，Sidney Altman和Thomas Cech等人发现某 些核酸也具有催化功能，提出了核酶的概念，进一步扩展了生物催化剂的范围。 47
第一篇生物大分子的结构与功能 第一节酶的分子结构与功能 酶与普通蛋白质一样，具有相应的一、二、三级结构，部分酶还有四级结构。由一条多肽链构成的仅 具有三级结构的酶称为单体酶(monomeric enzyme)。由多个相同或不同的亚基以非共价键连接组成的 酶称为寡聚酶(oligomeric enzyme)。几种具有不同催化功能的酶彼此聚合形成多酶复合物(multienzym: complex)或称多酶体系(multienzyme system)。催化相关代谢反应的酶组成的多酶体系有利于提高物质 代谢速率和调节效率。有些多酶体系由于在进化过程中基因的融合，多种不同催化功能存在于一条多 肽链中，这类酶称为多功能酶(multifunctional enzyme)或串联酶(tandem enzyme)。多酶复合物和多功能 酶都有利于提高物质代谢的速率和调节效率。 、酶的分子组成 根据酶的分子组成，酶可分为单纯酶(simple enzyme)和结合酶(conjugated enzyme)。仅由氨基酸残 基组成的酶称为单纯酶，如脲酶、淀粉酶、核糖核酸酶、尿酸酶等。结合酶是由蛋白质部分和非蛋白质部 分共同组成，结合酶的蛋白质部分称为酶蛋白(a即oenzyme),非蛋白质部分称为辅助因子(cofactor)。酶 蛋白与辅助因子结合形成的复合物称为全酶(holoenzyme)。酶蛋白和辅助因子单独存在时均没有催化 活性，只有全酶才具有催化活性。酶蛋白主要决定酶催化反应的特异性，辅助因子主要决定酶催化反应 的性质和类型。 按辅助因子与酶蛋白结合的紧密程度与作用特点不同可将酶辅助因子分为辅酶(coenzym心)与辅基 (prosthetic group)两类。辅酶与酶蛋白的结合疏松，在不改变酶蛋白肽链结构且构象也无明显变化时， 可以通过透析或超滤等物理方法将其除去，从而使全酶活性降低直到消失。与此相反，辅基则与酶蛋白 的结合紧密，不能通过透析或超滤等物理方法将其除去。铺酶与班蛋白结合可逆，而辅基与酶蛋白结合 可逆性低，有些酶的辅基从全酶复合物中解离后，酶蛋白容易发生变性而失去活性 酶的辅助因子按化学本质可以分成金属离子和有机化合物两大类。金属离子是最常见的辅助因 子，包括K、Na、,Ca2、Cu2“(Cu)、Zn2“、Fe2“(Fe)、Mg2、Mn4等。约2/3的酶含有金属离子。金属辅 助因子的作用是多方面的，如传递电子稳定酶的构象、中和电荷等。有的金属离子与酶蛋白紧密结合， 在提取过程中不易丢失，这类酶称为金属酶(metalloenzyme),如黄嘌呤氧化酶、超氧化物歧化酶等。有 的金属离子虽为酶发挥活性所必需，但不直接与酶蛋白结合，而是通过底物相连接，这类酶称为金属激 活年(netal activated enzyme),如己糖激！、肌酸激率等 酶的有机辅助因子主要是一类化学性质较稳定的小分子物质，其主要作用是参与酶的催化过程，能 够在反应中传递电子、质子或某些基团。需要有机辅助因子的酶很多，但这些酶所需要的辅助因子种类 有限，主要是维生素及其代谢生成的衍生物（表3）。另外，某些醌类衍生物、卟啉环衍生物等也可作 为某些酶的辅助因子。 有些酶可同时含多种不同类型的辅助因子，如琥珀酸脱氢酶同时含有铁和下AD,细胞色素氧化酶同 时含有铜和血红素 表31主要有机辅助因子及其在催化中转移的基团 所含的维生素 辅酶或辅基（活性形式） 转移的基团 主要生化功能 维生素B,(硫胺素) TPP(焦磷酸硫胺素) 醛基 α-酮酸氧化脱羧酶的辅酶 维生素B,(核黄素)】 FMN(黄素单核苷酸】 氢（质子） 氧化还原酶的辅基，参与生物氧 FAD(黄素腺嘌吟二核苷酸) 化体系 48
