SW1.s92

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1 生物体内由一系列复杂化学反应组成的新陈代谢几乎都是在特异的生物催化剂 (biocatalyst) 的催化下进行的 迄今为止, 根据生物催化剂的化学本质, 可将其分为两大种类 即一类化学本质为蛋白质的酶, 另一类化学本质为核酸的核酶 ( ribozyme) 和脱氧核酶 ( deoxyribozyme) 酶 (enzyme) 是由活细胞合成的 对其特异底物 (substrate) 起高效催化作用的蛋白质, 是机体内催化各种代谢反应最主要的催化剂 核酶 (ribozyme) 和脱氧核酶 (deoxyribozyme) 是具有高效 特异催化作用的核糖核酸和脱氧核糖核酸, 是近年来发现的另一类生物催化剂, 主要作用于核酸 在酶的催化下, 机体内的物质代谢有条不紊地进行 ; 同时又在许多因素的影响下, 酶对代谢发挥着巧妙的调节作用 人体的许多疾病与酶的异常密切相关 许多药物也可通过对酶的影响来达到其治疗目的 随着酶学研究的深入, 其成果必将为人类做出更大的贡献 第一节酶是生物催化剂 酶在生物活细胞内合成, 由于化学本质为蛋白质, 是生物催化剂 具有两方面的特性, 既有 与一般催化剂相同的催化性质, 又具有一般催化剂所没有的生物大分子的特征 与一般化学催 化剂相比较, 既有共性, 也有特性 一 酶与一般化学催化剂的共性 酶与一般化学催化剂一样, 在化学反应前后没有质和量的改变 只能催化热力学允许的化 学反应 ( Δ G < 0) ; 只能加速可逆反应的进程, 而不改变反应的平衡点, 即不改变反应的平衡常数 酶和一般催化剂的作用机理都是降低反应的活化能 (activation energy) 二 生物催化剂 酶的特点 酶既有与一般化学催化剂相同的性质, 又具有一般化学催化剂没有的大分子生物催化剂的 特征 酶作用的物质称为底物 (substrate,s), 反应生成的物质称为产物 (product,p) 酶催化的 化学反应称为酶促反应 酶促反应具有其特殊的性质与反应机制 ( 一 ) 酶具有极高的催化效率 酶的催化效率通常比非催化反应高 10 8 ~ 倍, 比一般催化剂高 10 7 ~ 倍, 酶的催化效 率可以用酶的转换数来表示, 酶的转换数是指在酶被底物饱和的条件下, 每个酶分子每秒钟将底 物转化为产物的分子数 过氧化氢酶的转换数为 8 畅 /s 在化学反应中, 反应物分子必须 活化后达到或超过一定的能阈, 成为活化状态, 反应才能发生 这种提高低能分子达到活化状态

2 47 的能量, 称为活化能 催化剂的作用, 主要是降低反应所需的活化能, 以致相同的能量能使更多 的分子活化, 从而加速反应的进行, 如图 3 1 酶在相对温和的条件下, 能大大降低酶促反应的活化能, 因此酶能更加有效的使底物处于活化状态, 大大加快反应的速度 酶作用高效率的机理 1 畅趋近效应 (approximation) 和定向效应 (orientation) 酶可以将它的底物结合在它的活性部位 由于化学反应速度与反应物浓度成正比, 若在反应系统的某一局部区域, 底物浓度增高, 则反应速度也随之提高, 此外, 酶与底物间的靠近具有一定的取向, 这样反应物分子才被作用, 大大增加了 ES 复合物进入活化状态的概率 2 畅张力作用 (distortion or strain) 底物的结合可诱导酶分子构象发生变化, 比底物大得多 图 3 1 非催化过程和催化过程自由能的变化 的酶分子的三 四级结构的变化, 也可对底物产生张力作用, 使底物形变和扭曲, 促进 ES 进入活 性状态 3 畅酸碱催化作用 (acid base catalysis) 酶的活性中心具有某些氨基酸残基的 R 基团, 这些 基团往往是良好的质子供体或受体, 在水溶液中这些广义的酸性基团或广义的碱性基团对许多 化学反应是有力的催化剂 4 畅共价催化作用 (covalent catalysis) 某些酶能与底物形成极不稳定的 共价结合的 ES 复 合物, 这些复合物比无酶存在时更容易进行化学反应 5 畅活性部位的微环境的影响酶促反应在酶表面的疏水裂缝 ( 活性中心 ) 中进行, 如同反应 在有机溶剂中进行, 反应基团不为溶剂化, 亲核亲电反应均可加速 如溶菌酶 Glu35 的羧基在 非极性区, 催化功能增速 倍 模拟酶由此设计胶束模拟酶和环糊精等 ( 二 ) 酶促反应具有高度的特异性 ( 专一性 ) 1 畅酶的特异性或专一性 (specificity) 的概念与种类酶与一般催化剂不同, 酶对其所催化 的底物具有较严格的选择性 即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或专一性 (specificity) 根据酶对 其底物结构 ( 化学结构与空间结构 ) 选择的严格程度不同, 酶的特异性可大致分为以下三种类型 (1) 绝对特异性酶只能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 这种特异性称为酶的绝对特异性 (absolute specificity) 例如 : 脲酶只催化尿素水 解, 对其他尿素的衍生物不起催化作用 (2) 相对特异性这种酶作用于一类化合物或一种化学键, 这种不太严格的选择性称为相 对特异性 (relative specificity) 例如, 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 (3) 立体异构特异性有些酶具有立体异构特异性 (stereo specificity), 当底物具有立体异 构体时, 仅作用于底物的一种立体异构体 例如,L 氨基酸氧化酶仅催化 L 氨基酸, 而不作用于

3 48 第一篇生物大分子 D 氨基酸 除立体异构体特异性外, 有些酶对几何异构体 ( 顺反异构体 ) 也显示出几何异构特异性 例 如, 延胡索酸酶仅催化反丁烯二酸 ( 延胡索酸 ) 与苹果酸之间的裂解反应, 对顺丁烯二酸则无 作用 2 畅酶的专一性的解释 (1) 锁与钥匙学说 ( 图 3 2) 图 3 2 锁与钥匙模型 (2) 诱导契合理论 ( 图 3 3) 图 3 3 诱导契合模型 (3) 结构性质互补假说该学说认为酶同底物结合的专一性, 与底物结构和酶的活性中心的空间结构相关, 二者的结构是互补的 如果底物是解离的, 则酶的活性中心的空间结构必然带相反的电荷才能很好结合 而且底物同酶活性中心的极性也必然相同 酶与底物结合时有显著构象变化, 已为 X 射线衍射所证实 酶构象改变, 底物构象也发生变化, 形成过渡态, 由此引出过渡态学说 底物和酶先结合成中间复合物, 底物被活化成过渡态 在酶促反应中, 已获得大量底物过渡态, 并由此推导出许多过渡态类似物作为设计农药 医药 抗体酶的依据 (1) 农药如乙酰胆碱酯酶水解神经传导递质 乙酰胆碱的酯键, 乙酰胆碱水解时的过渡态为四面体, 其过渡态类似物为磷酸酯, 由此设计能抑制乙酰胆碱酯酶的化合物, 即可成为有机磷农药和有机磷毒气 (2) 医药过渡态类似物已成为当前设计新杀菌剂和药物的重要依据, 过渡态类似物往往是酶的抑制剂 (3) 抗体酶利用哺乳动物的免疫体系的选择性和多变性, 经过特定的抗原结构的设计和诱导, 制备具有预定催化活性的蛋白分子, 即抗体酶, 又称催化抗体

