酶是催化特定反应的蛋白质（大部分），是一种生物催化剂。酶能通过降低反应的活化能加快反应速率，但不改变反应的平衡点。酶具有催化效率高、专一性强、作用条件温和等特点。

酶的分类

• 按酶的分子结构：
  1. 单体酶：由一条肽链构成的酶，如牛胰核糖核酸酶 A、溶菌酶、羧肽酶 A 等。
  2. 寡聚酶：由多个相同或不同的肽链（即亚基）以非共价键连接组成的酶，如蛋白激酶 A 和磷酸果糖激酶-1 均含有 4 个亚基。
  3. 多酶复合物/多酶体系：在某一代谢途径中，按序催化完成一组连续反应的几种具有不同催化功能的酶彼此聚合形成的一个结构和功能上的整体。
  4. 多功能酶（串联酶）：在一条肽链上同时具有多种不同的催化功能的酶（多个活性中心），如氨基甲酰磷酸合成酶 Ⅱ、天冬氨酸氨基甲酰转移酶、二氢乳清酸酶即位于同一条肽链上。
• 按酶的分子组成：
  1. 单纯酶：水解后仅有氨基酸组分而无其他组分的酶，如脲酶、某些蛋白酶淀粉酶、脂酶、核酸酶。
  2. 缀合酶/结合酶：由蛋白质部分（酶蛋白）和非蛋白质部分（辅因子）共同组成。酶蛋白与辅因子结合在一起称为全酶，只有全酶才具有催化作用。
     • 酶蛋白：主要决定酶促反应的特异性及其催化机制（催化活性）。
     • 辅因子：主要决定酶促反应的类型（如氧化、还原反应），直接参与酶促反应。
       1. 辅酶：多通过非共价键与酶蛋白相连，结合比较疏松，可以用透析或超滤的方法除去。
          • 在酶促反应中，辅酶与酶蛋白可以相互分离。
       2. 辅基：与酶蛋白形成共价键，结合较为紧密，不易通过透析或超滤将其除去。

辅因子的化学本质

部分辅酶/辅基在催化中的作用

1. 有机化合物：
   • 小分子有机化合物既可是辅酶，也可是辅基。
   • 多为 B 族维生素的衍生物或卟啉化合物，它们在酶促反应中主要参与传递电子、质子（或基团）或起运载体作用。
2. 金属离子（最常见的辅因子）：
   • 金属离子多为辅基。
   • 功能：
     1. 作为酶活性中心的组成部分参加催化反应，使底物与酶活性中心的必需基团形成正确的空间排列，有利于酶促反应的发生；
     2. 作为连接酶与底物的桥梁，形成三元复合物；
     3. 中和电荷，减小静电斥力，有利于底物与酶的结合；
     4. 金属离子与酶的结合还可以稳定酶的空间构象。

酶的结构与功能

酶的活性中心

酶的活性中心

酶分子中能与底物特异地结合并催化底物转变为产物的具有特定三维结构的区域称为酶的活性中心或酶的活性部位定义。

辅酶和辅基往往是酶活性中心的组成成分。

酶的必需基团

与酶的活性密切相关的基团。

• 酶活性中心中的必需基团：
  • 结合基团：识别与结合底物和辅酶，形成酶-底物过渡态复合物。
  • 催化基团：影响底物中的某些化学键的稳定性，催化底物发生化学反应，进而转变成产物。
• 酶活性中心外的必需基团
  • 调节基团：不直接参与催化作用，却为维持酶活性中心的空间构象和（或）作为调节剂的结合部位所必需。