第三章酶与维生素、 续表 所含的维生素 铺礁成铺基（括性形式） 转移的基团 主要生化功能 维生素PP(尼克酰胺】 NAD'(尼克酰胺腺嘌吟二核苷酸， 氢（质子） 辅酶) 维生素B 磷酸吡哆醛 氨基 氨基酸转氨酶的辅酶 磷酸吡哆胺 泛酸（遍多酸） CoA(辅酶A) 酰基 酰基转移酶的辅酶 ACP(酰基载体蛋白) 叶酸 FH,(四氢叶酸) 碳单位 碳单位转移酶的辅酶 生物素 生物索 二氧化碳 羧化酶的辅基 维生素B,(结胺素) 钴胺素轴德类 甲硫氨酸合成酶的辅酶，L甲基 丙二酰CoA变位酶的辅酶 硫辛酸 硫辛酸 酰基 二氢硫辛酸乙酰转移酶的辅酶 二、酶的活性中心 酶分子中有各种化学基团，但它们不一定都与酶的活性有关。其中一些与酶的活性密切相关的 化学基团称为酶的必需基团(essential group)。酶的某些必需基团在一级结构中可能相距很远，但在 空间结构上彼此靠近，组成具有特定空间结构的区域，能与底物特异地结合并催化底物转化为产物。 此区域称为酶的活性中心(active center)或活性部位(active site)。辅酶或辅基多参与酶活性中心的 组成。 有的必需基团位于酶活性中心内，有的必需基团位于酶活性中心外。位于酶活性中心内的必需基 团可按其作用分类。直接识别和结合底物，使底物与特定构象状态的酶形成复合物，这类必需基团称为 结合基团(binding group)。通过影响底物中某些化学键的稳定性，催化底物发生化学反应，从而促进底 物转变成产物，这类必需基团称为催化基团(catalytic group)。酶活性中心内的某些必需基团可同时具 有这两方面的功能。另外，酶活性中心内有些必需基团不直接参与对底物的结合或催化作用，却是维持 酶活性中心特有的空间构象所必需的，称为结构必需基团。在酶活性中心以外有一些基团也是酶发挥 活性所必需的，其作用主要是维持酶分子整体以及活性中心特有的空间构象，这类基团属于酶活性中心 外的必需基团（图31）。常见的酶的必需基团有组氨酸残基的咪唑基、丝氨酸残基的羟基、半胱氨酸残 基的巯基以及酸性氨基酸残基的羧基等。 酶的话性中心是酶分子中且有三维结构的区城.日多为氨基酸残基的疏水基闭形成的列肇成凹哈 深入到酶分子内部，形成硫水“口袋”。酶的活性中心具有精确构象，是酶发挥催化作用所必需的。同 时，酶活性中心的构象是动态结构，存在可变性即具有柔性。酶活性中心构象的柔性也是酶发挥催化作 用以及酶活性调节所必需的 三、同工酶 有些酶虽然其蛋白质一级结构存在差异，但酶活性中心的三维结构相同或相似，可以催化相同化学 反应。同工酶(isoenzyme)是指催化相同的化学反应，但酶蛋白分子结构、理化性质乃至免疫学性质不 同的一组酶。同工酶通常是由不同基因或等位基因编码的多肽链，或由同一基因转录生成的不同 9
第一篇生物大分子的结构与功 物 图31腾的活性中心 mRNA翻译生成的不同多肽链组成的酶。同工酶存在于同一个体的不同组织或同一细胞的不同亚细胞 结构中。这种组织特异性或亚细胞结构特异性的分布，使不同的组织器官和不同的亚细胞结构具有不 同的代谢特征。这为利用同工酶来诊断不同器官的疾病提供了理论依据。 同工酶在自然界很普遍。根据同工酶结构差异，可将同工酶分成单体同工酶(monomeric isoenzyme） 和寡聚体同工酶(oligomeric isoenzyme)。