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  hehe17173 2008-12-12 00:00:00

  我感覺你看看王鏡巖的生物化學(xué)就行了

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  yfyrbifg 2008-12-12 00:00:00

  1773年意大利 斯帕蘭札尼通過把中有肉的金屬籠放入鷹胃肉被消化說明胃有化學(xué)消化性 1836德國施旺從胃液提取出胃蛋白酶 1926美國薩姆納從刀豆種子提取脲酶并證明是蛋白質(zhì) 20世紀(jì)80年代美國切赫和奧特曼發(fā)現(xiàn)少數(shù)RNA也具有生物催化功能!

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  d本66M5 2008-12-12 00:00:00

  酶的發(fā)現(xiàn) 1773年，意大利科學(xué)家斯帕蘭扎尼（L.Spallanzani，1729—1799）設(shè)計了一個巧妙的實驗：將肉塊放入小巧的金屬籠中，然后讓鷹吞下去。過一段時間他將小籠取出，發(fā)現(xiàn)肉塊消失了。于是，他推斷胃液中一定含有消化肉塊的物質(zhì)。但是什么，他不清楚。 1836年，德國科學(xué)家施旺（T.Schwann，1810—1882）從胃液中提取出了消化蛋白質(zhì)的物質(zhì)。解開胃的消化之謎。 1926年，美國科學(xué)家薩姆鈉（J.B.Sumner，1887—1955）從刀豆種子中提取出脲酶的結(jié)晶，并通過化學(xué)實驗證實脲酶是一種蛋白質(zhì)。 20世紀(jì)30年代，科學(xué)家們相繼提取出多種酶的蛋白質(zhì)結(jié)晶，并指出酶是一類具有生物催化作用的蛋白質(zhì)。 20世紀(jì)80年代，美國科學(xué)家切赫（T.R.Cech，1947—）和奧特曼（S.Altman，1939—）發(fā)現(xiàn)少數(shù)RNA也具有生物催化作用。 [編輯本段]酶的活力 酶活力單位（U，active unit）： 酶活力單位的量度。1961年國際酶學(xué)會議規(guī)定：1個酶活力單位是指在特定條件（25oC，其它為Z適條件）下，在1min內(nèi)能轉(zhuǎn)化1μmol底物的酶量，或是轉(zhuǎn)化底物中1μmol的有關(guān)基團的酶量。 比活（specific activity）:每分鐘每毫克酶蛋白在25oC下轉(zhuǎn)化的底物的微摩爾數(shù)。比活是酶純度的測量。 活化能（activation energy）:將1mol反應(yīng)底物中所有分子由其態(tài)轉(zhuǎn)化為過度態(tài)所需要的能量。 活性部位（active energy）:酶中含有底物結(jié)合部位和參與催化底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的氨基酸殘基部分?；钚圆课煌ǔＮ挥诘鞍踪|(zhì)的結(jié)構(gòu)域或亞基之間的裂隙或是蛋白質(zhì)表面的凹陷部位，通常都是由在三維空間上靠得很進的一些氨基酸殘基組成。 酶活測定 初速度(initial velocity)：酶促反應(yīng)Z初階段底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的速度，這一階段產(chǎn)物的濃度非常低，其逆反應(yīng)可以忽略不計。 米氏方程（Michaelis-Mentent equation）:表示一個酶促反應(yīng)的起始速度（υ）與底物濃度([s])關(guān)系的速度方程：υ=υmax[s]/(Km+[s]) 米氏常數(shù)（Michaelis constant）:對于一個給定的反應(yīng)，異至酶促反應(yīng)的起始速度（υ0）達到Z大反應(yīng)速度（υmax）一半時的底物濃度。 催化常數(shù)（catalytic number）(Kcat):也稱為轉(zhuǎn)換數(shù)。是一個動力學(xué)常數(shù)，是在底物處于飽和狀態(tài)下一個酶（或一個酶活性部位）催化一個反應(yīng)有多快的測量。 催化常數(shù)等于Z大反應(yīng)速度除以總的酶濃度（υmax/[E]total）?；蚴敲磕γ富钚圆课幻棵腌娹D(zhuǎn)化為產(chǎn)物的底物的量（摩[爾]）。 雙倒數(shù)作圖（double-reciprocal plot）:那稱為Lineweaver_Burk作圖。一個酶促反應(yīng)的速度的倒數(shù)（1/V）對底物度的倒數(shù)（1/LSF）的作圖。x和y軸上的截距分別代表米氏常數(shù)和Z大反應(yīng)速度的倒數(shù)。 酶活調(diào)節(jié) 競爭性YZ作用（competitive inhibition）：通過增加底物濃度可以逆轉(zhuǎn)的一種酶YZ類型。競爭性YZ劑通常與正常的底物或配體競爭同一個蛋白質(zhì)的結(jié)合部位。這種YZ使Km增大而υmax不變。 非競爭性YZ作用（noncompetitive inhibition）: YZ劑不僅與游離酶結(jié)合，也可以與酶-底物復(fù)合物結(jié)合的一種酶促反應(yīng)YZ作用。這種YZ使Km不變而υmax變小。 反競爭性YZ作用（uncompetitive inhibition）: YZ劑只與酶-底物復(fù)合物結(jié)合而不與游離的酶結(jié)合的一種酶促反應(yīng)YZ作用。這種YZ使Km和υmax都變小但υmax/Km不變。 很大一類復(fù)雜的蛋白質(zhì)物質(zhì) [enzyme;ferment]，在促進可逆反應(yīng)(如水解和氧化)方面起著像催化劑一樣的作用。在許多工業(yè)過程中是有用的(如發(fā)酵、皮革鞣制及干酪生產(chǎn)) 酶是一種有機的膠狀物質(zhì)，由蛋白質(zhì)組成，對于生物的化學(xué)變化起催化作用，發(fā)酵就是靠它的作用：～原。 [編輯本段]酶的催化 酸-堿催化（acid-base catalysis）：質(zhì)子轉(zhuǎn)移加速反應(yīng)的催化作用。 共價催化（covalent catalysis）：一個底物或底物的一部分與催化劑形成共價鍵，然后被轉(zhuǎn)移給第二個底物。許多酶催化的基團轉(zhuǎn)移反應(yīng)都是通過共價方式進行的。 催化機理 酶的催化機理和一般化學(xué)催化劑基本相同，也是先和反應(yīng)物（酶的底物）結(jié)合成絡(luò)合物，通過降低反應(yīng)的能來提高化學(xué)反應(yīng)的速度，在恒定溫度下，化學(xué)反應(yīng)體系中每個反應(yīng)物分子所含的能量雖然差別較大，但其平均值較低，這是反應(yīng)的初態(tài)。 S（底物）→P（產(chǎn)物）這個反應(yīng)之所以能夠進行，是因為有相當(dāng)部分的S分子已被激活成為活化（過渡態(tài)）分子，活化分子越多，反應(yīng)速度越快。在特定溫度時，化學(xué)反應(yīng)的活化能是使1摩爾物質(zhì)的全部分子成為活化分子所需的能量（千卡）。 酶（E）的作用是：與S暫時結(jié)合形成一個新化合物ES，ES的活化狀態(tài)（過渡態(tài)）比無催化劑的該化學(xué)反應(yīng)中反應(yīng)物活化分子含有的能量低得多。ES再反應(yīng)產(chǎn)生P，同時釋放E。E可與另外的S分子結(jié)合，再重復(fù)這個循環(huán)。降低整個反應(yīng)所需的活化能，使在單位時間內(nèi)有更多的分子進行反應(yīng)，反應(yīng)速度得以加快。如沒有催化劑存在時，過氧化氫分解為水和氧的反應(yīng)（2H2O2→2H2O+O2）需要的活化能為每摩爾18千卡（1千卡=4.187焦耳），用過氧化氫酶催化此反應(yīng)時，只需要活化能每摩爾2千卡，反應(yīng)速度約增加10^11倍。 酶作用的分子基礎(chǔ) 一、酶的化學(xué)組成 按照酶的化學(xué)組成可將酶分為單純酶和結(jié)合酶兩大類。單純酶分子中只有氨基酸殘基組成的肽鏈，結(jié)合酶分子中則除了多肽鏈組成的蛋白質(zhì)，還有非蛋白成分，如金屬離子、鐵卟啉或含B族維生素的小分子有機物。結(jié)合酶的蛋白質(zhì)部分稱為酶蛋白(apoenzyme)，非蛋白質(zhì)部分統(tǒng)稱為輔助因子 (cofactor)，兩者一起組成全酶(holoenzyme)；只有全酶才有催化活性，如果兩者分開則酶活力消失。非蛋白質(zhì)部分如鐵卟啉或含B族維生素的化合物若與酶蛋白以共價鍵相連的稱為輔基(prosthetic group)，用透析或超濾等方法不能使它們與酶蛋白分開；反之兩者以非共價鍵相連的稱為輔酶(coenzyme)，可用上述方法把兩者分開。表4-1為以金屬離子作結(jié)合酶輔助因子的一些例子。表4-2列出含B族維生素的幾種輔酶(基)及其參與的反應(yīng)。 結(jié)合酶中的金屬離子有多方面功能，它們可能是酶活性ZX的組成成分；有的可能在穩(wěn)定酶分子的構(gòu)象上起作用；有的可能作為橋梁使酶與底物相連接。輔酶與輔基在催化反應(yīng)中作為氫(H+和e)或某些化學(xué)基團的載體，起傳遞氫或化學(xué)基團的作用。體內(nèi)酶的種類很多，但酶的輔助因子種類并不多，從表4—1中已見到幾種酶均用某種相同的金屬離子作為輔助因子的例子，同樣的情況亦見于輔酶與輔基，如3-磷酸甘油醛脫氫酶和乳酸脫氫酶均以NAD+作為輔酶。酶催化反應(yīng)的特異性決定于酶蛋白部分，而輔酶與輔基的作用是參與具體的反應(yīng)過程中氫(H+和e)及一些特殊化學(xué)基團的運載。 二、酶的活性ZX 酶屬生物大分子，分子質(zhì)量至少在1萬以上，大的可達百萬。酶的催化作用有賴于酶分子的一級結(jié)構(gòu)及空間結(jié)構(gòu)的完整。若酶分子變性或亞基解聚均可導(dǎo)致酶活性喪失。一個值得注意的問題是酶所催化的反應(yīng)物即底物（substrate），卻大多為小分物質(zhì)它們的分子質(zhì)量比酶要小幾個數(shù)量級。 酶的活性ZX（active center）只是酶分子中的很小部分，酶蛋白的大部分氨基酸殘基并不與底物接觸。組成酶活性ZX的氨基酸殘基的側(cè)鏈存在不同的功能基團，如-NH2、-COOH、-SH、-OH和咪唑基等，它們來自酶分子多肽鏈的不同部位。有的基團在與底物結(jié)合時起結(jié)合基團(binding group)的作用，有的在催化反應(yīng)中起催化基團(catalytic group)的作用。但有的基團既在結(jié)合中起作用，又在催化中起作用，所以常將活性部位的功能基團統(tǒng)稱為必需基團(essential group)。它們通過多肽鏈的盤曲折疊，組成一個在酶分子表面、具有三維空間結(jié)構(gòu)的孔穴或裂隙，以容納進入的底物與之結(jié)合（圖4-1）并催化底物轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物，這個區(qū)域即稱為酶的活性ZX。 