沈阳农业大学：《基础生物化学》课程教学资源（教材讲义）第4章 酶（enzyme）

第四章酶 有能花效me 是生物体活细胞产生的具有催化活性的蛋白质 催化活性还与辅因子有 、根 结构不同 体系。近年来还发现了以RNA为主要成分，具催化活性的核酶。酶分为六大类，即氧化 还原酶类、转移酶类、水解酶类、裂合酶类、异构酶类和合成酶类。酶有系统名和惯用 名。酶与底物形成中间产物而使反应沿一个低活化能途径进行，酶活性中心的结合部位 决定酶对底物的专一性，催化部位决定催化活性和效率。无催化活性的酶原经蛋白酶水 解断裂几处肽键，并去除几个肽段后形成活性中心而具有了催化活性。酶促反应动力学 研究底物浓度、酶浓度、温度、H值、激活剂和抑制剂等对酶促反应的影响。米氏方程 是反映底物浓度和反应速度之间关系的 刀子万 。米氏常数是酶的特征性 吊数， 可片 来表示酶和底 和酶浓度入 pH值的 度不 应汉 第一节酶是生物催化剂 生物体的基木特征之一是新陈代谢 。而新陈代谢是 各 的特点是速度非常 d 代的 反应比较，就会发现其中有些反应在实验室 要高温 强酸或强碱等剧烈条件 才能进行，甚至有些反应速度非常低。生物细胞之所以能在常温常压下以极高的速度和 很强的专一性进行化学反应是由于其中存在生物催化剂(biological catalyst),这就是酶 (enzyme)。 一、酶的概念 酶是生物体活细胞产生的具有催化活性的蛋白质(D ein),是生物催化剂。 Payon及Persoz于1833年从麦芽提取液中分离得到一种能水解淀粉的物质，他们称之 为淀粉酶(diastase),1876年，Kuhne将这类生物催化剂统称为酶。酶的化学本质是蛋白 质的结论，是1926年间，Sumner第一次从刀豆中提取出脲酶(urease) ,并得到了结晶， 证明该酶具有蛋白质的一切属性之后，才被认定的。醉具有蛋白质的属性主要表现在： 1.的1化字组成 中，氮元素的含量在16%左右： 2.酶是两性电角 可以 生行两性解离，有确定的等电点(p): 的分子量很大，其水溶 有亲水胶体的性质，不能透析： 解受某些物理因素如加热、紫外线照射等及化学因素如酸、碱、有机溶剂等的作 101

101 第四章 酶 酶（enzyme）是生物体活细胞产生的具有催化活性的蛋白质，是生物催化剂。酶具 有催化效率高、专一性强、易失活、反应条件温和、酶活性可调控等特点，双成分酶的 催化活性还与辅因子有关。根据酶蛋白分子结构不同，酶可分为单体酶、寡聚酶和多酶 体系。近年来还发现了以RNA为主要成分，具催化活性的核酶。酶分为六大类，即氧化 还原酶类、转移酶类、水解酶类、裂合酶类、异构酶类和合成酶类。酶有系统名和惯用 名。酶与底物形成中间产物而使反应沿一个低活化能途径进行，酶活性中心的结合部位 决定酶对底物的专一性，催化部位决定催化活性和效率。无催化活性的酶原经蛋白酶水 解断裂几处肽键，并去除几个肽段后形成活性中心而具有了催化活性。酶促反应动力学 研究底物浓度、酶浓度、温度、pH值、激活剂和抑制剂等对酶促反应的影响。米氏方程 是反映底物浓度和反应速度之间关系的动力学方程。米氏常数是酶的特征性常数，可用 来表示酶和底物亲和力的大小。米氏常数与底物浓度和酶浓度无关，而受温度和pH值的 影响，竞争性抑制剂米氏常数增大，最大反应速度不变；非竞争性抑制剂米氏常数不变， 最大反应速度减小；反竞争性抑制剂米氏常数减小，最大反应速度减小。变构酶是重要 的调节酶，同工酶在调节中也有重要意义。维生素是酶或辅酶的重要组成成分。 第一节 酶是生物催化剂 生物体的基本特征之一是新陈代谢（metabolism）。而新陈代谢是由为数众多的各式 各样的化学反应所组成。这些化学反应的特点是速度非常之高并且能有条不紊地进行， 从而使细胞同时能进行各种降解代谢（degradation metabolism）及合成代谢（synthesis metabolism），以满足生命活动的需要。如果把这些化学反应和在实验室中所进行的同种 反应比较，就会发现其中有些反应在实验室中需要高温、高压、强酸或强碱等剧烈条件 才能进行，甚至有些反应速度非常低。生物细胞之所以能在常温常压下以极高的速度和 很强的专一性进行化学反应是由于其中存在生物催化剂（biological catalyst），这就是酶 （enzyme）。 一、酶的概念 酶是生物体活细胞产生的具有催化活性的蛋白质（protein），是生物催化剂。 Payon及Persoz于1833年从麦芽提取液中分离得到一种能水解淀粉的物质，他们称之 为淀粉酶（diastase），1876年，Kuhne将这类生物催化剂统称为酶。酶的化学本质是蛋白 质的结论，是1926年间，Sumner第一次从刀豆中提取出脲酶（urease），并得到了结晶， 证明该酶具有蛋白质的一切属性之后，才被认定的。酶具有蛋白质的属性主要表现在： 1. 酶的化学组成中，氮元素的含量在16%左右； 2. 酶是两性电解质，酶在水溶液中，可以进行两性解离，有确定的等电点（pI）； 3. 酶的分子量很大，其水溶液具有亲水胶体的性质，不能透析； 4. 酶分子具有一、二、三、四级结构； 5. 酶受某些物理因素如加热、紫外线照射等及化学因素如酸、碱、有机溶剂等的作

