第三章  酶

一、教学目的

在认识酶是具有催化作用的生物大分子基础上，学习酶的分子结构与功能、酶促反应的特点与机制、酶促反应动力学、酶的调节；了解命名与分类、以及酶与医学的关系。

二、教学要求

（一）掌握酶的分子组成，酶、单纯酶、全酶、辅酶、酶的必需基团及活性中心的概念；维生素与辅酶的关系，辅酶和金属离子的作用。

（二）掌握酶的分子结构与催化作用，酶促反应的特点，酶-底复合物的概念和意义。

（三）掌握底物浓度对酶促反应速度的影响及米-曼氏方程表达式， Km和Vmax值的概念及意义。掌握最适温度、最适pH和酶浓度的概念和意义。

（四）掌握抑制剂与激活剂对酶促反应速度的影响；不可逆抑制作用原理，各种可逆性抑制的酶促动力学参数的变化特点；

（五）掌握酶活性的调节的几种方式，别构调节、共价修饰调节、酶原激活和同工酶的概念；了解酶含量的调节

（六）掌握核酶的概念。了解酶的分类与命名原则，酶与疾病的发生、诊断和治疗的关系及酶在医学上的应用。

三、教学内容

（一）概述：酶的概念。

（二）酶分子的结构与功能：酶的分子组成、酶的活性中心，同工酶。

（三）酶的工作原理：酶促反应的特点、酶促反应的机制。

（四）酶促反应动力学：底物浓度、酶浓度、温度、pH、抑制剂、激活剂对反应速度的影响。

（五）酶的调节：酶活性调节，酶的别构效应、酶的化学修饰，酶原激活；酶含量的调节。

（六）酶的分类与命名：酶的分类、酶的命名。

（七）酶与医学的关系：酶与疾病的发生、诊断及治疗关系，酶试剂的应用。

第三章  酶

二、名词解释

1.enzyme

2.monomeric enzyme

3.oligomeric enzyme

4.multienzyme system

5.multifunctional enzyme

6.conjugatedenzyme

7.active center

8.essential group

9.isoenzyme

10.inhibitor

11.competitiveinhibition

12.uncompetitiveinhibition

13.activator

14.allostericregulation

15.covalentmodification

16.zymogen

答案解析：

1.酶:是由活细胞产生的、对其底物具有高度特异性和高度催化效能的蛋白质。

2.单体酶:由单一亚基构成的酶称为单体酶。

3.寡聚酶:由多个相同或不同亚基以非共价键连接组成的酶称为寡聚酶。

4.多酶体系:几种具有不同催化功能的酶可彼此聚合形成的多酶复合物。

5.多功能酶:在一条肽链上同时具有多种不同的催化功能的酶,又称串联酶。

6.结合酶:由蛋白质部分和非蛋白质部分共同组成。

7.活性中心:能与底物特异地结合并催化底物转化为产物的具有特定三维结构的区域。

8.必需基团:与酶活性密切相关的化学基团称作酶的必需基团。

9.同工酶:指催化相同的化学反应,但酶蛋白的分子结构、理化性质乃至免疫学性质不同的一组酶。

10.酶的抑制剂:凡能使酶活性下降而不引起酶蛋白变性的物质统称为酶的抑制剂。

11.竞争性抑制作用:抑制剂和酶的底物在结构上相似,可与底物竞争结合酶的活性中心,从而阻碍酶与底物形成中间产物,这种抑制作用称为竞争性抑制作用。

12.反竞争性抑制作用:抑制剂仅与酶-底物复合物结合,使中间产物ES的量下降。 这种抑制作用称为反竞争性抑制作用。

13.激活剂:使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加的物质称为酶的激活剂。

14.别构调节:体内一些代谢物可与某些酶的活性中心外的某个部位非共价可逆结合,引起酶的构象改变,从而改变酶的活性,酶的这种调节方式称为的别构调节,也称变构调节。

15.酶的共价修饰:酶蛋白肽链上的一些基团可在其他酶的催化下,与某些化学基团共价结合或脱离,从而影响的活性,又称为酶的化学修饰。

16.酶原:有些酶在细胞内合成,初分泌在其发挥催化功能前处于无活性态,这种无活性的酶前体称作酶原

三、填空题

1.酶是由_  _产生,具有催化能力的    _。

答案：活细胞 蛋白质

2.酶所催化的反应叫_   _,参加反应的物质叫     _。

答案：酶促反应 底物

3.酶活性中心包括_  _和_   两个功能部位。

答案：结合 催化

4.全酶由_   和_    构成。

答案：酶蛋白 辅助因子

5.辅助因子可分为两类,分别称为    __和    _。

答案：辅酶 辅基

6.辅酶与辅基的区别在于前者与酶蛋白_    ,后者与酶蛋白_    。

答案：结合疏松 结合牢固

7.酶的特异性取决于   __,而酶促反应性质取决于     。

答案：酶蛋白 辅助因子