4 49 由反应机制确定底物反应过渡态, 由反应过渡态设计过渡态类似物 以过渡态类似物为抗原, 诱导哺乳动物的免疫系统产生抗体, 经大量筛选后找出具有催化反应活性的抗体分子, 经单克隆抗体制备抗体酶 目前已有能催化 20 多种 40 多个化学反应的抗体酶被制备, 包括酶促反应六大类型, 还可催化生物体内酶所不能催化的反应, 如 Diels Alder 反应 ( 三 ) 酶促反应具有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 生物体内有许多机制可以改变酶的催化能力, 酶的含量受到酶生成与降解量的调节, 酶催化效力受到底物浓度和产物浓度的变化 激素和神经系统的调节 例如, 酶与代谢物在细胞内的区域化分布 ; 多酶体系和多功能酶的形成 ; 进化过程中基因分化形成的各种同工酶 ; 代谢物通过对系列酶中关键酶 变构酶的抑制与激活 ; 酶共价修饰的级联调节 ; 以及对酶生物合成的诱导与阻遏 酶降解速度的调节等 ( 四 ) 酶的高度不稳定性酶的主要成分是蛋白质, 极易受外界条件的影响, 凡是能使蛋白质变性的理化因素, 例如环境温度 ph 重金属盐 有机溶剂等都容易引起酶变性失去催化活性 第二节酶的分子组成 结构与功能 酶的化学本质是蛋白质, 基本组成单位是 L 氨基酸, 同样具有一级结构和空间结构 根据酶蛋白的特点和分子大小把酶分为三类 : 1 畅单体酶 (monomeric enzyme) 只有一条多肽链组成, 仅具有一 二 三级结构的酶称为单体酶 如溶菌酶 牛胰核糖核酸酶 单体酶种类较少, 一般多是催化水解反应的酶, 相对分子质量为 (13 ~ 35) 畅寡聚酶 (oligo meric enzyme) 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 绝大部分寡聚酶都含有偶数亚基, 但个别寡聚酶含奇数亚基, 如荧光素酶 嘌呤核苷磷酸化酶就含有 3 个亚基 亚基之间靠次级键结合, 彼此容易分开 寡聚酶的相对分子质量一般大于 大多数寡聚酶的聚合形式是活性型, 解聚形式是失活型 相当数量的寡聚酶是调节酶, 在代谢调控中起重要作用 3 畅多酶体系 (multienzyme system) 是由几种不同功能的酶彼此聚合形成的多酶复合物 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 (multifunctional enzyme) 或串联酶 (tandem enzyme) 如此形成一条结构紧密的 流水生产线 有利于一系列的反应连续进行, 显著提高催化效率 相对分子质量很高 葡萄糖氧化分解过程的丙酮酸脱氢酶复合体, 属于多酶复合体 一 酶的分子组成酶和其他的蛋白质一样, 根据其组成成分可分为单纯酶 (simple enzyme) 和结合酶 (conjugated enzyme) 两类 1 畅单纯酶是仅由氨基酸残基构成的酶 是单纯蛋白质 它的催化活性仅仅决定于它的

5 50 第一篇生物大分子 蛋白质结构 脲酶 一些消化蛋白酶 淀粉酶 脂酶 核糖核酸酶等均属此列 2 畅结合酶由蛋白质部分和非蛋白质部分组成, 前者称为酶蛋白 (apoenzyme, 或脱辅酶 ), 后者称为辅因子 (cofactor) 酶蛋白与辅因子结合形成的复合物称为全酶 (holoenzyme), 只有全 酶才有催化作用 全酶 ( 结合蛋白质 ) = 酶蛋白 (apoenzyme, 蛋白质部分 ) + 辅因子 (cofactors, 非蛋白质部分 ) 酶的辅因子按化学本质分为两类 : 金属离子和小分子有机化合物 酶蛋白决定反应的特异 性, 辅因子决定反应的种类与性质 酶的辅因子按其与酶蛋白结合的紧密程度及作用特点不同 可分为辅酶 (coenzyme) 与辅基 (prosthetic group) 辅酶与酶蛋白的结合疏松, 可以用透析或超 滤的方法除去 辅酶在反应中作为底物接受质子或基团后离开酶蛋白, 参加另一酶促反应并将 所携带的质子或基团转移出去, 或者相反 辅基则与酶蛋白结合紧密, 不能通过透析或超滤将其 除去, 在反应中辅基不能离开酶蛋白 金属离子多为酶的辅基, 小分子有机化合物有的属于辅酶 ( 如 N AD + N ADP + 等 ), 有的属于辅基 ( 如 FAD F M N 生物素等 ) 3 畅金属离子的种类与作用金属离子是最多见的辅因子, 约 2/3 的酶含有金属离子 常见 的金属离子有 K + Na + Cu 2 + Zn 2 + Fe 2 + (Fe 3 + ) M g 2 + 等 有的金属离子与酶结合紧密, 提取 过程中不易丢失, 这类酶称为金属酶 (metalloenzyme) ; 有的金属离子虽为酶的活性所必需, 但与 酶的结合不甚紧密, 这类酶称为金属激活酶 (metal activated enzyme) 金属离子作为辅因子的 作用是多方面的 :1 主要是作为酶活性中心的催化基团参与催化反应,2 传递电子,3 作为连 接酶与底物的桥梁,4 稳定酶的构象,5 中和阴离子降低反应中的静电斥力等 4 畅小分子有机化合物的种类与作用小分子有机化合物是一些化学性质稳定的小分子物 质, 主要作用是参与酶的催化过程, 在反应中传递电子 质子或一些基团 虽然含小分子有机化 合物的酶很多, 但此种辅因子的种类却不多, 且分子结构中常含有维生素或维生素类物质 ( 表 3 1) 表 3 1 B 族维生素及其辅酶 ( 辅基 ) 形式 B 族维生素 辅酶或辅基 主要作用 硫胺素 ( 维生素 B1 ) 硫胺素焦磷酸酯 (TPP) α 酮酸氧化脱羧酮基转换作用 硫辛酸 6,8 二硫辛酸 α 酮酸氧化脱羧 泛酸 ( 维生素 B3 ) 辅酶 A(CoASH) 酰基转换作用 核黄素 ( 维生素 B2 ) 黄素单核苷酸 (FMN) 转移氢原子 黄素腺嘌呤二核苷酸 (FAD) 转移氢原子 烟酰胺 ( 维生素 PP,B5 ) 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 (NAD + ) 转移氢原子 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸 (NADP + ) 转移氢原子 吡哆素 ( 维生素 B6 ) 磷酸吡哆醛 转移氨基参与氨基酸脱羧基 生物素 ( 维生素 B7 ) 生物素 羧化酶的辅酶转移 CO2 叶酸 ( 维生素 B11 ) 四氢叶酸 转移 一碳单位 钴胺素 ( 维生素 B12 ) 5 甲基钴铵素 转移甲基 5 脱氧腺苷钴铵素

6 51 二 酶的活性中心 ( 一 ) 酶的活性中心酶分子中氨基酸残基的侧链具有不同的化学基团 其中一些与酶活性密切相关的化学基团称做酶的必需基团 (essential group) 这些必需基团在一级结构上可能相距很远, 但在空间结构上彼此靠近, 组成具有特定空间结构的区域, 能与底物特异的结合并将底物转化为产物 这一区域称为酶的活性中心 (active center) 或活性部位 (active site) 辅酶或辅基参与酶活性中心的组成 酶活性中心内的必需基团有两类 : 结合基团 (binding group) 结合底物和辅酶, 使之与酶形成复合物 ; 催化基团 (catalytic group) 则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成产物 活性中心内的必需基团可同时具有这两方面的功能 还有一些必需基团虽然不参加活性中心的组成, 但却为维持酶活性中心应有的空间构象所必需, 这些基团是酶活性中心外的必需基团 ( 二 ) 酶的活性中心的一般特点 : 1 只占酶整个体积的相当小的一部分 ;2 具有三维结构的区域, 由酶的特定空间构象所维持, 是一个三维实体 ( 立体空间 ) ;3 活性中心深入到酶分子内部, 且多为氨基酸残基的疏水基团组成的疏水环境, 形成疏水 口袋 多是裂隙 裂缝或凹穴 ;4 多数底物与酶结合时通过弱的作用力 ;5 结合的专一性决定于活性中心的原子基团的正确排列, 并且活性中心是柔性的 ( 图 3 4) 酶活性中心证明方法有 : 切除法 化学修饰法 亲和标记法 X 射线衍射法 基因定位突变法等 图 3 4 酶活性中心示意图 三 酶原与酶原的激活大多数酶在细胞内合成时, 肽链折叠成具有特征的空间结构, 形成酶的活性中心, 获得了酶的催化活性 有些酶在细胞内刚合成或初分泌, 或在其发挥催化功能前只是酶的无活性前体, 必须在一定的条件 一定的场所 一定的激活机制下, 酶的无活性前体水解开一个或几个特定的肽