而酶活性ZX以外的功能集團則在形成并維持酶的空間構(gòu)象上也是必需的，故稱為活性ZX以外的必需基團。對需要輔助因子的酶來說，輔助因子也是活性ZX的組成部分。酶催化反應(yīng)的特異性實際上決定于酶活性ZX的結(jié)合基團、催化基團及其空間結(jié)構(gòu)。 三、酶的分子結(jié)構(gòu)與催化活性的關(guān)系 酶的分子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)是其氨基酸的序列，它決定著酶的空間結(jié)構(gòu)和活性ZX的形成以及酶催化的專一性。如哺乳動物中的磷酸甘油醛脫氫酶的氨基酸殘基序列幾乎完全相同，說明相同的一級結(jié)構(gòu)是酶催化同一反應(yīng)的基礎(chǔ)。又如消化道的糜蛋白酶，胰蛋白酶和彈性蛋白酶都能水解食物蛋白質(zhì)的肽鍵，但三者水解的肽鍵有各自的特異性，糜蛋白酶水解含芳香族氨基酸殘基提供羧基的肽鍵，胰蛋白酶水解賴氨酸等堿性氨基酸殘基提供羧基的肽鍵，而彈性蛋白酶水解側(cè)鏈較小且不帶電荷氨基酸殘基提供羧基的肽鍵．這三種酶的氨基酸序列分析顯示40％左右的氨基酸序列相同，都以絲氨酸殘基作為酶的活性ZX基團，三種酶在絲氨酸殘基周圍都有G1y-Asp-Ser-Gly-Pro序列，X線衍射研究提示這三種酶有相似的空間結(jié)構(gòu)，這是它們都能水解肽鍵的基礎(chǔ)。而它們水解肽鍵時的特異性則來自酶的底物結(jié)合部位上氨基酸組成上有微小的差別所致。 圖說明這三個酶的底物結(jié)合部位均有一個袋形結(jié)構(gòu)，糜蛋白酶該處能容納芳香基或非極性基；胰蛋白酶袋子底部稍有不同其中一個氨基酸殘基為天冬氨酸取代，使該處負(fù)電荷增強，故該處對帶正電荷的賴氨酸或精酸殘基結(jié)合有利；彈性蛋白酶口袋二側(cè)為纈氨酸和蘇氨酸殘基所取代，因此該處只能結(jié)合較小側(cè)鏈和不帶電荷的基團．說明酶的催化特異性與酶分子結(jié)構(gòu)的緊密關(guān)系。 四、酶原與酶原激活（zymogen andactivation of zymogen） 有些酶如消化系統(tǒng)中的各種蛋白酶以無活性的前體形式合成和分泌，然后，輸送到特定的部位，當(dāng)體內(nèi)需要時，經(jīng)特異性蛋白水解酶的作用轉(zhuǎn)變?yōu)橛谢钚缘拿付l(fā)揮作用。這些不具催化活性的酶的前體稱為酶原（zymogen）。如胃蛋白酶原(pepsinogen)、胰蛋白酶原(trypsinogen)和胰凝乳蛋白酶原(chymotrypsinogen)等。某種物質(zhì)作用于酶原使之轉(zhuǎn)變成有活性的酶的過程稱為酶原的激活。使無活性的酶原轉(zhuǎn)變?yōu)橛谢钚缘拿傅奈镔|(zhì)稱為活化素?；罨貙τ诿冈募せ钭饔镁哂幸欢ǖ奶禺愋浴? 例如細(xì)胞合成的糜蛋白酶原為245個氨基酸殘基組成的單一肽鏈，分子內(nèi)部有5對二硫鍵相連，該酶原的激活過程如圖4-3所示．首先由胰蛋白酶水解15位精氨酸和16位異亮氨酸殘基間的肽鍵，激活成有完全催化活性的p-糜蛋白酶，但此時酶分子尚未穩(wěn)定，經(jīng)p-糜蛋白酶自身催化，去除二分子二肽成為有催化活性井具穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的α—糜蛋白酶。 在正常情況下，血漿中大多數(shù)凝血因子基本上是以無活性的酶原形式存在，只有當(dāng)組織或血管內(nèi)膜受損后，無活性的酶原才能轉(zhuǎn)變?yōu)橛谢钚缘拿?，從而觸發(fā)一系列的級聯(lián)式酶促反應(yīng)，Z終導(dǎo)致可溶性的纖維蛋白原轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的纖維蛋白多聚體，網(wǎng)羅血小板等形成血凝塊。 酶原激活的本質(zhì)是切斷酶原分子中特異肽鍵或去除部分肽段后有利于酶活性ZX的形成酶原激活有重要的生理意義，一方面它保證合成酶的細(xì)胞本身不受蛋白酶的消化破壞，另一方面使它們在特定的生理條件和規(guī)定的部位受到激活并發(fā)揮其生理作用。如組織或血管內(nèi)膜受損后激活凝血因子；胃主細(xì)胞分泌的胃蛋白酶原和細(xì)胞分泌的糜蛋白酶原、胰蛋白酶原、彈性蛋白酶原等分別在胃和小腸激活成相應(yīng)的活性酶，促進食物蛋白質(zhì)的消化就是明顯的例證。特定肽鍵的斷裂所導(dǎo)致的酶原激活在生物體內(nèi)廣泛存在，是生物體的一種重要的調(diào)控酶活性的方式。如果酶原的激活過程發(fā)生異常，將導(dǎo)致一系列疾病的發(fā)生。出血性炎的發(fā)生就是由于蛋白酶原在未進小腸時就被激活，激活的蛋白酶水解自身的細(xì)胞，導(dǎo)致出血、腫脹。 四、同工酶(isoenzyme) 同工酶的概念：即同工酶是一類催化相同的化學(xué)反應(yīng)，但酶蛋白的分子結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)和免疫原性各不相同的一類酶。 它們存在于生物的同一種族或同一個體的不同組織，甚至在同一組織、同一細(xì)胞的不同細(xì)胞器中。至今已知的同工酶已不下幾十種，如己糖激酶，乳酸脫氫酶等，其中以乳酸脫氫酶（Lactic acid dehydrogenase，LDH）研究得Z為清楚。人和脊柱動物組織中，有五種分子形式，它們催化下列相同的化學(xué)反應(yīng)： 五種同工酶均由四個亞基組成。LDH的亞基有骨骼肌型(M型)和心肌型(H型)之分，兩型亞基的氨基酸組成不同，由兩種亞基以不同比例組成的四聚體，存在五種LDH形式．即H4（LDHl）、H3M1（LDH2）、H2M2 (LDH3)、H1M3(LDH4)和M4 (LDH5)。 M、H亞基的氨基酸組成不同，這是由基因不同所決定。五種LDH中的M、H亞基比例各異，決定了它們理化性質(zhì)的差別．通常用電冰法可把五種LDH分開，LDH1向正極泳動速度Z快，而LDH5泳動Z慢，其它幾種介于兩者之間，依次為LDH2、LDH3和LDH4(圖4-5) 圖4-5還說明了不同組織中各種LDH所含的量不同，心肌中以LDHl及LDH2的量較多，而骨骼肌及肝中LDH5和LDH4為主．不同組織中LDH同工酶譜的差異與組織利用乳酸的生理過程有關(guān)．LDH1和LDH2對乳酸的親和力大，使乳酸脫氫氧化成丙酮酸，有利于心肌從乳酸氧化中取得能量。LDH5和LDH4對丙酮酸的親和力大，有使丙酮酸還原為乳酸的作用，這與肌肉在無氧酵解中取得能量的生理過程相適應(yīng)(詳見糖代謝章)．在組織病變時這些同工酶釋放入血，由于同工酶在組織器官中分布差異，因此血清同工酶譜就有了變化。故臨床常用血清同工酶譜分析來診斷疾病(圖4-5)。 五、 別構(gòu)酶 別構(gòu)酶(allosteric enzyme)往往是具有四級結(jié)構(gòu)的多亞基的寡聚酶，酶分子中除有催化作用的活性ZX也稱催化位點（catalytic site）外；還有別構(gòu)位點(allosteric site)．后者是結(jié)合別構(gòu)劑(allesteric effector)的位置，當(dāng)它與別構(gòu)劑結(jié)合時，酶的分子構(gòu)象就會發(fā)生輕微變化，影響到催化位點對底物的親和力和催化效率。若別構(gòu)劑結(jié)合使酶與底物親和力或催化效率的稱為別構(gòu)激活劑(allostericactivator)，反之使酶底物的r親和力或催化效率降低的稱為別構(gòu)YZ劑(allostericinhibitor)。酶活性受別構(gòu)劑調(diào)節(jié)的作用稱為別構(gòu)調(diào)節(jié)(allosteric regulation)作用．別構(gòu)酶的催化位點與別構(gòu)位點可共處一個亞基的不同部位，但更多的是分別處于不同亞基上．在后一種情況下具催化位點的亞基稱催化亞基，而具別構(gòu)位點的稱調(diào)節(jié)亞基。多數(shù)別構(gòu)酶處于代謝途徑的開端，而別構(gòu)酶的別構(gòu)劑往往是一些生理性小分子及該酶作用的底物或該代謝途徑的中間產(chǎn)物或終產(chǎn)物。故別構(gòu)酶的催化活性受細(xì)胞內(nèi)底物濃度、代謝中間物或終產(chǎn)物濃度的調(diào)節(jié)。終產(chǎn)物YZ該途徑中的別構(gòu)酶稱反饋YZ(feedback inhibition)．說明一旦細(xì)胞內(nèi)終產(chǎn)物增多，它作為別構(gòu)YZ劑YZ處于代謝途徑起始的酶，及時調(diào)整該代謝途徑的速度，以適應(yīng)細(xì)胞生理機能的需要。別構(gòu)酶在細(xì)胞物質(zhì)代謝上的調(diào)節(jié)中發(fā)揮重要作用。故別構(gòu)酶又稱調(diào)節(jié)酶。（regulatory enzyme） 六、修飾酶 體內(nèi)有些酶需在其它酶作用下，對酶分子結(jié)構(gòu)進行修飾后才具催化活性，這類酶稱為修飾酶（modification enzyme）。其中以共價修飾為多見，如酶蛋白的絲氨酸，蘇氨酸殘基的功能基團-OH可被磷酸化，這時伴有共價鍵的修飾變化生成，故稱共價修飾(covalent modification)。由于這種修飾導(dǎo)致酶活力改變稱為酶的共價修飾調(diào)節(jié)(covalent modification regulation)。體內(nèi)Z常見的共價修飾是酶的磷酸化與去磷酸化，此外還有酶的乙?；c去乙?；?、尿苷酸化與去尿苷酸化、甲基化與去甲基化。由于共價修飾反應(yīng)迅速，具有級聯(lián)式放大效應(yīng)所以亦是體內(nèi)調(diào)節(jié)物質(zhì)代謝的重要方式。如催化糖原分解diyi步反應(yīng)的糖原磷酸化酶存在有活性和無活性兩種形式，有活性的稱為磷酸化酶a，無活性的稱為磷酸化酶b，這兩種形式的互變就是通過酶分子的磷酸化與去磷酸化的過程（詳見糖代謝章） 七、多酶復(fù)合體與多酶體系 體內(nèi)有些酶彼此聚合在一起，組成一個物理的結(jié)合體，此結(jié)合體稱為多酶復(fù)合體(multienzyme complex)。若把多酶復(fù)合體解體，則各酶的催化活性消失。參與組成多酶復(fù)合體的酶有多有少，如催化丙酮酸氧化脫羧反應(yīng)的丙酮酸脫氫酶多酶復(fù)合體由三種酶組成，而在線粒體中催化脂肪酸β-氧化的多酶復(fù)合體由四種酶組成。多酶復(fù)合體diyi個酶催化反應(yīng)的產(chǎn)物成為第二個酶作用的底物，如此連續(xù)進行，直至終產(chǎn)物生成． 多酶復(fù)合體由于有物理結(jié)合，在空間構(gòu)象上有利于這種流水作業(yè)的快速進行，是生物體提高酶催化效率的一種有效措施。 體內(nèi)物質(zhì)代謝的各條途徑往往有許多酶共同參與，依次完成反應(yīng)過程，這些酶不同于多酶復(fù)合體，在結(jié)構(gòu)上無彼此關(guān)聯(lián)。故稱為多酶體系(multienzyme system)。如參與糖酵解的11個酶均存在于胞液，組成一個多酶體系。 