8.酶的催化作用不同于一般催化剂,主要是其具有_      、       、      和      。

答案：高度的特异性 高度的催化效力 高度不稳定性 酶的活性与酶量具有可调节性

9.酶对_   _称为酶的专一性,一般可分为      和      。

答案：底物的选择性 绝对专一性 相对专一性

10.脲酶只作用于尿素,而不作用于其他任何底物,因此它具有    专一性;D-氨基酸氧化酶,只能催化D-氨基酸氧化脱氨,因此它具有_    专一性。

答案：绝对 立体异构

11.影响酶促反应速度的因素有     _、      、      、      、       和       。

答案：底物浓度 酶浓度 温度 pH 激活剂 抑制剂

12.Km值是酶的_   常数,在一定的情况下,Km值愈大,表示酶与底物的亲和力      。

答案：特征性 愈小

13.有竞争性抑制剂存在时,酶促反应的最大速度(Vmax)    _,Km值    _;非竞争性抑制剂存在时,酶促反应的最大速度    _,K值     。

答案：不变 增大 降低 不变

14.酶的可逆性抑制主要分为_   _、      和    _三类。

答案：竞争性抑制 非竞争性抑制 反竞争性抑制

15.磺胺药物的结构和_    相似,它可以竞争性抑制细菌体内的     。

答案：对氨基苯甲酸 二氢蝶酸合酶

16.细胞对现有酶活性的调节包括     和    _,它们属于对酶促反应速率的快速调节。

答案：酶的别构调节 酶的化学修饰调节

17.酶的活性是指      ,一般用来    衡量。

答案：酶催化化学反应的能力 酶促反应速度的快慢

四、简答题

1.酶活性中心的必需基团分为哪两类?在酶促反应中其作用是什么?

答案：酶的活性中心内的必需基团,一类是结合基团,其作用是与底物相结合,使底物与酶的一定构象形成复合切。另一类是催化基团,其作用是影响底物中某些化学键的稳定性,催化底物发生化学反应并将其转变为产物。

2.简述酶作为生物催化剂与一般化学催化剂的共性及其个性。

答案：共性:催化热力学允许的化学反应;可以加快化学反应的速度,而不改变反应的平衡点,即不改变反应的平衡常数;在反应前后,酶本身没有结构、性质和数量上的改变,且微量的酶便可发挥巨大的催化作用。个性:酶作为生物催化剂的特点是催化效率更高,具有高度的专一性,不稳定性,催化活性和酶含量的可调节性。

3.以乳酸脱氢酶为例,说明同工酶的生理意义和病理意义。

答案：不同组织中LDH的同工酶不同,如心肌中 LDH1和LDH2含量最多,而骨骼肌和肝脏中以LDH4和LDH5为主。LDH1和 LDH2 对乳酸亲和力大,所以有利于心肌利用乳酸氧化获得能量;LDH4 和 LDH5 对丙酮酸亲和力大,有利于使丙酮酸还原为乳酸,这与肌肉在供氧不足时能由酵解作用取得能量的生理过程相适应。由于同工酶在组织器官中的分布有差异,因此,血清同工酶谱分析有助于器官疾病的诊断。 如心肌病变时LDH1和LDH2活性升高,肝脏病变时LDH4和LDH5活性升高。

4.试说明米氏常数(Km)和最大反应速度(Vmax)的意义及应用。

答案：(1)K的意义。1、Km值等于酶促反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度。2、在一定情况下,Km值近似于ES的解离常数Ks,Km值可用来表示酶对底物的亲和力。此时,Km值愈大,酶与底物的亲和力愈小;Km值愈小,酶与底物的亲和力愈大。Km值和Ks值的含义不同,不能相互代替使用。3、Km值是酶的特征性常数之一,只与酶的结构、酶所催化的底物和外界环境有关,与酶的浓度无关。

(2)最大反应速度Vmax是酶完全被底物饱和时的反应速度，它除受Ph和温度影响外，还受抑制剂，特别是非竞争性抑制剂和竞争性抑制剂的影响。如果酶的总浓度已知，则可利用Vmax计算酶的转换数，即单位时间内每个酶分子催化底物转变为产物的分子数，这可表示酶的催化效能。

5.简述酶的多元催化作用。

答案：酶的多元催化作用表现在三个方面:1、酸--碱催化作用,酶是两性解离的蛋白质,酶活性中心有些基团则可以成为质子的供体(酸),有些基团则可以成为质子的受体(碱)。这些基团参与质子的转移,可使反应速率大大提高。2、很多酶的催化基团在催化过程中通过和底物形成瞬间共价键而将底物激活,并很容易进一步被水解形成产物和游离的酶。 这种催化机制称为共价催化作用。 3、亲核催化作用,酶活性中心有的基团属于亲核基团,可以提供电子给带有部分正电荷的过渡态中间物,从而加速产物的生成。4、亲电催化作用,酶活性中心有的基团属于亲电基团,可以接受电子,从而加速产物的生成。许多酶促反应常常有多种催化机制同 时介人,共同完成催化反应,这是酶促反应高效率的重要原因。

6.竞争性抑制和非竞争性抑制的主要区别是什么?

