第六章 酶 复习总结

酶的特点

酶和一般催化剂的共性

加快反应的速度，但不改变反应的平衡。

酶作为生物催化剂的特点

（1） 易失活

（2） 具有很高的催化效率

酶的催化效率可以用转换数（turnover number，TN）来表示，它的定义是在一定条件下，每个酶分子单位时间内（通常为1秒钟）转换底物的分子数。转换数高的可到四千万（如过氧化氢酶），低的不足1（如溶菌酶）。

（3） 具有很高的专一性

（4） 酶的活性受到调节控制

① 调节酶的浓度； ② 通过激素调节酶的活性； ③ 反馈抑制调节酶的活性； ④ 抑制剂和激活剂调节酶的活性； ⑤ 其他调节方式如别构调节。

6.5.1 酶的活性部位

在整个酶分子中，只有一小部分区域的氨基酸残基参与对底物的结合与催化作用，这些特异的氨基酸残基比较集中的区域称为酶的活性部位（active site），或称为酶的活性中心（active center）。酶的活性部位是酶结合和催化底物的场所，是与酶活力直接相关的区域。酶活性部位的结构是酶作用机理的结构基础。

酶分子中与结合底物有关的部位称为结合部位，每一种酶具有一个或一个以上的结合部位，每一个结合部位至少结合一种底物，结合部位决定酶的专一性；酶分子中促使底物发生化学变化的部位称为催化部位，催化部位决定酶的催化能力以及酶促反应的性质。酶的结合部位与催化部位共同构成酶的活性部位，在功能上，二者缺一不可，在空间构成上，二者也是紧密连接在一起。

不同酶有不同的活性部位，活性部位的共同特点是：

① 活性部位在酶分子整体结构中只占很小的部分，通常由数个氨基酸残基组成，活性部位体积虽小，却是酶最重要的部分。

② 酶的活性部位具有三维立体结构，酶活性部位的立体结构在形状、大小、电荷性质等方面与底物分子具有较好的互补性。参与组成酶活性部位的氨基酸残基在一级结构上可能相距很远，但是通过肽链的折叠，它们最终在酶的高级结构中相互靠近。

③ 酶的活性部位的催化基团主要包括氨基酸侧链的化学功能团以及辅因子的化学功能团，某些酶的辅因子也可作为酶的催化基团，辅因子与酶协同作用，为催化过程提供了更多种类的功能基团。除催化基团外，酶的活性部位还有参与底物结合的结合基团。在活性部位之外，也可能具有某些对于维持酶活性部位的结构和功能必不可少的基团。这些对酶的催化功能来说必不可少的基团，称为必需基团，若必需基团被改变，酶的活力会严重下降，甚至完全丧失。 ④ 酶的活性部位具有柔性。在酶和底物结合的过程中，酶分子和底物分子的构象均发生一定的变化才形成互补结构。诱导契合假说被诸多实验结果证实，此外，酶的活性部位相比于整个酶分子更具柔性或称可运动性，容易在蛋白变性

剂或底物的诱导作用下发生构象的变化。

⑤ 酶的活性部位通常是酶分子上的一个裂隙，它将底物分子包围起来，从而给即将发生的反应提供了一个局部微环境。这种微环境通常是疏水的环境，比较有利于酶与底物的结合以及底物分子与酶催化基团之间的相互作用。

酶的活性部位对酶的整体结构具有较高的依赖性，没有酶的整体空间结构，就没有酶的活性部位，一旦酶的整体空间结构被破坏，酶的活性部位也就被破坏，酶就会失活。酶的其它部位除了提供酶分子结构的完整性外，还在酶活性的调节中起到重要作用。酶的活性部位与酶蛋白的整体结构之间，酶的活性部位和酶分子其它部位之间具有协调统一的关系。

研究酶活性部位的方法

（1） 侧链基团的化学修饰法:

非特异性共价修饰（作用于酶分子中某一基团），酶活力丧失与修饰剂浓度成比例，底物或竞争性抑制剂可降低修饰作用。特异性共价修饰（作用于特定酶的特定基团），；亲和标记试剂可以与活性部位的特定基团共价定量结合，如对甲苯磺酰-L-苯丙氨酰氯甲基酮（TPCK）与胰凝乳蛋白酶活性部位丝氨酸羟。

（2） 动力学参数测定法

（3） X-射线晶体结构分析法

（4） 定点诱变法

6.5.3 酶具有高催化效率的分子机理

酶促反应形成过渡态所需要的活化能远小于非酶促反应，分子机理有以下几种：

（1）邻近效应与定向效应

邻近（approximation）效应指酶与底物结合以后，使底物集中于酶的活性部位，酶活性部位的底物浓度远远超过整个溶液体系中底物的平均浓度，从而增加反应速率的效应。

定向（orientation）效应指底物的反应基团之间、酶的催化基团与底物的反应基团之间的正确定位与取向所产生的增进反应速率的效应。两个发生作用的化学基团的正确定位与取向通过限制化学基团的自由度，拉近化学基团之间的距离，调整化学基团之间的角度，使化学基团能够更有效地相互作用，从而提高了反应速率。

邻近效应与定向效应在酶促反应中所起的促进作用可以累积，两者共同作用可使反应速率升高108倍左右。

（2）促进底物过渡态形成的非共价作用

酶与底物之间的非共价作用（如氢键、疏水作用等）可以使底物分子围绕其敏感键发生形变，从而促进底物过渡态的形成，反应活化能被降低，反应速率得以加快。过渡态互补学说认为，与经诱导契合调整构象后的酶最匹配的是底物经形变产生的过渡态，而不是底物的原始状态，同样，经调整后酶活性部位的理想构象应该是一种与底物的过渡态互补的构象，如此才能产生最适宜的非共价作用。酶与底物过渡态的亲和力要远大于酶与底物或产物的亲和力。

（3） 酸碱催化

酸碱催化（acid-base catalysis）指催化剂通过向反应物提供质子或从反应物接受质子，从而稳定过渡态，降低反应活化能，加速反应的一类催化机制。

狭义的酸碱催化指水溶液中通过质子和氢氧离子进行的催化；广义的酸碱催化指通过质子、氢氧离子以及其他能提供质子或接受质子的物质进行的催化，广义的酸碱催化可提高反应速率102到105倍。

在生理条件下，因质子和氢氧离子的浓度太低，因此生物体内的反应以广义的酸碱催化为主，由酶活性部位的一些功能基团来提供质子或接受质子。咪唑基即可作为质子供体，又可作为质子受体在酶促反应中发挥催化作用，同时咪唑基接受质子和供出质子的速率相当大，因此组氨酸残基虽然在酶分子中含量很少，但在酶的催化功能中占据重要地位。

（4） 共价催化

共价催化（covalent catalysis）指催化剂通过与底物形成相对不稳定的共价中间复合物，改变了反应历程，由于新历程所需活化能更低，因此反应速率得以提高。其具体机制分亲核催化与亲电催化两种，亲核催化指催化剂作为提供电子的亲核试剂攻击反应物的缺电子中心，与反应物形成共价中间复合物；亲电催化指催化剂作为吸取电子的亲电试剂攻击反应物的负电中心，与之形成共价中间复合物。

酶中参与共价催化的基团主要包括组氨酸残基侧链的咪唑基、半胱氨酸残基侧链的巯基、丝氨酸残基侧链的羟基等，它们一般作为亲核试剂攻击底物的缺电子中心，形成共价中间复合物。

（5）金属离子催化

金属离子可通过多种途径参加催化过程，例如金属离子可提高水的亲核性能；金属离子可通过静电作用屏蔽负电荷；金属离子可通过结合底物为反应定向；金属离子可在氧化还原反应中起传递电子的作用等。