八、多功能酶 近年來發(fā)現(xiàn)有些酶分子存在多種催化活性，例如大腸桿菌DNA聚合酶I是一條分子質(zhì)量為109kDa的多肽鏈，具有催化DNA鏈的合成、3’-5’核酸外切酶和5’-3’核酸外切酶的活性，用蛋白水解酶輕度水解得兩個肽段，一個含5’-3’核酸外切酶活性，另一個含另兩種酶的活性，表明大腸桿菌DNA聚合酶分子中含多個活性ZX。哺乳動物的脂肪酸合成酶由兩條多肽鏈組成，每一條多肽鏈均含脂肪酸合成所需的七種酶的催化活性。這種酶分子中存在多種催化活性部位的酶稱為多功能酶(multifunctional enzyme)或串聯(lián)酶(tandem enzyme)。多功能酶在分子結(jié)構(gòu)上比多酶復(fù)合體更具有優(yōu)越性，因為相關(guān)的化學(xué)反應(yīng)在一個酶分子上進行，比多酶復(fù)合體更有效，這也是生物進化的結(jié)果。 [編輯本段]影響酶活力的因素 米契里斯（Michaelis）和門坦（Menten）根據(jù)中間產(chǎn)物學(xué)說推導(dǎo)出酶促反應(yīng)速度方程式，即米-門公式（具體參考《環(huán)境工程微生物學(xué)》第四章微生物的生理）。由米門公式可知：酶促反應(yīng)速度受酶濃度和底物濃度的影響，也受溫度、pH、激活劑和YZ劑的影響。 （1）酶濃度對酶促反應(yīng)速度的影響 從米門公式和酶濃度與酶促反應(yīng)速度的關(guān)系圖解可以看出：酶促反應(yīng)速度與酶分子的濃度成正比。當(dāng)?shù)孜锓肿訚舛茸銐驎r，酶分子越多，底物轉(zhuǎn)化的速度越快。但事實上，當(dāng)酶濃度很高時，并不保持這種關(guān)系，曲線逐漸趨向平緩。根據(jù)分析，這可能是高濃度的底物夾帶夾帶有許多的YZ劑所致。 （2）底物濃度對酶促反應(yīng)速度的影響 在生化反應(yīng)中，若酶的濃度為定值，底物的起始濃度較低時，酶促反應(yīng)速度與底物濃度成正比，即隨底物濃度的增加而增加。當(dāng)所有的酶與底物結(jié)合生成中間產(chǎn)物后，即使在增加底物濃度，中間產(chǎn)物濃度也不會增加，酶促反應(yīng)速度也不增加。 還可以得出，在底物濃度相同條件下，酶促反應(yīng)速度與酶的初始濃度成正比。酶的初始濃度大，其酶促反應(yīng)速度就大。 在實際測定中，即使酶濃度足夠高，隨底物濃度的升高，酶促反應(yīng)速度并沒有因此增加，甚至受到Y(jié)Z。其原因是：高濃度底物降低了水的有效濃度，降低了分子擴散性，從而降低了酶促反應(yīng)速度。過量的底物聚集在酶分子上，生成無活性的中間產(chǎn)物，不能釋放出酶分子，從而也會降低反應(yīng)速度。 （3）溫度對酶促反應(yīng)速度的影響 各種酶在Z適溫度范圍內(nèi)，酶活性Z強，酶促反應(yīng)速度Z大。在適宜的溫度范圍內(nèi)，溫度每升高10℃，酶促反應(yīng)速度可以相應(yīng)提高1～2倍。不同生物體內(nèi)酶的Z適溫度不同。如，動物組織中各種酶的Z適溫度為37～40℃；微生物體內(nèi)各種酶的Z適溫度為25～60℃，但也有例外，如黑曲糖化酶的Z適溫度為62～64℃；巨大芽孢桿菌、短乳酸桿菌、產(chǎn)氣桿菌等體內(nèi)的葡萄糖異構(gòu)酶的Z適溫度為80℃；枯草桿菌的液化型淀粉酶的Z適溫度為85～94℃。可見，一些芽孢桿菌的酶的熱穩(wěn)定性較高。過高或過低的溫度都會降低酶的催化效率，即降低酶促反應(yīng)速度。 Z適溫度在60℃以下的酶，當(dāng)溫度達到60～80℃時，大部分酶被破壞，發(fā)生不可逆變性；當(dāng)溫度接近100℃時，酶的催化作用完全喪失。 （4）pH對酶促反應(yīng)速度的影響 酶在Z適pH范圍內(nèi)表現(xiàn)出活性，大于或小于Z適pH，都會降低酶活性。主要表現(xiàn)在兩個方面：①改變底物分子和酶分子的帶電狀態(tài)，從而影響酶和底物的結(jié)合；②過高或過低的pH都會影響酶的穩(wěn)定性，進而使酶遭受不可逆破壞。 （5）激活劑對酶促反應(yīng)速度的影響 能激活酶的物質(zhì)稱為酶的激活劑。激活劑種類很多，有①無機陽離子，如鈉離子、鉀離子、銅離子、鈣離子等；②無機陰離子，如氯離子、溴離子、碘離子、硫酸鹽離子磷酸鹽離子等；③有機化合物，如維生素C、半胱氨酸、還原性谷胱甘肽等。許多酶只有當(dāng)某一種適當(dāng)?shù)募せ顒┐嬖跁r，才表現(xiàn)出催化活性或強化其催化活性，這稱為對酶的激活作用。而有些酶被合成后呈現(xiàn)無活性狀態(tài)，這種酶稱為酶原。它必須經(jīng)過適當(dāng)?shù)募せ顒┘せ詈蟛啪呋钚浴? （6）YZ劑對酶促反應(yīng)速度的影響 能減弱、YZ甚至破壞酶活性的物質(zhì)稱為酶的YZ劑。它可降低酶促反應(yīng)速度。酶的YZ劑有重金屬離子、一氧化碳、硫化氫、氫氰酸、氟化物、碘化乙酸、生物堿、染料、對-氯汞苯甲酸、二異丙基氟磷酸、乙二胺四乙酸、表面活性劑等。 對酶促反應(yīng)的YZ可分為競爭性YZ和非競爭性YZ。與底物結(jié)構(gòu)類似的物質(zhì)爭先與酶的活性ZX結(jié)合，從而降低酶促反應(yīng)速度，這種作用稱為競爭性YZ。競爭性YZ是可逆性YZ，通過增加底物濃度Z終可解除YZ，恢復(fù)酶的活性。與底物結(jié)構(gòu)類似的物質(zhì)稱為競爭性YZ劑。YZ劑與酶活性ZX以外的位點結(jié)合后，底物仍可與酶活性ZX結(jié)合，但酶不顯示活性，這種作用稱為非競爭性YZ。非競爭性YZ是不可逆的，增加底物濃度并不能解除對酶活性的YZ。與酶活性ZX以外的位點結(jié)合的YZ劑，稱為非競爭性YZ劑。 有的物質(zhì)既可作為一種酶的YZ劑，又可作為另一種酶的激活劑。 [編輯本段]酶的分類 根據(jù)酶所催化的反應(yīng)性質(zhì)的不同，將酶分成六大類： 1.氧化還原酶類（oxidoreductase） 促進底物的氧化或還原。 2.轉(zhuǎn)移酶類（transferases） 促進不同物質(zhì)分子間某種化學(xué)基團的交換或轉(zhuǎn)移。 3.水解酶類（hydrolases ） 促進水解反應(yīng)。 4.裂解酶類（lyases） 催化從底物分子雙鍵上加基團或脫基團反應(yīng)，即促進一種化合物分裂為兩種化合物，或由兩種化合物合成一種化合物。 5.異構(gòu)酶類（isomerases） 促進同分異構(gòu)體互相轉(zhuǎn)化，即催化底物分子內(nèi)部的重排反應(yīng)。 6.合成酶類（ligase） 促進兩分子化合物互相結(jié)合，同時ATP分子（或其它三磷酸核苷）中的高能磷酸鍵斷裂，即催化分子間締合反應(yīng)。 按照國際生化協(xié)會公布的酶的統(tǒng)一分類原則，在上述六大類基礎(chǔ)上，在每一大類酶中又根據(jù)底物中被作用的基團或鍵的特點，分為若干亞類；為了更精確地表明底物或反應(yīng)物的性質(zhì)，每一個亞類再分為幾個組（亞亞類）；每個組中直接包含若干個酶。

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  xzr48169 2008-12-12 00:00:00

  酶，又稱為酵素，是指具有催化功能的蛋白質(zhì)。[1]在酶的催化反應(yīng)體系中，反應(yīng)物分子被稱為底物，底物通過酶的催化轉(zhuǎn)化為另一種分子。幾乎所有的細(xì)胞活動進程都需要酶的參與，以提GX率。與其他非生物催化劑相似，酶通過降低化學(xué)反應(yīng)的活化能（用Ea或ΔG‡表示）來加快反應(yīng)速率，大多數(shù)的酶可以將其催化的反應(yīng)之速率提高上百萬倍；同樣，酶作為催化劑，本身在反應(yīng)過程中不被消耗，也不影響反應(yīng)的化學(xué)平衡。與其他非生物催化劑不同的是，酶具有高度的專一性，只催化特定的反應(yīng)或產(chǎn)生特定的構(gòu)型。目前已知的可以被酶催化的反應(yīng)有約4000種。[2] 雖然酶是蛋白質(zhì)，但并非具有生物催化功能的分子都是蛋白質(zhì)，有一些被稱為核酶的RNA分子同樣具有催化功能。[3]此外，通過人工合成所謂人工酶也具有與酶類似的催化活性。[4]有人認(rèn)為酶應(yīng)定義為具有催化功能的生物大分子，即生物催化劑，則該定義中酶包含具有催化功能的蛋白質(zhì)和核酶。[5] 酶的催化活性可以受其他分子影響：YZ劑是可以降低酶活性的分子；激活劑則是可以增加酶活性的分子。有許多藥物和就是酶的YZ劑。酶的活性還可以被溫度、化學(xué)環(huán)境（如pH值）、底物濃度以及電磁波（如微波[6]）等許多因素所影響。 酶在工業(yè)和人們的日常生活中的應(yīng)用也非常廣泛。例如，藥廠用特定的合成酶來合成抗生素；加酶洗衣粉通過分解蛋白質(zhì)和脂肪來幫助除去衣物上的污漬和油漬。 http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/78/Purine_Nucleoside_Phosphorylase.jpg 嘌呤核苷磷酸化酶三維結(jié)構(gòu)的飄帶圖示，不同的氨基酸殘基用不同顏色顯示 酶的發(fā)現(xiàn)來源于人們對發(fā)酵機理的逐漸了解。早在18世紀(jì)末和19世紀(jì)初，人們就認(rèn)識到食物在胃中被消化，[7]用植物的提取液可以將淀粉轉(zhuǎn)化為糖，但對于其對應(yīng)的機理則并不了解。[8] 到了19世紀(jì)中葉，法國科學(xué)家路易·巴斯德對蔗糖轉(zhuǎn)化為酒精的發(fā)酵過程進行了研究，認(rèn)為在酵母細(xì)胞中存在一種活力物質(zhì)，命名為“酵素”（ferment）。他提出發(fā)酵是這種活力物質(zhì)催化的結(jié)果，并認(rèn)為活力物質(zhì)只存在于生命體中，細(xì)胞破裂就會失去發(fā)酵作用。[9] 1878年，德國生理學(xué)家威廉·屈內(nèi)首次提出了酶（enzyme）這一概念。隨后，酶被用于專指胃蛋白酶等一類非活體物質(zhì)，而酵素（ferment）則被用于指由活體細(xì)胞產(chǎn)生的催化活性。 德國科學(xué)家愛德華·比希納這種對酶的錯誤認(rèn)識很快得到糾正。1897年，德國科學(xué)家愛德華·比希納開始對不含細(xì)胞的酵母提取液進行發(fā)酵研究，通過在柏林洪堡大學(xué)所做的一系列實驗Z終證明發(fā)酵過程并不需要完整的活細(xì)胞存在。[10]他將其中能夠發(fā)揮發(fā)酵作用的酶命名為發(fā)酵酶（zymase）。[11]這一貢獻打開了通向現(xiàn)代酶學(xué)與現(xiàn)代生物化學(xué)的大門，其本人也因“發(fā)現(xiàn)無細(xì)胞發(fā)酵及相應(yīng)的生化研究”而獲得了1907年的諾貝爾化學(xué)獎。在此之后，酶和酵素兩個概念合二為一，并依據(jù)比希納的命名方法，酶的發(fā)現(xiàn)者們根據(jù)其所催化的反應(yīng)將它們命名。通常酶的英文名稱是在催化底物或者反應(yīng)類型的名字Z后加上-ase的后綴，而對應(yīng)中文命名也采用類似方法，即在名字Z后加上“酶”。