7 52 第一篇生物大分子 键, 致使酶构象发生改变, 形成并暴露酶的活性中心, 表现出酶的催化活性 这种无活性酶的前 体称做酶原 (zymogen) 酶原向有活性的酶的转化过程称为酶原的激活 酶原激活的实质是酶 的活性中心形成或暴露的过程 例如, 胰蛋白酶原进入小肠后, 在 Ca 2 + 存在下受肠激酶的激活, 第 6 位赖氨酸残基与第 7 位异亮氨酸残基之间的肽键被切断, 水解掉一个六肽, 酶分子的构象发 生改变, 形成酶的活性中心, 从而成为有催化活性的胰蛋白酶 血液中凝血与纤维蛋白溶解系统 的酶类也都以酶原的形式存在, 它们的激活具有典型的级联反应性质 只要少数凝血因子被激 活, 便可通过级联放大作用, 迅速使大量的凝血酶原转化为凝血酶, 引发快速而有效的血液凝固 酶原的激活具有重要的生理意义 消化管内蛋白酶以酶原形式分泌, 不仅保护消化器官本 身不受酶的水解破坏, 而且保证酶在其特定的部位与环境发挥其催化作用 此外, 酶原还可认为 是酶的贮存形式 四 同工酶 同工酶 (isoenzyme) 是长期进化过程中基因分化的产物 同工酶是指催化的化学反应相同, 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 根据国际生化学会的建议, 同工酶 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 mrn A 翻译的不同多肽 链组成的蛋白质 翻译后经修饰生成的多分子形式不在同工酶之列 同工酶存在于同一种属或 同一个体的不同组织或同一细胞的不同亚细胞结构中, 它在代谢调节上起着重要作用 各种同 工酶的同工酶谱在胎儿发育过程中有其规律性的变化, 可作为发育过程中各组织分化的一项重 要特征 同时, 了解胎儿发育不同时间一些同工酶的出现或消失, 还可用于解释发育过程中这些 阶段特有的代谢特征 现已发现百余种酶具有同工酶, 如 6 磷酸葡萄糖脱氢酶 乳酸脱氢酶 ( LDH) 酸性磷酸酶 (ACP) 和碱性磷酸酶 (A KP) 丙氨酸氨基转移酶 (A L T) 和天冬氨酸氨基转移酶 (AS T) 肌酸激 酶 (CK) 等 乳酸脱氢酶 (lactate dehydrogenase,ldh) 是最为人知的四聚体酶 该酶的亚基有 两型 : 骨骼肌型 ( M 型 ) 和心肌型 (H 型 ) 这两型亚基以不同的比例组成五种同工酶 ( 图 3 5) : LDH1 (H 4 ) LD H 2 ( H 3 M) LDH3 ( H 2 M 2 ) LDH4 ( H M3 ) LDH5 ( M4 ) 由于分子结构上的差 异, 这五种同工酶具有不同的电泳速度 ( 这里 1 5 的次序代表电泳速度递减的次序 ), 对同一底 物表现不同的 Km 值 单个亚基无酶的催化活性 LD H 的同工酶在不同组织器官中的含量与 分布比例不同 这使不同的组织与细胞具有不同的代谢特点 图 3 5 LDH 模式图 肌酸激酶 (creatine kinase,ck) 是二聚体酶, 其亚基有 M 型 ( 肌型 ) 和 B 型 ( 脑型 ) 两种 脑中含 CK1 (BB 型 ) ; 骨骼肌中含 CK3 ( M M 型 ) ;CK2 ( MB 型 ) 仅见于心肌 血清 CK2 活性的测定对于早期诊断心肌梗死有一定意义

8 53 同工酶的测定已应用于临床实践 当某组织发生疾病时, 可能有某种特殊的同工酶释放出来, 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 例如, 人肝脏和肌肉的丙酮酸激酶同工酶之间无免疫交叉反应, 但这两种同工酶的抗血清却都能与大肠杆菌丙酮酸激酶起反应 这说明在 15 亿年前, 丙酮酸激酶还不存在同工酶 五 酶的变构调节生物体内许多酶具有的变构 ( 又称别构 ) 现象 体内一些代谢物可以与某些酶分子活性中心外的某一部位可逆地结合, 使酶发生变构并改变其催化活性, 此结合部位称为变构部位 (allosteric site) 或调节部位 (regulatory site) 对酶催化活性的这种调节方式称为变构调节 (allosteric regulation) 受变构调节的酶称做变构酶 (allosteric enzyme) 导致变构效应的代谢物称做变构效应剂 (allosteric effector) 有时底物本身就是变构效应剂 变构酶分子中常含有多个 ( 偶数 ) 亚基, 酶分子的催化部位 ( 活性中心 ) 和调节部位有的可以在同一亚基内, 也有的不在同一亚基 含催化部位的亚基称为催化亚基 ; 含调节部位的亚基称为调节亚基 如果某效应剂引起酶对底物的亲和力增加, 从而加快反应速度, 此效应称为变构激活效应 ; 效应剂称为变构激活剂 (allosteric activator), 反之, 降低反应速度者称为变构抑制剂 (allosteric inhibitor) 具有多亚基的变构酶也与血红蛋白类似, 存在着协同效应, 包括正协同效应与负协同效应 如果效应剂是底物本身, 则正协同效应的底物浓度曲线为 S 形曲线 ( 图 3 6) 变构酶多为寡聚酶, 含的亚基数一般为偶数 ; 且分子中有催化部位 ( 结合底物 ) 与调节部位 ( 结合变构剂 ), 这两部位可以在不同的亚基上, 或者在同一亚基的两个不同部位 1 畅变构酶的作用机理 / 特点图 3 6 变构酶的 S 形曲线 (1) 一般变构酶分子上有两个以上的底物结合位磑变构激活 变构酶磓变构抑制点 当底物与一个亚基上的活性中心结合后, 通过构象的改变, 可增强其他亚基的活性中心与底物的结合, 出现正协同效应 (positive cooperative effect) 多数情况下, 底物对其变构酶的作用都表现正协同效应, 但有时一个底物与一个亚基的活性中心结合后, 可降低其他亚基的活性中心与底物的结合, 表现负协同效应 (negative cooperative effect) (2) 正协同效应的变构酶其速度底物浓度曲线呈 S 形, 即底物浓度较低时, 酶活性的增加缓慢, 底物浓度高到一定程度后, 酶活性显著加强, 最终达到最大值 V m ax 如大肠杆菌的天冬氨酸转甲酰基酶 ( A T Case) 对底物天冬氨酸的结合表现为正协同效应 ; 负协同效应的变构酶其速度底物浓度曲线为类似双曲线, 底物浓度较低时, 酶表现出较大活性, 但底物浓度明显增加时, 其反应速率无明显变化 如 3 磷酸甘油醛脱氢酶对 N AD + 的结合为负协同效应, 其意义在于无论细胞内酶的底物浓度如何变化, 酶始终能以一个较恒定的速