金属离子的作用主要有：

① 与底物结合为反应定向；

② 参与氧化还原反应；

③ 稳定或屏蔽负电荷；

④ 活化水分子；

⑤ 与过渡态底物形成螯合物。

酶的活性部位一般都含有多个起催化作用的基团，这些基团在空间上有特殊的排列和取向，可以通过协同的方式作用于底物，从而提高底物的反应速率。一种酶的催化作用常常是多种催化机制的综合作用，这种多元催化和协同效应是酶具有高效性的重要原因。

6.7.1 抑制剂

不可逆抑制剂与酶的必需基团以共价键结合，引起酶的永久性失活，其抑制作用不能够用透析、超滤等温和物理手段解除。

可逆抑制剂与酶蛋白以非共价键结合，其抑制作用可以通过透析、超滤等手段解除。可逆抑制剂又可分为竞争性抑制剂、非竞争性抑制剂和反竞争性抑制剂等。

① 竞争性抑制剂（competitive inhibitor） 抑制剂的化学结构与底物相似，因而能与底物竞争与酶活性部位的结合，当抑制剂结合于酶的活性部位后，底物被排斥在酶活性部位之外，导致酶促反应被抑制。

② 非竞争性抑制剂（noncompetitive inhibitor） 酶可同时与底物及这类抑制剂结合，形成的三元复合物不能进一步分解为产物，导致酶促反应被抑制。抑制剂的结合位点与底物结合位点不同。

③ 反竞争性抑制剂（uncompetitive inhibitor） 酶只有与底物结合后，才能与这类抑制剂结合，形成的三元复合物不能分解为产物，导致酶促反应被抑制。抑制剂的结合位点与底物结合位点不同。

一些重要的抑制剂

不可逆抑制剂

非专一抑制剂：有机磷（作用于羟基酶类，特别是胆碱酯酶，可用肟类解毒）、有机汞和有机砷（作用于巯基，可用过量的巯基化合物解毒）、重金属盐（使蛋白质变性失活，可用螯合剂解毒）、氰化物、硫化物和一氧化碳（作用于酶中的金属离子，使酶失活而阻止呼吸）、青霉素（抑制细菌的糖肽转移酶）等；

专一抑制剂：Ks型抑制剂修饰活性基团，Kcat型抑制剂为自杀型底物。

6.7.2 温度对酶反应的影响

化学反应速率一般都受温度影响，反应速率随温度的升高而加快，但在酶促反应中，随着温度的升高，酶会因热变性而失活，从而使反应速率减慢，直至酶完全失活。因此在较低的温度范围内，酶促反应速率随温度升高而增大，超过一定温度后，反应速率反而下降，以反应速率对温度作图可得到一条钟形曲线，曲线的顶点对应的温度称为酶作用的最适温度（optimum temperature，Tm），此温度对应的酶促反应速率最大。

有些耐热的酶有很好的应用价值。

酶的最适温度不是一个恒定不变的常数，其数值与反应时间、底物类型等因素有关，如反应时间的增加可导致最适温度测定值的降低，这说明酶的最适温度只有在一定条件下测定才有意义。

6.7.3 pH对酶反应的影响

pH对酶促反应速率的影响作用主要有：

① pH过高或过低可导致酶高级结构的改变，使酶失活，又称为酸变性或碱变性，酶活性部位具有柔性，比其他部位更容易在酸、碱的作用下发生构象变化，导致酶活力的下降；

② 酶具有许多可解离的基团，在不同的pH环境中，这些基团的解离状态不同，所带电荷不同，它们的解离状态对酶与底物的结合能力以及酶的催化能力都有重要作用，因此溶液pH的改变可通过影响这些基团的解离状态来影响酶活性；