例如，乳糖酶（lactase）是能夠剪切乳糖（lactose）的酶；DNA聚合酶（DNA polymerase）能夠催化DNA聚合反應(yīng)。 人們在認(rèn)識到酶是一類不依賴于活體細(xì)胞的物質(zhì)后，下一步工作就是鑒定其生化組成成分。許多早期研究者指出，一些蛋白質(zhì)與酶的催化活性相關(guān)；但包括諾貝爾獎得主里夏德·維爾施泰特在內(nèi)的部分科學(xué)家認(rèn)為酶不是蛋白質(zhì)，他們辯稱那些蛋白質(zhì)只是酶分子的攜帶者，蛋白質(zhì)本身并不具有催化活性。1926年，美國生物化學(xué)家詹姆斯·薩姆納完成了一個決定性的實驗。他首次從刀豆得到尿素酶結(jié)晶，并證明了尿素酶的蛋白質(zhì)本質(zhì)。其后，薩姆納在1931年在過氧化氫酶的研究中再次證實了酶為蛋白質(zhì)。約翰·霍華德·諾思羅普和溫德爾·梅雷迪思·斯坦利通過對胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶等消化性蛋白酶的研究，Z終確認(rèn)蛋白質(zhì)可以是酶。以后陸續(xù)發(fā)現(xiàn)的兩千余種酶均證明酶的化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)。以上三位科學(xué)家因此獲得1946年度諾貝爾化學(xué)獎。[12] 由于蛋白質(zhì)可以結(jié)晶，通過X射線晶體學(xué)就可以對酶的三維結(jié)構(gòu)進行研究。diyi個獲得結(jié)構(gòu)解析的酶分子是溶菌酶，一種在眼淚、唾液和蛋清中含量豐富的酶，其功能是溶解細(xì)菌外殼。溶菌酶結(jié)構(gòu)由大衛(wèi)·菲利浦（David Phillips）所領(lǐng)導(dǎo)的研究組解析，并于1965年發(fā)表。[13]這一成果的發(fā)表標(biāo)志著結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究的開始，高分辨率的酶三維結(jié)構(gòu)使得對于酶在分子水平上的工作機制的了解成為可能。 1980年代，托馬斯·切赫（Thomas Cech）和悉尼·奧爾特曼分別從四膜蟲的rRNA前體的加工研究和細(xì)菌的核糖核酸酶P復(fù)合物的研究中都發(fā)現(xiàn)RNA本身具有自我催化作用，并提出了核酶的概念。這是diyi次發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)以外的具有催化活性的生物分子。 1989年，其二人也因此獲得諾貝爾化學(xué)獎 http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/2e/Louis_Pasteur%2C_foto_av_F%C3%A9lix_Nadar.jpg 法國科學(xué)家路易·巴斯德 http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b2/Eduardbuchner.jpg 德國科學(xué)家愛德華·比希納 生物學(xué)功能 磷酸葡糖異構(gòu)酶（糖酵解途徑中的第二個酶）的三維結(jié)構(gòu)圖。在生物體內(nèi)，酶發(fā)揮著非常廣泛的功能。信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和細(xì)胞活動的調(diào)控都離不開酶，特別是激酶和磷酸酶的參與。[15]酶也能產(chǎn)生運動，通過催化肌球蛋白上ATP的水解產(chǎn)生肌肉收縮，并且能夠作為細(xì)胞骨架的一部分參與運送胞內(nèi)物質(zhì)。[16]一些位于細(xì)胞膜上的ATP酶作為離子泵參與主動運輸。一些生物體中比較奇特的功能也有酶的參與，例如熒光素酶可以為螢火蟲發(fā)光。[17]病毒中也含有酶，或參與侵染細(xì)胞（如HIV整合酶和逆轉(zhuǎn)錄酶），或參與病毒顆粒從宿主細(xì)胞的釋放（如流感病毒的神經(jīng)氨酸酶）。 酶的一個非常重要的功能是參與在動物消化系統(tǒng)的工作。以淀粉酶和蛋白酶為代表的一些酶可以將進入消化道的大分子（淀粉和蛋白質(zhì)）降解為小分子，以便于腸道吸收。淀粉不能被腸道直接吸收，而酶可以將淀粉水解為麥芽糖或更進一步水解為葡萄糖等腸道可以吸收的小分子。不同的酶分解不同的食物底物。在草食性反芻動物的消化系統(tǒng)中存在一些可以產(chǎn)生纖維素酶的細(xì)菌，纖維素酶可以分解植物細(xì)胞壁中的纖維素，從而提供可被吸收的養(yǎng)料。 在代謝途徑中，多個酶以特定的順序發(fā)揮功能：前一個酶的產(chǎn)物是后一個酶的底物；每個酶催化反應(yīng)后，產(chǎn)物被傳遞到另一個酶。有些情況下，不同的酶可以平行地催化同一個反應(yīng)，從而允許進行更為復(fù)雜的調(diào)控：比如一個酶可以以較低的活性持續(xù)地催化該反應(yīng)，而另一個酶在被誘導(dǎo)后可以較高的活性進行催化。酶的存在確定了整個代謝按正確的途徑進行；而一旦沒有酶的存在，代謝既不能按所需步驟進行，也無法以足夠的速度完成合成以滿足細(xì)胞的需要。實際上如果沒有酶，代謝途徑，如糖酵解，無法獨立進行。例如，葡萄糖可以直接與ATP反應(yīng)使得其一個或多個碳原子被磷酸化；在沒有酶的催化時，這個反應(yīng)進行得非常緩慢以致可以忽略；而一旦加入六碳糖激酶，在6位上的碳原子的磷酸化反應(yīng)獲得極大加速，雖然其他碳原子的磷酸化反應(yīng)也在緩慢進行，但在一段時間后檢測可以發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)產(chǎn)物為葡萄糖-6-磷酸。于是每個細(xì)胞就可以通過這樣一套功能性酶來完成代謝途徑的整個反應(yīng)網(wǎng)絡(luò) http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/25/Phosphoglucose_Isomerase.png 磷酸葡糖異構(gòu)酶（糖酵解途徑中的第二個酶）的三維結(jié)構(gòu)圖 結(jié)構(gòu)與催化機理 作為蛋白質(zhì)，不同種酶之間的大小差別非常大，從62個氨基酸殘基的4-草酰巴豆酯互變異構(gòu)酶（4-oxalocrotonate tautomerase）[18]到超過2500個殘基的動物脂肪酸合成酶[19]。酶的三維結(jié)構(gòu)決定了它們的催化活性和機理。[20]大多數(shù)的酶都要比它們的催化底物大得多，并且酶分子中只有一小部分（3-4個殘基）直接參與催化反應(yīng)。[21]這些參與催化殘基加上參與結(jié)合底物的殘基共同形成了發(fā)生催化反應(yīng)的區(qū)域，這一區(qū)域就被稱為“活性ZX”或“活性位點”。有許多酶含有能夠結(jié)合其催化反應(yīng)所必需的輔因子的結(jié)合區(qū)域。此外，還有一些酶能夠結(jié)合催化反應(yīng)的直接或間接產(chǎn)物或者底物；這種結(jié)合能夠增加或降低酶活，是一種反饋調(diào)節(jié)手段。 [編輯] 結(jié)構(gòu) 與其他非酶蛋白相似，酶能夠折疊形成多種三維結(jié)構(gòu)類型。有一部分酶是由多個亞基所組成的復(fù)合物酶。除了嗜熱菌中的酶以外，大多數(shù)酶在高溫情況下會發(fā)生去折疊，其三維結(jié)構(gòu)和酶活性被破壞；對于不同的酶，這種去折疊 http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/1c/TPI1_structure.png 丙糖磷酸異構(gòu)酶（TIM）三維結(jié)構(gòu)的飄帶圖和半透明的蛋白表面圖顯示。丙糖磷酸異構(gòu)酶是典型的TIM桶折疊，圖中用不同顏色來表示該酶中所含有的兩個TIM桶折疊結(jié)構(gòu)域 專一性 三種酶催化機制模式圖：A. “鎖-鑰匙”模式；B. 誘導(dǎo)契合模式； C. 群體移動模式。通常情況下，酶對于其所催化的反應(yīng)類型和底物種類具有高度的專一性。酶的活性位點和底物，它們的形狀、表面電荷、親疏水性都會影響專一性。酶的催化可以具有很高的立體專一性、區(qū)域選擇性和化學(xué)選擇性（chemoselectivity）。[22] 具體來說，酶只對具有特定空間結(jié)構(gòu)的某種或某類底物起作用。例如，麥芽糖酶只能使α-葡萄糖苷鍵斷裂而對β-葡萄糖苷鍵無影響。此外，酶具有對底物對映異構(gòu)體的識別能力，只能于一種對映體作用，而對另一對映體不起作用。例如，胰蛋白酶只能水解由L-氨基酸形成的肽鍵，而不能作用于D-氨基酸形成的肽鍵；酵母中的酶只能對D-構(gòu)型糖(如D-葡萄糖)發(fā)酵，而對L-構(gòu)型無效。 不同酶之間的專一性差別很大。一些酶能夠參與需要有極高準(zhǔn)確度的基因組復(fù)制和表達中，這些酶都具有“校對”機制。以DNA聚合酶為例，它能夠先完成催化反應(yīng)，然后再檢測產(chǎn)物是否正確。[23]這樣一種帶有校對的合成機制，使得具有高保真度的哺乳動物聚合酶的平均出錯幾率低于一百萬分之一，即完成一百萬個反應(yīng)，出現(xiàn)產(chǎn)物錯誤的反應(yīng)不到一個。[24]在RNA聚合酶[25]、胺酰tRNA合成酶[26] 和核糖體[27]中也發(fā)現(xiàn)了類似的校對機制。而對于另一些參與合成次生代謝產(chǎn)物（secondary metabolite）的酶，它們能夠與相對較廣的不同底物作用。有人認(rèn)為這種低專一性可能對于新的生物合成途徑的進化十分重要。[28] 為了解釋酶的專一性，研究者提出了多種可能的酶與底物的結(jié)合模式（后兩種模式為大多數(shù)研究者所傾向）： [編輯] “鎖-鑰匙”模式（“Lock and key”） 該模式由赫爾曼·埃米爾·費歇爾于1894年提出，基于的理論是酶和底物都有一定的外形，當(dāng)且僅當(dāng)兩者之間的外形能夠精確互補時，催化反應(yīng)才可以發(fā)生。[29]這一模式通常被形象地稱為“鎖-鑰匙”模式。雖然這一模式能夠解釋酶的專一性，但卻無法說明為什么酶能夠穩(wěn)定反應(yīng)的過渡態(tài)。 [編輯] 誘導(dǎo)契合模式（Induced fit） 誘導(dǎo)契合模式詳解圖 六碳糖激酶在結(jié)合葡萄糖分子前后所發(fā)生的結(jié)構(gòu)變化。左邊為結(jié)合葡萄糖分子前，箭頭所指為活性位點；右邊為結(jié)合后。該模式由丹尼爾·科什蘭（Daniel Koshland）通過修改“鎖-鑰匙”模式，于1958年提出?；诘睦碚撌牵热幻缸鳛榈鞍踪|(zhì)，其結(jié)構(gòu)是具有一定柔性的，因此活性位點在結(jié)合底物的過程中，通過與底物分子之間的相互作用，可以不斷發(fā)生微小的形變。[30]在這一模式中，底物不是簡單地結(jié)合到剛性的活性位點上，活性位點上的氨基酸殘基的側(cè)鏈可以擺動到正確的位置，使得酶能夠進行催化反應(yīng)。