1、44第四章 生物催化剂酶生命的基本特征是新陈代谢，生物体在新陈代谢过程中，几乎所有的化学反应都是在生物催化剂酶(enzyme)的催化下进行的。但是 20 世纪 80 年代发现还有一类生物催化剂，称为核酶（ribozyme） ，它主要作用于 RNA 的剪接。本章主要介绍酶的有关内容，因为生物体的一切生命活动都是在酶的催化下平衡协调地进行，临床上许多疾病都与酶的异常密切相关，许多临床常用药物亦是通过影响酶的作用来达到治疗。第一节 酶是生物催化剂一、生物催化剂（一）酶酶是由活细胞产生的具有催化功能的蛋白质，它是最主要的生物催化剂。酶所催化的化学反应称为酶促反应。在酶促反应中被酶催化的物质叫底物（su
2、bstrate，S） ；经酶催化所产生的物质叫产物（product，P） ；酶所具有的催化能力称为酶的“活性” ，如果酶丧失催化能力称为酶失活。1926 年 Sumner 首次从刀豆中提取脲酶结晶并率先提出酶的化学本质是蛋白质。到目前为止，纯化和结晶的酶已超过 2000 余种。根据酶的化学组成成分不同，可将其分为单纯酶（simple enzyme）和结合酶（conjugated enzyme）两类。1 单纯酶 这类酶的基本组成单位仅为氨基酸，通常只有一条多肽链。它的催化活性仅仅决定于它的蛋白质结构。如淀粉酶、脂肪酶、蛋白酶等均属于单纯酶。2 结合酶 这类酶由蛋白质部分和非蛋白质部分组成，前者称
3、为酶蛋白（apoenzyme） ，后者称为辅助因子（cofactor） 。酶蛋白与辅助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。酶蛋白在酶促反应中起着决定反应特异性的作用，辅助因子则决定反应的类型，参与电子、原子、基团的传递。 辅助因子的化学本质是金属离子或小分子有机化合物，按其与酶蛋白结合的紧密程度不同可分为辅酶（coenzyme）与辅基（prosthetic group） 。辅酶与酶蛋白结合疏松，可用透析或超滤的方法除去。辅基则与酶蛋白结合紧密，不能通过透析或超滤将其除去。B 族维生素是形成体内结合酶辅酶或辅基的重要成分。（二）核酶1982 年，Thom
4、as Cech 从四膜虫 rRNA 前体的加工研究中首先发现 rRNA 分子在没有任何蛋白质的存在下发生了自我催化的剪接反应，90 年代 H.F.Noller 证明大肠杆菌的23SrRNA 具有催化肽键形成的作用，此后更多的证据表明，某些 RNA 分子有固有的催化活性。这种具有催化作用的 RNA 被称为核酶或催化性 RNA（catalytic RNA） 。核酶的发现一方面推动了对于生命活动多样性的理解，另外在医学上也有其特殊的用途。由于核酶结构的阐明，可以用人工合成的小片段 RNA，使其结合在有害 RNA（病毒45RNA，癌基因 mRNA 等）上，将其特异性降解。这一思路已经在实验中获得成功，
5、针对HIV（人类免疫缺陷病毒）的核酶在美国和澳大利亚已进入临床试验。理论上讲，核酶几乎可以被广泛用来尝试治疗所有基因产物有关的疾病。（三）脱氧核酶最初发现的核酶都是 RNA 分子，后来证实人工合成的具有类似结构的 DNA 分子也具有特异性降解 RNA 的作用。相对应于催化性 RNA，具有切割 RNA 作用的 DNA 分子称为脱氧核酶或催化性 DNA（catalytic DNA） 。由于 DNA 分子较 RNA 稳定，而且合成成本低，因此在未来的治疗药物发展中可能具有更广泛的前景。目前尚未发现天然存在的催化性 DNA。二、酶的催化作用特点酶是生物催化剂，既有与一般催化剂相同的催化性质，又有一般催