③ pH通过影响底物的解离状态以及中间复合物ES的解离状态影响酶促反应速率。

6.8.1 酶的调节方式

生物体内调节酶活性的方式有很多种，可以概括为以下两类：? 通过改变酶的数量与分布来调节酶的活性，例如通过激素的作用促进或抑制某一特定酶的表达，以增加或降低酶的浓度，许多酶在一种生物体内有多种同工酶形式，

不同的同工酶形式分布于不同的器官或组织中，执行不同的功能；? 通过改变酶的活性来调节酶的总活性，这种调节方式又包括通过改变酶的结构来调节酶的活性（例如别构调控、可逆的共价修饰、酶原的激活），以及通过直接影响酶与底物的相互作用来调节酶的活性等方式，例如竞争性抑制剂对酶活性的抑制作用、pH的微调对酶活性的影响作用等。

6.8.2 酶的别构调控

许多酶除具有活性部位外，还具有可以与某些化合物可逆结合的调节部位，使酶发生结构的改变，进而改变酶的催化活性，这种调节方式称为酶的别构调控（allosteric regulation）。

具有别构调控作用的酶称为别构酶 (allosteric enzyme)，别构酶通常为由多个亚基组成的寡聚酶，可具有多个活性部位与调节部位，这两种部位可能位于同一亚基上，也可能位于不同亚基上。对别构酶加热或用化学试剂处理，可以使别构酶解离并失去调节活性，称为脱敏作用。

对酶分子具有别构调节作用的化合物称为效应物 （effector），效应物以小分子化合物为主，根据其作用效果分为两类，一类导致酶活性增加，称为正效应物（positive effector）或别构激活剂；一类导致酶活性降低，称为负效应物（negative effector）或别构抑制剂。

效应物对别构酶的调节作用可分为同促效应与异促效应两类，同促效应中，酶的活性部位和调节部位是相同的，效应物是底物，底物与别构酶某一活性部位的结合通常可促进其他底物分子与该酶剩余活性部位的结合，导致酶促反应速率增加，这样的同促效应称为正协同效应，如果底物与酶某一活性部位的结合导致其他底物与该酶更难以结合，则称为负协同效应。

异促效应中，酶的活性部位和调节部位是不同的，效应物是非底物分子。图6-21为异促效应的简单模型，模型酶为二聚体酶，由一个催化亚基和一个调节亚基组成，催化亚基上有一个结合底物的位点，调节亚基上有一个结合负效应物的位点，在没有结合效应物的时候，酶处于高活力状态，活性部位对底物的亲和力较大，当结合一个负效应物M后，酶的结构发生一定的变化，活性部位对底物的亲和力减小，从而使酶活性降低。

（1）正协同效应：酶的一个亚基与底物结合后，其他亚基与底物的结合能力加强，v-[S]曲线为S形。

（2）负协同效应：酶的一个亚基与底物结合后，其他亚基与底物的结合能力减弱，v-[S]曲线为平坦的双曲线。

可用Rs ([S]90%Vm / [S]10%Vm)来定量地区分三种酶：Rs等于81为米氏酶，大于81则有正协同效应，小于81为负协同效应。

更常用的是Hill系数法，以log(v/(Vm－v))对log[S]作图，曲线的最大斜率为Hill系数，米氏酶等于1，正协同酶大于1，负协同小于1。

（3）别构抑制作用使反应速度降低，正协同效应加强。

（4）别构激活作用使反应速度加快，正协同效应减弱。

6.8.3 可逆的共价修饰调节

可逆的共价修饰（reversible covalent modifications）指某种酶在其它酶

的催化下，其肽链中某些基团发生可逆的共价修饰作用，导致该酶在活性形式和非活性形式之间相互转变，使酶活性得以调控，这种酶称共价调节酶（covalently modulated enzymes）。