用而变性或沉淀 ,丧失酶的活性 综上大 物也为氨基酸 不 的 才称为 的 此，提出“是香必定是蛋白质”的问题。 必须是蛋白质 化活性的核糖核酸就不能看成酶，反之，如果仅仅把酶定义为生物催化剂，则上述有催 化活性的核糖核酸也应看成是酶。目前，对于此类有催化活性的核糖核酸，英文定名为 ribo四yme,国内译为“核酶或“类酶核酸”】 在酶的概念中，强调了酶是生物体活细胞产生的，但在许多情况下，细胞内生成的 酶，可以分泌到细胞外或转移到其它组织器官中发挥作用。通常把由细胞内产生并在细 内部起作用的酶称为胞内酶(endoenzyme),而把由细胞内产生后分泌到细胞外面起 作 化道中的各种蛋白P心)花外解，水解 (extroenzyme 是水解酶类 人外的其它酶类 生物化学中，常把由酶催化进行的反应称为酶促反应( 的催化下，发生化学变化台 物质称为底物( product) 二、酶的催化特点 高.作为生物能化剂 一船化相比 ,在许多方面是相同的。 如用量少而催化效率 般催化剂 酶仅能改变化 后应的南 改变化兰 后的 酶在后应前后水身不发生恋化 所以在细胞中相对含量很低的酶在短时间内能催化大量 的底物发生变化，体现酶催化的高效性。酶可降低反应的活化能(activation energy) 但不改变反应过程中自由能的变化（△G),因而使反应速度加快，缩短反应到达平衡的 时间，但不改变平衡常数(equilibrium constant)。 醇的催化作用与 般催化剂相比，又表现出特有的特征。 酶催化的高 化剂的催化活性婴高出很多 如过氧化氢酶(catalase)(含 和无机铁离子都催化过氧化氢发生如下的分解反应： H,02 H,0+702 实验得知，1mol的过氧化氢酶，1min内，可催化510°mol的H,02分解。同样条件 下，1mol的化学催化剂Fe2“,只能催化610mol的H,02分解。二者相比，过氧化氢酶 的催化效率大约是Fe2“的10°倍。 酶催化效率的高低可用转换数(turnover number)的概念来表示。转换数是指底物沫 10。大部分的转换数 000 右 大的可 )酶 一性 种酶只能作用子某一类或某一种特定的物质。这就是醇作用的专一性(specificity) 102

102 用而变性或沉淀，丧失酶的活性； 6. 酶水解后，生成的最终产物也为氨基酸。 综上所述，酶的化学本质是蛋白质。 显然，不能说所有蛋白质都是酶，只是具有催化作用的蛋白质，才称为酶。 值得提出的是：近年来，不断发现一些核糖核酸物质也表现有一定的催化活性。为 此，提出了“酶是否必定是蛋白质”的问题。如果说酶必须是蛋白质，那么，上述有催 化活性的核糖核酸就不能看成酶，反之，如果仅仅把酶定义为生物催化剂，则上述有催 化活性的核糖核酸也应看成是酶。目前，对于此类有催化活性的核糖核酸，英文定名为 ribozyme，国内译为“核酶¡±或“类酶核酸”。 在酶的概念中，强调了酶是生物体活细胞产生的，但在许多情况下，细胞内生成的 酶，可以分泌到细胞外或转移到其它组织器官中发挥作用。通常把由细胞内产生并在细 胞内部起作用的酶称为胞内酶（endoenzyme），而把由细胞内产生后分泌到细胞外面起 作用的酶称为胞外酶（extroenzyme）。一般主要是水解酶类，如淀粉酶、脂肪酶（lipase）、 人体消化道中的各种蛋白酶（proteinase）都属胞外酶。而水解酶类以外的其它酶类都属 胞内酶。 在生物化学中，常把由酶催化进行的反应称为酶促反应（enzymatic reaction）。在酶 的催化下，发生化学变化的物质称为底物（substrate），反应后生成的物质称为产物 （product）。 二、酶的催化特点 酶作为生物催化剂和一般催化剂相比，在许多方面是相同的。如用量少而催化效率 高。和一般催化剂一样，酶仅能改变化学反应的速度，并不能改变化学反应的平衡点， 酶在反应前后本身不发生变化，所以在细胞中相对含量很低的酶在短时间内能催化大量 的底物发生变化，体现酶催化的高效性。酶可降低反应的活化能（activation energy）， 但不改变反应过程中自由能的变化（△G），因而使反应速度加快，缩短反应到达平衡的 时间，但不改变平衡常数（equilibrium constant）。 酶的催化作用与一般催化剂相比，又表现出特有的特征。 （一）酶催化的高效性 酶的催化活性比化学催化剂的催化活性要高出很多。如过氧化氢酶（catalase）（含 Fe 2+）和无机铁离子都催化过氧化氢发生如下的分解反应： H2O2 H2O + 1 2 O2 实验得知，1 mol的过氧化氢酶，1 min内，可催化5 10 6 mol的H2O2分解。同样条件 下，1 mol的化学催化剂Fe 2+，只能催化6 10 -4 mol的H2O2分解。二者相比，过氧化氢酶 的催化效率大约是Fe 2+的10 10倍。 酶催化效率的高低可用转换数（turnover number）的概念来表示。转换数是指底物浓 度足够大时，每分钟每个酶分子能转换底物的分子数，即催化底物发生化学变化的分子 数。根据上面介绍的数据，可以算出过氧化氢酶的转换数为5 10 6。大部分酶的转换数在 1 000左右，最大的可达10 6以上。 （二）酶催化的高度专一性 一种酶只能作用于某一类或某一种特定的物质。这就是酶作用的专一性（specificity）

