第四 章 酶
酶(enzyme)是生物催化剂，体内的代谢反应都是由酶所催化的，所以它在物质代谢中发挥非常重要的作用。因此在讨论物质代谢之前必先对酶有一个全面的了解；本章重点为酶的化学结构和其催化活性之间的关系、酶的作用机制和酶反应动力学。
第一节，酶的概念
酶是由活细胞产生的一类具有催化作用的蛋白质，故又有生物催化剂(biocatalyst)之称．与一般催化剂相比，酶的催化作用有高度专一性、高度催化效率及其催化活性的可调节性和高度的不稳定性（变性失活）等特点．酶的这些性质使细胞内错综复杂的物质代谢过程能有条不紊地进行，使物质代谢与正常的生理机能互相适应．若因遗传缺陷造成某个酶缺损，或其它原因造成酶的活性减弱，均可导致该酶催化的反应异常，使物质代谢紊乱，甚至发生疾病．因此酶与医学的关系十分密切，
自1982年以来随着具有催化功能的RNA和DNA的陆续发现，目前认为生物体内除了存在酶这类催化剂外，另一类则是核酸催化剂，如其本质为RNA则称为核酶（ribozyme），因此现代科学认为酶是由活细胞所产生，能在体内或体外发挥相同催化作用的一类具有活性中心和特殊结构的生物大分子，包括蛋白质和核酸，但由于核酸参与催化反应有限，而且这些反应均可有相应的酶所催化，因此酶仍是体内最主要的催化剂。
第二节 酶作用的分子基础
一、酶的化学组成
按照酶的化学组成可将酶分为单纯酶和结合酶两大类。单纯酶分子中只有氨基酸残基组成的肽链，结合酶分子中则除了多肽链组成的蛋白质，还有非蛋白成分，如金属离子、铁卟啉或含B族维生素的小分子有机物。结合酶的蛋白质部分称为酶蛋白(apoenzyme)，非蛋白质部分统称为辅助因子 (cofactor)，两者一起组成全酶(holoenzyme)；只有全酶才有催化活性，如果两者分开则酶活力消失。非蛋白质部分如铁卟啉或含B族维生素的化合物若与酶蛋白以共价键相连的称为辅基(prosthetic group)，用透析或超滤等方法不能使它们与酶蛋白分开；反之两者以非共价键相连的称为辅酶(coenzyme)，可用上述方法把两者分开。表4-1为以金属离子作结合酶辅助因子的一些例子。表4-2列出含B族维生素的几种辅酶(基)及其参与的反应。
结合酶中的金属离子有多方面功能，它们可能是酶活性中心的组成成分；有的可能在稳定酶分子的构象上起作用；有的可能作为桥梁使酶与底物相连接。辅酶与辅基在催化反应中作为氢(H+和e)或某些化学基团的载体，起传递氢或化学基团的作用。体内酶的种类很多，但酶的辅助因子种类并不多，从表4—1中已见到几种酶均用某种相同的金属离子作为辅助因子的例子，同样的情况亦见于辅酶与辅基，如3-磷酸甘油醛脱氢酶和乳酸脱氢酶均以NAD+作为辅酶。酶催化反应的特异性决定于酶蛋白部分，而辅酶与辅基的作用是参与具体的反应过程中氢(H+和e)及一些特殊化学基团的运载。
二、酶的活性中心
酶属生物大分子，分子质量至少在1万以上，大的可达百万。酶的催化作用有赖于酶分子的一级结构及空间结构的完整。若酶分子变性或亚基解聚均可导致酶活性丧失。一个值得注意的问题是酶所催化的反应物即底物（substrate），却大多为小分物质它们的分子质量比酶要小几个数量级。
酶的活性中心（active center）只是酶分子中的很小部分，酶蛋白的大部分氨基酸残基并不与底物接触。组成酶活性中心的氨基酸残基的侧链存在不同的功能基团，如-NH2、-COOH、-SH、-OH和咪唑基等，它们来自酶分子多肽链的不同部位。有的基团在与底物结合时起结合基团(binding group)的作用，有的在催化反应中起催化基团(catalytic group)的 作用。但有的基团既在结合中起作用，又在催化中起作用，所以常将活性部位的功能基团统称为必需基团(essential group)。它们通过多肽链的盘曲折叠，组成一个在酶分子表面、具有三维空间结构的孔穴或裂隙，以容纳进入的底物与之结合（图4-1）并催化底物转变为产物，这个区域即称为酶的活性中心。
而酶活性中心以外的功能集团则在形成并维持酶的空间构象上也是必需的，故称为活性中心以外的必需基团。对需要辅助因子的酶来说，辅助因子也是活性中心的组成部分。酶催化反应的特异性实际上决定于酶活性中心的结合基团、催化基团及其空间结构。
三、酶的分子结构与催化活性的关系