共价修饰包括：磷酸化、腺苷酰化、尿苷酰化、ADP-糖基化、甲基化等。 磷酸化存在普遍，有非常重要的生理意义，主要以P-O键或P-N键连接（1992诺贝尔医学奖）。蛋白质的磷酸化主要由蛋白激酶催化，常见的蛋白激酶有蛋白激酶A（PKA），蛋白激酶C（PKC），磷酸化酶激酶（phK），蛋白酪氨酸激酶（PTK）等。

可逆的共价修饰同样在新陈代谢的调控中起重要作用，此外在信号转导过程中，可逆的共价修饰是信息在酶与酶之间传递的关键因素之一。

6.8.4 酶原的激活

酶原（zymogens）指无活性的酶的前体分子。在特定蛋白水解酶的催化作用下，作用于酶原肽链中的特定位点，改变酶原一级结构，形成有活性的酶，称为酶原的激活（activation of zymogens），酶原的激活是一个不可逆的过程。

第二篇：生化复习总结(经典大题)：糖代谢

第九章糖代谢

（4）三羧酸循环小结

①乙酰CoA进入三羧酸循环后，乙酰基与草酰乙酸缩合，生成6个C的拧檬酸。三羧酸循环中有2次CO2的生成 ，异柠檬酸脱氢酶催化β氧化脱羧，α-酮戊二酸脱氢酶系催化α-氧化脱竣反应，辅酶都是NAD+，两次都同时伴有脱氢作用。两次脱羧生成2分子CO2，与进入循环的乙酰基碳原子数相等。但以CO2方式失去的碳并非来自乙酰基的两个C原子，而是来自草酰乙酸

② 三羧酸循环的四次脱氢，其中三对氢原子以NAD+为受氢体，一对以FAD为受氢体，分别还原生成NADH + H+和FADH2。NADH + H+和FADH2经线粒体内膜递氢体系传递，最终与氧结合生成水，并分别生成2.5molATP和1.5molATP。再加上三羧酸循环中有一底物磷酸化产生1分子ATP，1分子CH3CO-SCoA参与三羧酸循环共生成10分子ATP 。 ③ 三羧酸循环的中间产物可以参与合成其他物质，需要不断补充更新。

（5）三羧酸循环的生物学意义

生物界中均存在着三羧酸循环途径，因此它具有普遍的生物学意义。

糖的有氧分解代谢产生的能量最多，是机体利用糖或其他物质氧化而获得能量的最有效方式。

三羧酸循环是糖、脂、蛋白质三大物质转化的枢纽。

三羧酸循环所产生的各种重要的中间产物，对其他化合物的生物合成也有重要意义。在细胞迅速生长期间，三羧酸循环可供应多种化合物的碳骨架，以供细胞生物合成之用。 在植物体内，三羧酸循环中有机酸的形成，既是生物氧化基质，也是一定生长发育时期，一定器官中的积累物质，如柠檬果实富含柠檬酸，苹果中富含苹果酸等。

目前，在发酵工业上也已利用微生物的三羧酸循环代谢途径生产有关的有机酸如柠檬酸。

（6）三羧酸循环的代谢调节

① 丙酮酸脱氢酶系（pyruvate dehydrogenase complex）催化的反应是进入柠檬酸循环的必经之路，乙酰辅酶A和NADH是该酶系的抑制剂，NAD+和辅酶A则是该酶的激活剂。

② 柠檬酸合成酶（citrate synthase）是该途径关键的限速酶。其活性受ATP、NADH、琥珀酰CoA 的抑制；草酰乙酸和乙酰CoA的浓度较高时，可激活该酶的活性。

③ 异柠檬酸脱氢酶（Isocitrate dehydrogenase）受到Ca2+和ADP的别构激活和NADH的抑制。

④ α–酮戊二酸脱氢酶系（α-Ketoglutarte dehydrogenase complex）是三羧酸循环的另外一种限速酶。它们的活性也受AIP、NADH的抑制。体外实验证实，琥珀酰CoA是α–酮戊二酸脱氢酶系的抑制剂。