在結(jié)合過程中，活性位點不斷地發(fā)生變化，直到底物完全結(jié)合，此時活性位點的形狀和帶電情況才會Z終確定下來。[31]在一些情況下，底物在進入活性ZX時也是會發(fā)生微小形變的，如糖苷酶的催化反應(yīng)。[32] [編輯] 群體移動模式（Population shift） 這一模式是近年來提出的一種新的酶與底物的結(jié)合模式，[33]試圖解釋在一些酶中所發(fā)現(xiàn)的底物結(jié)合前后，酶的構(gòu)象有較大變化，而這是用誘導(dǎo)契合模式無法解釋的。其基于的假設(shè)是，酶在溶液中同時存在不同構(gòu)象，一種構(gòu)象（構(gòu)象A）為適合底物結(jié)合的構(gòu)象，而另一種（構(gòu)象B）則不適合，這兩種構(gòu)象之間保持著動態(tài)平衡。在沒有底物存在的情況下，構(gòu)象B占主導(dǎo)地位；當(dāng)加入底物后，隨著底物不斷與構(gòu)象A結(jié)合，溶液中構(gòu)象A含量下降，兩種構(gòu)象之間的平衡被打破，導(dǎo)致構(gòu)象B不斷地轉(zhuǎn)化為構(gòu)象A。 機理 酶催化機理多種多樣，殊途同歸的是Z終都能夠降低反應(yīng)的ΔG‡：[34] 創(chuàng)造穩(wěn)定過渡態(tài)的微環(huán)境。例如，通過與反應(yīng)的過渡態(tài)分子更高的親和力（與底物分子相比），提高其穩(wěn)定性；或扭曲底物分子，以使得底物更趨向于轉(zhuǎn)化為過渡態(tài)。 提供不同的反應(yīng)途徑。例如，暫時性地激活底物，形成酶-底物復(fù)合物的中間態(tài)。 將反應(yīng)中不同底物分子結(jié)合到一起，并固定其方位至反應(yīng)能夠正確發(fā)生的位置，從而降低反應(yīng)的“門檻”。如果只考慮反應(yīng)的焓變（ΔH‡），則此作用會被忽略。有趣的是，這一作用同時也會降低反應(yīng)基態(tài)的穩(wěn)定性，[35]因此對于催化的貢獻較小。[36] [編輯] 過渡態(tài)的穩(wěn)定 對比同一反應(yīng)在不受催化和受酶催化的情況，可以了解酶是如何穩(wěn)定過渡態(tài)的。Z有效的穩(wěn)定方式是電荷相互作用，酶可以為過渡態(tài)分子上的電荷提供固定的相反電荷，[37]而這是在水溶液非催化反應(yīng)體系中不存在的。 [編輯] 動態(tài)作用 Z近的一些研究揭示了酶內(nèi)部的動態(tài)作用與其催化機制之間的聯(lián)系。[38][39]酶內(nèi)部的動態(tài)作用可以描述為其內(nèi)部組成元件（小的如一個氨基酸、一組氨基酸；大的如一段環(huán)區(qū)域、一個α螺旋或相鄰的β鏈；或者可以是整個結(jié)構(gòu)域）的運動，這種運動可以發(fā)生在從飛秒（10-15秒）到秒的不同時間尺度。通過這種動態(tài)作用，整個酶分子結(jié)構(gòu)中的氨基酸殘基就都可以對酶催化作用施加影響。[40][41][42][43]蛋白質(zhì)動態(tài)作用在許多酶中都起到關(guān)鍵作用，而是小的快速運動還是大的相對較慢的運動起作用更多是依賴于酶所催化的反應(yīng)類型。對于動態(tài)作用的這些新發(fā)現(xiàn)，對于了解別構(gòu)作用、設(shè)計人工酶和開發(fā)新藥都有重要意義。 但必須指出的是，這種時間依賴的動態(tài)進程不大可能幫助提高酶催化反應(yīng)的速率，因為這種運動是隨機發(fā)生的，并且速率常數(shù)取決于到達中間態(tài)的幾率（P）（P = exp {ΔG‡/RT}）。[44]而且，降低ΔG‡需要相對較小的運動（與在溶液反應(yīng)中的相應(yīng)運動相比）以達到反應(yīng)物與產(chǎn)物之間的過渡態(tài)。因此，這種運動或者說動態(tài)作用對于催化反應(yīng)有何貢獻還不清楚。 [編輯] 別構(gòu)調(diào)節(jié) 主條目：別構(gòu)調(diào)節(jié) 在結(jié)合效應(yīng)子的情況下，別構(gòu)酶能夠改變自身結(jié)構(gòu)，從而達到調(diào)節(jié)酶活性的效應(yīng)。這種調(diào)節(jié)作用可以是直接的，即效應(yīng)子結(jié)合到別構(gòu)酶上；也可以是間接的，即效應(yīng)子通過結(jié)合其它能夠與別構(gòu)酶相互作用的蛋白來發(fā)揮調(diào)節(jié)作用。 [編輯] 失活 一般情況下，酶在常溫、常壓和中性水溶液條件下可以正常發(fā)揮催化活性。在極端條件下，包括高溫、過高或過低pH條件等，酶會失去催化活性，這被稱為酶的失活。但也有一些酶則偏好在非常條件下發(fā)揮催化功能，如嗜熱菌中的酶在高溫條件下反而具有較高活性，嗜酸菌中的酶又偏好低pH條件。 [編輯] 輔因子與輔酶 主條目：輔酶和輔因子 [編輯] 輔因子 過氧化氫酶分子三維結(jié)構(gòu)。其中，在血紅素中的鐵原子（輔因子）顯示為綠色。并非所有的酶自身就可以催化反應(yīng)，有一些酶需要結(jié)合一些非蛋白小分子后才可以發(fā)揮或提高催化活性。[45]這些小分子被稱為輔因子，它們既可以是無機分子或離子（如金屬離子、鐵硫簇），也可以是有機化合物（如黃素、血紅素）。有機輔因子通常是輔基，可以與其對應(yīng)的酶非常牢固地結(jié)合。這種牢固結(jié)合的輔因子與輔酶（如NADH）不同的是，在整個催化反應(yīng)過程中，它們一直結(jié)合在酶活性位點上而不脫落。 以含有輔因子的碳酸酐酶為例：其輔因子鋅牢固地結(jié)合在活性ZX，參與催化反應(yīng)。[46]黃素或血紅素等輔因子可以參與催化氧化還原反應(yīng)，往往結(jié)合于催化此類反應(yīng)的酶中。 需要輔因子結(jié)合以進行催化的酶，在不結(jié)合輔因子的情況下，被稱為脫輔基酶蛋白（apoenzyme）；而在結(jié)合了輔因子后，被稱為全酶（holoenzyme）。大多數(shù)全酶中，輔因子都是以非共價連接方式與酶結(jié)合；也有一些有機輔因子可以與酶共價結(jié)合（如丙酮酸脫氫酶中的焦磷酸硫胺素）。 [編輯] 輔酶 輔酶NADH的空間填充式結(jié)構(gòu)模型輔酶是一類可以將化學(xué)基團從一個酶轉(zhuǎn)移到另一個酶上的有機小分子，與酶較為松散地結(jié)合，對于特定酶的活性發(fā)揮是必要的。[45]有許多維他命及其衍生物，如核黃素、硫胺素和葉酸，都屬于輔酶。[47]這些化合物無法由人體合成，必須通過飲食補充。不同的輔酶能夠攜帶的化學(xué)基團也不同：NAD或NADP+攜帶氫離子，輔酶A攜帶乙酰基，葉酸攜帶甲?；?，S-腺苷基蛋氨酸也可攜帶甲?；?。[48] 由于輔酶在酶催化反應(yīng)中其化學(xué)組分發(fā)生了變化，因此可以認(rèn)為輔酶是一種特殊的底物或者稱為“第二底物”。這種所謂的第二底物可以被許多酶所利用。例如，目前已知有約七百種酶可以利用輔酶NADH進行催化。[49] 在細(xì)胞內(nèi)，反應(yīng)后的輔酶可以被再生，以維持其胞內(nèi)濃度在一個穩(wěn)定的水平上。例如，NADPH可以通過磷酸戊糖途徑和甲硫氨酸腺苷基轉(zhuǎn)移酶作用下的S-腺苷基蛋氨酸來再生。由于輔酶的再生對于維持酶反應(yīng)體系的穩(wěn)定是必要的，因此，輔酶再生系統(tǒng)獲得了大量的實驗室以及工業(yè)應(yīng)用 酶動力學(xué)是研究酶結(jié)合底物能力和催化反應(yīng)速率的科學(xué)。研究者通過酶反應(yīng)分析法（enzyme assay）來獲得用于酶動力學(xué)分析的反應(yīng)速率數(shù)據(jù)。 1902年，維克多·亨利提出了酶動力學(xué)的定量理論；[52]隨后該理論得到他人證實并擴展為米氏方程。[53]亨利Z大貢獻在于其首次提出酶催化反應(yīng)由兩步組成：首先，底物可逆地結(jié)合到酶上，形成酶-底物復(fù)合物；然后，酶完成對對應(yīng)化學(xué)反應(yīng)的催化，并釋放生成的產(chǎn)物（見左圖）。 酶初始反應(yīng)速率（表示為“V”）與底物濃度（表示為“[S]”）的關(guān)系曲線。隨著底物濃度不斷提高，酶的反應(yīng)速率也趨向于Z大反應(yīng)速率（表示為“Vmax”）。酶可以在一秒鐘內(nèi)催化數(shù)百萬個反應(yīng)。例如，乳清酸核苷5'-磷酸脫羧酶所催化的反應(yīng)在無酶情況下，需要七千八百萬年才能將一半的底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物；而同樣的反應(yīng)過程，如果加入這種脫羧酶，則需要的時間只有25毫秒。[54]酶催化速率依賴于反應(yīng)條件和底物濃度。如果反應(yīng)條件中存在能夠?qū)⒌鞍捉怄湹囊蛩?，如高溫、極端的pH和高的鹽濃度，都會破壞酶的活性；而提高反應(yīng)體系中的底物濃度則會增加酶的活性。在酶濃度固定的情況下，隨著底物濃度的不斷升高，酶催化的反應(yīng)速率也不斷加快并趨向于Z大反應(yīng)速率（Vmax）（見右圖的飽和曲線）。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是，當(dāng)反應(yīng)體系中底物的濃度升高，越來越多自由狀態(tài)下的酶分子結(jié)合底物形成酶-底物復(fù)合物；當(dāng)所有酶分子的活性位點都被底物飽和結(jié)合，即所有酶分子形成酶-底物復(fù)合物時，催化的反應(yīng)速率達到Z大。當(dāng)然，Vmax并不是酶唯yi的動力學(xué)常數(shù)，要達到一定反應(yīng)速率所需的底物濃度也是一個重要的動力學(xué)指標(biāo)。這一動力學(xué)指標(biāo)即米氏常數(shù)（Km），指的是達到Vmax值一半的反應(yīng)速率所需的底物濃度（見右圖）。對于特定的底物，每一種酶都有其特征Km值，表示底物與酶之間的結(jié)合強度（Km值越低，結(jié)合越牢固，親和力越高）。另一個重要的動力學(xué)指標(biāo)是kcat，定義為一個酶活性位點在一秒鐘內(nèi)催化底物的數(shù)量，用于表示酶催化特定底物的能力。 酶的催化效率可以用kcat/Km來衡量。這一表示式又被稱為特異性常數(shù)，其包含了催化反應(yīng)中所有步驟的反應(yīng)常數(shù)。由于特異性常數(shù)同時反映了酶對底物的親和力和催化能力，因此可以用于比較不同酶對于特定底物的 催化效率或同一種酶對于不同底物的催化效率。特異性常數(shù)的理論Z大值，又稱為擴散極限，約為108至109 M-1s-1；此時，酶與底物的每一次碰撞都會導(dǎo)致底物被催化，因此產(chǎn)物的生成速率不再為反應(yīng)速率所主導(dǎo)，而分子的擴散速率起到了決定性作用。酶的這種特性被稱為“催化wan美性”或“動力學(xué)wan美性”。相關(guān)的酶的例子有磷酸甘油醛異構(gòu)酶、碳酸酐酶、乙酰膽堿酯酶、過氧化氫酶、延胡索酸酶、β-內(nèi)酰胺酶和超氧化物歧化酶。 米氏方程是基于質(zhì)量作用定律而確立的，而該定律則基于自由擴散和熱動力學(xué)驅(qū)動的碰撞這些假定。然而，由于酶/底物/產(chǎn)物的高濃度和相分離或者一維/二維分子運動，許多生化或細(xì)胞進程明顯偏離質(zhì)量作用定律的假定。[55]在這些情況下，可以應(yīng)用分形米氏方程。[56][57][58][59] 存在一些酶，它們的催化產(chǎn)物動力學(xué)速率甚至高于分子擴散速率，這種現(xiàn)象無法用目前公認(rèn)的理論來解釋。有多種理論模型被提出來解釋這類現(xiàn)象。其中，部分情況可以用酶對底物的附加效應(yīng)來解釋，即一些酶被認(rèn)為可以通過雙偶極電場來捕捉底物以及將底物以正確方位擺放到催化活性位點。另一種理論模型引入了基于量子理論的穿隧效應(yīng)，即質(zhì)子或電子可以穿過激活能壘（就如同穿過隧道一般），但關(guān)于穿隧效應(yīng)還有較多爭議。[60][61]有報道發(fā)現(xiàn)色胺中質(zhì)子存在量子穿隧效應(yīng)。[62]因此，有研究者相信在酶催化中也存在著穿隧效應(yīng)，可以直接穿過反應(yīng)能壘，而不是像傳統(tǒng)理論模型的方式通過降低能壘達到催化效果。有相關(guān)的實驗報道提出在一種醇脫氫酶的催化反應(yīng)中存在穿隧效應(yīng)，[63]但穿隧效應(yīng)是否在酶催化反應(yīng)中普遍存在并未有定論 http://www.vega.org.uk/video/programme/19 http://commons.wikimedia.org/wiki/Category:Enzymes?uselang=zh