9 54 第一篇生物大分子 度进行以满足细胞的基本需要 (3) 变构酶除活性中心外, 存在着能与变构剂作用的亚基或部位, 称调节亚基 ( 或部位 ), 变 构剂与调节亚基以非共价键特异结合, 可以改变调节亚基的构象, 进而改变催化亚基的构象, 从 而改变酶活性 凡使酶活性增强的变构剂称变构激活剂 (allosteric activitor), 它能使上述 S 形 曲线左移, 饱和量的变构激活剂可将 S 形曲线转变为矩形双曲线 凡使酶活性减弱的变构剂称 变构抑制剂 (allosteric inhibitor), 能使 S 形曲线右移 例如,A T P 是磷酸果糖激酶的变构抑制 剂, 而 ADP A M P 为其变构激活剂 (4) 由于变构酶动力学不符合米曼氏酶的动力学, 所以当反应速度达到最大速度一半时的 底物的浓度, 不能用 K m 表示 2 畅变构酶的生理意义 (1) 在变构酶的 S 形曲线中段, 底物浓度稍有降低, 酶的活性明显下降, 多酶体系催化的代 谢通路可因此而被关闭 ; 反之, 底物浓度稍有升高, 则酶活性迅速上升, 代谢通路又被打开, 因此 可以快速调节细胞内底物浓度和代谢速度 (2) 变构抑制剂常是代谢通路的终产物, 变构酶常处于代谢通路的开端, 通过反馈抑制, 可 以及早地调节整个代谢通路, 减少不必要的底物消耗 例如葡萄糖的氧化分解可提供能量使 A M P ADP 转变成 A T P, 当 A T P 过多时, 通过变构调节酶的活性, 可限制葡萄糖的分解, 而 ADP A M P 增多时, 则可促进糖的分解 随时调节 A T P/ADP 的水平, 可以维持细胞内能量的 正常供应 六 酶的共价修饰调节 酶的共价修饰调节是体内调节酶活性的另一种重要方式 酶蛋白肽链上的一些基团在另一 种酶的催化下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, 这一过程称为酶的共 价修饰 (covalent modification) 或化学修饰 (chemical modification) 在共价修饰过程中, 酶发生 无活性 ( 或低活性 ) 与有活性 ( 或高活性 ) 两种形式的互变 这种互变由不同的酶所催化, 后者又 受激素的调控 酶的共价修饰包括磷酸化与脱磷酸化 乙酰化与脱乙酰化 甲基化与脱甲基化 腺苷化与脱腺苷化, 以及 S H 与 S S 的互变等 其中以磷酸化修饰最为常见 酶的共价 修饰是体内快速调节的一种重要方式 七 酶含量的调节 生物体内某些底物 产物 激素及药物能使酶的合成增加或减少, 这种影响一般发生在转录 水平, 能促进酶蛋白生物合成的物质称为诱导剂 (inducer), 减少酶蛋白生物合成的物质称为辅 阻遏剂 (corepressor) 由于酶蛋白的生物合成需要转录 翻译及翻译后加工等多个环节, 故诱导 剂作用于转录水平后, 仍然需要几个小时才能够发挥作用, 效应出现较迟 辅阻遏剂与无活性的 阻遏蛋白结合后, 影响酶蛋白基因的转录, 称为阻遏作用 酶还可以通过降解来实现对酶含量的调节, 降解过程大多发生在细胞内, 可分为溶酶体蛋白 降解途径和非溶酶体蛋白降解途径 溶酶体蛋白酶降解途径是指在溶酶体酸性条件下, 无选择 把多种酶蛋白吞入溶酶体进行水解 非溶酶体途径又称泛素途径, 是指在胞液中对异常蛋白和 短半衰期蛋白进行泛素标记后被蛋白酶识别后进行水解

10 55 第三节酶促反应动力学 酶促反应动力学 (kinetics of enzyme catalyzed reaction) 是研究酶促反应速度 ( 初速度 ) 及其影响因素的科学 这些因素包括酶浓度 底物浓度 p H 温度 抑制剂 激活剂等 酶的结构与功能的关系以及酶作用的机理的研究需要动力学的实验数据, 为了解酶在代谢中的作用和了解药物的作用机理, 需要掌握酶促反应速率的规律, 因此酶促反应动力学的研究具有重要的理论和实践意义 一 酶活性与酶促反应时间进程曲线 ( 一 ) 酶活性与酶活性单位酶活性是指酶催化化学反应的能力, 其衡量标准是酶促反应速率的大小 酶促反应速率可在一定反应条件下, 用单位时间内底物的消耗量或产物的生成量来表示 许多因素可以影响酶促反应速率 ( 即酶活性 ), 这些因素包括酶浓度 底物浓度 ph 温度 抑制剂 激活剂等 酶促反应在单位时间内生成一定量的产物或消耗一定数量的底物所需的酶量称为酶的活性单位, 它是衡量酶活力大小的尺度 为了统一标准,1976 年国际酶学委员会规定 : 在特定的条件下, 每分钟催化 1 μmol 底物转化为产物所需的酶量为一个国际单位 (IU ) 1979 年又规定以催量单位 (katal, 简称 Kat) 来表示酶的活性, 是指在特定条件下, 每秒钟使 1 mol 底物转化为产物所需的酶量为 1 催量 (1 Kat) 1 IU = 16 畅 Kat 图 3 7 酶促反应时间进程曲线 ( 二 ) 酶促反应时间进程曲线 ( 图 3 7) 从图中可见, 随着反应时间的延长, 由于逆反应的发生 产物抑制等相继出现, 底物转化量不再与时间成正比, 为了准确描述相关因素如何影响酶促反应速率 ( 即酶活性 ), 必须选取酶促反应的初速率 ( 此时底物转化量 < 5 % ) 阶段 二 底物浓度对反应速度的影响在酶浓度与其他因素不变的情况下, 以底物浓度为横坐标, 酶促反应速率为纵坐标作图呈矩形双曲线 ( 图 3 8) 当底物浓度较低时, 酶促反应速率随底物浓度的增加而增加, 反应速率与浓度呈正比关系, 随着底物浓度的增加, 反应速率增加的幅度逐渐下降 反应速度与底物浓度的增加不再呈正比关系 当酶促反应达到一定阶段, 继续加大底物浓度反应速率将不再增加, 这是因为酶的活性中心已被底物饱和 所有的酶均有此饱和现象, 只是达到饱和时所需的底物浓度不同而已 ( 一 ) 米曼氏方程式中间产物学说可以解释酶被底物饱和的现象 根据中间产物学说酶 ( E) 首先与底物

11 56 第一篇生物大分子 ( S) 结合形成酶底物中间复合物 ( ES),ES 再分解为产 物 P 和释放出游离的酶 (E) E + S K1 K 2 ES K3 E + P 1913 年 Leonor Michaelis 和 Maud L 畅 Menten 提出了酶促反应速率与底物浓度关系的数学方程式, 即著名的米曼氏方程式, 简称米氏方程式 (Michaelis equation) : V max [S] v = Km + [S] 图 3 8 底物浓度对反应初速度的影响 式中 V ma x 为最大反应速率 (maximum velocity),[s] 为底物浓度,Km 为米氏常数 ( Michaelis constant),km = K2 + K3 K1,v 是在不同 [S] 时的反应速率 当底物浓度很低 ( K m 冲 [S]) 时,V = V max [S], 反应速度与底物浓度呈正比, 反应为一级反应 当底物浓度很高 ([S] 冲 Km ) 时,v Km V max, 反应速率达最大速率, 再增加底物浓度也不再影响反应速率, 反应为零级反应 ( 二 ) Km 与 Vmax 的意义 1 畅当反应速率为最大反应速率一半时,[S] = K m Km 等于反应速率为最大反应速率一半 时的底物浓度 各种酶的 Km 值范围大致在 10-6 ~ 10-2 mol/l 之间 2 畅 Km 值可以近似的表示酶与底物的亲和力,K m = ( K2 + K3 )/ K1, 当 K2 冲 K3, 即 ES 解离 成 E 和 S 的速率大大超过分离成 E 和 P 的速率时,K3 可以忽略不计, 此时 K m 值近似于 ES 解 离常数 KS, 此时 K m 值可用来表示酶对底物的亲和力 K m = K2 / K1 = [E][S]/[ES] = Ks Km 值愈大, 酶与底物的亲和力愈小 ;Km 值愈小, 酶与底物亲和力愈大 酶与底物亲和力 大, 表示不需要很高的底物浓度, 便可容易地达到最大反应速率 但是 Ks 值并非在所有酶促反 应中都远小于 K2, 所以 Ks 值 ( 又称酶促反应的底物常数 ) 和 Km 值的含义不同, 不能互相代替 使用 3 畅 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 ( 温度 ph 缓 冲液的离子强度 ) 有关, 与酶的浓度无关 对于同一底物, 不同的酶有不同的 Km 值 ; 多底物反应 的酶对不同底物的 Km 值也各不相同, 以 K m 值最小者, 作为该酶作用的最适底物 ( 生理性底 物 ) 4 畅 Km 可以判断酶的专一性和天然产物 当 K3 不远远小于 K2 和 K1 时,Km 表示整个反应的化学平衡的常数 5 畅已知某酶的 Km 值, 就可以计算出在某一底物浓度时, 其反应速率相当于 V max 的百分率 6 畅 Km 可帮助推断某一代谢反应的方向和途径 Km 小的为主要催化方向 ( 正 逆两方向反 应 Km 不同 ) 7 畅 V m ax 和 K3 ( Kcat ) 的意义酶浓度 [ E] 一定, 则对特定底物 V max 为一常数 催化常数 Kcat 又称酶的转化数, 数值上与 K3 同, 为酶被底物饱和时, 每秒钟每个酶分子转换底物的分