如糖苷键、酯健、肽健等都能被酸碱催化而水解，但水解这些化学键的酶却各不相同， 分别为相应的糖苷酶、酯酶和肽酶，即它们分别被具有专一性的酶作用才能水解。 促继化的反应条件温利 品中性酸度等和的条件下进行，因为是蛋白 容易变性 由于醇对外 变化比较敏感 左南用 （四)酶话性的可调控性 与化学催化剂相比，酶催化作用的另一个特征是其催化活性可以自动地调控。生物 体内进行的化学反应，虽然种类繁多，但非常协调有序。底物浓度、产物浓度以及环境 条件的改变，都有可能影响酶催化活性，从而控制生化反应协调有序的进行。任一生化 反应的错乱与失调，必将造成生物体产生疾病，严重时甚至死亡。生物体为适应环境的 变化，保持正常的生命活动，在漫长的进化过程中，形成了自动调控酶活性的系统。酶 的调控方 式很多 反调节、共价修饰调节、酶原激活及激素控制等。 辅基和金 离子有关 的 4 coenz今ym 、辅基(cofactor)及金 化的高 切相 在生物体新陈代谢中发挥 有条不素地进行 三、酶的组成 酶也可分为简单蛋白酶(s 蛋白质和结合蛋白质两类。同样，按照化学组成 )和结合蛋白酶( 如酶、蛋白酶、淀粉酶 脂肪酶 核糖核酸酶等一般水解酶都屈于简单蛋白酶，这些 酶的活性仅仅取决于它们的蛋白质结构，酶只由氨基酸组成，此外不含其它成分。而像 转氨酶(transaminases)、乳酸脱氢酶(lactate dehydrogenase,LDH)、碳酸酐酶(carbonic 深是梦 tases)等均属结合蛋白酶。这些酶除了蛋白 Zyme),后者衫 cofacters 蛋日与辅因子单独存有 均无催化活力。只有二者结合成完 全=酶蛋白十辅因了 酶的辅因子有的是金屈离子，有的是小分子有机化合物。有时这两者对酶的活性都 是需要的。通常将这些小分子有机化合物称为辅酶或辅基。金属在酶分子中，或者作为 酶活性中心部位的组成成分，或者帮助形成酶活性所必需的构象(conformation)。醇蛋 白以自身侧链上的极性基团，通过反应以共价键、配位键或离子键与辅因子结合。通常 把与酶蛋白结合比较松、容易脱离酶蛋白，可用透析法除去的小分子有机物称为辅酶： 把与蛋白结会比较紧者析法不除的小分不物称为辅基： 质上的差别，二者之间也无严格的界限，只不过它们与酶蛋白结合的牢固 佳化反应中，白与因子所起的作用不同，蛋白本身决定酶反应的 103

103 如糖苷键、酯键、肽键等都能被酸碱催化而水解，但水解这些化学键的酶却各不相同， 分别为相应的糖苷酶、酯酶和肽酶，即它们分别被具有专一性的酶作用才能水解。 （三）酶催化的反应条件温和 酶促反应一般要求在常温、常压、中性酸碱度等温和的条件下进行。因为酶是蛋白 质，在高温、强酸、强碱等环境中容易失去活性。由于酶对外界环境的变化比较敏感， 容易变性失活，在应用时，必须严格控制反应条件。 （四）酶活性的可调控性 与化学催化剂相比，酶催化作用的另一个特征是其催化活性可以自动地调控。生物 体内进行的化学反应，虽然种类繁多，但非常协调有序。底物浓度、产物浓度以及环境 条件的改变，都有可能影响酶催化活性，从而控制生化反应协调有序的进行。任一生化 反应的错乱与失调，必将造成生物体产生疾病，严重时甚至死亡。生物体为适应环境的 变化，保持正常的生命活动，在漫长的进化过程中，形成了自动调控酶活性的系统。酶 的调控方式很多，包括抑制剂调节、反馈调节、共价修饰调节、酶原激活及激素控制等。 （五）酶催化的活性与辅酶、辅基和金属离子有关 有些酶是复合蛋白质，其中的小分子物质辅酶（coenzyme）、辅基（cofactor）及金 属离子与酶的催化活性密切相关。若将它们除去，酶就失去活性。 总之，酶催化的高效性、专一性以及温和的作用条件使酶在生物体新陈代谢中发挥 强有力的作用，酶活性的调控使生命活动中的各个反应得以有条不紊地进行。 三、酶的组成 （一）单纯蛋白酶和结合蛋白酶 我们已经知道，蛋白质分为简单蛋白质和结合蛋白质两类。同样，按照化学组成， 酶也可分为简单蛋白酶（simple proteinases）和结合蛋白酶（conjugated proteases）两大类。 如脲酶、蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶、核糖核酸酶等一般水解酶都属于简单蛋白酶，这些 酶的活性仅仅取决于它们的蛋白质结构，酶只由氨基酸组成，此外不含其它成分。而像 转氨酶（transaminases）、乳酸脱氢酶（lactate dehydrogenase，LDH）、碳酸酐酶（carbonic anhydrase）及其它氧化还原酶类（oxidoreductases）等均属结合蛋白酶。这些酶除了蛋白 质组分外，还含对热稳定的非蛋白小分子物质。前者称为酶蛋白（apoenzyme），后者称 为辅因子（cofacters）。酶蛋白与辅因子单独存在时，均无催化活力。只有二者结合成完 整的分子时，才具有酶活力。此完整的酶分子称为全酶（holoenzyme）。 全酶 = 酶蛋白 ＋ 辅因子 酶的辅因子有的是金属离子，有的是小分子有机化合物。有时这两者对酶的活性都 是需要的。通常将这些小分子有机化合物称为辅酶或辅基。金属在酶分子中，或者作为 酶活性中心部位的组成成分，或者帮助形成酶活性所必需的构象（conformation）。酶蛋 白以自身侧链上的极性基团，通过反应以共价键、配位键或离子键与辅因子结合。通常 把与酶蛋白结合比较松、容易脱离酶蛋白，可用透析法除去的小分子有机物称为辅酶； 而把那些与酶蛋白结合比较紧、用透析法不易除去的小分子物质称为辅基。辅酶和辅基 并没有什么本质上的差别，二者之间也无严格的界限，只不过它们与酶蛋白结合的牢固 程度不同而已。 在全酶的催化反应中，酶蛋白与辅因子所起的作用不同，酶蛋白本身决定酶反应的

专一性及高效性 与反 促进 ,而轴因子直接作为电子、原子或某些化学基团的载体起传递作用，参 蛋白只能 一种辅酶结 ,组成一个 作用一种底物 向者 行化 成为 一个方向 物发生同类型 ，使底物发生 如乳酸脱氢 如乳酸胺 氢酶、苹果酸脱氢酶(malate dehydro dehydrogenase,GDH)中都含NAD,能分别催化乳酸、苹果酸及磺酸甘油发生脱氢反应。 由此也可看出，酶蛋白决定了反应底物的种类，即决定该酶的专一性，而辅酶（基）决 定底物的反应类型。 (二)单体酶、真聚酶和多酶复合体系 根据蛋 自质结构上的特点，蘭可分为三类： 体 链的酶 为单体 即水解 ,如溶菌酶、玉白酶及核糖核酸酶等 由几个或多个亚基组成的酶称为寡聚酶( ,真聚酶中的亚其 以是相同的，也可以是不同的。亚基间以非共价键结合，容易为酸：碱高浓度的盐或 其它的变性剂分离。寡聚酶的分子量从35000到几百万。如磷酸化酶a(phosphorylase a)、 乳酸脱氢酶等。 3.多酶复合体系 由几个酶彼此嵌合形成的复合体称为多酶体系(multienzyme system) 。多酶复合体 有利于细胞中一系列反应的连续 ，以提高酶的催化效率，同时便于机体对酶的调控 合体的子 四、酶的底物专一性 学反的专 性是指酶对底物及其催化反应的严格选 择性程度。通常酶只能催化 一种化 或一类相似的反应。不同的酶具有不同程度的专一性，酶的专一性可分为以下 种类型 一)绝对专一性 个方向发生反应。若底生 专性，宝只健化尿素发生大发生细微的成和二化碳，对尿素的各种生物，和 尿素的甲基取代物或氯取代物均不起作用。 (NH2)C0+H0 2NH CO, 烯二酸)或苹果酸（逆反应的底物）， 104