答案：竞争性抑制作用的抑制剂与底物的结构相似,能与底物共同竞争酶的活性中心,从而阻碍底物与酶的结合。但当底物浓度增加时,可以减少和消除这种抑制,其动力学特点是Km增大,Vmax不变。非竞争性抑制作用的抑制剂可以与酶活性中心外的部位可逆地结合,这种结合不影响酶与底物的结合,而是使整个酶活性降低,增加底物浓度也不能消除这种抑制,其动力学特点是Km不变,Vmax,降低。

7.何谓正协同效应和负协同效应?

答案：效应剂与酶的一个亚基结合,此亚基的别构效应使相邻亚基也发生别构,并增加对此效应剂的亲和力,则此协同效应称为正协同效应,如果后续亚基的别构降低对此效应剂的亲和力,则此协同效应称为负协同效应。

8.酶原激活的生理意义是什么?

答案：可避免细胞产生的蛋白酶对细胞进行自身消化,并使酶在特定的部位和环境中发挥作用,从而保证体内代谢的正常进行。

五、论述题

1、测定酶活力时应注意什么？为什么测定酶活力时以初速度为宜？

答案：酶活力的高低是研究酶的特性、进行酶制剂的生产及应用时的一项必不可少的指标。由于酶是蛋白质,只有在较严格的条件下才表现出最高的活性,测定酶活力应注意以下几个方面:1、在提取、纯化及贮藏过程中应保持低温。在进行酶活力测定时,应给予酶的最适温度,通常为37℃,也可以按国际统一规定的25℃。2、酶活性中心部位的必需基团的解离受溶液pH的影响较大,因此进行酶活力测定时,其缓冲溶液的pH应是该酶的最适pH。3、对特异性不强的酶要用酶的最适底物。4、严格控制与酶测定无关的各种激活或抑制因素,避免干扰酶的活力测定。5、酶活力测定指标一般以测定产物为好,因为测定反应速度时,实验设计定的底物浓度往往是过量,反应底物减少的量只占其总量的一个极小部分,测定时不易准确;而产物则从无到有,只要方法足够灵敏,就可以准确测定。测定酶活力时以测定初速度为宜,因反应速度只有在最初一段时间内保持恒定随着反应时间的延长,酶反应速度逐渐下降。引起下降的原因很多,如底物浓度的降低,酶在一定 pH及温度下部分失活,产物对酶的抑制,产物浓度增加导致逆向反应的加速进行等。

2、以磺胺药为例说明竞争性抑制剂作用在临床上的应用。

答案：细菌在生长繁殖过程中,必须从宿主体内摄取对氨基苯甲酸,在其他因素的参与下由二氢蝶酸合酶催化生成二氢叶酸,再在二氢叶酸还原酶的催化下生成四氢叶酸参与核酸的合成,细菌才可以生长繁殖,磺胺药的基本结构与对氨基苯甲酸相似,能竞争性地与二氢蝶酸合酶结合,从而抑制了细菌的二氢叶酸的合成,抑制了细菌的生长繁殖。由于这是一种竞争性抑制作用,故在治疗中需维持磺胺药在体液中的高浓度才能有好的疗效。因而首次用量需加倍,同时要日服药4次,以维持高浓度。

案例3：酶的抑制作用与有机磷农药中毒

患者，女性，45岁，因与家人争吵自服美曲膦酯（敌百虫）约100ml。服毒后自觉头晕、恶心、并伴有呕吐，呕吐物有刺激农药味。服药后家属即发现，立即到当地医院就诊，洗胃10 000ml后，予阿托品5ml静推，解磷定2g肌肉注射后，病情无好转。渐出现神志不清，呼之不应，刺激无反应，予凌晨服药后5小时转入某医院。经辅助检查诊断为有机磷中毒，立即予以催吐洗胃，硫酸镁导泻，阿托品、解磷定静脉注射，反复给药补液、利尿等对症支持治疗。

问题与思考：

（1）有机磷农药中毒的机制是什么？

（2）有机磷对酶的抑制作用属于哪种类型？有何特点？

（3）解磷定解毒的生化机制是什么？

（4）催吐洗胃、硫酸镁导泻、阿托品、解磷定静脉注射、反复给药补液、利尿等对症治疗的根据是什么？

案例分析：

有机磷农药如美曲膦酯、敌敌畏等能特异地与胆碱酯酶活性中心丝氨酸残基的羟基共价结合，在体内形成磷酸化胆碱酯酶，使胆碱酯酶活性受到抑制。正常机体在神经兴奋时，神经末梢释放乙酰胆碱。若胆碱酯酶被抑制，神经末梢分泌的乙酰胆碱不能被及时分解而积聚在突触间隙，使胆碱能神经过度兴奋，引起迷走神经的毒性兴奋状态，出现呕吐、抽搐、神志不清等症状，最终导致死亡，故这类物质又称神经毒剂。