同工酶

同工酶

同工酶是指催化相同化学反应，但酶的组织细胞分布、分子结构、理化性质乃至免疫学性质不同的一组酶。

同工酶虽然在一级结构上存在差异，但其活性中心的三维结构相同或相似，故可以催化相同的化学反应。

• 乳酸脱氢酶（LDH）：催化L-乳酸与丙酮酸之间的氧化还原反应，有 LDH1 到 LDH5 共 5 种同工酶。
  • LDH1（H4）：心肌活性最高，对乳酸的亲和力较大。
  • LDH5（M4）：肝（56%）和骨骼肌（79%）活性最高，对乳酸的亲和力较小。
• 肌酸激酶（CK）：
  1. 脑中含 CK1（BB 型）
  2. CK2（MB 型）仅见于心肌，且含量很高
     • CK2 常作为临床早期诊断心肌梗死的指标之一
     • 正常血液中的 CK 主要是 CK3，几乎不含 CK2
     • 心肌梗死后 3–6 小时血中 CK2 活性升高，12-24 小时达峰值，3-4 天恢复正常
  3. 骨骼肌中含 CK3（MM 型）

酶的工作原理

酶具有不同于一般催化剂的显著特点

1. 酶对底物具有极高的催化效率：比非催化反应高 10⁸–10²⁰ 倍。比一般催化剂高 10^⁷–10¹³
2. 酶对底物具有高度的特异性：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产生一定的产物，酶的这种特性称为酶的特异性。
   1. 绝对特异性：
      • 有的酶只作用于特定结构的底物分子，进行一种专一的反应，生成一种特定结构的产物
        • 脲酶仅能催化尿素水解生成 CO₂ 和 NH₃
        • 琥珀酸脱氢酶仅催化琥珀酸与延胡索酸之间的氧化还原反应
      • 有些具有绝对特异性的酶只能催化底物的一种光学异构体或一种立体异构体进行反应
        • 乳酸脱氢酶仅催化 L-乳酸脱氢生成丙酮酸，而对乳酸无作用
        • 延胡索酸酶仅催化反-丁烯二酸（延胡索酸）加水产生苹果酸，而对顺-丁烯二酸（马来酸）无作用
   2. 相对特异性：有些酶对底物的特异性不是依据整个底物分子结构，而是依据底物分子中特定化学键或特定基团，因而可以作用于含有相同化学键或化学基团的一类化合物。
      • 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形成的酯键
      • 脂肪酶不仅水解脂肪，也水解简单的酯
      • 蔗糖酶不仅水解蔗糖，也水解棉子糖中的同一种糖苷键
      • 消化系统中的蛋白酶仅对蛋白质中肽键的氨基酸残基种类有选择性，而对具体的底物蛋白质种类无严格要求
3. 酶具有可调节性：
   • 体内许多酶的酶活性和酶的含量受体内代谢物或激素的调节：磷酸果糖激酶-1 的活性受 AMP 的别构激活，而受 ATP 的别构抑制
   • 有些酶的合成受物质的诱导或阻遏，从而改变细胞内的酶量：胰岛素诱导 HMG-CoA 还原酶的合成，而胆固醇则阻遏该酶合成
   • 机体通过对酶的活性与酶量的调节使得体内代谢过程受到精确调控，以使机体适应内外环境的不断变化
4. 酶的化学本质是蛋白质：因此，酶具有不稳定性，在某些理化因素（如高温、强酸、强碱等）的作用下，酶会发生变性而失去催化活性。

酶通过促进底物形成过渡态而提高反应效率

酶比一般催化剂更有效地降低反应的活化能

活化能

指在一定温度下，1 mol 反应物从基态转变成过渡态所需要的自由能，即过渡态中间物比基态反应物高出的那部分能量。

衍生于酶与底物相互作用的能量叫做结合能，结合能的释放是酶降低反应活化能所利用的自由能的主要来源。

酶与底物结合形成中间产物酶促反应的步骤

1. 诱导契合作用：酶改变自身构象，与底物密切结合，并使底物转变为不稳定的过渡态而更易受到酶的催化攻击。
2. 邻近效应与定向排列：在两个以上底物参加的反应中，酶将诸底物结合到酶的活性中心，使它们相互接近并形成有利于反应的正确定向关系。
3. 表面效应：使底物分子去溶剂化。