酶的分子结构的基础是其氨基酸的序列，它决定着酶的空间结构和活性中心的形成以及酶催化的专一性。如哺乳动物中的磷酸甘油醛脱氢酶的氨基酸残基序列几乎完全相同，说明相同的一级结构是酶催化同一反应的基础。又如消化道的糜蛋白酶，胰蛋白酶和弹性蛋白酶都能水解食物蛋白质的肽键，但三者水解的肽键有各自的特异性，糜蛋白酶水解含芳香族氨基酸残基提供羧基的肽键，胰蛋白酶水解赖氨酸等碱性氨基酸残基提供羧基的肽键，而弹性蛋白酶水解侧链较小且不带电荷氨基酸残基提供羧基的肽键．这三种酶的氨基酸序列分析显示40％左右的氨基酸序列相同，都以丝氨酸残基作为酶的活性中心基团，三种酶在丝氨酸残基周围都有G1y-Asp-Ser-Gly-Pro序列，X线衍射研究提示这三种酶有相似的空间结构，这是它们都能水解肽键的基础。而它们水解肽键时的特异性则来自酶的底物结合部位上氨基酸组成上有徽小的差别所致（图4-2）。
图说明这三个酶的底物结合部位均有一个袋形结构，糜蛋白酶该处能容纳芳香基或非极性基；胰蛋白酶袋子底部稍有不同其中一个氨基酸残基为天冬氨酸取代，使该处负电荷增强，故该处对带正电荷的赖氨酸或精酸残基结合有利；弹性蛋白酶口袋二侧为缬氨酸和苏氨酸残基所取代，因此该处只能结合较小侧链和不带电荷的基团．说明酶的催化特异性与酶分子结构的紧密关系。
四、酶原与酶原激活（zymogen and activation of zymogen）
有些酶如消化系统中的各种蛋白酶以无活性的前体形式合成和分泌，然后，输送到特定的部位，当体内需要时，经特异性蛋白水解酶的作用转变为有活性的酶而发挥作用。这些不具催化活性的酶的前体称为酶原（zymogen）。如胃蛋白酶原(pepsinogen)、胰蛋白酶原(trypsinogen)和胰凝乳蛋白酶原(chymotrypsinogen)等。某种物质作用于酶原使之转变成有活性的酶的过程称为酶原的激活。使无活性的酶原转变为有活性的酶的物质称为活化素。活化素对于酶原的激活作用具有一定的特异性。
例如胰腺细胞合成的糜蛋白酶原为245个氨基酸残基组成的单一肽链，分子内部有5对二硫键相连，该酶原的激活过程如图4-3所示．首先由胰蛋白酶水解15位精氨酸和16位异亮氨酸残基间的肽键，激活成有完全催化活性的-糜蛋白酶，但此时酶分子尚未稳定，经-糜蛋白酶自身催化，去除二分子二肽成为有催化活性井具稳定结构的α—糜蛋白酶。
在正常情况下，血浆中大多数凝血因子基本上是以无活性的酶原形式存在，只有当组织或血管内膜受损后，无活性的酶原才能转变为有活性的酶，从而触发一系列的级联式酶促反应，最终导致可溶性的纤维蛋白原转变为稳定的纤维蛋白多聚体，网罗血小板等形成血凝块。
酶原激活的本质是切断酶原分子中特异肽键或去除部分肽段后有利于酶活性中心的形成酶原激活有重要的生理意义，一方面它保证合成酶的细胞本身不受蛋白酶的消化破坏， 另一方面使它们在特定的生理条件和规定的部位受到激活并发挥其生理作用。如组织或血管内膜受损后激活凝血因子；胃主细胞分泌的胃蛋白酶原和胰腺细胞分泌的糜蛋白酶原、胰蛋白酶原、弹性蛋白酶原等分别在胃和小肠激活成相应的活性酶，促进食物蛋白质的消化就是明显的例证。特定肽键的断裂所导致的酶原激活在生物体内广泛存在，是生物体的一种重要的调控酶活性的方式。如果酶原的激活过程发生异常，将导致一系列疾病的发生。出血性胰腺炎的发生就是由于蛋白酶原在未进小肠时就被激活，激活的蛋白酶水解自身的胰腺细胞，导致胰腺出血、肿胀。
四、同工酶(isoenzyme)
同工酶的概念：即同工酶是一类催化相同的化学反应，但酶蛋白的分子结构、理化性质和免疫原性各不相同的一类酶。 它们存在于生物的同一种族或同一个体的不同组织，甚至在同一组织、同一细胞的不同细胞器中。至今已知的同工酶已不下几十种，如己糖激酶，乳酸脱氢酶等，其中以乳酸脱氢酶（Lactic acid dehydrogenase,LDH）研究得最为清楚。人和脊柱动物组织中，有五种分子形式，它们催化下列相同的化学反应：
五种同工酶均由四个亚基组成。 LDH的亚基有骨骼肌型(M型)和心肌型(H型)之分，两型亚基的氨基酸组成不同，由两种亚基以不同比例组成的四聚体，存在五种LDH形式．即H4（LDHl）、 H3M1（LDH2）、H2M2 (LDH3)、H1M3(LDH4)和M4 (LDH5)。