12 57 子数 大多数酶的 Kcat 为 1 ~ 10 4 /s, 为每秒钟酶促反应每微摩尔酶分子转换底物的微摩尔数 Kcat 越大, 酶催化效率越高 V max 是酶完全被底物饱和时的反应速率, 与酶浓度呈正比 如果酶的总浓度已知, 便可从 V max 计算酶的转换数 (turnover number) 8 畅 Kcat / K m 的意义 生理条件下 S 虫 K m,v max = Kcat [E] 代入米氏方程 v = Kcat [E][S]/ K m + [S] = Kcat [E][S]/ K m 得出 :v = Kcat / K m [E][S] Kcat / Km 为 [E] 和 [S] 反应形成产物的表观二级速率常数, 单位 :L/(mol s) 可以比较不 同酶或同一种酶催化不同底物的催化效率 Kcat / K m 底物的催化效率 ( 三 ) Km 值和 Vmax 值的测定 大小可以比较不同酶或同一种酶催化不同 1 畅双倒数作图 (double reciprocal plot or Lineweaver Burk plot) 如图 3 9 所示, 如果根据 矩形双曲线来测定 Km 值和 V max 值, 很难准确地测得 Km 值和 V ma x 值 若把米氏方程式进行变换后, 将曲线作图直 线化, 便可准确求得 K m 值和 V max 值 最常用的作图法为 林贝氏 ( Lineweaver Burk) 作图法, 它将米氏方程式变换 如下 : 1 v = K m V max 1 [S] + 1 V max 用 1/ v 对 1/[ S] 作图, 得一直线, 其纵轴上的截距为 1/Vmax, 横轴上的截距为 1/ K m, 此作图法除用于求取 K m 值和 V max 值外, 还可用于判断可逆性抑制反应的性质 2 畅 Eadie Hofstee 作图法将米氏方程经移项整理后可写成 v Km + v[s] = V max [S] 图 3 9 林贝氏 (Lineweaver Burk) 作图 v[s] = V max [S] vk m 故 v = V max K m v/[s] 如图 3 10 所示, 以 v 为纵坐标对 v/[s] 横坐标作图, 所得直线, 其纵轴的截距为 V max, 斜率为 Km 必须指出米氏方程只适用于较为简单的酶作用过程, 对于比较复杂的酶促反应过程, 如多酶体系 多底物 多产物 多中间物等, 还不能全面地藉此概括和说明, 必须借助于复杂的计算过程 三 酶浓度对反应速率的影响在酶促反应系统中, 当底物浓度远远大于酶浓度, 使酶被底物饱和时, 反应速率与酶的浓度变化呈正比关系 ( 图 3 11) 其关系式为 :v = K[E]

13 58 第一篇生物大分子 图 3 10 Eadie Hofstee 作图图 3 11 酶浓度对反应初速率的影响 四 温度对反应速率的影响温度升高, 酶和底物间的碰撞概率增大, 化学反应速率加快, 但酶是蛋白质, 可随温度的升高而变性 温度对酶促反应速率具有双重影响 在温度较低时, 反应速率随温度升高而加快, 一般地说, 温度每升高 10, 反应速率大约增加一倍 升高温度一方面可加快酶促反应速率, 同时也增加酶变性的机会 温度升高到 60 以上时, 大多数酶开始变性 ; 80 时, 多数酶的变性已不可逆 因温度超过一定数值后, 酶受热变性的因素占优势, 反应速率反而随温度上升而减缓, 形成倒 V 形或倒 U 形曲线 综合这两种因素, 如图 3 12 所示, 在此曲线顶点所代表的温度, 反应速率最大, 称为酶的最适温度 (optimum temperature) 温血动物组织中酶的最适温度多在 35 ~ 40 之图 3 12 温度对酶活性的影响间 环境温度低于最适温度时, 温度每升高 10, 反应速率可加大 1 ~ 2 倍 温度高于最适温度时, 反应速率则因酶变性而降低 酶的最适温度不是酶的特征性常数, 它与反应进行的时间有关 酶可在短期内耐受较高的温度 延长反应时间, 最适温度降低 临床上低温麻醉就是利用酶的这一性质以减慢组织细胞代谢速率, 提高机体对氧和营养物质缺乏的耐受性, 有利于进行手术治疗 五 ph 对反应速率的影响酶的本质为蛋白质, 分子中有许多必需基团可解离, 在不同的 ph 条件下解离状态不同, 其所带电荷的种类和数量各不相同, 酶所处的 ph 环境改变, 可以导致这些必需基团解离状态的改变, 进一步可导致酶活性中心的空间构象或辅酶与酶蛋白的解离程度发生改变, 而酶往往仅在某一解离状态时才最容易同底物结合或具有催化作用, 因此,pH 的改变

14 59 可以影响酶的活性 只有在特定的 ph 条件下, 酶 底物和辅酶的解离情况, 最适宜于它们互相结合, 并发挥催化作用, 使酶促反应速率达最大值, 此时环境中的 ph 称为酶的最适 ph(optimum ph) 最适 ph 和酶的最稳定 ph 及体内环境的 ph 不一定相同 虽然不同酶的最适 ph 不同, 但除少数外, 如胃蛋白酶最适 p H 约为 1 畅 8, 肝精氨酸酶最适 ph 为 9 畅 8, 哺乳动物体内多数酶的最适 ph 接近中性 最适 ph 不是酶的特征性常数, 它受环境因素的影响很大 溶液的 ph 高于或低于最适 ph 时, 酶的活性都会降低, 远离最适 ph 时还会导致酶的变性失活 因此在测定酶的活性时, 必须选用适宜的缓冲液以保持酶活性的相对恒定 六 激活剂对酶促反应速率的影响能使酶活性提高的物质, 都称为激活剂 (activator), 其中大部分是离子或简单的有机化合物 如 M g 2 + 是多种激酶和合成酶的激活剂, 动物唾液中的 α 淀粉酶则受 Cl - 的激活 有些金属离子激活剂对酶促反应是必需的, 这类激活剂称必需激活剂 (essential activator) 例如 M g 2 + 作为激活剂的反应中,M g 2 + 与底物 A T P 结合生成 M g 2 + A T P 之后作为酶的真正底物参加反应 有些激活剂对酶促反应是非必需的, 激活剂缺失时酶仍有一定的催化活性, 这类激活剂称为非必需激活剂 ( non essential activator) 非必需激活剂通过与酶或底物或酶底物复合物结合, 提高酶的催化活性, 例如, 氯离子是唾液淀粉酶的非必需激活剂 通常, 酶对激活剂有一定的选择性, 且有一定的浓度要求, 一种酶的激活剂对另一种酶来说可能是抑制剂, 当激活剂的浓度超过一定的范围时, 它就成为抑制剂 七 抑制剂对反应速率的影响凡能使酶的催化活性下降而不引起酶蛋白变性的物质统称做酶的抑制剂 (inhibitor) 抑制剂多与酶的活性中心内 外必需基团相结合, 从而抑制酶的催化活性 抑制剂降低酶的活性, 但几乎不破坏酶的空间结构, 而是直接或间接地对酶分子的活性中心发挥作用, 根据抑制剂与酶结合的紧密程度不同, 除去抑制剂后酶的活性是否得以恢复, 酶的抑制作用分为不可逆性抑制与可逆性抑制两类 ( 一 ) 不可逆性抑制作用不可逆性抑制作用 (irreversible inhibition) 的抑制剂通常与酶活性中心上的必需基团以共价键相结合, 使酶失活 由于抑制剂与酶结合牢固, 此种抑制剂不能用透析 超滤等方法予以去除 不可逆结合而使酶丧失活性, 按其作用特点, 又有专一性及非专一性之分 1 畅羟基酶的抑制农药敌百虫 敌敌畏等有机磷化合物能专一地与胆碱酯酶 (choline esterase) 活性中心丝氨酸残基的羟基结合, 使酶失活 胆碱酯酶的作用是使乙酰胆碱水解, 当有机磷农药中毒时, 胆碱酯酶受到抑制, 造成胆碱能神经末梢分泌的乙酰胆碱的积蓄, 造成迷走神经的兴奋而呈现毒性状态 这些具有专一作用的抑制剂常被称为专一性抑制剂 这些中毒可用药物解磷定 (PA M) 解除有机磷化合物对酶的抑制作用