104 专一性及高效性，而辅因子直接作为电子、原子或某些化学基团的载体起传递作用，参 与反应并促进整个催化过程。 通常一种酶蛋白只能与一种辅酶结合，组成一个酶，作用一种底物，向着一个方向 进行化学反应。而一种辅酶，则可以与若干种酶蛋白结合，组成为若干个酶，催化若干 种底物发生同一类型的化学反应。如乳酸脱氢酶的酶蛋白，只能与NAD +结合，组成乳酸 脱氢酶，使底物乳酸发生脱氢反应。但可以与NAD +结合的酶蛋白则有很多种，如乳酸脱 氢酶、苹果酸脱氢酶（malate dehydrogenase，MDH）及磷酸甘油脱氢酶（glycerophosphate dehydrogenase，GDH）中都含NAD +，能分别催化乳酸、苹果酸及磷酸甘油发生脱氢反应。 由此也可看出，酶蛋白决定了反应底物的种类，即决定该酶的专一性，而辅酶（基）决 定底物的反应类型。 （二）单体酶、寡聚酶和多酶复合体系 根据蛋白质结构上的特点，酶可分为三类： 1. 单体酶 只有一条多肽链的酶称为单体酶（monomeric enzymes），它们不能解离为更小的单 位。其分子量为13 000～35 000。属于这类酶的为数不多，而且大多是促进底物发生水解 反应的酶，即水解酶，如溶菌酶、蛋白酶及核糖核酸酶等。 2. 寡聚酶 由几个或多个亚基组成的酶称为寡聚酶（oligomeric enzymes）。寡聚酶中的亚基可 以是相同的，也可以是不同的。亚基间以非共价键结合，容易为酸、碱、高浓度的盐或 其它的变性剂分离。寡聚酶的分子量从35 000到几百万。如磷酸化酶a（phosphorylase a）、 乳酸脱氢酶等。 3. 多酶复合体系 由几个酶彼此嵌合形成的复合体称为多酶体系（multienzyme system）。多酶复合体 有利于细胞中一系列反应的连续进行，以提高酶的催化效率，同时便于机体对酶的调控。 多酶复合体的分子量都在几百万以上。如丙酮酸脱氢酶系（pyruvate dehydrogenase system） 和脂肪酸合成酶复合体（fatty acid synthetase complex）都是多酶体系。 四、酶的底物专一性 酶的专一性是指酶对底物及其催化反应的严格选择性程度。通常酶只能催化一种化 学反应或一类相似的反应。不同的酶具有不同程度的专一性，酶的专一性可分为以下三 种类型： （一）绝对专一性 绝对专一性（absolute specificity）是酶对底物要求很严格，只能催化一种底物向着一 个方向发生反应。若底物分子发生细微的改变，便不能作为酶的底物。如脲酶具有绝对 专一性，它只催化尿素发生水解反应，生成氨和二氧化碳，而对尿素的各种衍生物，如 尿素的甲基取代物或氯取代物均不起作用。 脲酶 （NH2）2CO ＋ H2O 2NH3 ＋ CO2 又如延胡索酸酶只作用于延胡索酸（即反丁烯二酸）或苹果酸（逆反应的底物）， 而对结构类似于这两个酸的其它化合物不起作用

HC-COOH +H,0 CH,-COOH HOOC-CH HOCH-一COOH 延胡索酸 苹果酸 此外，过氧化氢酶只能催化过氧化氢分解为水和氧气：麦芽糖酶(maltase)只作用 于麦芽糖，而不作用于其它双糖：淀粉酶只作用于淀粉，而不作用于纤维素：碳酸酐酶 只作用于碳酸。 相对专一性 性 的 对底物的专 性程度 较低 具有相 其种反应。它又可分为键专 键专P性ic)和基团 性(group specificity)两类 性的德。只对底物中某些化学键有洗轻性的化作用，对出化学键质侧 连接的基团并无严格要求。如酯酶(c e)作用于底物中的酯键 使底物在酯键处发 生水解反应，而对酯键两侧的酸和醇的种类均无特殊要求。酯酶催化的反应，可用通式 表示如下： R-C0-0-R'+H20 RCOOH R'OH R与R'分别表示两种不同的烃基或其衍生物。键专一性的酶对底物结构要求最低。 2,基团专一住 与键专 基团专 定pcc的的睡对底物的选择较为格。酶作 单形 合物 糖或各 。1 对。苷和。D葡萄糖基团具 性 而底物 或非糖基团。所以这种具有基团专一性的酶， 既能催化麦芽糖水解生成两分子葡萄糖， 又能催化蔗糖水解生成葡萄糖和果糖。αD-葡萄糖苷酶催化的反应可表示为： CH.OH CH,OH H人 H HOH OH H 0-R+0 OH H +ROH HO YOH H OH H OH (三)立体专一性 一种酶只能对一种立体异构体起催化作用，对其对映体则全无作用，这种专一性称 为立体专一性(stereo specificity)。在生物体中，具有立体异构专一性的酶相当普遍。如 L乳酸脱氢酶只催化L乳酸脱氢生成丙酮酸，对其旋光异构体D乳酸则无作用：又如延 胡索酸酶只催化延胡索酸（反丁烯二酸）加水生成苹果酸，而不能催化顺丁烯二酸的水 合作用。 105