M、H亚基的氨基酸组成不同，这是由基因不同所决定。五种LDH中的M、H亚基比例各异，决定了它们理化性质的差别．通常用电冰法可把五种LDH分开，LDH1向正极泳动速度最快，而LDH5泳动最慢，其它几种介于两者之间，依次为LDH2、LDH3和LDH4(图4-5) 图4-5还说明了不同组织中各种LDH所含的量不同，心肌中以LDHl及LDH2的量较多，而骨骼肌及肝中LDH5和LDH4为主．不同组织中LDH同工酶谱的差异与组织利用乳酸的生理过程有关．LDH1和LDH2对乳酸的亲和力大，使乳酸脱氢氧化成丙酮酸，有利于心肌从乳酸氧化中取得能量。LDH5和LDH4对丙酮酸的亲和力大，有使丙酮酸还原为乳酸的作用，这与肌肉在无氧酵解中取得能量的生理过程相适应(详见糖代谢章)．在组织病变时这些同工酶释放入血，由于同工酶在组织器官中分布差异，因此血清同工酶谱就有了变化。故临床常用血清同工酶谱分析来诊断疾病(图4-5)。
五、 别构酶
别构酶(allosteric enzyme)往往是具有四级结构的多亚基的寡聚酶，酶分子中除有催化作用的活性中心也称催化位点（catalytic site）外；还有别构位点(allosteric site)．后者是结合别构剂(allesteric effector)的位置，当它与别构剂结合时，酶的分子构象就会发生轻微变化，影响到催化位点对底物的亲和力和催化效率。若别构剂结合使酶与底物亲和力或催化效率增高的称为别构激活剂(allosteric activator)，反之使酶底物的r亲和力或催化效率降低的称为别构抑制剂(allosteric inhibitor)。酶活性受别构剂调节的作用称为别构调节(allosteric regulation)作用．别构酶的催化位点与别构位点可共处一个亚基的不同部位，但更多的是分别处于不同亚基上．在后一种情况下具催化位点的亚基称催化亚基，而具别构位点的称调节亚基。多数别构酶处于代谢途径的开端，而别构酶的别构剂往往是一些生理性小分子及该酶作用的底物或该代谢途径的中间产物或终产物。故别构酶的催化活性受细胞内底物浓度、代谢中间物或终产物浓度的调节。终产物抑制该途径中的别构酶称反馈抑制(feedback inhibition)．说明一旦细胞内终产物增多，它作为别构抑制剂抑制处于代谢途径起始的酶，及时调整该代谢途径的速度，以适应细胞生理机能的需要。别构酶在细胞物质代谢上的调节中发挥重要作用。故别构酶又称调节酶。（regulatory enzyme）
六、修饰酶
体内有些酶需在其它酶作用下，对酶分子结构进行修饰后才具催化活性，这类酶称为修饰酶（modification enzyme）。其中以共价修饰为多见，如酶蛋白的丝氨酸，苏氨酸残基的功能基团-OH可被磷酸化， 这时伴有共价键的修饰变化生成，故称共价修饰(covalent modification)。由于这种修饰导致酶活力改变称为酶的共价修饰调节(covalent modification regulation)。体内最常见的共价修饰是酶的磷酸化与去磷酸化，此外还有酶的乙酰化与去乙酰化、尿苷酸化与去尿苷酸化、甲基化与去甲基化。由于共价修饰反应迅速，具有级联式放大效应所以亦是体内调节物质代谢的重要方式。如催化糖原分解第一步反应的糖原磷酸化酶存在有活性和无活性两种形式，有活性的称为磷酸化酶a，无活性的称为磷酸化酶b，这两种形式的互变就是通过酶分子的磷酸化与去磷酸化的过程（详见糖代谢章）
七、多酶复合体与多酶体系
体内有些酶彼此聚合在一起，组成一个物理的结合体，此结合体称为多酶复合体 (multienzyme complex)。若把多酶复合体解体，则各酶的催化活性消失。参与组成多酶复合体的酶有多有少，如催化丙酮酸氧化脱羧反应的丙酮酸脱氢酶多酶复合体由三种酶组成，而在线粒体中催化脂肪酸β-氧化的多酶复合体由四种酶组成。多酶复合体第一个酶催化反应的产物成为第二个酶作用的底物，如此连续进行，直至终产物生成．
多酶复合体由于有物理结合，在空间构象上有利于这种流水作业的快速进行，是生物体提高酶催化效率的一种有效措施。
体内物质代谢的各条途径往往有许多酶共同参与，依次完成反应过程，这些酶不同于多酶复合体，在结构上无彼此关联。故称为多酶体系(multienzyme system)。如参与糖酵解的11个酶均存在于胞液，组成一个多酶体系。
八、多功能酶
近年来发现有些酶分子存在多种催化活性，例如大肠杆菌DNA聚合酶I是一条分子质量为109kDa的多肽链，具有催化DNA链的合成、3’-5’核酸外切酶和5’-3’核酸外切酶的活性，用蛋白水解酶轻度水解得两个肽段，一个含5’-3’核酸外切酶活性，另一个含另两种酶的活性，表明大肠杆菌DNA聚合酶分子中含多个活性中心。哺乳动物的脂肪酸合成酶由两条多肽链组成，每一条多肽链均含脂肪酸合成所需的七种酶的催化活性。 这种酶分子中存在多种催化活性部位的酶称为多功能酶(multifunctional enzyme)或串联酶(tandem enzyme)。多功能酶在分子结构上比多酶复合体更具有优越性，因为相关的化学反应在一个酶分子上进行，比多酶复合体更有效，这也是生物进化的结果。