15 60 第一篇生物大分子 2 畅巯基酶的抑制低浓度的重金属离子 ( 如 H g 2 + Ag + 等 ) 及 As 3 + 可与酶分子的巯基结 合, 使酶失活 由于这些抑制剂所结合的巯基不局限于必需基团, 所以此类抑制剂又称为非专一 性抑制剂 化学毒气路易斯气 (Lewisite) 是一种含砷的化合物, 它能抑制体内的巯基酶而使人 畜中毒 重金属盐引起的巯基酶中毒可用二巯基丙醇 (BA L) 或二巯基丁二酸钠解毒 BA L 含 有 2 个 S H, 在体内达到一定浓度后, 可与毒剂结合, 恢复酶的活性 ( 二 ) 可逆性抑制作用 可逆性抑制作用 (reversible inhibition) 的抑制剂通过非共价键与酶或酶底物复合物可逆性 结合, 使酶活性降低或消失 采用透析或超滤的方法可将抑制剂除去 使酶活性得以恢复, 可逆 性抑制作用可分为三类 : 1 畅竞争性抑制作用 (1) 反应历程有些抑制剂与酶作用的底物结构相似, 能和底物竞争结合酶的活性中心, 阻 碍酶与底物结合成中间产物 这种抑制作用称为竞争性抑制作用 (competitive inhibition), 反应 过程如下 ( 图 3 13) 由于抑制剂与酶的结合是可逆的, 抑制程度取决于抑制剂与酶的相对亲和力和与底物浓度相对比例 因此通过加大底物的浓度可以部分甚至完全抵消抑制剂对反应速率的影响, 丙二酸对琥珀酸脱氢酶的抑制作用是竞争性抑制作用的典型实例 图 3 13 竞争性抑制作用

16 61 (2) 反应速率与底物浓度与抑制剂浓度的关系按米氏公式推导方法, 也可演算出竞争性 抑制时, 抑制剂 底物和反应速率之间的动力学关系及其双倒数方程式为 : v = Km V max [S] 1 + [I] ([I] : 抑制剂浓度 ) + [S] Ki 1 v = Km V ma x 1 + [I] Ki 1 [S] + 1 V max 以 1/[S] 和 1/ v 分别为横坐标和纵坐标作图, 此方程式可绘成竞争性抑制作用的特性曲线 ( 如图 3 14) 酶和抑制剂结合形成的复合物 EI 不能转化为 产物 其中,Ki 称为抑制常数, 即酶抑制剂复合物 的解离常数 按米氏方程式的推导, 当有竞争性抑 制剂存在时,V max 不变 Km 增加 (3) 竞争性抑制作用在临床上的应用很多药 物都是通过竞争性抑制作用的原理来发挥作用的 例如磺胺类药物, 对磺胺类药物敏感的细菌在生长 繁殖时, 不能直接利用环境中的叶酸, 而必须通过体 内的二氢叶酸合成酶催化对氨基苯甲酸等合成二氢 叶酸 再通过二氢叶酸还原酶合成四氢叶酸 四氢 叶酸是一碳单位的载体, 参与核苷酸的合成 磺胺 类药物在化学结构上与对氨基苯甲酸相似, 可竞争 性抑制二氢叶酸合成酶, 抑制二氢叶酸的合成 因 此造成细菌体内的核苷酸与核酸合成受阻而影响 图 3 14 竞争性抑制作用 1/[S] 和 1/ v 作图 其生长繁殖 人类能直接利用食物中的叶酸, 不受磺胺类药物的干扰, 因此磺胺类化合物可作为 药物用于临床 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药物的高浓度, 才能 使其发挥有效的竞争性抑制作用 磺胺药抗菌谱广, 性质稳定, 对肺炎 痢疾等疗效显著 D H F 还原酶叶酸 ( 人可从食物中获取 ) DHF D H F 还原酶 D H F 合成酶 T HF 对氨基苯甲酸 ( 细菌靠此合成 T HF)

17 62 第一篇生物大分子 另外, 许多属于抗代谢物可作为抗癌药物, 都是利用酶的竞争性抑制原理来发挥作用的 如 氨甲蝶呤 (M TX) 5 氟尿嘧啶 (5 F U ) 6 巯基嘌呤 (6 M P) 等, 它们分别抑制四 氢叶酸 脱氧胸苷酸及嘌呤核苷酸的合成, 从而达到抑制肿瘤生长的目的 2 畅非竞争性抑制作用 (1) 反应历程有些抑制剂能与酶活 性中心外的必需基团结合, 抑制剂和底物 与酶的结合互不相关, 既不排斥, 也不促进 结合, 抑制剂可以和酶结合生成 EI, 也可 以和 ES 复合物结合生成 ESI 底物和酶 结合成 ES 后, 仍可与抑制剂结合生成 图 3 15 非竞争性抑制作用 ESI, 但一旦形成 ESI 复合物, 不能再释放形成产物, 这种抑制作用称做非竞争性抑制作用 (noncompetitive inhibition) ( 图 3 15) (2) 反应速率与底物浓度与抑制剂浓度的关系 v = V max [I] Km Ki + [S] [S] ([I] : 抑制剂的浓度 ) 其双倒数方程式 : 1 v = K m V ma x 1 + [I] Ki 1 [S] + 1 V max 1 + [I] Ki 以 1/[S] 和 1/ v 分别为横坐标和纵坐标作图, 此方程式可绘成非竞争性抑制作用的特性曲 线 ( 图 3 16) 有非竞争性抑制剂存在的曲线与无抑制剂存在的 曲线相交于横坐标 1/ Km 处, 纵坐标截距, 因非竞争 性抑制剂的存在而变大, 说明该抑制作用, 并不影响底 物与酶的亲和力, 而使酶促最大反应速率变小 如赖氨酸是精氨酸酶的竞争性抑制剂, 而中性氨 基酸 ( 如丙氨酸 ) 则是非竞争性抑制剂 综上所述, 酶的竞争性和非竞争性抑制可通过双 倒数作图加以区别 V max 不因竞争性抑制剂的存在而 改变,Km 则不因非竞争性抑制剂的存在而改变 3 畅反竞争性抑制作用 (1) 反应历程此类抑制剂与酶和底物形成的中 图 3 16 非竞争性抑制作用 1/[S] 和 1/ v 作图 间复合物 (ES) 结合, 可导致中间产物 ES 浓度下降 这样, 一方面减少从中间产物转化为产物的 量, 同时也减少从中间产物解离出游离酶和底物的量 这种抑制作用称为反竞争性抑制作用