6、化剂所没有的生物大分子的特征。酶与一般催化剂一样，只能催化热力学允许的化学反应，缩短达到化学平衡的时间，而不改变平衡点。酶作为催化剂在化学反应的前后没有质和量的改变，微量的酶就能发挥较大的催化作用。因为酶是蛋白质，所以又具有其独特的催化特点：1高度的催化效率酶的催化效率比无催化剂的自发反应速度高 10810 20倍，比一般催化剂的催化效率高10710 13倍。这种高度加速的酶促反应机制，主要是因为大幅度降低了反应的活化能(activation energy)。2高度的特异性酶对其所催化的底物和催化的反应具有较严格的选择性，常将这种选择性称为酶的特异性或专一性(specificity)。根据酶对
7、底物选择的严格程度不同，酶的特异性通常分为以下三种：(1)绝对特异性(absolute specifictity)：有的酶只能催化一种底物发生一定的反应，称为绝对特异性。如脲酶只能催化尿素水解成 NH3和 CO2，而不能催化甲基尿素水解。(2)相对特异性(relative specificity)：一种酶可作用于一类化合物或一种化学键，这种不太严格的特异性称为相对特异性。如脂肪酶不仅水解脂肪，也能水解简单的酯类。(3)立体异构特异性(stereopecificity)：酶对底物的立体构型的特异要求，称为立体异构特异性。如 L-乳酸脱氢酶的底物只能是 L 型乳酸，而不能是 D 型乳酸。3酶活性的
8、可调节性物质代谢在正常情况下处于错综复杂、有条不紊的动态平衡中。酶活性的调节作用是维持这种平衡的重要环节。通过各种调控方式，例如，酶的生物合成的诱导和阻遏、酶的化学修饰、酶的变构调节以及神经体液因素的调节等，改变酶的催化活性，以适应生理功能的需要，促进体内物质代谢的协调统一，保证生命活动的正常进行。4酶活性的不稳定性酶是蛋白质，酶促反应要求一定的 pH、温度等温和的条件，强酸、强碱、有机溶剂、重金属盐、高温、紫外线、剧烈震荡等任何使蛋白质变性的理化因素都可使酶变性而失去其催化活性。三、酶的活性中心与催化作用机理（一） 酶的活性中心组成酶分子的氨基酸中有许多化学基团，如-NH 2、-COOH、-
9、SH、-OH 等，但这些基团并不都是与酶活性有关。其中那些与酶的活性密切相关的基团称为酶的必需基团（essential 46group） 。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，形成一个能与底物特异地结合并将底物转变为产物的特定空间区域，这一区域称为酶的活性中心（active center） 。对结合酶来说，辅酶或辅基也参与酶活性中心的组成。酶活性中心内的必需基团分两种：能直接与底物结合的必需基团称为结合基团（binding group） ，影响底物中某些化学键的稳定性，催化底物发生化学变化的必需基团称为催化基团（catalytic group） 。还有一些必需基团虽然
10、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（图 4-1-1）图 4-1-1 酶活性中心示意图酶的活性中心往往位于酶分子表面或凹陷处，是酶催化作用的关键部位。不同的酶有不同的活性中心，故对底物有高度的特异性。形成或暴露酶的活性中心，可使无催化活性的酶原转变成具有催化活性的酶。相反，酶的活性中心一旦被其它物质占据或某些理化因素使酶的空间结构破坏，酶则丧失催化活性。（二） 酶的催化作用机理酶和化学催化剂都能降低反应的活化能，但酶比一般化学催化剂降低活化能作用要大得多，故表现为酶作用的高度催化效率（图 4-1-2） 。例如，反应: H 2O2+ H