105 此外，过氧化氢酶只能催化过氧化氢分解为水和氧气；麦芽糖酶（maltase）只作用 于麦芽糖，而不作用于其它双糖；淀粉酶只作用于淀粉，而不作用于纤维素；碳酸酐酶 只作用于碳酸。 （二）相对专一性 与绝对专一性相比，相对专一性（relative specificity）的酶对底物的专一性程度要求 较低，能够催化一类具有相类似的化学键或基团的物质进行某种反应。它又可分为键专 一性（bond specificity）和基团专一性（group specificity）两类。 1. 键专一性 具有键专一性的酶，只对底物中某些化学键有选择性的催化作用，对此化学键两侧 连接的基团并无严格要求。如酯酶（esterase）作用于底物中的酯键，使底物在酯键处发 生水解反应，而对酯键两侧的酸和醇的种类均无特殊要求。酯酶催化的反应，可用通式 表示如下： R-CO-O-R' ＋ H2O RCOOH ＋ R'OH R与R'分别表示两种不同的烃基或其衍生物。键专一性的酶对底物结构要求最低。 2. 基团专一性 与键专一性相比，基团专一性（group specificity）的酶对底物的选择较为严格。酶作 用底物时，除了要求底物有一定的化学键，还对键的某一侧所连基团有特定要求。如磷 酸单酯酶能催化许多磷酸单酯化合物，如6-磷酸葡萄糖或各种核苷酸发生水解，而对磷酸 二酯键不起作用。又如α-D-葡萄糖苷酶能水解具有α-1,4-糖苷键的D-葡萄糖苷，这种酶 对α-糖苷键和α-D-葡萄糖基团具有严格选择性，而底物分子上的R基团则可以是任何糖 或非糖基团。所以这种具有基团专一性的酶，既能催化麦芽糖水解生成两分子葡萄糖， 又能催化蔗糖水解生成葡萄糖和果糖。α-D-葡萄糖苷酶催化的反应可表示为： （三）立体专一性 一种酶只能对一种立体异构体起催化作用，对其对映体则全无作用，这种专一性称 为立体专一性（stereo specificity）。在生物体中，具有立体异构专一性的酶相当普遍。如 L-乳酸脱氢酶只催化L-乳酸脱氢生成丙酮酸，对其旋光异构体D-乳酸则无作用；又如延 胡索酸酶只催化延胡索酸（反丁烯二酸）加水生成苹果酸，而不能催化顺丁烯二酸的水 合作用

第二节酶的命名与分类 一个今定多种酶，如此种类紧多、催化反应各异的。为防止混乱，需婴 的分类和命名。 一、酶的命名 (一）习惯命名法 惯命名( ddne)是抑物的名字底物发生的后应及该的生物 来源等加在“酶”字的前面组合而成。如淀粉 蛋白醇、跟酶是由它们各自作用的底 物是淀粉、蛋白质、尿素来命名的：水解酶、转氨基酶、脱氢酶是根据它们各自催化底 物发生水解、氨基转移、脱氢反应来命名的：而像胃蛋白酶、细茵淀粉酶、牛胰核糖核 酸酶则是根据酶的来源不同来命名的。20世纪50年代以前，所有的酶名都是根据酶作用 的底物、酶催化的反应性质和酶的来源这种习惯命名法，由发现者各自拟定的。 随着生物化学的发展，所发现的酶种数日益增多，这种简单的命名方法就显露出它 的不是 一酶多名”，如分解淀粉的酶，若按习惯命名法则有三个名字，分 为淀粉酶。 水解酶 细用 动 数 脱下来的氢载体，像乳 ,该薛的全薛中辅因 。为 个新的 (二)系统命名法 natic name)要求能确切地表明酶的底物及酶催化的反应性质，即酶 的系统名包括酶作用的底物名称和该酶的分类名称。若底物是两个或多个则通常用“：】 号把它们分开，作为供体的底物，名字排在前面，而受体的名字在后。如乳酸脱氢酶的 系统名称是：L-乳酸：NAD氧化还原薛 按照严格的规则对酶进行系统命名后，获得的新名过于冗长而使用不便，因此，尽 管系统命名科学严谨 见僻名，就知追该所化的仅但实际上只在天 篇论义 初始出现该酶的名字时，才子予以引用。 所有酶 它的名称多是 专门机构审定后 其名称则是按 的委员 的命名规则拟定的 命名法原则，每一种酶有一个习惯名称和系统名称。例如： 用的名：国际系统 习惯名称 系统名称 催化的反应 转氨酶 丙氨酸 两贸整X聚收 己糖澈酶 ATP己罐 障酸基转移酶 AX著整害；糖 106

106 第二节 酶的命名与分类 迄今已鉴定出2 500多种酶，如此种类繁多、催化反应各异的酶，为防止混乱，需要 一个统一的分类和命名。 一、酶的命名 （一）习惯命名法 习惯命名（recommended name）是把底物的名字、底物发生的反应以及该酶的生物 来源等加在“酶”字的前面组合而成。如淀粉酶、蛋白酶、脲酶是由它们各自作用的底 物是淀粉、蛋白质、尿素来命名的；水解酶、转氨基酶、脱氢酶是根据它们各自催化底 物发生水解、氨基转移、脱氢反应来命名的；而像胃蛋白酶、细菌淀粉酶、牛胰核糖核 酸酶则是根据酶的来源不同来命名的。20世纪50年代以前，所有的酶名都是根据酶作用 的底物、酶催化的反应性质和酶的来源这种习惯命名法，由发现者各自拟定的。 随着生物化学的发展，所发现的酶种数日益增多，这种简单的命名方法就显露出它 的不足之处。一是“一酶多名”，如分解淀粉的酶，若按习惯命名法则有三个名字，分 别为淀粉酶、水解酶、细菌淀粉酶；二是“一名数酶”，如脱氢酶，该酶的全酶中辅因 子是NAD +或者是FAD，作为底物脱下来的氢载体，像乳酸脱氢酶、琥珀酸脱氢酶。为此， 国际生物化学协会酶学委员会（Eenzyme Commission，EC）于1961年提出了一个新的系 统命名及系统分类原则。 （二）系统命名法 系统命名（systematic name）要求能确切地表明酶的底物及酶催化的反应性质，即酶 的系统名包括酶作用的底物名称和该酶的分类名称。若底物是两个或多个则通常用“：” 号把它们分开，作为供体的底物，名字排在前面，而受体的名字在后。如乳酸脱氢酶的 系统名称是：L-乳酸：NAD +氧化还原酶。 按照严格的规则对酶进行系统命名后，获得的新名过于冗长而使用不便，因此，尽 管系统命名科学严谨，读者一见酶名，就知道该酶所催化的反应。但实际上，只在关键 时刻，需要鉴别一种酶的时候，或在一篇论文中，初始出现该酶的名字时，才予以引用。 而在绝大多数情况下，使用的都是简便明了的习惯名称。 应当指出，所有酶名，都是由国际生物化学协会的专门机构审定后，向全世界推荐 的。其中20世纪60年代以前发现的酶，它的名称多是过去长期沿用的俗名；20世纪60年 代后发现的酶，其名称则是按酶学委员会制定的命名规则拟定的。总之，按照国际系统 命名法原则，每一种酶有一个习惯名称和系统名称。例如：