 临床主要用解磷定和氯解磷定治疗有机磷农药中毒、可解除有机磷化合物对羟基酶的抑制作用。阿托品能清除或减轻中枢神经系统症状，改善呼吸中枢抑制。上述病例显示有机磷化合物抑制胆碱酯酶活性。

教学建议：            

（1）掌握不可逆抑制作用的特点。

（2）熟悉有机磷农药中毒机制及解毒方法。

案例4：胰酶与急性胰腺炎

患者，男性，28岁；主诉：因中上腹痛伴恶心呕吐5天收住入院。病史：患者5天前出现中上腹痛，为持续性隐痛，尚能忍受，偶有腰背部痛，伴呕吐2次，呕吐物为胃内容物，3天前于当地医院就诊，查尿淀粉酶748U／L，白细胞计数：13.6×10⁹／L，N：0.762．给予“氯唑西林针、奈替米星针、山莨菪碱针”治疗，但病情未见明显好转，转院诊治，“急性胰腺炎”收住入院。治疗过程：治疗予左旋氧氟沙星、甲硝唑、氨曲南抗炎，奥曲肽抑制胰液分泌，卫可安制酸，雪乐通活血及营养支持治疗。治疗后患者体温下降、腹痛缓解，进食半流质后未诉不适。

问题与思考：

（1）胰腺产生哪些消化酶？这些酶以何种形式分泌、储存和运输？

（2）急性胰腺炎的主要生化机制是什么？

案例分析：

引起急性胰腺炎的病因很多。在病理情况下，因各种原因导致胰管阻塞，胰腺腺泡仍可持续分泌胰液，可引起胰管内压升高，破坏了胰管系统本身的粘液屏障，HCO^-₃便发生逆向弥散，使导管上皮受到损害。当导管内压力超过3.29KPa时，可导致胰腺腺泡和小胰管破裂，大量含有各种胰酶的胰液进入胰腺实质，胰分泌性蛋白酶抑制物（PSTI）被削弱，酶原被激活成蛋白酶，胰实质发生自身消化作用。其中以胰蛋白酶作用为最强，因为少量胰蛋白酶被激活后，它可以激活大量其他胰酶包括其本身，因而可引起胰腺组织的水肿、炎性细胞浸润、充血、出血及坏死。

教学建议：掌握酶原激活的实质及酶原激活的意义。 

案例5：乳酸脱氢酶与肌肉损伤

患者，男性，29岁，建筑工人。工地劳动时突发胸痛，疼痛程度中等，仍坚持工作一天后，疼痛更明显，特别在呼吸时感到剧痛，并有紧缩感横绕前胸壁。医院就诊查：心电、胸透检查阴性，血浆乳酸脱氢酶升高400IU／L，并持续升高到住院第4天。其他检查项目均正常。诊断结果：肌肉损伤。

问题与思考：

（1）乳酸脱氢酶催化什么反应？

（2）为什么肌肉损伤后血浆乳酸脱氢酶会升高？

（3）正常血清中LDH同工酶有多少种？在所有疾病中LD的各种同工酶是否同样地成比例升高？为什么？

案例分析：

乳酸脱氢酶（Lactatedehydrogenae，LDH）是最早发现的同工酶，是由H型（心肌型）及M型（骨骼肌型）两种亚基组成的四聚体蛋白，这两种亚基以不同的比例组成五种不同的LD同工酶：LDH₁（H₄）、LDH₂（H₃M）、LDH₃（H₂M₂）、LDH₄（HM₃）、LDH₅（M₄）。此外，在动物睾丸及精子中还发现另一种基因编码的X亚基组成的四聚体C₄（LDH-X）同工酶。LDH同工酶在不同组织中的含量与分布比例不同，各器官组织都有其各自特定的分布酶谱。对同一底物的脱氢表现出不同的Km值。由于5种LDH同工酶分子结构的差异，它们在电泳中泳动速度亦不同。

LDH同工酶有组织特异性，LDH₁在心肌中表达量高，而LDH₅在肝、骨骼肌中相对含量高。

LDH同工酶相对含量的改变在一定程度上反映了某脏器的功能状况。若某一组织发生病变，则会引起血清LDH同工酶谱的变化，这些变化是组织损伤的指标，被用于临床诊断。例如血清中LDH₁相对于LDH₂升高是心肌炎或心脏受损的标志。肌肉损伤时血清中的LDH₅升高。