单体同工酶只有一条多肽链，其差异仅在于多肽链的氨基酸序 列有所不同。单体同工酶数目较少。红细胞磷酸酶、葡萄糖磷酸变位酶、腺苷脱氨酶、甘油磷酸激酶等 都是单体同工酶。寡聚体同工酶在亚基的种类或结构上有差异，数量较多。由不同亚基组成的寡聚体 称为杂化体。寡聚体同工酶主要是偶数亚基的同工酶，且亚基数目一般不多于四个，三亚基同工酶很 少。乳酸脱氢酶(lactate dehydrogenase,LDH)同工酶为四亚基，肌酸激酶(creatinekinase,CK)同工酶为 两亚基。LDH和CK都属于可形成杂化体的同工酶。 DH是四聚体酶，其亚基类型有骨骼肌型(M型)和心肌型(H型)。这两型亚基能够以不同的比例 组成五种同工酶（图3-2）：LDH,(H)、LDH(HM)、LDH,(H,M2)、LDH,(HM)、LDH,(M)。LDH催化 乳酸与丙酮酸之间的氧化还原反应。因分子结构差异，这五种同工酶具有不同的电泳速率（在pH8.6 的缓冲液中进行电泳，电泳速率从1至5递减)，对同一底物的亲和力不同(LDH,对乳酸的亲和力较大 而DH,对乳酸的亲和力较小)。体外催化反应时，LDH,的最适pH为9.8，LDH,的最适pH为7,8。 LDH同工酶中两种不同亚基的合成受不同基因的控制。因为不同组织器官合成这两种亚基的速率不 同以及两种亚基之间杂交情况不同，LDH同工酶在不同组织器官中的种类、含量和分布有明显差异（表 32)。这使不同的组织细胞具有不同的代谢特点 同工酶的测定已经应用于临床诊断。当某组织细胞发生病变时，该组织细胞特异的同工酶可能会 释放入血。因此同工酶谱的分析有助于疾病诊断。例如，正常人血清中LDH,的活性高于LDH.,而心 肌梗死患者血清中LDH,的活性大于DH2,肝病患者血清中DH,的活性明显升高（图33）。 8888888888 图32LDH的五种同工酶 50
第三章酶与维生素人， 表32人体不同组织器官LDH同工酶谱（酶活性%） 组织器官 LDH, LDH, LDH, LDH, LDH, 心肌 4 d 28 16 4 肝 11 27 肺 10 20 25 15 脑 26 26 20 脾 40 25 骨酪肌 21 27 红细胞 为 36 15 5 3 白细胞 8 12 50 18 12 CK是二聚体酶，其亚基有M型（肌型）和B型（脑型）两种。脑中含CK(BB型)，心肌中含CK (MB型)，骨路肌中含CK,(MM型)。CK,仅见于心肌，日含量很高。正常人血中的CK主要是CK,几 乎不含CK2。心肌梗死后3~6小时，CK,释放入血，血中CK活性升高，12~24小时达到峰值，3~4天 恢复正常。而LDH的释放比CK迟1~2天（图3-4）。因此，CK2常作为心肌梗死早期诊断的辅助生化 指标」 、心肌授死酶诺 正常酶谢 12345 DH同工需 12 6 图3,3心肌梗死和肝病患者血清LDH 图34心肌梗死患者血清CK和LD阳 同工酶谱的变化 总活性的变化 第二节酶促反应的特点与机制 酶作为一种生物催化剂，具有一般催化剂的共同特点，如在化学反应前后其质和量都不改变：只催 化热力学上允许进行的化学反应；降低反应活化能：只能加速反应的进程，而不改变化学反应的平衡点。 酶的化学本质大多为蛋白质，具有一般催化剂所没有的生物大分子特性，因此酶促反应又具有其特殊的 性质与反应机制。 一、酶促反应的特点 (一】酶对底物具有极高的催化效率 酶的催化效率通常比无催化剂的反应高10°-10”倍，比一般催化剂高10-10倍。例如，脲酶催
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