18 63 (uncompetitive inhibition), 其抑制作用的反应式如下 : E + S K 1 K 2 ES K 3 E + P + I ESI (2) 反应速率与底物浓度与抑制剂浓度的关系 K i ( Ki 抑制常数 ) v = V max [S]/( Km + (1 + [I]/ Ki )[S]) 按照米氏方程式推导方法, 可得出非竞争性抑制作用时 V max 减小 Km 减小 常见于多底物反应中, 如肼类化合物抑制胃蛋白酶 现将抑制剂类型及其特征归纳于表 3 2 表 3 2 抑制剂类型及其特征的比较 类型与 I 结合的组分公式 Vmax Km 无抑制剂 ( 正常 ) v = Vmax [S]/( Km + [S]) Vmax Km 竞争性抑制剂 E 活性中心 v = Vmax [S]/[ Km (1 + [I]/ Ki ) + [S]] 不变 增加 非竞争性抑制剂 E ES 活性中心以外部位 v = Vmax [S]/[( Km + [S])(1 + [I]/ Ki)] 减小 不变 反竞争性抑制剂 ES 活性中心以外部位 v = Vmax [S]/[ Km + (1 + [I]/ Ki)[S]) 减小 减小 第四节酶的命名与分类 一 酶的命名酶的名称通常根据酶所催化的底物 反应的性质以及酶的来源而定, 多由发现者根据习惯来命名, 但这种命名方法有时不能说明酶促反应的本质而常出现混乱 为了克服习惯名称的弊端, 1961 年, 国际酶学委员会提出系统命名法 它是按酶的所有底物与反应性质来进行命名的 底物名称之间以 : 分隔 如谷氨酸脱氢酶按照系统命名法命名为 :L 谷氨酸 :N AD + 氧化还原酶 但有些酶促反应是双底物或多底物反应, 且许多底物的化学名称太长, 因而根据系统命名法得到的酶名称过于复杂 为了应用方便, 国际酶学委员会又从每种酶的数个习惯名称中选定一个简便实用的推荐名称 例如 : 乳酸 :N AD + 氧化还原酶, 推荐命名为 : 乳酸脱氢酶 二 酶的分类国际酶学委员会按照酶促反应的性质, 将酶分为六大类 ( 一 ) 氧化还原酶类 (oxidoreductases) 催化底物进行氧化还原反应的一类酶 例如, 琥珀酸脱氢酶 异柠檬酸脱氢酶 细胞色素氧

19 64 第一篇生物大分子 化酶 过氧化氢酶 过氧化物酶等 1 畅氧化酶催化底物脱氢并氧化生成 H 2 O2 或 H 2 O 2 畅脱氢酶直接从底物上脱氢 3 畅氧合酶如催化甲烷氧合生成甲醇 4 畅过氧化物酶如超氧化物歧化酶 SOD ( 二 ) 转移酶类 (transferases) 催化底物之间的某些基团转移或交换的一类酶 例如氨基转移酶 甲基转移酶 磷酸化酶 等 将一种分子的某一基团转移到另一种分子上 通式 :A X + B A + B X ( 三 ) 水解酶类 (hydrolases) 催化底物发生水解反应的一类酶, 例如 淀粉酶 糖苷酶 蛋白酶 脂肪酶 磷酸酶等 通式 :A B + H O H A O H + B H ( 四 ) 裂解酶类 (lyases) 催化从底物移去一个基团并留下双键的反应或其逆反应的一类酶 例如, 碳酸酐酶 脱羧酶 柠檬酸合酶等 如脱羧酶, 断 C C 键, 生成 CO2 ; 碳酸酐酶, 断 C O 键, 生成 CO2 通式 :A B A + B ( 五 ) 异构酶类 (isomerases) 催化各种同分异构体之间相互转化的酶类 例如, 磷酸丙糖异构酶 磷酸甘油酸变位酶 消旋酶, 差向异构酶 顺反异构酶等 通式 :A B ( 六 ) 合成酶类 (ligases) 催化两分子底物合成为一分子化合物, 同时伴有 A T P 的磷酸键断裂释能的酶类 例如, 谷氨酰胺合成酶 腺苷酸代琥珀酸合成酶等 通式 :A + B + A T P A B + ADP(A M P) + Pi(PPi ) 国际酶学委员会还规定了上述六类酶的编号, 同时根据酶所催化的化学键的特点和参加反应的基团不同, 又将每大类进一步划分 每种酶的分类编号由四个数字组成 数字前冠酶学委员会的缩写 EC(enzyme commission) 例如 : 乳酸脱氢酶的编号为 EC1 畅 1 畅 1 畅 27 编号中第 个数字表示该酶属于六大类中哪一类, 第二个数字表示该酶属于哪一亚类, 第三个数字表示亚亚类, 第四个数宇是该酶在亚亚类中的排序 第五节酶在医学上的应用 一 酶活性测定 酶活性测定的目的是了解组织提取液 体液或纯化的酶液中酶的存在与多寡 测定血清 ( 血

20 65 浆 ) 尿液等体液中酶的活性的改变, 可以反映某些疾病的发生 发展, 有助于临床诊断和预后的判断 酶的活性是指酶催化化学反应的能力, 其衡量标准是酶促反应速率的大小 酶促反应速率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 许多因素可以影响酶促反应速率 酶的活性测定要求有适宜的特定反应条件, 影响酶促反应速率的各种因素应相对恒定 酶的样品应做适当的处理 测定酶活性时, 底物的量要足够 ( 底物浓度一般在 10 Km 以上 ), 使酶被底物饱和, 以充分反映待测酶的活力 测定代谢物时应保持酶的足够浓度, 应根据反应时间选择反应的最适温度, 根据不同的底物和缓冲液选择反应的最适 ph 为获取最高反应速率, 在反应体系中应含有适宜的辅因子 激活剂等 二 酶与疾病的关系 ( 一 ) 酶与疾病的发生有些疾病的发病机制直接或间接地与酶的异常或酶活性受到抑制相关 现已发现 140 多种先天性代谢缺陷中, 多由酶的先天性或遗传性缺损所致 例如, 酪氨酸酶缺乏引起白化病 苯丙氨酸羟化酶缺乏使苯丙氨酸和苯丙酮酸在体内堆积, 高浓度的苯丙氨酸可抑制 5 羟色胺的生成, 导致精神幼稚化 许多疾病也可引起酶的异常, 这种异常又使病情加重 例如, 急性胰腺炎时, 胰蛋白酶原在胰腺中被激活, 造成胰腺组织被水解破坏 许多炎症都可以导致弹性蛋白酶从浸润的白细胞或巨噬细胞中释放, 对组织产生破坏作用 激素代谢障碍或维生素缺乏可引起某些酶的异常 酶活性受到抑制多见于中毒性疾病 例如, 有机磷农药中毒是抑制了胆碱酯酶的活性, 重金属盐中毒是抑制了巯基酶的活性, 氰化物及一氧化碳中毒是抑制了呼吸链中的细胞色素氧化酶的活性等 ( 二 ) 酶与疾病的诊断临床上更为常见的是许多组织器官的疾病表现为血液等体液中一些酶活性的异常 其主要原因是 :1 某些组织器官受到损伤造成细胞破坏或细胞膜通透性增高时, 细胞内的某些酶可大量释放入血 例如, 急性胰腺炎时血清和尿中淀粉酶活性升高 ; 急性肝炎或心肌炎时血清转氨酶活性升高等 2 细胞的转换率增高或细胞的增殖增快, 其特异的标志酶可释放入血 例如, 前列腺癌病人可有大量酸性磷酸酶释放入血 3 酶的合成或诱导增强 例如, 胆管堵塞时, 胆汁的反流可诱导肝合成大量的碱性磷酸酶, 巴比妥盐类或酒精可诱导肝中的 γ 谷氨酰转移酶生成增多 4 酶的清除受阻也可引起血清酶的活性增高 肝硬化时血清碱性磷酸酶不能被及时清除, 胆管阻塞可影响血清碱性磷酸酶的排泄, 均可造成血清中此酶浓度的明显升高 5 由于许多酶在肝内合成, 肝功能严重障碍时, 某些酶合成减少, 如血中凝血酶原 因子 Ⅶ 等含量下降 临床上常通过测定血中某些酶的活性来协助诊断某些疾病 ( 三 ) 酶与疾病的治疗许多药物可通过抑制生物体内的某些酶来达到治疗目的 凡能抑制细菌中重要代谢途径中的酶活性, 便可达到抑菌目的 磺胺类药物是细菌二氢叶酸合成酶的竞争性抑制剂 氯霉素可抑制某些细菌转肽酶的活性从而抑制其蛋白质的合成 肿瘤细胞有其独特的代谢方式 人们试图阻断相应的酶活性, 以达到遏制肿瘤生长的目的 甲氨蝶呤 5 氟尿嘧啶 6 巯基嘌呤等, 都是核苷酸代谢途径中相关酶的竞争性抑制剂