教学建议：掌握血清中LDH同工酶谱变化的意义。

重磅！维生素D3可以治疗、修复心血管损伤

来源： 生物谷　2018-02-04A-A+

一项由俄亥俄大学科学家完成的最新研究表明一点点阳光就可能帮助你修复你受损的心血管系统。

这项研究发现人体暴露在太阳光下自然产生的维生素D3能够显著修复严重疾病导致的心血管系统损伤，如高血压、糖尿病和动脉硬化等。目前也已经有一些维生素D3补充剂可供使用。

这项研究由特聘教授Tadeusz Malinski博士和两个博士研究生Alamzeb Khan和 Hazem Dawoud完成，于近日发表在《International Journal of Nanomedicine》上。

“通常来讲，维生素D3与骨骼有关。然而近年来临床研究人员发现许多心脏病患者都缺乏维生素D3。这并不是说缺乏维生素D3就一定会患心脏病，但是会增加心脏病风险。” Malinski说道。“我们使用了纳米传感器以检测维生素D3是否有好处，尤其是在心血管系统的功能和恢复方面。”

Malinski的研究团队开发了一种新方法追踪维生素D3对单个内皮细胞（心血管系统的重要调节细胞）的影响，该方法是用了纳米传感器，比人头发还小1000倍。他们的主要发现是维生素D3是一氧化氮（NO）的强刺激物，而NO是调节血流和防止心血管形成血栓的主要信号分子。此外，维生素D3还可以显著降低心血管系统的氧化应激水平。

最重要的是，这项研究发现使用维生素D3进行治疗可以有效恢复几种疾病导致的心血管系统损伤，同时也可以降低心脏病的风险。他们在来自白人和非洲裔美国人的细胞上进行了实验，得到的结果相同。

“目前为止并没有很多可以恢复已经受损的心血管内皮细胞的物质，而维生素D3可以实现这个目的。” Malinski说道。“这是一种非常廉价的修复心血管系统的方法。我们不需要开发新药，因为我们已经有维生素D3补充剂了。”

这项研究是首个发现维生素D3修复心血管内皮细胞功能的研究。尽管这些研究在高血压细胞模型中进行，但是维生素D3对功能紊乱的内皮细胞的影响是普遍的。内皮功能紊乱是几种心血管疾病的共同特征，尤其是缺血相关的疾病。

因此，作者认为维生素D3可能在修复心脏病、中风、低血容量、血管病变、糖尿病和动脉粥样硬化造成的内皮细胞功能紊乱方面具有重要意义。几项临床研究也支持了这个观点，这几项研究发现比目前用于治疗骨科疾病更高剂量的维生素D3可能对治疗心血管系统功能异常有好处。

“Malinksi教授由于与心血管系统相关的杰出研究而享有良好的国际声誉。”俄亥俄大学艺术和科学院院长Robert Frank说道。“这项最新的工作是他对这个领域贡献的另一个范例。”

参考资料：

Khan A， Dawoud H， Malinski T.Nanomedical studies of the restoration of nitric oxide/peroxynitrite balance in dysfunctional endothelium by 1,25-dihydroxy vitamin D3 – clinical implications for cardiovascular diseases. International Journal of Nanomedicine 2018, 13:455-466.DOI https://doi.org/10.2147/IJN.S152822

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概   述

酶的概念：酶是一类由活细胞产生的，对其特异底物具有高效催化作用的生物大分子。

酶学研究简史

第一节  酶的分子结构与功能

酶的不同形式：

n  单体酶(monomeric enzyme)：仅具有三级结构的酶。

n  寡聚酶(oligomeric enzyme)：由多个相同或不同亚基以非共价键连接组成的酶。

n  多酶体系(multienzyme system)：由几种不同功能的酶彼此聚合形成的多酶复合物。

n  多功能酶(multifunctional enzyme)或串联酶(tandem enzyme)：一些多酶体系在进化过程中由于基因的融合，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。

一、酶的分子组成

单纯酶 (simple enzyme)

结合酶 (conjugated enzyme)

全酶(holoenzyme)=蛋白质部分+辅助因子

q  酶蛋白决定反应的特异性

q  辅助因子决定反应的种类与性质

Ø  金属酶(metalloenzyme)

金属离子与酶结合紧密，提取过程中不易丢失。

Ø  金属激活酶(metal-activated enzyme)

金属离子为酶的活性所必需，但与酶的结合不甚紧密。

Ø  金属离子的作用：

稳定酶的构象；

参与催化反应，传递电子；

在酶与底物间起桥梁作用；

中和阴离子，降低反应中的静电斥力等。

Ø  小分子有机化合物的作用：

在反应中起运载体的作用，传递电子、质子或其它基团。

辅助因子分类（按其与酶蛋白结合的紧密程度）：

辅酶 (coenzyme):与酶蛋白结合疏松，可用透析或超滤的方法除去。                           

辅基 (prosthetic  group):与酶蛋白结合紧密，不能用透析或超滤的方法除去。

二、酶的活性中心

必需基团(essential group)：酶分子中氨基酸残基侧链的化学基团中，一些与酶活性密切相关的化学基团。

酶的活性中心(active  center)：或称活性部位(activesite)，指必需基团在空间结构上彼此靠近，组成具有特定空间结构的区域，能与底物特异结合并将底物转化为产物。