第三节 酶的分类与命名原则
为了更有效地研究酶，人们曾提出各种酶分类命名的方法，但目前普遍接受的是国际生化联合会酶委员会推荐的系统，其主要内容如下：
一、 根据酶的反应性质、将酶分成六大类：
（一） 氧化还原酶类（oxidoreductase）
（二） 转移酶类（transferases）
（三） 水解酶类（hydrolases ）
（四） 裂解酶类（lyases）
（五） 异构酶类（isomerases）
（六） 合成酶类（ligase）
在每一大类中，再根据更具体的酶反应、底物性质分成若干亚类和亚亚类。对每一种酶同时采用系统和习惯两种命名
二、 习惯命名法
三、系统命名法．
鉴于新酶的不断发现和过去对酶命名的紊乱，为避免一种酶有几种名称或不同的酶用同一种名称的现象，国际酶学委员会规定了一个系统命名法，包括了酶的系统命名和4个数字分类的酶编号．例如对催化下列反应的酶的命名为
ATP十D一葡萄糖 ADP十D一葡萄糖---6磷酸
ATP葡萄糖磷酸转移酶，它催化从ATP中转移一个磷酸到葡萄糖的反应．它的分类数是E、C、2，7，l，1．E、C表示国际酶学委员会，第一个数字“2”代表酶的分类(转移酶类)，第二个 “7”代表亚类(磷酸转移酶类)；第三个 “l”代表亚亚类(以羟基作为受体的磷酸转移酶类);第四个 “1”代表该酶在亚亚类中的排号(以D-葡萄糖作为磷酸基的受体)。
第四节 酶促反应的特点及作用机制
一、酶促反应的特点
(一)酶促反应具有高度的催化速率
酶是高效生物催化剂，比一般催化剂的效率高107-1013倍。酶能加快化学反应的速度，但酶不能改变化学反应的平衡点，也就是说酶在促进正向反应的同时也以相同的比例促进逆向的反应，所以酶的作用是缩短了到达平衡所需的时间，但平衡常数不变，在无酶的情况下达到平衡点需几个小时，在有酶时可能只要几秒钟就可达到平衡。
酶和一般催化剂都是通过降低反应活化能的机制来加快化学反应速度的。
(二) 酶催化具有高度特异性
酶的催化特异性表现在它对底物的选择性和催化反应的特异性两方面。体内的化学反应除了个别自发进行外，绝大多数都由专一的酶催化，一种酶能从成千上万种反应物中找出自己作用的底物，这就是酶的特异性。根据酶催化特异性程度上的差别，分为绝对特异性(absolute specificity)、相对特异性(relative specificity)和立体异构特异性(stereospecificity)三类。一种酶只催化一种底物进行反应的称绝对特异性，如脲酶只能水解尿素使其分解为二氧化碳和氨；若一种酶能催化一类化合物或一类化学键进行反应的称为相对特异性，如酯酶既能催化甘油三脂水解，又能水解其他酯键。具有立体异构特异性的酶对底物分子立体构型有严格要求，如L乳酸脱氢酶只催化L-乳酸脱氢，对D-乳酸无作用。
(三) 酶活性的可调节性
有些酶的催化活性可受许多因素的影响，如别构酶受别构剂的调节，有的酶受共价修饰的调节，激素和神经体液通过第二信使对酶活力进行调节，以及诱导剂或阻抑剂对细胞内酶含量(改变酶合成与分解速度)的调节等。
二、酶促反应的作用机制
(一) 酶(E)与底物(S)形成酶-底物复合物(ES)
酶的活性中心与底物定向结合生成ES复合物是酶催化作用的第一步。定向结合的能量来自酶活性中心功能基团与底物相互作用时形成的多种非共价键，如离子键、氢键、疏水键，也包括范德瓦力。它们结合时产生的能量称为结合能（binding energy）。这就不难理解各个酶对自己的底物的结合有选择性。
(二)酶与底物的过渡状态互补
若酶只与底物互补生成ES复合物，不能进一步促使底物进入过渡状态，那末酶的催化作用不能发生。这是因为酶与底物生成ES复合物后尚需通过酶与底物分子间形成更多的非共价健，生成酶与底物的过渡状态互补的复合物(图4-8)，才能完成酶的催化作用。实际上在上述更多的非共价健生成的过程中底物分子由原来的基态转变成过渡状态。即底物分子成为活化分子，为底物分子进行化学反应所需的基团的组合排布、瞬间的不稳定的电荷的生成以及其他的转化等提供了条件。所以过渡状态不是一种稳定的化学物质，不同于反应过程中的中间产物。就分子的过渡状态而言，它转变为产物(P)或转变为底物(S)的概率是相等的。