二、酶的分类 根据酶所催化的反应类型，可将酶分为六大类。 凡能催化底物发生氧化还原反应的酶，均称为氧化还原酶(oxido-reductases)。在有 机反应中，通常把脱氢加氧视为氧化，加氢脱氧视为还原。此类酶中包括有脱氢酶、加 氧酶(oxy )、氧化酶(oxidases)、还原酶(reductase)、过氧化物酶(peroxidases) 等。其中种数最多的是脱氢酶。脱氢酶催化的反应，可用通式表示为： AH,+B AH,表示底物，B为原初受氢体。在脱氢反应中，直接从底物上获得氢原子的都是辅 酶（基）。辅酶（基）从底物上得到氢原子后，再经过一定的传递过程，最后使之与氧 结合成水。 由氧化酶所催化的反应可表示为： A十HO 出米后应中， 从底物分子中脱下来的氢原子，不经传递，直接与氧反应生成水。由 氧化催化的反应多数是不可的 凡能催化底物发生基团转移或交换的酶，均称为转移酶(transferases)。根据所转移 的基团种类的不同，常见的转移酶有氨基转移酶、甲基转移酶(transmethylases)、酰基 转移酶(acyltransferase)、激酶(kinase)及磷酸化酶。由转移酶所催化的反应可用通式 表示为： A-R B A+B-R 上式中，R为被转移的基团。 不少的转移酶是结合蛋白质，被转移的基团首先与辅酶结合，而后再转移给另一受 体。如氨基转移酶的辅酶是磷酸吡哆醛，在转氨过程中，被转移的氨基首先与磷酸吡哆 醛结合生成磷酸毗哆胺，然后磷酸毗哆胺再把此氨基转移到另一物质上。 凡能催化 物 酶、肽醇(peptidase)、脂酶 (esterases. ADO 胞外水解酶都属简单蛋白。水解酶所催化的反应多数是不可逆的 「0】型2酯张 凡能催化底物分子中C-C(或C-O、C-N等)化学键断裂，断裂后一分子底物转变为 两分子产物的酶，均称为裂解酶(yss),此类酶的酶促反应通式为： 这类辞催化的反应多数是可逆的，从左向右进行的反应是裂解反应，由右向左是合成反 应，所以又称为裂合酶。 醛缩酶(aldolases)是糖代谢过程中一个很重要的酶，广泛存在于各种生物细胞内 朵授会授化限黑背臣 107

107 二、酶的分类 根据酶所催化的反应类型，可将酶分为六大类。 （一）氧化还原酶类 凡能催化底物发生氧化还原反应的酶，均称为氧化还原酶（oxido-reductases）。在有 机反应中，通常把脱氢加氧视为氧化，加氢脱氧视为还原。此类酶中包括有脱氢酶、加 氧酶（oxygenases）、氧化酶（oxidases）、还原酶（reductase）、过氧化物酶（peroxidases） 等。其中种数最多的是脱氢酶。脱氢酶催化的反应，可用通式表示为： AH2 ＋ B A ＋ BH2 AH2表示底物，B为原初受氢体。在脱氢反应中，直接从底物上获得氢原子的都是辅 酶（基）。辅酶（基）从底物上得到氢原子后，再经过一定的传递过程，最后使之与氧 结合成水。 由氧化酶所催化的反应可表示为： AH2 ＋ 1 2 O2 A ＋ H2O 此类反应中，从底物分子中脱下来的氢原子，不经传递，直接与氧反应生成水。由 氧化酶催化的反应多数是不可逆的。 （二）转移酶类 凡能催化底物发生基团转移或交换的酶，均称为转移酶（transferases）。根据所转移 的基团种类的不同，常见的转移酶有氨基转移酶、甲基转移酶（transmethylases）、酰基 转移酶（acyltransferase）、激酶（kinase）及磷酸化酶。由转移酶所催化的反应可用通式 表示为： A-R ＋ B A ＋ B-R 上式中，R为被转移的基团。 不少的转移酶是结合蛋白质，被转移的基团首先与辅酶结合，而后再转移给另一受 体。如氨基转移酶的辅酶是磷酸吡哆醛，在转氨过程中，被转移的氨基首先与磷酸吡哆 醛结合生成磷酸吡哆胺，然后磷酸吡哆胺再把此氨基转移到另一物质上。 （三）水解酶类 凡能催化底物发生水解反应的酶，皆称为水解酶（hydrolases）。常见的水解酶有淀 粉酶、麦芽糖酶、蛋白酶、肽酶（peptidase）、脂酶（esterases）及磷酸酯酶等。这类酶 的酶促反应通式表示为： A-B ＋ H2O AH ＋ BOH 胞外水解酶都属简单蛋白酶。水解酶所催化的反应多数是不可逆的。 （四）裂解酶类 凡能催化底物分子中C-C（或C-O、C-N等）化学键断裂，断裂后一分子底物转变为 两分子产物的酶，均称为裂解酶（lyases），此类酶的酶促反应通式为： A-B A ＋ B 这类酶催化的反应多数是可逆的，从左向右进行的反应是裂解反应，由右向左是合成反 应，所以又称为裂合酶。 醛缩酶（aldolases）是糖代谢过程中一个很重要的酶，广泛存在于各种生物细胞内， 是一个较为常见的裂合酶，它催化1,6-二磷酸果糖裂解为磷酸甘油醛与磷酸二羟丙酮，此 外，常见的裂解酶还有脱羧酶（decarboxylases）、异柠檬酸裂解酶（citrate lyase）、脱