11、2O22H 2O+O2在无催化剂时，需活化能 75.6KJ/mol；胶体钯催化时，需活化能 49KJ/mol；过氧化氢酶催化时，仅需活化能 8.4KJ/mol。图 4-1-2 酶与一般化学催化剂降低反应活化能示意图47酶能大幅度降低反应活化能的原因是：1 酶能与底物形成中间复合物酶催化底物反应时，首先酶的活性中心与底物结合生成酶底物复合物，此复合物再进行分解而释放出酶，同时生成一种或数种产物，此过程可用下式表示： E+SESE+P上式中 E 代表酶，S 代表底物，ES 代表酶底复合物，P 代表反应产物。ES 的形成，改变了原来反应的途径，大幅度降低了反应活化能，从而使反应加速。2 趋近效应和定
12、向效应酶与底物形成复合物后，使底物与底物（如双分子反应）之间，酶的催化基团与底物之间结合于同一分子而使有效浓度得以极大地升高，从而使反应速度大大增加，这种效应称为趋近效应。趋近效应使酶活性中心处的底物浓度急剧增高，从而增加底物分子的有效碰撞。酶还能使靠近活性中心处的底物分子的反应基团与酶的催化基团取得正确定向，这就是定向作用。定向作用提高了酶与底物反应的适宜时机，从而降低了反应活化能，加快了反应速度。图 4-1-3 中，A、B 分别代表两个底物，当它们进入活性中心后，从不易起反应的位，定向转位到最易起反应的位。 图 4-1-3 趋近效应与定向作用3.“变形”与“契合”酶与底物接触后，酶在底物的
13、诱导下其空间构象发生变化，另一方面底物也因某些敏感键受力而发生“变形” ，酶构象的改变与底物的变形，使两者彼此互补“契合”(图 4-1-4)，导致底物分子内部产生张力，受牵拉力影响底物化学键易断裂，容易反应。48图 4-1-4 酶-底物“变形”与“契合”示意图4 酸碱催化作用酶的活性中心具有某些氨基酸残基的 R 基团，这些基团有许多是酸碱功能基团（如氨基、羧基等）它们在体液条件下，往往是良好的质子供体或受体，极有利于进行酸碱催化作用，从而提高酶的催化效能。5 共价催化作用某些酶能与底物形成极不稳定的、共价结合的 ES 复合物，这些复合物极易变成过渡态，从而降低反应的活化能，加速化学反应速度。四
14、、辅酶与辅基前已述及，结合酶由两部分构成：酶蛋白+辅酶（或辅基） 。其中辅酶（基）通常结合于酶的活性中心，酶蛋白的活性中心形状决定了什么样的底物可以与之结合，而存在于活性中心的辅酶（基）则对底物进行电子、原子或基团转移。即辅酶（基）决定了化学反应的性质和类型，因此，酶的辅助因子（辅酶、辅基）在酶促反应中起着非常重要的作用。B 族维生素是合成辅酶或辅基的基本原料，个别 B 族维生素可以直接作为辅助因子结合于酶蛋白上。以下介绍生化反应中一些常见的辅酶和辅基。（一）辅酶 I 和辅酶 II：NAD +、NADP +NAD+（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸）和 NADP+（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸）是生化反应
15、中重要的电子和氢传递体，因此它们参与的是氧化还原反应（图 4-1-5） 。49图 4-1-5 辅酶 I 和辅酶 IINAD+和 NADP+是各种不需氧脱氢酶的辅酶，可以接受底物分子上提供的氢负离子（H: -）而还原为 NADH 和 NADPH。底物分子脱氢时，一次脱下一对氢（2H +2e-） ，NAD +或 NADP+接受 1 个 H+和 2 个 e-，另一个 H+游离存在于溶液中。NADH 在细胞内有两条去路，一是通过呼吸链最终将氢传递给氧生成水，释放能量用于ATP 的合成；一是作为还原剂为加氢反应（还原反应）提供氢。NADPH 一般不将氢传递给氧，通常只作为还原剂为加氢反应提供氢。NADP