当酶与底物生成ES复合物并进一步形成过渡状态，这过程已释放较多的结合能，现知这部分结合能可以抵消部分反应物分子活化所需的活化能，从而使原先低于活化能阈的分子也成为活化分子，于是加速化学反应的速度
(三)酶促反应作用机制
1．邻近效应与定向排列
2．多元催化（multielement catalysis）
3．表面效应(surface effect)
应该指出的是，一种酶的催化反应常常是多种催化机制的综合作用，这是酶促反应高效率的重要原因。
第五节 酶促反应的动力学
酶促反应动力学是研究酶促反应速度和影响酶促反应速度的因素。许多因素如酶浓度、底物浓度、pH、温度、激活剂和抑制剂等都能影响酶促反应的速度。在研究某一因素对酶反应速度的影响时，要使酶催化系统的其他因素不变，并保持严格的反应初速度条件。如酶反应速度与酶浓度呈正比的条件，在此条件下酶催化系统所用的底物量足以饱和所有的酶，而生成的产物不足以影响酶催化效率，反应系统的其他条件如pH等未发生明显改变。 动力学研究可为酶作用机制提供有价值的信息，也有助于确定酶作用的最适条件。应用抑制剂探讨酶活性中心功能基团的组成，对酶的结构与功能方面的研究甚至临床实用方面的研究都有重要价值。
一、酶浓度对酶促反应速度的影响
在一定的温度和pH条件下，当底物浓度远大于酶的浓度时，酶反应速度与酶浓度成正比（图4-11）
即 v=K[E] (1) 式中v为反应速度，K为反应速度常数， [E]代表酶浓度
二、底物浓度对酶促反应速度的影响
(一)底物浓度曲线
在酶浓度不变的情况下，底物浓度对反应速度的影响呈矩形双曲线。
(二)米-曼氏(Michaelis-Menten)方程式
体内大多数酶均表现上述底物浓度与反应速度的关系，于是米—曼两人在前人工作的基础上提出酶与底物首先形成中间复合物的学说，即：
K1 K3
E+S ES E+P
K2
式中E、S、ES和P分别代表游离酶、底物、酶-底物复合物和反应产物。Kl为ES生成的反应速度常数，K2和K3分别代表ES分解为E+S和E+P的反应速度常数。他们假设在反应初速度条件下，P浓度很低，那末E+P逆向生成ES的反应可忽略不计；也假设S+E生成ES和由ES分解为E+S的反应为快反应并很快达到严衡，但ES分解为E+P的反应为慢反应，它是整个反应过程的限速步骤，于是上述反应的反应速度为：
v=K3 [ES]
Km=（ K2+K3 ）/K1 。 Km 为常数，
可得到米—曼氏方程式：
v=Vmax[S]
Km+[S]
式中v为反应速度，Vmax为所有酶被底物饱和时的最大反应速度，Km为米氏常数，这个方程式正确地说明底物浓度对酶反应速度的影响。当底物浓度很低，即[S]<<Km时，(11)式分母上的[S]可以忽略不计，于是
v=Vmax[S]/ Km
对一个酶来说，Vmax和Km均为常数，于是反应速度与底物浓度成正比关系。若底物浓度很高，即[S]>> Km，方程式(11)分母中Km可以忽略不计，于是
v=Vmax[S]/[S]=Vmax
此时再增加底物浓度，反应速度也不会增加。若[S]= Km，则方程式成为
v=Vmax[S]/2[S]= Vmax/2
在[S]= Km时，反应速度正好为最大反应速度的一半，故只要知道酶的最大反应速度，即可知道达最大反应速度一半时所需的底物浓度，此底物浓度也就是该酶的Km，Km的单位与底物相同，均为mol/L（mol/L）.
(三)米氏方程中的Km与Vmax的意义
1. 当反应速度为最大速度一半时米氏方程式可以变换如下：
进一步整理得Km =。由此可见，Km值等于酶促反应速度为最大速度一半时的底物浓度。
2．Km = K2+K3 , 当K2>>K3,即ES解离成E和S的速度大大超过分解成E和P的速
度时,K3可以忽略不计.此时Km值近似于ES的解离常数Ks。在这种情况下，Km值可用来表示酶对底物的亲和力。
Km= K2/ K1=
此时，Km值愈小，酶与底物的亲和力愈大。这表示不需要很高的底物浓度便可容易地达到最大反应速度。但K3值并非在所有酶促反应中都远小于K2，所以，此时Ks值和Km值的涵义不同，不能相互替代使用。
3．Km值是酶的特征性常数之一，只与酶的结构、酶所催化的底物和反应环境（如温度、pH、离子强度）有关，与酶的浓度无关。各种酶的Km值范围很广。对于同一底物，不同的酶有不同的Km值；多底物反应的酶对于不同底物也有不同的Km值。