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  Longyu_8 2008-12-12 00:00:00

  1773年，意大利科學(xué)家斯帕蘭扎尼（L.Spallanzani，1729—1799）設(shè)計了一個巧妙的實驗：將肉塊放入小巧的金屬籠中，然后讓鷹吞下去。過一段時間他將小籠取出，發(fā)現(xiàn)肉塊消失了。于是，他推斷胃液中一定含有消化肉塊的物質(zhì)。但是什么，他不清楚。 1836年，德國科學(xué)家施旺（T.Schwann，1810—1882）從胃液中提取出了消化蛋白質(zhì)的物質(zhì)。解開胃的消化之謎。 1926年，美國科學(xué)家薩姆鈉（J.B.Sumner，1887—1955）從刀豆種子中提取出脲酶的結(jié)晶，并通過化學(xué)實驗證實脲酶是一種蛋白質(zhì)。 20世紀(jì)30年代，科學(xué)家們相繼提取出多種酶的蛋白質(zhì)結(jié)晶，并指出酶是一類具有生物催化作用的蛋白質(zhì)。 20世紀(jì)80年代，美國科學(xué)家切赫（T.R.Cech，1947—）和奧特曼（S.Altman，1939—）發(fā)現(xiàn)少數(shù)RNA也具有生物催化作用。

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  gndwjeyi 2017-09-21 00:00:00

  簡介 酶（enzyme）由生物體內(nèi)細(xì)胞產(chǎn)生的一種生物催化劑。由蛋白質(zhì)組成（少數(shù)為RNA）。能在機體中十分溫和的條件下，GX率地催化各種生物化學(xué)反應(yīng)，促進生物體的新陳代謝。生命活動中的消化、吸收、呼吸、運動和生殖都是酶促反應(yīng)過程。酶是細(xì)胞賴以生存的基礎(chǔ)。細(xì)胞新陳代謝包括的所有化學(xué)反應(yīng)幾乎都是在酶的催化下進行的。如哺乳動物的細(xì)胞就含有幾千種酶。它們或是溶解于細(xì)胞液中，或是與各種膜結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起，或是位于細(xì)胞內(nèi)其他結(jié)構(gòu)的特定位置上。這些酶統(tǒng)稱胞內(nèi)酶；另外，還有一些在細(xì)胞內(nèi)合成后再分泌至細(xì)胞外的酶——胞外酶。酶催化化學(xué)反應(yīng)的能力叫酶活力（或稱酶活性）。酶活力可受多種因素的調(diào)節(jié)控制，從而使生物體能適應(yīng)外界條件的變化，維持生命活動。沒有酶的參與，新陳代謝只能以極其緩慢的速度進行，生命活動就根本無法維持。例如食物必須在酶的作用下降解成小分子，才能透過腸壁，被組織吸收和利用。在胃里有胃蛋白酶，在腸里有胰臟分泌的胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、脂肪酶和淀粉酶等。又如食物的氧化是動物能量的來源，其氧化過程也是在一系列酶的催化下完成的。 酶催化作用實質(zhì)：降低化學(xué)反應(yīng)活化能 酶與無機催化劑比較： 1、相同點：1）改變化學(xué)反應(yīng)速率，本身幾乎不被消耗；2）只催化已存在的化學(xué)反應(yīng)；3）加快化學(xué)反應(yīng)速率，縮短達到平衡時間，但不改變平衡點；4）降低活化能，使化學(xué)反應(yīng)速率加快。5）都會出現(xiàn)中毒現(xiàn)象。 2、不同點：即酶的特性 酶的特性 1、GX性：酶的催化效率比無機催化劑更高，使得反應(yīng)速率更快；2、專一性：一種酶只能催化一種或一類底物，如蛋白酶只能催化蛋白質(zhì)水解成多肽；3、多樣性：酶的種類很多，大約有4000多種；4、溫和性：是指酶所催化的化學(xué)反應(yīng)一般是在較溫和的條件下進行的。 一般來說，動物體內(nèi)的酶Z適溫度在35到40攝氏度之間，植物體內(nèi)的酶Z適溫度在40-50攝氏度之間；細(xì)菌和真菌體內(nèi)的酶Z適溫度差別較大，有得酶Z適溫度可高達70攝氏度。動物體內(nèi)的酶Z適PH大多在6.5-8.0之間，但也有例外，如胃蛋白酶的Z適PH為1.5，植物體內(nèi)的酶Z適PH大多在4.5-6.5之間。 酶的這些性質(zhì)使細(xì)胞內(nèi)錯綜復(fù)雜的物質(zhì)代謝過程能有條不紊地進行，使物質(zhì)代謝與正常的生理機能互相適應(yīng)．若因遺傳缺陷造成某個酶缺損，或其它原因造成酶的活性減弱，均可導(dǎo)致該酶催化的反應(yīng)異常，使物質(zhì)代謝紊亂，甚至發(fā)生疾?。虼嗣概c醫(yī)學(xué)的關(guān)系十分密切。 [編輯本段]酶的發(fā)現(xiàn) 1773年，意大利科學(xué)家斯帕蘭扎尼（L.Spallanzani，1729—1799）設(shè)計了一個巧妙的實驗：將肉塊放入小巧的金屬籠中，然后讓鷹吞下去。過一段時間他將小籠取出，發(fā)現(xiàn)肉塊消失了。于是，他推斷胃液中一定含有消化肉塊的物質(zhì)。但是什么，他不清楚。 1836年，德國科學(xué)家施旺（T.Schwann，1810—1882）從胃液中提取出了消化蛋白質(zhì)的物質(zhì)。解開胃的消化之謎。 1926年，美國科學(xué)家薩姆鈉（J.B.Sumner，1887—1955）從刀豆種子中提取出脲酶的結(jié)晶，并通過化學(xué)實驗證實脲酶是一種蛋白質(zhì)。 20世紀(jì)30年代，科學(xué)家們相繼提取出多種酶的蛋白質(zhì)結(jié)晶，并指出酶是一類具有生物催化作用的蛋白質(zhì)。 20世紀(jì)80年代，美國科學(xué)家切赫（T.R.Cech，1947—）和奧特曼（S.Altman，1939—）發(fā)現(xiàn)少數(shù)RNA也具有生物催化作用。 [編輯本段]酶的活力 酶活力單位（U，active unit）： 酶活力單位的量度。1961年國際酶學(xué)會議規(guī)定：1個酶活力單位是指在特定條件（25oC，其它為Z適條件）下，在1min內(nèi)能轉(zhuǎn)化1μmol底物的酶量，或是轉(zhuǎn)化底物中1μmol的有關(guān)基團的酶量。 比活（specific activity）:每分鐘每毫克酶蛋白在25oC下轉(zhuǎn)化的底物的微摩爾數(shù)。比活是酶純度的測量。 活化能（activation energy）:將1mol反應(yīng)底物中所有分子由其態(tài)轉(zhuǎn)化為過度態(tài)所需要的能量。 活性部位（active energy）:酶中含有底物結(jié)合部位和參與催化底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的氨基酸殘基部分?；钚圆课煌ǔＮ挥诘鞍踪|(zhì)的結(jié)構(gòu)域或亞基之間的裂隙或是蛋白質(zhì)表面的凹陷部位，通常都是由在三維空間上靠得很進的一些氨基酸殘基組成。 酶活測定 初速度(initial velocity)：酶促反應(yīng)Z初階段底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的速度，這一階段產(chǎn)物的濃度非常低，其逆反應(yīng)可以忽略不計。 米氏方程（Michaelis-Mentent equation）:表示一個酶促反應(yīng)的起始速度（υ）與底物濃度([s])關(guān)系的速度方程：υ=υmax[s]/(Km+[s]) 米氏常數(shù)（Michaelis constant）:對于一個給定的反應(yīng)，異至酶促反應(yīng)的起始速度（υ0）達到Z大反應(yīng)速度（υmax）一半時的底物濃度。 催化常數(shù)（catalytic number）(Kcat):也稱為轉(zhuǎn)換數(shù)。是一個動力學(xué)常數(shù)，是在底物處于飽和狀態(tài)下一個酶（或一個酶活性部位）催化一個反應(yīng)有多快的測量。 催化常數(shù)等于Z大反應(yīng)速度除以總的酶濃度（υmax/[E]total）?；蚴敲磕γ富钚圆课幻棵腌娹D(zhuǎn)化為產(chǎn)物的底物的量（摩[爾]）。 雙倒數(shù)作圖（double-reciprocal plot）:那稱為Lineweaver_Burk作圖。一個酶促反應(yīng)的速度的倒數(shù)（1/V）對底物度的倒數(shù)（1/LSF）的作圖。x和y軸上的截距分別代表米氏常數(shù)和Z大反應(yīng)速度的倒數(shù)。 酶活調(diào)節(jié) 競爭性YZ作用（competitive inhibition）：通過增加底物濃度可以逆轉(zhuǎn)的一種酶YZ類型。競爭性YZ劑通常與正常的底物或配體競爭同一個蛋白質(zhì)的結(jié)合部位。這種YZ使Km增大而υmax不變。 非競爭性YZ作用（noncompetitive inhibition）: YZ劑不僅與游離酶結(jié)合，也可以與酶-底物復(fù)合物結(jié)合的一種酶促反應(yīng)YZ作用。這種YZ使Km不變而υmax變小。 反競爭性YZ作用（uncompetitive inhibition）: YZ劑只與酶-底物復(fù)合物結(jié)合而不與游離的酶結(jié)合的一種酶促反應(yīng)YZ作用。這種YZ使Km和υmax都變小但υmax/Km不變。 很大一類復(fù)雜的蛋白質(zhì)物質(zhì) [enzyme;ferment]，在促進可逆反應(yīng)(如水解和氧化)方面起著像催化劑一樣的作用。