16、H 是细胞内重要的还原剂。 辅酶 I 和辅酶 II 是以维生素 PP（尼克酸、尼克酰胺） 、核糖、磷酸、腺嘌呤为原料合成的。（二）黄素辅酶：FMN、FADFMN（黄素单核苷酸）和 FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）是另一类氢和电子的传递体，参与氧化还原反应（图 4-1-6） 。50图 4-1-6 FMN 与 FADFMN、FAD 是黄酶（氧化还原酶）的辅基，参与体内多种氧化还原反应，它可以接受 2个氢而还原为 FMNH2或 FADH2。其中 FMN 是呼吸链的重要氢和电子传递体，FAD 主要参与有机物如脂肪酸等的氧化脱氢。FADH2 可将氢通过呼吸链传递至氧生成水，释放能量用于 ATP的合成；在某些
17、情况下，也可将氢直接传递给氧而生成过氧化氢（H 2O2） ，H 2O2可被过氧化氢酶催化分解成水和氧气。黄素辅基是由维生素 B2（核黄素）转化形成的。（三）辅酶 A：CoA-SH辅酶 A 是体内传递酰基的载体，为酰基移换酶之辅酶（图 4-1-7） 。图 4-1-7 辅酶 A51辅酶 A 由 3-磷酸-ADP、泛酸、巯基乙胺三部分构成，其中泛酸为维生素，因此辅酶 A是主要是以维生素泛酸为原料转化合成的。巯基-SH 是辅酶 A 的活性基团，因此辅酶 A 常写作 CoA-SH。当携带乙酰基时形成CH3CO-SCoA，称为乙酰辅酶 A。当交出乙酰基时又恢复为 CoA-SH。辅酶 A 在糖代谢、脂质分解
18、代谢、氨基酸代谢及体内一些重要物质如乙酰胆碱、胆固醇的合成中均起重要作用。（四）氨基酸分解代谢的重要辅酶：磷酸吡哆醛与磷酸吡哆胺磷酸吡哆醛与磷酸吡哆胺是氨基酸代谢中多种酶的辅酶，可以催化多种反应，常见的有 -氨基酸与 -酮酸的转氨基作用和 -氨基酸的脱羧基作用（图 4-1-8） 。图 4-1-8 磷酸吡哆醛与磷酸吡哆胺磷酸吡哆醛与磷酸吡哆胺是由维生素 B6磷酸化形成的。（五）羧化酶辅基：生物素生物素（维生素 H，维生素 B7）是各种羧化酶的辅基，在 ATP 作用下可与 CO2结合形成N-羧基生物素，N-羧基生物素可将羧基转移给有机分子而发生羧化（图 4-1-9） 。图 4-1-9 生物素生物素
19、是 B 族维生素中唯一不需变化就可直接作为酶蛋白辅基的维生素。（六）脱羧酶辅酶：焦磷酸硫胺素 TPP+焦磷酸硫胺素 TPP+是涉及糖代谢中羰基碳（醛、酮）合成与裂解反应的辅酶，特别是-酮酸的脱羧基作用，焦磷酸硫胺素通过 N=C 活性部位的碳原子与 -碳原子（羰基碳原子）结合而促使羧基裂解释放二氧化碳（图 4-1-10） 。52图 4-1-10 焦磷酸硫胺素焦磷酸硫胺素是由维生素 B1（硫胺素）磷酸化形成。（七）一碳单位转移酶辅酶：四氢叶酸 FH4FH4由叶酸经二氢叶酸还原酶两次还原形成，叶酸是 B 族维生素，由于广泛存在于绿叶中而得名（图 4-1-11） 。图 4-1-11 四氢叶酸四氢叶酸是
20、体内氧化态碳原子的重要受体和供体（CO 2除外） ，3 种不同氧化态的一碳单位（表 4-1-1）可以连接到四氢叶酸的 N5或 N10上。嘌呤和胸腺嘧啶的合成需要一碳单位为原料，因此 FH4的一个重要作用就是传递一碳单位合成嘌呤和胸腺嘧啶。表 4-1-1 由四氢叶酸携带的一碳单位中碳的氧化态氧化数目 氧化水平 一碳单位形式 四氢叶酸形式-2 甲醇（最还原的） -CH3 N4-甲基-FH 40 甲醛 -CH2- N5，N 10-亚甲基-FH 42 甲醇（最氧化的） -CH=O-CH=O-CH=NH-CH=N4-甲酰基-FH 4N10-甲酰基-FH 4N4-亚胺甲基-FH 4N5，N 10-次甲基-