水醇(dehydratases)、脱氨酶等。 异构酶类 能催化毯好发生几何学践结构学的同分异构变化 几何学 的变化有分子 epimerase 化还 醇促 反应通式为： AB 异构酶所催化的反应都是可逆的。糖酵解中的异构酶有磷酸葡萄糖变位酶、磷酸丙 糖异构酶及磷酸甘油酸变位酶。 六)合成酶类 裂的一 ,并伴随有ATP分子中的高能磷酸健 或A+B+ATP 此类反应多数不可逆。反应式中的P或PP1分别代表无机磷酸与焦磷酸。反应中必须 有ATP(或GTP等)参与。常见的合成酶如丙酮酸羧化酶( vruvate carbox ylase)、谷氨 酰胺合成酶（glutamine synthetase)、谷胱甘肽合成酶(glutathione synthetase)等。 三、酶的标码 根据国际生化协会酯学委员会的规定，每一个酶都用四个点隔开的数字编号，编号 前冠以EC(醇学委员会缩写），四个数字依次表示该醇应属的大类、亚类、亚亚类及酷 的顺序排号，这种编码一种酶的四个数字即是酶的标码。据此标码将已知的每一种酶分 门别类地排成一个表，叫酶表。如乙醇脱氢酶的标码是EC11.1.1,表示它属于氧化还原 酶类、第一亚类、第一亚亚类、排号第一（详细内容请参见有关专著）。 第三节影响酶促反应速度的因素 酶促反应动力学 生物体进行的新陈代谢都是在酶的催化下发生的物质代谢和能量代谢，而酶催化的 反应速度是非常重要的。在活细胞中一个合成反应必须以足够快的速度满足细胞对反应 产物的需要。而有毒的代谢产物也必须以足够快的速度进行排除，以免积累到损伤细胞 的水平。若需要的物质不能以足够快的速度提供，而有害的代谢产物不能以足够快的速 必将造成代乱。因此研究酶及应速度 仪可以 明酶反应本身 的性 和开 的新陈代谢，而且还可以在体外寻找最有利的反应条件来最 测定酯保 上一风来用度度低√露雅 力学的理论和方法 对反应速度的影响 108

108 水酶（dehydratases）、脱氨酶等。 （五）异构酶类 异构酶（isomerases）能催化底物分子发生几何学或结构学的同分异构变化。几何学 上的变化有顺反异构、差向异构（表异构）和分子构型的改变；结构学上的变化有分子 内的基团转移（变位）和分子内的氧化还原。常见的异构酶有顺反异构酶（cistrans￾isomerases）、表异构酶（epimerase）、变位酶（mutase）和消旋酶（racemases）。酶促 反应通式为： A B 异构酶所催化的反应都是可逆的。糖酵解中的异构酶有磷酸葡萄糖变位酶、磷酸丙 糖异构酶及磷酸甘油酸变位酶。 （六）合成酶类 合成酶（ligases）是催化两个分子连接在一起，并伴随有ATP分子中的高能磷酸键断 裂的一类酶，又称连接酶。酶促反应通式可表示为： A ＋ B ＋ATP A-B ＋ ADP ＋ Pi 或 A ＋ B ＋ ATP A-B ＋ AMP ＋ PPi 此类反应多数不可逆。反应式中的Pi或PPi分别代表无机磷酸与焦磷酸。反应中必须 有ATP（或GTP等）参与。常见的合成酶如丙酮酸羧化酶（pyruvate carboxylase）、谷氨 酰胺合成酶（glutamine synthetase）、谷胱甘肽合成酶（glutathione synthetase）等。 三、酶的标码 根据国际生化协会酶学委员会的规定，每一个酶都用四个点隔开的数字编号，编号 前冠以EC（酶学委员会缩写），四个数字依次表示该酶应属的大类、亚类、亚亚类及酶 的顺序排号，这种编码一种酶的四个数字即是酶的标码。据此标码将已知的每一种酶分 门别类地排成一个表，叫酶表。如乙醇脱氢酶的标码是EC1.1.1.1，表示它属于氧化还原 酶类、第一亚类、第一亚亚类、排号第一（详细内容请参见有关专著）。 第三节 影响酶促反应速度的因素 酶促反应动力学 生物体进行的新陈代谢都是在酶的催化下发生的物质代谢和能量代谢，而酶催化的 反应速度是非常重要的。在活细胞中一个合成反应必须以足够快的速度满足细胞对反应 产物的需要。而有毒的代谢产物也必须以足够快的速度进行排除，以免积累到损伤细胞 的水平。若需要的物质不能以足够快的速度提供，而有害的代谢产物不能以足够快的速 度排走，势必将造成代谢紊乱。因此研究酶反应速度不仅可以阐明酶反应本身的性质， 了解生物体内正常的和异常的新陈代谢，而且还可以在体外寻找最有利的反应条件来最 大限度地发挥酶反应的高效性。 生物体内进行的酶促反应，同样地也可用化学动力学的理论和方法进行研究，即在 测定酶促反应速度的基础上，研究底物浓度、酶浓度、温度、pH值、激活剂和抑制剂等 对反应速度的影响

一、酶促反应速度的测定 酶促反应速度，与普通化学反应一样，既可表示为单位时间内底物浓度的减少，又 可表示为单位时间内产物浓度的增加。但在反应开始， 由于生成由间物 略有差异。在实际测定中，考虑到通常底物量足够大，其减少量很少，而产物由无到有 变化较明显，测定起来较灵敏，所以多用产物浓度的增加作为反应速度的量度。酶促反 应的速度与反应进行的时间有关。以产物生成量(P)为纵坐标，以时间()为横坐标作 图，可得到酶反应过程曲线图（见图41）。 P 图41酶反应过程曲线 从图4-1中可以看出，在反应初期 因是随若反应的进行，底物浓度减少，产物浓度增加，加速反应逆向进行：产物浓度增 加会对酶产生反馈抑制：另外酶促反应系统中H值及温度等微环境变化会使部分酶变性 失活。因此，为了准确表示酶活力都要以初速度表示，酶反应的初速度越大，意味着酶 的催化活力越大。 二、底物浓度对酶促反应速度的影响 (一)底物浓度与酶促反应速度的关系 确定底物浓度(S)与酶促反应速度(V)间关系，是酶促反应动力学的核心内容。 在酶浓度、温度、pH不变的情况下，实验测得，酶反应速度与底物浓度的关系，如图4-2 中的曲线所示。 图42中可以看出：当底物的浓度很低时，V与S]呈直线关系(O段) 这时，随 着底物 是国然 时候V值审法 现为 应。V的极限值，称为酶的最大反应速度，以V表 VS]的变化关系，可用中间产物学说进行解释。在底物浓度较低时，只有少数的酶 与底物作用生成中间产物，在这种情况下，增加底物的浓度，就会增加中间产物，从而 增加酶促反应的速度：但是当底物浓度足够大时，所有的酶都与底物结合生成中间产物， 体系中己经没有游离态的酶了，在底物充分过量的条件下，继续增加底物的浓度，对于 109