在許多工業(yè)過程中是有用的(如發(fā)酵、皮革鞣制及干酪生產(chǎn)) 酶是一種有機的膠狀物質(zhì)，由蛋白質(zhì)組成，對于生物的化學(xué)變化起催化作用，發(fā)酵就是靠它的作用：～原。 [編輯本段]酶的催化 酸-堿催化（acid-base catalysis）：質(zhì)子轉(zhuǎn)移加速反應(yīng)的催化作用。 共價催化（covalent catalysis）：一個底物或底物的一部分與催化劑形成共價鍵，然后被轉(zhuǎn)移給第二個底物。許多酶催化的基團轉(zhuǎn)移反應(yīng)都是通過共價方式進行的。 催化機理 酶的催化機理和一般化學(xué)催化劑基本相同，也是先和反應(yīng)物（酶的底物）結(jié)合成絡(luò)合物，通過降低反應(yīng)的能來提高化學(xué)反應(yīng)的速度，在恒定溫度下，化學(xué)反應(yīng)體系中每個反應(yīng)物分子所含的能量雖然差別較大，但其平均值較低，這是反應(yīng)的初態(tài)。 S（底物）→P（產(chǎn)物）這個反應(yīng)之所以能夠進行，是因為有相當(dāng)部分的S分子已被激活成為活化（過渡態(tài)）分子，活化分子越多，反應(yīng)速度越快。在特定溫度時，化學(xué)反應(yīng)的活化能是使1摩爾物質(zhì)的全部分子成為活化分子所需的能量（千卡）。 酶（E）的作用是：與S暫時結(jié)合形成一個新化合物ES，ES的活化狀態(tài)（過渡態(tài)）比無催化劑的該化學(xué)反應(yīng)中反應(yīng)物活化分子含有的能量低得多。ES再反應(yīng)產(chǎn)生P，同時釋放E。E可與另外的S分子結(jié)合，再重復(fù)這個循環(huán)。降低整個反應(yīng)所需的活化能，使在單位時間內(nèi)有更多的分子進行反應(yīng)，反應(yīng)速度得以加快。如沒有催化劑存在時，過氧化氫分解為水和氧的反應(yīng)（2H2O2→2H2O+O2）需要的活化能為每摩爾18千卡（1千卡=4.187焦耳），用過氧化氫酶催化此反應(yīng)時，只需要活化能每摩爾2千卡，反應(yīng)速度約增加10^11倍。 酶作用的分子基礎(chǔ) 一、酶的化學(xué)組成 按照酶的化學(xué)組成可將酶分為單純酶和結(jié)合酶兩大類。單純酶分子中只有氨基酸殘基組成的肽鏈，結(jié)合酶分子中則除了多肽鏈組成的蛋白質(zhì)，還有非蛋白成分，如金屬離子、鐵卟啉或含B族維生素的小分子有機物。結(jié)合酶的蛋白質(zhì)部分稱為酶蛋白(apoenzyme)，非蛋白質(zhì)部分統(tǒng)稱為輔助因子 (cofactor)，兩者一起組成全酶(holoenzyme)；只有全酶才有催化活性，如果兩者分開則酶活力消失。非蛋白質(zhì)部分如鐵卟啉或含B族維生素的化合物若與酶蛋白以共價鍵相連的稱為輔基(prosthetic group)，用透析或超濾等方法不能使它們與酶蛋白分開；反之兩者以非共價鍵相連的稱為輔酶(coenzyme)，可用上述方法把兩者分開。表4-1為以金屬離子作結(jié)合酶輔助因子的一些例子。表4-2列出含B族維生素的幾種輔酶(基)及其參與的反應(yīng)。 結(jié)合酶中的金屬離子有多方面功能，它們可能是酶活性ZX的組成成分；有的可能在穩(wěn)定酶分子的構(gòu)象上起作用；有的可能作為橋梁使酶與底物相連接。輔酶與輔基在催化反應(yīng)中作為氫(H+和e)或某些化學(xué)基團的載體，起傳遞氫或化學(xué)基團的作用。體內(nèi)酶的種類很多，但酶的輔助因子種類并不多，從表4—1中已見到幾種酶均用某種相同的金屬離子作為輔助因子的例子，同樣的情況亦見于輔酶與輔基，如3-磷酸甘油醛脫氫酶和乳酸脫氫酶均以NAD+作為輔酶。酶催化反應(yīng)的特異性決定于酶蛋白部分，而輔酶與輔基的作用是參與具體的反應(yīng)過程中氫(H+和e)及一些特殊化學(xué)基團的運載。 二、酶的活性ZX 酶屬生物大分子，分子質(zhì)量至少在1萬以上，大的可達百萬。酶的催化作用有賴于酶分子的一級結(jié)構(gòu)及空間結(jié)構(gòu)的完整。若酶分子變性或亞基解聚均可導(dǎo)致酶活性喪失。一個值得注意的問題是酶所催化的反應(yīng)物即底物（substrate），卻大多為小分物質(zhì)它們的分子質(zhì)量比酶要小幾個數(shù)量級。 酶的活性ZX（active center）只是酶分子中的很小部分，酶蛋白的大部分氨基酸殘基并不與底物接觸。組成酶活性ZX的氨基酸殘基的側(cè)鏈存在不同的功能基團，如-NH2、-COOH、-SH、-OH和咪唑基等，它們來自酶分子多肽鏈的不同部位。有的基團在與底物結(jié)合時起結(jié)合基團(binding group)的作用，有的在催化反應(yīng)中起催化基團(catalytic group)的作用。但有的基團既在結(jié)合中起作用，又在催化中起作用，所以常將活性部位的功能基團統(tǒng)稱為必需基團(essential group)。它們通過多肽鏈的盤曲折疊，組成一個在酶分子表面、具有三維空間結(jié)構(gòu)的孔穴或裂隙，以容納進入的底物與之結(jié)合（圖4-1）并催化底物轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物，這個區(qū)域即稱為酶的活性ZX。 而酶活性ZX以外的功能集團則在形成并維持酶的空間構(gòu)象上也是必需的，故稱為活性ZX以外的必需基團。對需要輔助因子的酶來說，輔助因子也是活性ZX的組成部分。酶催化反應(yīng)的特異性實際上決定于酶活性ZX的結(jié)合基團、催化基團及其空間結(jié)構(gòu)。 三、酶的分子結(jié)構(gòu)與催化活性的關(guān)系 酶的分子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)是其氨基酸的序列，它決定著酶的空間結(jié)構(gòu)和活性ZX的形成以及酶催化的專一性。如哺乳動物中的磷酸甘油醛脫氫酶的氨基酸殘基序列幾乎完全相同，說明相同的一級結(jié)構(gòu)是酶催化同一反應(yīng)的基礎(chǔ)。又如消化道的糜蛋白酶，胰蛋白酶和彈性蛋白酶都能水解食物蛋白質(zhì)的肽鍵，但三者水解的肽鍵有各自的特異性，糜蛋白酶水解含芳香族氨基酸殘基提供羧基的肽鍵，胰蛋白酶水解賴氨酸等堿性氨基酸殘基提供羧基的肽鍵，而彈性蛋白酶水解側(cè)鏈較小且不帶電荷氨基酸殘基提供羧基的肽鍵．這三種酶的氨基酸序列分析顯示40％左右的氨基酸序列相同，都以絲氨酸殘基作為酶的活性ZX基團，三種酶在絲氨酸殘基周圍都有G1y-Asp-Ser-Gly-Pro序列，X線衍射研究提示這三種酶有相似的空間結(jié)構(gòu)，這是它們都能水解肽鍵的基礎(chǔ)。而它們水解肽鍵時的特異性則來自酶的底物結(jié)合部位上氨基酸組成上有微小的差別所致。 圖說明這三個酶的底物結(jié)合部位均有一個袋形結(jié)構(gòu)，糜蛋白酶該處能容納芳香基或非極性基；胰蛋白酶袋子底部稍有不同其中一個氨基酸殘基為天冬氨酸取代，使該處負(fù)電荷增強，故該處對帶正電荷的賴氨酸或精酸殘基結(jié)合有利；彈性蛋白酶口袋二側(cè)為纈氨酸和蘇氨酸殘基所取代，因此該處只能結(jié)合較小側(cè)鏈和不帶電荷的基團．說明酶的催化特異性與酶分子結(jié)構(gòu)的緊密關(guān)系。 四、酶原與酶原激活（zymogen andactivation of zymogen） 有些酶如消化系統(tǒng)中的各種蛋白酶以無活性的前體形式合成和分泌，然后，輸送到特定的部位，當(dāng)體內(nèi)需要時，經(jīng)特異性蛋白水解酶的作用轉(zhuǎn)變?yōu)橛谢钚缘拿付l(fā)揮作用。這些不具催化活性的酶的前體稱為酶原（zymogen）。如胃蛋白酶原(pepsinogen)、胰蛋白酶原(trypsinogen)和胰凝乳蛋白酶原(chymotrypsinogen)等。某種物質(zhì)作用于酶原使之轉(zhuǎn)變成有活性的酶的過程稱為酶原的激活。使無活性的酶原轉(zhuǎn)變?yōu)橛谢钚缘拿傅奈镔|(zhì)稱為活化素?；罨貙τ诿冈募せ钭饔镁哂幸欢ǖ奶禺愋浴? 例如細(xì)胞合成的糜蛋白酶原為245個氨基酸殘基組成的單一肽鏈，分子內(nèi)部有5對二硫鍵相連，該酶原的激活過程如圖4-3所示．首先由胰蛋白酶水解15位精氨酸和16位異亮氨酸殘基間的肽鍵，激活成有完全催化活性的p-糜蛋白酶，但此時酶分子尚未穩(wěn)定，經(jīng)p-糜蛋白酶自身催化，去除二分子二肽成為有催化活性井具穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的α—糜蛋白酶。 在正常情況下，血漿中大多數(shù)凝血因子基本上是以無活性的酶原形式存在，只有當(dāng)組織或血管內(nèi)膜受損后，無活性的酶原才能轉(zhuǎn)變?yōu)橛谢钚缘拿福瑥亩|發(fā)一系列的級聯(lián)式酶促反應(yīng)，Z終導(dǎo)致可溶性的纖維蛋白原轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的纖維蛋白多聚體，網(wǎng)羅血小板等形成血凝塊。 酶原激活的本質(zhì)是切斷酶原分子中特異肽鍵或去除部分肽段后有利于酶活性ZX的形成酶原激活有重要的生理意義，一方面它保證合成酶的細(xì)胞本身不受蛋白酶的消化破壞，另一方面使它們在特定的生理條件和規(guī)定的部位受到激活并發(fā)揮其生理作用。如組織或血管內(nèi)膜受損后激活凝血因子；胃主細(xì)胞分泌的胃蛋白酶原和細(xì)胞分泌的糜蛋白酶原、胰蛋白酶原、彈性蛋白酶原等分別在胃和小腸激活成相應(yīng)的活性酶，促進食物蛋白質(zhì)的消化就是明顯的例證。特定肽鍵的斷裂所導(dǎo)致的酶原激活在生物體內(nèi)廣泛存在，是生物體的一種重要的調(diào)控酶活性的方式。如果酶原的激活過程發(fā)生異常，將導(dǎo)致一系列疾病的發(fā)生。出血性炎的發(fā)生就是由于蛋白酶原在未進小腸時就被激活，激活的蛋白酶水解自身的細(xì)胞，導(dǎo)致出血、腫脹。 四、同工酶(isoenzyme) 同工酶的概念：即同工酶是一類催化相同的化學(xué)反應(yīng)，但酶蛋白的分子結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)和免疫原性各不相同的一類酶。 它們存在于生物的同一種族或同一個體的不同組織，甚至在同一組織、同一細(xì)胞的不同細(xì)胞器中。至今已知的同工酶已不下幾十種，如己糖激酶，乳酸脫氫酶等，其中以乳酸脫氫酶（Lactic acid dehydrogenase，LDH）研究得Z為清楚。人和脊柱動物組織中，有五種分子形式，它們催化下列相同的化學(xué)反應(yīng)： 五種同工酶均由四個亞基組成。LDH的亞基有骨骼肌型(M型)和心肌型(H型)之分，兩型亞基的氨基酸組成不同，由兩種亞基以不同比例組成的四聚體，存在五種LDH形式．即H4（LDHl）、H3M1（LDH2）、H2M2 (LDH3)、H1M3(LDH4)和M4 (LDH5)。 M、H亞基的氨基酸組成不同，這是由基因不同所決定。