4．Vmax是酶完全被底物饱和时的反应速度，与酶浓度呈正比。如果酶的总浓度已知，便可从Vmax计算酶的转换数（turnover number）.例如，10-6mol/L的碳酸酐酶溶液在一秒钟内催化生成0.6mol/L H2CO3，则每一分钟酶可催化生成6×105个分子的H2CO3。
k
动力学常数K3称为酶的转换数，其定义是；当酶被底物充分饱和时，单位时间内每个酶分子（或活性中心）催化底物转变为产物的分子数。
（四） Km和Vmax值的测定： 通过上述底物浓度曲线可以近似的测出Vmax和Km，但精确度差，且费时费力。为此人们将米氏方程式进行种种变换，应用最多的是将曲线作图转变为直线的双倒数作图法(Lineweave- Burk plot)，
以1／v对1/[S]作图，得一条直线，其斜率为Km／v，直线与y轴相交的截距为1/v， 与轴相交的一点为-1／Km(图4-14)。
三、温度对酶促反应速度的影响和酶作用的最适温度
化学反应的速度随温度升高而加速，酶促反应在一定温度范围内也遵循这规律。但酶是蛋白质，愠度升高可使酶变性失活，故以酶反应速度v对温度作图，可得一条钟罩形曲线（图4-17）。
曲线顶部所指的温度称为该酶的最适温度(optimum temperature)。酶的最适温度是温度升高使酶促反应加速和使酶变性两种拮抗因素作用的总和。故若酶促反应持续时间短，则温度促使化学反应加速的影响大于对酶变性的影响，此条件下测得的最适温度往往偏高。反之若反应时间长，温度导致酶失活的影响变为明显，此时测得的最适温度偏低(图4—17)。 因此酶的最适温度不是酶的特征性常数。
四、pH对酶促反应速度的影响和酶作用的最适pH
酶促反应速度受介质pH的影响，一种酶在几种PH介质中测其活力，可看到在某一pH 时酶促效率最高，这个pH称为该酶的最适pH(optimun pH), 酶作用存在最适pH提示酶分子活性基团的电离状态、底物分子及辅酶与辅基的电离状态都与酶的催化作用相关，但酶的最适pH也不是酶的特征性常数，如缓冲液的种类与浓度，底物浓度等均可改变酶作用的最适pH。
大多数酶的反应速度对pH的变化呈钟罩形曲线（图4-17）个别的只有钟罩形的一半(图4-15b和c)。也有的酶，如木瓜蛋白酶的活力与反应液的pH变化关系不大。多数植物和微生物来源的酶，最适pH在4.5-6.5左右；动物酶的最适pH在6.5～8.0左右；个别也有例外；如胃蛋白酶的最适pH为1.5-2.5，精氨酸酶的最适pH在9.8-10.0.。
五、激活剂的影响
凡能提高酶活性，加速酶促反应进行的物质都称为该酶的激活剂(activator)。激活剂按其分子质量大小可分为以下三种。
(1)无机离子激活剂
(2)一些小分子的有机化合物
(3)生物大分子激活剂
六、抑制剂对酶促反应速度的影响
能使酶活力降低的物质称为酶的抑制剂(inhibitor)。但强酸、强碱等造成酶变性失活不属酶的抑制作用而称酶的钝化。可见酶的抑制作用是指抑制剂作用下酶活性中心或必需基团发生性质的改变并导致酶活性降低或丧失的过程。按抑制剂作用方式分为不可逆性抑制和可逆性抑制两类。
(—) 不可逆性抑制 (irreversible inhibition)
不可逆性抑制作用的抑制剂以共价键与酶的必需基团结合，因结合甚牢不能用透析或超滤方法使两者分开，故所造成的抑制作用是不可逆的。按抑制剂对酶必需基团选择程度不同，又分非专一性和专一性抑制两类。
1．非专一性不可逆性抑制作用 抑制剂与酶的一类或几类基团结合．抑制剂并不区分其结合的基团属必需基团或非必需基团。如重金属离子Pb2+、Cu2+、等和对氯汞苯甲酸与酶分子的巯基进行不可逆结合，化学毒剂“路易士气”则是一种含砷的化合物，它能抑制含巯基酶的活性
重金属离子与酶分子必需基团巯基结合是造成酶活性抑制的主要原因。二巯基丙醇或丁二酸钠等含巯基的化合物，可以置换结合于酶分子上的重金属离子而使酶恢复活性，因此临床上用于抢救重金属中毒的药物
2、专一性不可逆性抑制作用 抑制剂专一性作用于酶活性中心的必需基团并导致酶活性的抑制。如二异丙基氟磷酸（diisopropyl phosphofluoride,DIFP）专一性地共价结合于胆碱酯酶活性中心的丝氨酸残基的羟基，造成酶活性的抑制。