109 一、酶促反应速度的测定 酶促反应速度，与普通化学反应一样，既可表示为单位时间内底物浓度的减少，又 可表示为单位时间内产物浓度的增加。但在反应开始，由于生成中间产物，二者的大小 略有差异。在实际测定中，考虑到通常底物量足够大，其减少量很少，而产物由无到有， 变化较明显，测定起来较灵敏，所以多用产物浓度的增加作为反应速度的量度。酶促反 应的速度与反应进行的时间有关。以产物生成量（P）为纵坐标，以时间（t）为横坐标作 图，可得到酶反应过程曲线图（见图4-l）。 图4-1 酶反应过程曲线 从图4-1中可以看出，在反应初期，产物增加得比较快，酶促反应的速度（d[P]/dt） 近似为一个常数。随着时间延长，酶促反应的速度便逐渐减弱（即曲线斜率下降）。原 因是随着反应的进行，底物浓度减少，产物浓度增加，加速反应逆向进行；产物浓度增 加会对酶产生反馈抑制；另外酶促反应系统中pH值及温度等微环境变化会使部分酶变性 失活。因此，为了准确表示酶活力都要以初速度表示，酶反应的初速度越大，意味着酶 的催化活力越大。 二、底物浓度对酶促反应速度的影响 （一）底物浓度与酶促反应速度的关系 确定底物浓度（[S]）与酶促反应速度（V）间关系，是酶促反应动力学的核心内容。 在酶浓度、温度、pH不变的情况下，实验测得，酶反应速度与底物浓度的关系，如图4-2 中的曲线所示。 从图4-2中可以看出：当底物的浓度很低时，V与[S]呈直线关系（OA段），这时，随 着底物浓度的增加，反应速度按一定比率加快，为一级反应。当底物的浓度增加到一定 的程度后，虽然酶促反应速度仍随底物浓度的增加而不断地加大，但加大的比率已不是 定值，呈逐渐减弱的趋势（AB段），表现为混合级反应。当底物的浓度增加到足够大的 时候，V值便达到一个极限值，此后，V不再受底物浓度的影响（BC段），表现为零级反 应。V的极限值，称为酶的最大反应速度，以Vmax表示。 V-[S]的变化关系，可用中间产物学说进行解释。在底物浓度较低时，只有少数的酶 与底物作用生成中间产物，在这种情况下，增加底物的浓度，就会增加中间产物，从而 增加酶促反应的速度；但是当底物浓度足够大时，所有的酶都与底物结合生成中间产物， 体系中已经没有游离态的酶了，在底物充分过量的条件下，继续增加底物的浓度，对于

酶促反应的速度，显然已毫无作用。我们把酶的活性中心都被底物分子结合时的底物浓 和 。各种锋表现出这种饱和效应，但不同的鲜严生饱和效应时所需要底物 浓度是不同的。 K表示米氏常爱：方V表示最大反应逸度的一半。 (二)米氏方程 ,推导出了一个表示底物浓度S]与酶 即米 点是假 产物的形成，并假设反应中底物转 参为Mh决于酶底物中间复合物转变成反应产物和醇的速 按中间产物学说，单底物的酶促反应，可表示为 k k E+S ES E十P 在上式中，k1、k、k2分别为反应速度常数。由于酶促反应的速度，取的都是初速， 反应之初，没有或极少产物(P),不足以引起可逆反应，故第二步反应是单向的。 由假设的条件及质量作用定律得知：酵反应速度Vk:ES],那么ES]为多少呢？ 若形成ES的速度为Vn则 Vr =k ([E]-[ES])[S] 一E]为 结合的酶的浓度。ES生成的速度V 度为Vd,则 这是由于ES因生成初反应物k 态时，ES]保持不变，即ES的生成速度与消失速度相等，则 ,)而消失。当反应达到稳态或恒 V=V 即 k1 ([E]-[ES])[S]=k-[ES]+k2[ES] 将上式移项，可以得到 ki[E][S]=(ki[S]+k+k2)[ES] 110

110 酶促反应的速度，显然已毫无作用。我们把酶的活性中心都被底物分子结合时的底物浓 度称饱和浓度。各种酶都表现出这种饱和效应，但不同的酶产生饱和效应时所需要底物 浓度是不同的。 图4-2 底物浓度对酶促反应速度的影响 图中：V表示酶促反应速度；[S]表示底物浓度；Vmax表示最大反应速度； Km表示米氏常数； 1 2 Vmax表示最大反应速度的一半。 （二）米氏方程 Michaelis-Menten于1913年，利用中间产物学说，推导出了一个表示底物浓度[S]与酶 促反应速度V之间定量关系的数学方程式，即米氏方程。 Michaelis-Menten学说的要点是假设有酶-底物中间产物的形成，并假设反应中底物转 变为产物的速度取决于酶-底物中间复合物转变成反应产物和酶的速度。 按中间产物学说，单底物的酶促反应，可表示为： k1 k2 E ＋ S ES E ＋ P k―l 在上式中，k1、k―l、k2分别为反应速度常数。由于酶促反应的速度，取的都是初速， 反应之初，没有或极少产物（P），不足以引起可逆反应，故第二步反应是单向的。 由假设的条件及质量作用定律得知：酶反应速度V=k2[ES]，那么[ES]为多少呢? 若形成ES的速度为Vf，则 Vf = k1（[Et]－[ES]）[S] 式中[Et]表示体系中酶的总浓度，[Et]－[ES]为未结合的酶的浓度。ES生成的速度Vf 与未结合的酶浓度及底物浓度成正比。ES消失的速度为Vd，则 Vd = k―l [ES] + k2 [ES] 这是由于ES因生成初反应物（k-1）或生成产物（k2）而消失。当反应达到稳态或恒 态时，[ES]保持不变，即ES的生成速度与消失速度相等，则 Vf = Vd 即 k l（[Et]－[ES]）[S] = k―l [ES] + k2[ES] 将上式移项，可以得到： k1[Et][S] =（k1[S] + k―l + k2）[ES]