Ø  活性中心内的必需基团：结合基团(binding  group)---与底物相结合

催化基团(catalytic group)---催化底物转变成产物                                                     

活性中心外的必需基团：位于活性中心以外，维持酶活性中心应有的空间构象所必需。

第二节   酶促反应的特点与机理

u  酶与一般催化剂的共同点

Ø  在反应前后没有质和量的变化；

Ø  只能催化热力学允许的化学反应；

Ø  只能加速可逆反应的进程，而不改变反应的平衡点。

一、酶促反应的特点

（一）酶促反应具有极高的效率

Ø  酶的催化效率通常比非催化反应高108～1020倍，比一般催化剂高107～1013倍。

Ø  酶的催化不需要较高的反应温度。

Ø  酶和一般催化剂加速反应的机理都是降低反应的活化能(activation energy)。酶比一般催化剂更有效地降低反应的活化能。

（二）酶促反应具有高度的特异性

酶的特异性(specificity)：一种酶仅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生成一定的产物。酶的这种特性称为酶的特异性或专一性。

根据酶对其底物结构选择的严格程度不同，酶的特异性可大致分为以下3种类型：

n  绝对特异性(absolute specificity)：只能作用于特定结构的底物，进行一种专一的反应，生成一种特定结构的产物 。       

n  相对特异性(relative specificity)：作用于一类化合物或一种化学键。

n  立体结构特异性(stereo specificity)：作用于立体异构体中的一种。

（三）酶促反应的可调节性

酶促反应受多种因素的调控，以适应机体对不断变化的内外环境和生命活动的需要。其中包括三方面的调节。

Ø  对酶生成与降解量的调节

Ø  酶催化效力的调节

Ø  通过改变底物浓度对酶进行调节等

二、酶促反应的机理

（一）酶-底物复合物的形成与诱导契合假说

酶与底物结合的特点：

（1）可逆的、非共价的结合；

（2）底物只与酶的活性中心结合；

（3）酶与底物结合是通过一种称为诱导契合模式进行的。

诱导契合假说(induced-fit hypothesis)：酶与底物相互接近时，其结构相互诱导、相互变形和相互适应，进而相互结合。这一过程称为酶-底物结合的诱导契合假说 。

（二）酶促反应的机理

Ø  1. 邻近效应(proximity effect)与定向排列(orientationarrange )     

Ø   

第三节  酶促反应动力学

q  概念：研究各种因素对酶促反应速度的影响，并加以定量的阐述。

q  影响因素包括有酶浓度、底物浓度、pH、温度、抑制剂、激活剂等。

一、底物浓度对反应速度的影响

1. 
   

2. 研究前提：单底物、单产物反应

2. 
   

3. 酶促反应速度一般在规定的反应条件下，用单位时间内底物的消耗量和产物的生成量来表示

3. 
   

4. 反应速度取其初速度，即底物的消耗量很小（一般在5﹪以内）时的反应速度

5. 
   

6. 底物浓度远远大于酶浓度

在其他因素不变的情况下，底物浓度对反应速度的影响呈矩形双曲线关系。

当底物浓度较低时，反应速度与底物浓度成正比；反应为一级反应。随着底物浓度的增高，反应速度不再成正比例加速；反应为混合级反应。当底物浓度高达一定程度，反应速度不再增加，达最大速度；反应为零级反应

（一）米－曼氏方程式

1913年Michaelis和Menten提出反应速度与底物浓度关系的数学方程式，即米－曼氏方程式，简称米氏方程式(Michaelis equation)。

米－曼氏方程式推导基于两个假设：

u       E与S形成ES复合物的反应是快速平衡反应，而ES分解为E及P的反应为慢反应，反应速度取决于慢反应即 V＝k3[ES]。   (1)

u       S的总浓度远远大于E的总浓度，因此在反应的初始阶段，S的浓度可认为不变即[S]＝[St]。     

（二）Km与Vmax的意义

Km值

① Km等于酶促反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度。

② 意义：

a)  Km是酶的特征性常数之一；

b)  Km可近似表示酶对底物的亲和力；

c)  同一酶对于不同底物有不同的Km值。          

Vmax

定义：Vm是酶完全被底物饱和时的反应速度，与酶浓度成正比。

意义：Vmax=K3 [E]