21、FH 4二氢叶酸还原酶是将叶酸加氢还原为四氢叶酸的酶，因此如果该酶被抑制，DNA 和 RNA的合成将受阻，临床上用氨甲蝶呤及其类似物作为竞争性抑制剂来抑制二氢叶酸还原酶，53以阻断肿瘤的生长，但这些药物并非是肿瘤的特效药物，它们同样对正常细胞具有抑制作用，因此它们对正常细胞是有毒性。由于叶酸与核酸的合成有关，当叶酸缺乏时，DNA 合成受阻骨髓幼红细胞中 DNA 合成减少，细胞分裂速度降低，细胞体积继续增长，细胞核内染色质疏松，形成巨幼红细胞。由于幼红细胞不具有携带运送氧气的功能，因此，病人体内成熟红细胞减少而导致贫血，称为巨幼红细胞贫血。治疗方法是给予病人叶酸和维生素 B12。（八）转甲基酶辅
22、酶：甲基 B12甲基 B12是有维生素 B12转化形成，维生素 B12是体内唯一含有金属元素钴的维生素，又称钴胺素。甲基 B12是甲基转移酶（蛋氨酸即甲硫氨酸合成酶）的辅酶，它参与图 4-1-12 所示的反应，生成 S-腺苷蛋氨酸（S-腺苷甲硫氨酸） ，S-腺苷甲硫氨酸是体内重要的甲基供体，参与大约 50 多种物质的甲基化反应，包括 DNA 和 RNA 的甲基化。由图 4-1-12 可以看出，S-腺苷甲硫氨酸的甲基是由 N4-甲基-FH 4提供的，因此，N 4-甲基-FH 4可以看成是体内甲基的间接供体。图 4-1-12 甲硫氨酸循环维生素 B12缺乏时，S-腺苷甲硫氨酸的甲基供体体不能合成，
23、影响体内甲基化反应；同时，甲硫氨酸合成酶由于缺乏辅酶而导致 N5-甲基-FH 4的甲基无法转移，致使四氢叶酸的再生减少，不能有效地转运一碳单位，影响嘌呤、嘧啶的合成，最终导致核酸合成障碍，影响细胞分裂。因此 B12的缺乏同样会导致巨幼红细胞贫血。（九）转酰基酶辅基：硫辛酸（图 4-1-13）54图 4-1-13 硫辛酸硫辛酸存在于 -酮酸脱氢酶复合体中，该酶复合体由三种酶复合而成：-酮酸脱氢酶、二氢硫辛酸转酰基酶和二氢硫辛酸脱氢酶。其中二氢硫辛酸转酰基酶促使酰基转移给辅酶 A 生成酰基辅酶 A。图 4-1-14 显示 -酮丙酸（丙酮酸）的乙酰基转移过程。图 4-1-14 丙酮酸脱氢酶复合体反应
24、机制 丙酮酸脱羧与 TPP+形成羟乙基 TPP 羟乙基转移给硫辛酸并氧化为乙酰二氢硫辛酸乙酰基转移给 CoA 二氢硫辛酰胺重氧化E1 丙酮酸脱氢酶 E2 二氢硫辛酰转乙酰酶 E3 二氢硫辛酰脱氢酶（十）金属离子辅基动物和人体需要的无机化学元素分为两大类：大量元素和微量元素。大量元素包括钙、镁、钠、钾、磷、硫和氯，相对需要大的量，每天接近克，它们常有一种以上的功能。例如，钙是骨矿物或者羟磷灰石的结构成分，而游离钙在细胞液中作为重要的调节剂。磷以磷酸盐形式是细胞内能量传递 ATP 系统的活性成分。已知 15 种微量元素在动物营养中是必须的，它们是铁、碘、铜、锰、锌、钴、钼、硒、钒、镍、铬、锡、氟、
25、硅、砷，它们大多作为酶的辅助因子或辅基起作用。估计有 1/3 的酶在催化过程中的一个阶段或几个阶段中需要金属离子。依据金属离子与酶结合的牢固程度把酶分为结合牢固的金属酶和不牢固的金属活化酶。五、酶的种类55按酶促反应的性质，酶可分为六大类：（一）氧化还原酶类（oxidoreductases）催化底物进行氧化还原反应的酶类。例如：乳酸脱氢酶、细胞色素氧化酶、过氧化氢酶等。（二）转移酶类(transferases)催化底物之间进行某些基团的转移或交换的酶类。例如：氨基转移酶、己糖激酶、磷酸化酶等。（三）水解酶类（hydrolases）催化底物发生水解反应的酶类。例如：淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶等。（四