有机磷农药，敌敌畏等具有与DIFP类似的结构，它能使昆虫胆碱酯酶磷酰话，而胆碱酯酶与中枢神经系统有关。正常机体在神经兴奋时，神经末梢释放出乙酰胆碱传导刺激。乙酰胆碱发挥作用后，被乙酰胆碱酯酶水解为乙酸和胆碱。若胆碱酯酶被抑制，神经末梢分泌的乙酰胆碱不能及时地分解掉，造成突触间隙乙酰胆碱的积累，引起一系列胆碱能神经过度兴奋，如抽搐等症状，最后导致昆虫死亡，但同样的机制可使人畜受害，因此这类物质又称神经毒剂。解磷定等药物可以置换结合于胆碱酯酶上的磷酰基而恢复酶活力，故用于抢救农药中毒病人。
氰化物和一氧化碳等这些物质能与金属离子形成稳定的络合物，而使一些需要金属离子的酶的活性受到抑制。如含铁卟啉辅基的细胞色素氧化酶。
(二) 可逆性抑制作用（ reversible inhibition）
抑制剂以非共价键与酶结合，故不甚牢固，可用透析等物理方法把酶与抑制剂分开，使酶恢复催化活性，故称为酶的可逆性抑制作用。根据抑制剂、底物与酶三者的相互关系，可逆性抑制又可分竞争性抑制(competitive inhibition)、非竞争性抑制(non competitive inhibition)和反竞争性抑制(uncompetitive inhibition)三种。
1.竞争性抑制作用 抑制剂I的化学结构与酶作用的底物S十分类似，它们都能与酶的活性中心结合，两者对酶的结合有竞争作用。结合后分别形成EI或ES复合物。形成EI后酶不具催化作用，由此导致反应系统中游离酶浓度降低并使酶活性抑制(图4-18a)。酶与抑制剂形成EI后成为反应的死端，但生成的EI与E和I之间很快达到平衡，此时若增加底物浓度就增加了底物与酶形成ES的可能性。只要反应系统中加入的底物浓度足够高，就有可能使全部EI解离为E和I，E和底物形成ES，从而恢复酶的全部活性。因此竞争性抑制的显著特点是其抑制作用可用高浓度的底物来解除。经典的例子是丙二酸竞争性地抑制琥珀酸脱氢酶催化琥珀酸脱氢生成延胡索酸的反应。丙二酸只比琥珀酸少一个碳原子，故可与琥珀酸竞争与琥珀酸脱氢酶的活性中心结合，但酶不能催化丙二酸脱氢而形成死端，从而抑制琥珀酸脱氯酶的活力。此时增加反应系统中琥珀酸的浓度，可以解除丙二酸对酶的抑制作用。草酰乙酸，苹果酸的化学结构亦与琥珀酸相似，它们亦是琥珀酸脱氢酶的竞争性抑制剂。
运用米氏万程式推导的方法，演算出竞争性抑制的动力学方程式为：
v=Vmax[S]
Km(1+[I]/ ki )+[S] (13)
式(13)中ki 为EI的解离常数，[1]为抑制剂浓度。把式(13)与米氏方程式相比，竞争性抑制剂的存在使Km增大了(1+[1]／ki)倍，其增加的程度取决于ki 的大小和抑制剂的浓度，酶促反应速度v却因Km项增大而减小，但最大反应速度Vmax不受竞争性抑制剂的影响。应用双倒数法，竞争性抑制的动力学方程式以1／v对1/[S]作图，可以得到竞争性抑制的特征性曲线(图4-19)。 由图4-19可知，竞争性抑制剂存在时直线的斜率比无抑制剂存在时升高(1+[1]／Ki)倍，直线在横轴的截距—1／Km(1+[I]／ki)比无抑制剂时要小，也就是Km值增大，而直线与纵轴相交点1／v并不因抑制剂存在而变化，亦即最大反应速度Vm不变。
酶的竞争性抑制有重要的实际应用，很多药物是酶的竞争性抑制剂。如磺胺类药物的抑制作用就基于这一原理。细菌利用对氨基苯甲酸、二氢蝶呤及谷氨酸作原料，在二氢叶酸合成酶的催化下合成二氢叶酸，后者还可转变为四氢叶酸，是细菌合成核酸所不可缺的辅酶。磺胺药的化学结构与对氨基苯甲酸十分相似，故能与对氨基苯甲酸竞争二氢叶酸合成酶的活性中心，造成该酶活性抑制，进而减少四氢叶酸和核酸的合成，最终导致细菌繁殖生长停止。
2.非竞争性抑制作用 非竞争性抑制剂可逆地与酶的非活性中心区结合，故酶与抑制剂形成EI后，还可结合底物形成EIS。由于抑制剂不与底物竞争酶的活性中心，故称为非竞争性抑制作用(4-18c)。 非竞争性抑制作用中增加底物浓度不能解除非竞争性抑制剂的抑制作用。
用米氏方程式推导的方法可以演算出非竞争性抑制的动力学方程式：
v= Vmax[S]
(Km+[S])(1+[I]/ki) (15)
应用双倒数式为以1／v对 1/[S] 作图，可得到非竞争性抑制的特征性曲线(图4-20)。在有非竞争性抑制剂存在时，直线的斜率升高(1+[1]／Ki)倍，直线与纵轴相交点亦比无抑制剂时升高(1+[1]／Ki )倍，说明Vmax降低，但直线与横轴相交点与无抑制剂时相同，即Km不受抑制剂影响。
3.反竞争性抑制作用：反竞争性抑制剂不直接与酶结合，而是与ES复合物结合，生成ESI后酶失去催化活性，造成酶的抑制(4-18b)。
用米氏方程式推导，演算出反竞争性抑制动力学方程式为：
v= Vmax[S]