如果酶的总浓度已知，可从Vmax计算 酶的转换数(turnover number)，即动力学常数K3。

酶的转换数

定义 — 当酶被底物充分饱和时，单位时间内每个酶分子催化底物转变为产物的分子数。

意义 — 可用来比较每单位酶的催化能力。

（三）Ｋm值与Ｖmax值的测定

1. 双倒数作图法(double reciprocal plot)，又称为 林-贝氏(Lineweaver- Burk)作图法

2.  Hanes作图法

3.Eadie-Hofstee作图法

二、酶浓度对反应速度的影响

Ø  当[S]＞＞[E]，酶可被底物饱和的情况下，反应速度与酶浓度成正比。

Ø  关系式为：V = K3 [E]

三、温度对反应速度的影响

q  双重影响

温度升高，酶促反应速度升高；由于酶的本质是蛋白质，温度升高，可引起酶的变性，从而反应速度降低 。                         

q  最适温度 (optimum temperature)：酶促反应速度最快时的环境温度。

四、 pH对反应速度的影响

q  最适pH   (optimum pH)：酶催化活性最大时的环境pH。

五、抑制剂对反应速度的影响

Ø  酶的抑制剂(inhibitor)

凡能使酶的催化活性下降而不引起酶蛋白变性的物质称为酶的抑制剂。

区别于酶的变性

•   抑制剂对酶有一定选择性

•    引起变性的因素对酶没有选择性

抑制作用的类型

不可逆性抑制 (irreversible  inhibition)

可逆性抑制 (reversible  inhibition)：竞争性抑制 (competitive inhibition)

非竞争性抑制(non-competitive inhibition)

反竞争性抑制(uncompetitive inhibition)

(一)  不可逆性抑制作用

概念

抑制剂通常以共价键与酶活性中心的必需基团相结合，使酶失活。

   * 举例

有机磷化合物 ®¾羟基酶

解毒 -- -- -- 解磷定(PAM)

重金属离子及砷化合物 ®¾巯基酶

解毒 -- -- -- 二巯基丙醇(BAL)    

（二） 可逆性抑制作用

概念

抑制剂通常以非共价键与酶或酶-底物复合物可逆性结合，使酶的活性降低或丧失；抑制剂可用透析、超滤等方法除去。

１.  竞争性抑制作用

定义

抑制剂与底物的结构相似，能与底物竞争酶的活性中心，从而阻碍酶底物复合物的形成，使酶的活性降低。

特点：a.I与S结构类似，竞争酶的活性中心；b.抑制程度取决于抑制剂与酶的相对亲和力及底物浓度；c.动力学特点：Vmax不变，表观Km增大。                           

•   举例：丙二酸与琥珀酸竞争琥珀酸脱氢酶

•         磺胺类药物的抑菌机制：与对氨基苯甲酸竞争二氢叶酸合成酶

2. 非竞争性抑制（non-competitive inhibition）

概念：抑制剂与酶分子活性中心以外的必需基团结合而抑制酶活性，I和S之间不存在竞争关系。

特点：a.抑制剂与酶活性中心外的必需基团结合，底物与抑制剂之间无竞争关系；b.抑制程度取决于抑制剂的浓度；c.动力学特点：Vmax降低，表观Km不变。                           

3、反竞争性抑制

（uncompetitive inhibition）

概念   抑制剂仅与酶和底物的中间复合物结合而抑制酶活性。

•       反竞争性抑制作用过程：

特点：a.抑制剂只与酶－底物复合物结合；b.抑制程度取决与抑制剂的浓度及底物的浓度；c.动力学特点：Vmax降低，表观Km降低。                                

六、激活剂对酶促反应速度的影响

1、激活剂: 凡能使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加的物质。如：

Ø  金属离子：  Mg 2+、 K+、 Mn2+

Ø  阴离子：     Cl-

Ø   有机物：     胆汁酸盐

2、分类：

Ø  必需激活剂          Mg 2+ 对己糖激酶

Ø  非必需激活剂      Cl- 对淀粉酶

七、酶活性测定和酶活性单位

酶的活性是指酶催化化学反应的能力，其衡量的标准是酶促反应速度。

酶促反应速度可在适宜的反应条件下，用单位时间内底物的消耗或产物的生成量来表示。

测定条件: 适宜的特定的反应条件；样品的适当处理；底物浓度足够大。

酶的活性单位：是衡量酶活力大小的尺度，它反映在规定条件下，酶促反应在单位时间（s、min或h）内生成一定量（mg、μg、μmol等）的产物或消耗一定数量的底物所需的酶量。