酶的催化机制呈现多元催化作用

1. 普通酸碱催化：酶的活性中心上有些基团是质子供体（酸），有些基团是质子受体（碱），这些基团参与质子的转移。
2. 共价催化：是指催化剂与反应物形成共价结合的中间物，降低反应活化能，然后把被转移基团传递给另外一个反应物的催化作用。
   • 亲核催化：通过酶活性中心上的亲核催化基团给底物中具有部分正电性的原子提供一对电子形成共价中间物。
   • 亲电子催化：通过酶活性中心上的亲电子催化基团与底物分子的亲核原子形成共价中间物。

酶促反应动力学

酶促反应动力学

是研究酶促反应速率以及各种因素对酶促反应速率影响机制的科学。

酶促反应速率可受多种因素的影响、如酶浓度、底物浓度、pH、温度、抑制剂及激活剂等。

底物浓度对酶促反应速率的影响呈矩形双曲线

米-曼氏方程揭示单底物反应的动力学特性

$$v=\frac{V_{max}[S]}{K_m+[S]}
\,.$$

$v$ 为反应速率，$K_m$ 为米氏常数，$V_{max}$ 为最大反应速率。

1. 当 $[S]$ 很低时，$v$ 随 $[S]$ 的增加而升高，呈一级反应。
2. 随着 $[S]$ 的不断增加，$v$ 上升的幅度不断变缓，呈现出一级反应与零级反应的混合级反应。
3. 再随着 $[S]$ 的不断增加，以至于所有酶的活性中心均被底物所饱和，$v$ 便不再增加，此时 $v$ 达最大反应速率（$V_{max}$），此时的反应可视为零级反应。

$K_m$ 与 $V_{max}$ 是重要的酶促反应动力学参数

• $K_m$ 值等于酶促反应速率为最大反应速率一半时的底物浓度
• $K_m$ 值是酶的特征性常数：$K_m$ 值的大小并非固定不变，它与酶的结构/种类浓度、底物结构/种类、反应环境的 pH、温度和离子强度有关。
• $K_m$ 在一定条件下可表示酶对底物的亲和力
  • $K_m$ 越大，表示酶对底物的亲和力越小
  • $K_m$ 越小，酶对底物的亲和力越大
• $V_{max}$ 是酶被底物完全饱和时的反应速率
• 酶的转换数：
  • 当酶被底物完全饱和时（$V_{max}$），单位时间内每个酶分子（或活性中心）催化底物转变成产物的分子数称为酶的转换数
  • 可用来表示酶的催化效率