Km+[S](1+[I]/ki) (17)
改写成双倒数式后以1／v对1/[S]作图，可得到反竞争性抑制的持征性曲线(图4-21)。由图可知，反竞争性抑制剂使最大反应速度Vmax和Km均等地减少(1+[I]/ki)倍，但直线的斜率Km／Vmax不受抑制剂的影响，在用不同浓度反竞争性抑制剂时得到一组平行线。
比较酶的三种可逆性抑制的动力学
第六节、其他类型的生物催化剂
一、 核酶
在1982年， Cech从四膜虫rRNA前体的加工研究中首先观察rRNA前体具有自我剪接作用，随后陆续发现有些RNA分子也可以催化其自身或其他RNA分子进行的生化反应，这一发现打破了酶都是蛋白质的传统观念。对于具有催化活性的RNA现称为核酶（ribozyme）
至今发现的所有核酶其作用方式较简单，主要有剪切型、剪接型等几种类型，这些核酶的催化作用都不需要任何酶或其它蛋白质的参与。需有特定的二级结构，主要为锤头状 与发夹装二种二级结构类型才能表现其催化活性。（图4-22）
如同限制性内切酶一样，核酶可用于RNA重组等工作中，因而也将大大地推动分子生物学研究的发展，也可以通过控制基因表达，定向的切割病毒基因、癌基因等的转录产物从而在基因水平控制与治疗遗传性疾病、肿瘤、及病毒感染性疾病，在医学上发挥重要作用。
二、抗体酶（abzyme）
三、模拟酶
第七节 酶在医学上的应用
一、 酶活力测定及酶单位
一般在规定的温度、pH和底物浓度的条件下，测定单位时间内底物消耗量或产物的生成量作为酶活性单位。通常又以测定产物的生成量较多，因产物从无到有较灵敏。
酶的测定条件由各个实验室自己决定，故由于酶在不同的实验室因为规定的条件不同，酶单位值不同。为此国际生化学会推荐的国际单位，即在特定条件下，1min内能使1umol底物转变的酶量作为一个酶国际单位。1979年国际生化学会为将酶的活力单位与国际单位制的反应速率（mol/s）相一致，推荐用催量（Katal简称Kat）来表示酶活力。1催量定义为：在特定的测定系统中，催化底物每秒钟转变1mol的酶量。催量与国际单位的换算为：1国际单位为1μmol/min=1umol/60s即16.67nKat.
二、酶与某些疾病的关系
既然体内各种物质代谢过程多为酶促反应，则不论是遗传缺陷或外界因素造成的对酶活性的抑制或破坏均可引起疾病甚至危及生命。
(一)酶缺陷所致的疾病
酶缺陷引起的疾病多为先天性或遗传性疾病，如缺乏葡萄糖-6-磷酸脱氢梅（G6PDH）引起的蚕豆黄，酪氨酸羟化酶缺乏导致的白化症等
（二）重金属与有机磷农药中毒与酶活性的抑制
很多中毒现象都与酶有关，如常用的有机磷农药敌百虫，敌敌畏和1059等，能与胆碱酯酶活性中心的丝氨酸羟基结合而失活，重金属As2+，、Hg2+,Ag2+等可与某些酶的巯基结合而使酶活性丧失，此外氰化物（CN-）能与细胞色素氧化酶的结合，可使生物氧化中断，严重威胁生命。
三、酶与疾病的诊断
许多遗传性疾患是由于先天性缺乏某种有活性的酶所致，故在出生前，从羊水或绒毛中检出该酶的缺陷或其基因表达的缺陷，从而可采取早期流产，防患于末然。
当某些器官组织发生病变，由于细胞的坏死或破坏，或细胞通透性增加，可使原来在细胞内的某些酶逸入体液中，使体液中该酶的含量升高。通过对血、尿等体液和分泌液中某些酹活性的测定，可以反映某些组织器官的病变情况，而有助疾病的诊断。
四、酶与疾病的治疗
(一) 替代治疗 因消化腺分泌不足所致的消化不良可补充胃蛋白酶、胰蛋白酶等以助消化。
(二) 抗菌治疗 凡能抑制或阻断细菌重要代谢途径中的酶活性，即可达到杀菌或抑菌的目的。如磺胺药即是通过竞争性抑制细菌中的二氢叶酸合成酶活性而使细菌的核酸代谢障碍而阻遏其生长、繁殖。
(三) 抗癌治疗 肿瘤细胞有其独特的代谢方式，若能阻断相应酶的活性，就能达到遏止肿瘤生长的目的。L-天冬酰胺是某些肿瘤细胞的必需氨基酸，如给予能水解L-天冬酰胺的L- 天冬酰胺酶，则肿瘤细胞因其必需的营养素缺乏而死亡。
(四) 对症治疗 如链激酶、尿激酶可用于溶解血栓，多用于心、脑血管的栓塞。
(五) 调整代谢 如精神抑郁症是由于脑中兴奋性神经介质（如儿茶酚胺）与抑制性神经介质的不平衡所致，给予单胺氧化酶，可减少儿茶酚胺类的代谢灭活，提高突触中的儿茶酚胺含量而抗抑郁，
但由于酶是蛋白质，具有很强的抗原性，故体内用酶治疗疾病还受到一定的限制。
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