国际单位(IU)：在特定的条件下，每分钟催化1μmol底物转化为产物所需的酶量为一个国际单位。             

催量单位(katal)：１催量(kat)是指在特定条件下，每秒钟使１mol底物转化为产物所需的酶量。         

第四节   酶的调节

Ø  调节对象     关键酶

Ø  调节方式：酶活性的调节（快速调节）、酶含量的调节（缓慢调节）

一、酶活性的调节

（一）酶原与酶原的激活

Ø  酶原(zymogen)：有些酶在细胞内合成或初分泌时只是酶的无活性前体，称为酶原。                             

Ø  酶原的激活：在一定条件下，酶原向有活性酶转化的过程。

Ø  酶原激活的机理：酶 原→一个或几个特定的肽键断裂，水解掉一个或几个短肽

Ø  →分子构象发生改变→形成或暴露出酶的活性中心

Ø  酶原激活的实质:酶的活性中心的形成和暴露过程

Ø  酶原激活的生理意义：避免细胞产生的酶对细胞进行自身消化，并使酶在特定的部位和环境中发挥作用，保证体内代谢正常进行。

Ø  有的酶原可以视为酶的储存形式。在需要时，酶原适时地转变成有活性的酶，发挥其催化作用。

（二）变构酶

Ø  变构调节 (allosteric regulation)

一些代谢物可与某些酶分子活性中心外的某部分可逆地结合，使酶构象改变，从而改变酶的催化活性，此种调节方式称变构调节。

（三） 酶的共价修饰调节

Ø  共价修饰(covalent modification)

在其他酶的催化作用下，某些酶蛋白肽链上的一些基团可与某种化学基团发生可逆的共价结合，从而改变酶的活性，此过程称为共价修饰。

Ø  常见类型

磷酸化与脱磷酸化（最常见）、乙酰化和脱乙酰化、甲基化和脱甲基化、腺苷化和脱腺苷化、－SH与－S－S互变

二、酶含量的调节

（一）酶蛋白合成的诱导和阻遏

诱导作用(induction)

阻遏作用(repression)

（二）酶降解的调控

三、同工酶

定义

同工酶(isoenzyme)是指催化相同的化学反应，而酶蛋白的分子结构、理化性质乃至免疫学性质不同的一组酶。

生理及临床意义

   在代谢调节上起着重要的作用；

   用于解释发育过程中阶段特有的代谢特征； 

   同工酶谱的改变有助于对疾病的诊断；

   同工酶可以作为遗传标志，用于遗传分析研究。

第五节  酶的命名与分类

一、酶的命名

1. 习惯命名法——推荐名称

2. 系统命名法——系统名称

              每一个酶由下列三种表示：

              (1)、系统名称：底物名+反应性质 

              (2) 、分类编号：E.C.+四个数字

              (3)、推荐名：选一个习惯名（实用、简单）

二、酶的分类

1.氧化还原酶类(oxidoreductases)

2.转移酶类 (transferases )

3.水解酶类 (hydrolases)

4.裂解酶类 (lyases)

5.异构酶类( isomerases)

6.合成酶类 (ligases, synthetases)

第六节  酶与医学的关系

一、酶与疾病的关系

（一）酶与疾病的发生

（二）酶与疾病的诊断——血清酶活性测定

（三）酶与疾病的治疗

u    替代治疗：消化不良--胃酶、胰酶

u   抗菌治疗：磺胺药

u   对症治疗：预防血栓形成--尿激酶、链激                                                                  酶、纤溶酶          

u   抗癌治疗：MTX—FH2还原酶

二、酶在医学上的其他应用

（一）酶作为试剂用于临床检验和科学研究

1．酶法分析 即酶偶联测定法(enzyme coupled assays)，是利用酶作为分析试剂，对一些酶的活性、底物浓度、激活剂、抑制剂等进行定量分析的一种方法。

2．酶标记测定法 酶可以代替同位素与某些物质相结合，从而使该物质被酶所标记。通过测定酶的活性来判断被标记物质或与其定量结合的物质的存在和含量。

3．工具酶  除上述酶偶联测定法外，人们利用酶具有高度特异性的特点，将酶做为工具，在分子水平上对某些生物大分子进行定向的分割与连接。

（二）酶作为药物用于临床治疗

（三）酶的分子工程

1．固定化酶 (immobilized enzyme)

将水溶性酶经物理或化学方法处理后，成为不溶于水但仍具有酶活性的一种酶的衍生物。 固定化酶在催化反应中以固相状态作用于底物，并保持酶的活性。

2．抗体酶

具有催化功能的抗体分子称为抗体酶(abzyme) 。

3．模拟酶

模拟酶是根据酶的作用原理，利用有机化学合成方法，人工合成的具有底物结合部位和催化部位的非蛋白质有机化合物。

米氏方程

米氏方程（Michaelis-Menten equation）表示一个酶促反应的起始速度与底物浓度关系的速度方程。

在酶促反应中，在低浓度底物情况下，反应相对于底物是一级反应（first order reaction）；而当底物浓度处于中间范围时，反应（相对于底物）是混合级反应（mixed order reaction）。当底物浓度增加时，反应由一级反应向零级反应（zero order reaction）过渡。