五種LDH中的M、H亞基比例各異，決定了它們理化性質(zhì)的差別．通常用電冰法可把五種LDH分開，LDH1向正極泳動速度Z快，而LDH5泳動Z慢，其它幾種介于兩者之間，依次為LDH2、LDH3和LDH4(圖4-5) 圖4-5還說明了不同組織中各種LDH所含的量不同，心肌中以LDHl及LDH2的量較多，而骨骼肌及肝中LDH5和LDH4為主．不同組織中LDH同工酶譜的差異與組織利用乳酸的生理過程有關(guān)．LDH1和LDH2對乳酸的親和力大，使乳酸脫氫氧化成丙酮酸，有利于心肌從乳酸氧化中取得能量。LDH5和LDH4對丙酮酸的親和力大，有使丙酮酸還原為乳酸的作用，這與肌肉在無氧酵解中取得能量的生理過程相適應(yīng)(詳見糖代謝章)．在組織病變時這些同工酶釋放入血，由于同工酶在組織器官中分布差異，因此血清同工酶譜就有了變化。故臨床常用血清同工酶譜分析來診斷疾病(圖4-5)。 五、 別構(gòu)酶 別構(gòu)酶(allosteric enzyme)往往是具有四級結(jié)構(gòu)的多亞基的寡聚酶，酶分子中除有催化作用的活性ZX也稱催化位點（catalytic site）外；還有別構(gòu)位點(allosteric site)．后者是結(jié)合別構(gòu)劑(allesteric effector)的位置，當(dāng)它與別構(gòu)劑結(jié)合時，酶的分子構(gòu)象就會發(fā)生輕微變化，影響到催化位點對底物的親和力和催化效率。若別構(gòu)劑結(jié)合使酶與底物親和力或催化效率的稱為別構(gòu)激活劑(allostericactivator)，反之使酶底物的r親和力或催化效率降低的稱為別構(gòu)YZ劑(allostericinhibitor)。酶活性受別構(gòu)劑調(diào)節(jié)的作用稱為別構(gòu)調(diào)節(jié)(allosteric regulation)作用．別構(gòu)酶的催化位點與別構(gòu)位點可共處一個亞基的不同部位，但更多的是分別處于不同亞基上．在后一種情況下具催化位點的亞基稱催化亞基，而具別構(gòu)位點的稱調(diào)節(jié)亞基。多數(shù)別構(gòu)酶處于代謝途徑的開端，而別構(gòu)酶的別構(gòu)劑往往是一些生理性小分子及該酶作用的底物或該代謝途徑的中間產(chǎn)物或終產(chǎn)物。故別構(gòu)酶的催化活性受細(xì)胞內(nèi)底物濃度、代謝中間物或終產(chǎn)物濃度的調(diào)節(jié)。終產(chǎn)物YZ該途徑中的別構(gòu)酶稱反饋YZ(feedback inhibition)．說明一旦細(xì)胞內(nèi)終產(chǎn)物增多，它作為別構(gòu)YZ劑YZ處于代謝途徑起始的酶，及時調(diào)整該代謝途徑的速度，以適應(yīng)細(xì)胞生理機能的需要。別構(gòu)酶在細(xì)胞物質(zhì)代謝上的調(diào)節(jié)中發(fā)揮重要作用。故別構(gòu)酶又稱調(diào)節(jié)酶。（regulatory enzyme） 六、修飾酶 體內(nèi)有些酶需在其它酶作用下，對酶分子結(jié)構(gòu)進行修飾后才具催化活性，這類酶稱為修飾酶（modification enzyme）。其中以共價修飾為多見，如酶蛋白的絲氨酸，蘇氨酸殘基的功能基團-OH可被磷酸化，這時伴有共價鍵的修飾變化生成，故稱共價修飾(covalent modification)。由于這種修飾導(dǎo)致酶活力改變稱為酶的共價修飾調(diào)節(jié)(covalent modification regulation)。體內(nèi)Z常見的共價修飾是酶的磷酸化與去磷酸化，此外還有酶的乙?；c去乙?；⒛蜍账峄c去尿苷酸化、甲基化與去甲基化。由于共價修飾反應(yīng)迅速，具有級聯(lián)式放大效應(yīng)所以亦是體內(nèi)調(diào)節(jié)物質(zhì)代謝的重要方式。如催化糖原分解diyi步反應(yīng)的糖原磷酸化酶存在有活性和無活性兩種形式，有活性的稱為磷酸化酶a，無活性的稱為磷酸化酶b，這兩種形式的互變就是通過酶分子的磷酸化與去磷酸化的過程（詳見糖代謝章） 七、多酶復(fù)合體與多酶體系 體內(nèi)有些酶彼此聚合在一起，組成一個物理的結(jié)合體，此結(jié)合體稱為多酶復(fù)合體(multienzyme complex)。若把多酶復(fù)合體解體，則各酶的催化活性消失。參與組成多酶復(fù)合體的酶有多有少，如催化丙酮酸氧化脫羧反應(yīng)的丙酮酸脫氫酶多酶復(fù)合體由三種酶組成，而在線粒體中催化脂肪酸β-氧化的多酶復(fù)合體由四種酶組成。多酶復(fù)合體diyi個酶催化反應(yīng)的產(chǎn)物成為第二個酶作用的底物，如此連續(xù)進行，直至終產(chǎn)物生成． 多酶復(fù)合體由于有物理結(jié)合，在空間構(gòu)象上有利于這種流水作業(yè)的快速進行，是生物體提高酶催化效率的一種有效措施。 體內(nèi)物質(zhì)代謝的各條途徑往往有許多酶共同參與，依次完成反應(yīng)過程，這些酶不同于多酶復(fù)合體，在結(jié)構(gòu)上無彼此關(guān)聯(lián)。故稱為多酶體系(multienzyme system)。如參與糖酵解的11個酶均存在于胞液，組成一個多酶體系。 八、多功能酶 近年來發(fā)現(xiàn)有些酶分子存在多種催化活性，例如大腸桿菌DNA聚合酶I是一條分子質(zhì)量為109kDa的多肽鏈，具有催化DNA鏈的合成、3’-5’核酸外切酶和5’-3’核酸外切酶的活性，用蛋白水解酶輕度水解得兩個肽段，一個含5’-3’核酸外切酶活性，另一個含另兩種酶的活性，表明大腸桿菌DNA聚合酶分子中含多個活性ZX。哺乳動物的脂肪酸合成酶由兩條多肽鏈組成，每一條多肽鏈均含脂肪酸合成所需的七種酶的催化活性。這種酶分子中存在多種催化活性部位的酶稱為多功能酶(multifunctional enzyme)或串聯(lián)酶(tandem enzyme)。多功能酶在分子結(jié)構(gòu)上比多酶復(fù)合體更具有優(yōu)越性，因為相關(guān)的化學(xué)反應(yīng)在一個酶分子上進行，比多酶復(fù)合體更有效，這也是生物進化的結(jié)果。 [編輯本段]影響酶活力的因素 米契里斯（Michaelis）和門坦（Menten）根據(jù)中間產(chǎn)物學(xué)說推導(dǎo)出酶促反應(yīng)速度方程式，即米-門公式（具體參考《環(huán)境工程微生物學(xué)》第四章微生物的生理）。由米門公式可知：酶促反應(yīng)速度受酶濃度和底物濃度的影響，也受溫度、pH、激活劑和YZ劑的影響。 （1）酶濃度對酶促反應(yīng)速度的影響 從米門公式和酶濃度與酶促反應(yīng)速度的關(guān)系圖解可以看出：酶促反應(yīng)速度與酶分子的濃度成正比。當(dāng)?shù)孜锓肿訚舛茸銐驎r，酶分子越多，底物轉(zhuǎn)化的速度越快。但事實上，當(dāng)酶濃度很高時，并不保持這種關(guān)系，曲線逐漸趨向平緩。根據(jù)分析，這可能是高濃度的底物夾帶夾帶有許多的YZ劑所致。 （2）底物濃度對酶促反應(yīng)速度的影響 在生化反應(yīng)中，若酶的濃度為定值，底物的起始濃度較低時，酶促反應(yīng)速度與底物濃度成正比，即隨底物濃度的增加而增加。當(dāng)所有的酶與底物結(jié)合生成中間產(chǎn)物后，即使在增加底物濃度，中間產(chǎn)物濃度也不會增加，酶促反應(yīng)速度也不增加。 還可以得出，在底物濃度相同條件下，酶促反應(yīng)速度與酶的初始濃度成正比。酶的初始濃度大，其酶促反應(yīng)速度就大。 在實際測定中，即使酶濃度足夠高，隨底物濃度的升高，酶促反應(yīng)速度并沒有因此增加，甚至受到Y(jié)Z。其原因是：高濃度底物降低了水的有效濃度，降低了分子擴散性，從而降低了酶促反應(yīng)速度。過量的底物聚集在酶分子上，生成無活性的中間產(chǎn)物，不能釋放出酶分子，從而也會降低反應(yīng)速度。 （3）溫度對酶促反應(yīng)速度的影響 各種酶在Z適溫度范圍內(nèi)，酶活性Z強，酶促反應(yīng)速度Z大。在適宜的溫度范圍內(nèi)，溫度每升高10℃，酶促反應(yīng)速度可以相應(yīng)提高1～2倍。不同生物體內(nèi)酶的Z適溫度不同。如，動物組織中各種酶的Z適溫度為37～40℃；微生物體內(nèi)各種酶的Z適溫度為25～60℃，但也有例外，如黑曲糖化酶的Z適溫度為62～64℃；巨大芽孢桿菌、短乳酸桿菌、產(chǎn)氣桿菌等體內(nèi)的葡萄糖異構(gòu)酶的Z適溫度為80℃；枯草桿菌的液化型淀粉酶的Z適溫度為85～94℃?？梢姡恍┭挎邨U菌的酶的熱穩(wěn)定性較高。過高或過低的溫度都會降低酶的催化效率，即降低酶促反應(yīng)速度。 Z適溫度在60℃以下的酶，當(dāng)溫度達到60～80℃時，大部分酶被破壞，發(fā)生不可逆變性；當(dāng)溫度接近100℃時，酶的催化作用完全喪失。 （4）pH對酶促反應(yīng)速度的影響 酶在Z適pH范圍內(nèi)表現(xiàn)出活性，大于或小于Z適pH，都會降低酶活性。主要表現(xiàn)在兩個方面：①改變底物分子和酶分子的帶電狀態(tài)，從而影響酶和底物的結(jié)合；②過高或過低的pH都會影響酶的穩(wěn)定性，進而使酶遭受不可逆破壞。 （5）激活劑對酶促反應(yīng)速度的影響 能激活酶的物質(zhì)稱為酶的激活劑。激活劑種類很多，有①無機陽離子，如鈉離子、鉀離子、銅離子、鈣離子等；②無機陰離子，如氯離子、溴離子、碘離子、硫酸鹽離子磷酸鹽離子等；③有機化合物，如維生素C、半胱氨酸、還原性谷胱甘肽等。許多酶只有當(dāng)某一種適當(dāng)?shù)募せ顒┐嬖跁r，才表現(xiàn)出催化活性或強化其催化活性，這稱為對酶的激活作用。而有些酶被合成后呈現(xiàn)無活性狀態(tài)，這種酶稱為酶原。它必須經(jīng)過適當(dāng)?shù)募せ顒┘せ詈蟛啪呋钚浴? （6）YZ劑對酶促反應(yīng)速度的影響 能減弱、YZ甚至破壞酶活性的物質(zhì)稱為酶的YZ劑。它可降低酶促反應(yīng)速度。酶的YZ劑有重金屬離子、一氧化碳、硫化氫、氫氰酸、氟化物、碘化乙酸、生物堿、染料、對-氯汞苯甲酸、二異丙基氟磷酸、乙二胺四乙酸、表面活性劑等。 對酶促反應(yīng)的YZ可分為競爭性YZ和非競爭性YZ。與底物結(jié)構(gòu)類似的物質(zhì)爭先與酶的活性ZX結(jié)合，從而降低酶促反應(yīng)速度，這種作用稱為競爭性YZ。競爭性YZ是可逆性YZ，通過增加底物濃度Z終可解除YZ，恢復(fù)酶的活性。與底物結(jié)構(gòu)類似的物質(zhì)稱為競爭性YZ劑。YZ劑與酶活性ZX以外的位點結(jié)合后，底物仍可與酶活性ZX結(jié)合，但酶不顯示活性，這種作用稱為非競爭性YZ。非競爭性YZ是不可逆的，增加底物濃度并不能解除對酶活性的YZ。與酶活性ZX以外的位點結(jié)合的YZ劑，稱為非競爭性YZ劑。 有的物質(zhì)既可作為一種酶的YZ劑，又可作為另一種酶的激活劑。

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