林-贝作图法双倒数作图法

米-曼氏方程通过变式可以得到 $\frac1v$ 与 $\frac1{[S]}$ 的线性关系：

$$\frac1v = \frac1{V_{max}} + \frac{K_m}{V_{max}}\cdot\frac1{[S]}
\,.$$

作图，纵轴上的截距为 $\frac1{V_{max}}$，横轴上的截距为 $-\frac{1}{K_m}$。

抑制剂和激活剂

抑制剂可降低酶促反应速率

抑制剂的类型

抑制剂举例：

1. 不可逆性抑制剂：
   1. 有机磷农药（敌百虫、敌敌畏、乐果和马拉硫磷等）特异地与胆碱酯酶活性中心丝氨酸残基的羟基结合，使胆碱酯酶失活。
      • 可给予乙酰胆碱拮抗剂阿托品、胆碱酯酶复活剂解磷定进行解毒。
   2. 低浓度的重金属离子（Hg²⁺、Ag⁺，Pb²⁺等）及 As³⁺ 等可与巯基酶分子中的巯基结合使酶失活。
      • 如路易士气（一种化学毒气）能不可逆地抑制体内巯基酶的活性，从而引起神经系统、皮肤、黏膜、毛细血管等病变和代谢功能紊乱。
      • 二巯基丙醇（BAL）可以解除这类抑制剂对琉基酶的抑制。
2. 可逆性抑制剂：
   1. 竞争性抑制剂：
      1. 丙二酸对琥珀酸脱氢酶的抑制作用。
      2. 磺胺类药物的抑菌机制：磺胺类药物与对氨基苯甲酸的化学结构相似，竞争性地与二氢蝶酸合酶结合，抑制二氢叶酸（FH₂）乃至四氢叶酸（FH₄）的合成，干扰一碳单位代谢。
         • 人类可直接利用食物中的叶酸，体内核酸合成不受磺胺类药物的干扰。
         • 根据竞争性抑制的特点，服用磺胺类药物时必须保持血液中足够高的药物浓度，以发挥其有效的抑菌作用。
   2. 非竞争性抑制剂：
      1. 亮氨酸对精氨酸酶的抑制。
      2. 毒毛花昔 G（哇巴因）对细胞膜 Na⁺-K⁺-ATP 酶的抑制。
      3. 麦芽糖对 α 淀粉酶的抑制。
   3. 反竞争性抑制剂：
      1. 苯丙氨酸对胎盘型碱性磷酸酶的抑制。

激活剂可提高酶促反应速率

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。

• 必需激活剂：大多数金属离子激活剂对酶促反应是不可缺少的，否则将测不到酶的活性。
• 非必需激活剂：有些酶即使激活剂不存在时，仍有一定的催化活性，激活剂则可使其活性增加。

激活剂的化学本质：

1. 大多为金属离子，如 Mg²⁺、K⁺、Mn²⁺ 等；
2. 少数为阴离子，如 Cl^-（唾液淀粉酶的非必需激活剂）；
3. 也有许多有机化合物激活剂，如胆汁酸盐。

酶的调节

酶活性的调节时对酶促反应速率的快速调节

关键酶可通过多种方式（如别构调节、化学修饰调节、酶含量调节）进行调节，以决定整个代谢的类型、代谢部位。

别构调节

别构调节 | 变构调节

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。

别构酶

受别构调节的酶。

别构效应剂

引起别构效应的物质。

别构部位 | 调节部位

酶分子与别构效应剂结合的部位。

1. 不符合米氏方程，v-[S] 曲线呈“S”型，反映了多个亚基之间（别构酶常为寡聚酶）的协同作用
2. 别构酶多是关键酶，催化限速反应（不可逆反应），控制代谢通路的闸门
3. 别构调节和引起酶的构象改变
4. 别构效应剂可以是代谢途径的终产物、中间产物、酶的底物、辅因子等
5. 别构酶有催化中心、别构部位/调节部位两个结合位点，催化中性 ≠ 催化亚基，调节部位 ≠ 调节亚基

化学修饰调节

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，同时又可在另一种酶的催化下，去掉已结合的化学基团，从而影响酶的活性。

酶的共价修饰有多种形式，其中最常见的形式是磷酸化和去磷酸化。

酶原激活

酶原

有些酶在细胞内合成或初分泌、或在其发挥催化功能前处于无活性状态，这种无活性的酶的前体称作酶原。

酶原的激活

在一定条件下，酶原向有催化活性的酶的转变过程。

• 过程：酶原的激活大多是经过蛋白酶的水解作用，去除一个或几个肽段后，导致分子构象改变，从而表现出催化活性
• 本质：酶原激活实际上是酶的活性中心形成或暴露的过程。

酶含量的调节是对酶促反应速率的缓慢调节

酶含量的调节通过改变细胞内酶的含量来调节酶活性，属于细胞水平的调节。

• 酶蛋白合成可被诱导或阻碍：
  • 诱导剂或阻碍剂主要在酶蛋白生物合成的转录发挥作用，也可影响翻译过程。
  • 举例：
    • 胰岛素可诱导合成 HMG-CoA 还原酶，促进体内胆固醇合成，而胆固醇则阻遏 HMG-CoA 还原酶的合成
    • 糖皮质激素可诱导磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶的合成，促进糖异生
• 酶的降解与一般蛋白质降解途径相同。

酶在医学中的应用

酶与疾病的关系

有些药物通过抑制酶的活性发挥作用