21 66 第一篇生物大分子 三 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 畅酶法分析酶法分析即酶偶联测定法 (enzyme coupled assay) 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 其原理是利用一些酶 ( 称指示酶 ) 的底物或产物可以直接简便地监测, 将该酶偶联到待测的酶促反应体系中, 将本来不易直接测定的反应转化为可以直接监测的系列反应 2 畅酶标记测定法酶可以代替放射性核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 这种方法具有很高的灵敏性, 同时又可避免放射性核素应用上的一些弊端 当前应用最多的是酶联免疫测定 (E LISA) 3 畅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, 将酶作为工具, 在分子水平上对某些生物大分子进行定向的分割与连接 例如在基因工程中应用的限制性内切核酸酶 连接酶以及聚合酶链反应中应用的热稳定的 DN A 聚合酶等 ( 二 ) 酶作为药物用于临床治疗酶作为药品最早用于助消化 现在已扩大到消炎 抗凝 促凝 降压等方面 例如, 利用胃蛋白酶 胰蛋白酶 胰脂肪酶 胰淀粉酶等助消化 ; 利用胰蛋白酶 胰凝乳蛋白酶 链激酶 尿激酶 溶菌酶 木瓜蛋白酶等进行外科扩创 化脓伤口的净化 浆膜粘连的防治和一些炎症的治疗 ; 利用链激酶 尿激酶 纤溶酶等防治血栓的形成等 四 酶工程研究酶制剂在工业大规模生产及应用, 分为化学酶工程和生物酶工程 ( 一 ) 天然酶已被广泛应用加酶洗衣粉 ( 蛋白酶 ), 食品饮料防腐 ( 溶菌酶 ), 纺织布褪浆 ( 淀粉酶 ), 皮革软化脱毛 ( 蛋白酶 ), 澄清果汁 ( 果胶酶 ) 等 ; 医疗上用 L 天冬酰胺酶抗肿瘤, 脲酶治尿毒症等 ( 二 ) 化学修饰酶对酶分子进行化学修饰, 改善酶的性能 如抗白血病药物 L 天冬酰胺酶游离氨基用 H N O2 脱氨基或酰化, 可使酶稳定性有很大提高 ; 用葡聚糖修饰超氧化歧化酶 SOD, 可使其半衰期几十倍增长, 抗原性消失, 耐热性提高 ( 三 ) 固定化酶将水溶性酶用物理或化学方法处理, 使之成为不溶于水, 但仍具有酶活性的制剂称为固定化酶 1 畅吸附法将酶蛋白吸附在不溶性载体上, 如活性炭, 硅胶, 分子筛, 微孔玻璃, 纤维素和离子交换树脂上 如用葡萄糖淀粉酶和葡萄糖异构酶制备的固定化酶已大规模用于从淀粉经葡萄糖制备果糖, 用于替代蔗糖 2 畅共价偶联法将酶蛋白上的非必需侧链基团与载体上的基团通过化学反应形成共价键结合 载体可用天然和合成高分子聚合物, 将载体官能团活化连接上间隔臂后, 再在温和条件下

22 67 与酶偶联, 间隔臂使酶分子与载体骨架有一定距离, 使底物与酶易接近 3 畅交联法用双功能试剂, 如戊二醛等将酶分子交联成网状结构, 成为不溶性酶 常与吸附法或包埋法结合使用 4 畅包埋法将酶包裹在凝胶的细微格子中或被半透性聚合膜所包围 小分子底物和产物可自由通过, 而酶固定其中 包埋法还可包埋固定化细胞 细胞器 菌体等 ( 四 ) 人工模拟酶根据酶的结构 功能以及催化机制, 用化学合成法合成具有酶催化活性的人工酶制剂 有的模拟酶作用方式, 有的模拟酶的活性中心 小 结 酶是由活细胞合成的对其特异底物起高效催化作用的蛋白质, 是生物催化剂 酶促反应具有高效率 高度特异性和可调节性 单纯酶是仅由多肽链构成的酶, 其水解产物为氨基酸 结合酶含有蛋白质部分与非蛋白质部分 ( 辅因子 ) 辅因子可以是金属离子或小分子有机化合物, 根据其与酶蛋白结合的紧密程度可分为辅酶与辅基 许多 B 族维生素参与辅酶或辅基的组成 酶蛋白决定酶促反应的特异性, 辅酶 ( 或辅基 ) 参与酶的活性中心, 决定酶促反应的性质 酶分子中一些必需基团在一级结构上可能相距很远, 但在空间结构上彼此靠近, 组成具有特定空间结构的区域, 该区域能与底物特异的结合并将底物转化为产物, 这一区域称为酶的活性中心 酶促反应动力学研究影响酶促反应速率的各种因素, 包括底物浓度 酶浓度 温度 ph 抑制剂和激活剂等 底物浓度对反应速率的影响可用米氏方程式表示, 其中,Km 为米氏常数, 等于反应速率为最大反应速率一半时的底物浓度,Km 是酶特征性常数之一, 只与酶的结构 底物和反应环境有关, 与酶的浓度无关 V max 是酶完全被饱和时的反应速率, 与酶的量呈正比 V ma x 和 Km 可用米氏方程式的双倒数作图来求取 酶促反应在最适 ph 和最适温度时酶促反应速率最 快, 但它们不是酶的特征性常数, 受许多因素的影响 酶的抑制作用包括不可逆性抑制与可逆性抑制两种 可逆性抑制中, 竞争性抑制作用的表观 K m 值增大,V max 不变 ; 非竞争性抑制作用的 Km 值不变,V max 减小 ; 反竞争性抑制作用的 K m 值和 V max 均减小 酶活性测定是测量酶量的简便方法 酶活性单位是衡量酶催化活力的尺度, 在适宜条件下单位时间内底物的消耗量或产物的生成量来表示 酶活性的单位有国际单位和催量单位 机体内对酶的活性与含量的调节是调节代谢的重要途径 体内有些酶以无活性的酶原形式存在, 只有在需要发挥作用时才转化为有活性的酶 ; 变构酶是与一些效应剂可逆地结合, 通过改变酶的构象而影响其催化活性 多亚基的变构酶具有协同效应, 是体内快速调节酶活性的重要方式之一 酶的共价修饰是酶在另一种酶的催化下可逆地共价结合某些化学基团, 实现有活性与无活性的互变 这是体内实现对代谢快速调节的另一重要方式, 以及对酶降解的调节 同工酶是指催化的化学反应相同, 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, 是由不同基因或等位基因编码的多肽链, 或同一基因转录生成的不同 mrn A 翻译的不同多肽链组成的蛋白质 同工酶在不同的组织与细胞中具有不同的作用 酶按其催化的化学反应性质分为六大类 : 氧化还原酶类 转移酶类 水解酶类 裂解酶类 异构酶类 合成酶类 酶的系统名称按酶的分类而定

23 68 第一篇生物大分子 酶与医学的关系十分密切 许多疾病的发生 发展与酶的异常或酶受到抑制有关 血清中 酶的测定可协助对某些疾病的诊断 许多药物可通过作用于细菌或人体内的某些酶以达到治疗 的目的 酶也可以作为诊断试剂和药物对某些疾病进行诊断与治疗 酶还可作为工具用于科学 研究和生产实践 复习思考题 1 畅影响酶促反应的因素有哪些? 是怎样影响的? 2 畅酶与一般催化剂的比较有何异同? 3 畅什么是酶原 酶原的激活, 有何意义? 4 畅什么是同工酶, 在临床上有何诊断意义? 5 畅 Km V max 的生理意义 ( 李旭甡 )