26、）裂解酶类(或裂合酶类,lyases)催化一种化合物分解为两种化合物或两种化合物合成为一种化合物的酶类。如醛缩酶、碳酸酐酶、柠檬酸合成酶。（五）异构酶类（isometases）催化各种同分异构体间相互转变的酶类，如磷酸丙糖异构酶、磷酸己糖异构酶等。（六）合成酶类（ligases）催化两分子底物合成一分子化合物，同时偶联有 ATP 的磷酸键断裂的酶类。如谷氨酰胺合成酶、谷胱甘肽合成酶等。第二节 酶促反应的动力学酶促反应动力学是研究酶促反应速度及其影响因素的科学。这些因素主要包括底物浓度、酶浓度、温度、PH、激活剂和抑制剂等。在研究某一因素对酶促反应速度的影响时，应该维持反应中其它因素不变，而只改
27、变要研究的因素。一、酶与底物浓度在酶的浓度不变的情况下，底物浓度对反应速度影响的作用呈现矩形双曲线(图 4-2-1)。图 4-2-1 底物浓度对酶促反应速度的影响 56在底物浓度很低时，反应速度随底物浓度的增加而急骤加快，两者呈正比关系；当底物浓度较高时，反应速度虽然随着底物浓度的升高而加快，但不再呈正比例加快；当底物浓度增高到一定程度时，如果继续加大底物浓度，反应速度不再增加，说明酶已被底物所饱和。酶促反应速度与底物浓度之间的变化关系，反映了ES的形成与生成产物P的过程。在S很低时，酶的活性中心没有全部与底物结合，增加S，ES的形成与P的生成均呈正比关系增加；当S增高至一定浓度时，酶全部形成
28、了ES，此时再增加S也不会增加ES，反应速度趋于恒定。（一）米氏方程为了解释底物浓度与酶促反应速度的关系，1913 年 Michaelis 和 Menten 把图 4-2-1归纳为酶促反应动力学最基本的数学表达式-米氏方程： V=VmaxS/（Km+S）Vmax 为反应的最大速度，S为底物浓度，Km 是米氏常数，V 是在某一底物浓度时相应的反应速度。（二）米氏常数（Km）的意义：1 当反应速度为最大速度一半时，米氏方程可以变换如下：1/2Vmax=VmaxS/（Km+S）所以 Km=S。因此，Km 值等于酶促反应最大速度一半时的底物浓度。2Km 值可判断酶与底物的亲和力（Km 值愈大，酶与底物
29、的亲和力愈小；反之亦然） 。3Km 值是酶的特征性常数，只与酶的结构、酶所催化的底物和酶促反应条件有关，与酶的浓度无关。酶的种类不同，Km 值不同，同一种酶与不同底物作用时，Km 值也不同。二、酶浓度、温度、PH 的影响（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，当底物浓度足以使酶饱和的情况下，酶的浓度与酶促反应速度呈正比关系(图 4-2-2)。图 4-2-2 酶浓度对酶促反应速度的影响57（二）温度对酶促反应速度的影响化学反应的速度随温度增高而加快，但酶是蛋白质，可随温度的升高而变性。在温度较低时，前一影响较大，反应速度随温度升高而加快。但温度超过一定范围后，酶受热变性的因
30、素占优势，反应速度反而随温度上升而减慢。常将酶促反应速度最大的某一温度范围，称为酶的最适温度(图 4-2-3)。图 4-2-3 温度对酶促反应速度的影响人体内酶的最适温度接近体温，一般为 3740之间，若将酶加热到 60即开始变性，超过 80，酶的变性不可逆。温度对酶促反应速度的影响在临床实践中具有指导意义。低温条件下，酶的活性下降，但低温一般不破坏酶，温度回升后，酶又恢复活性。所以在护理技术操作中对酶制剂和酶检测标本（如血清等）应放在冰箱中低温保存，需要时从冰箱取出，在室温条件下等温度回升后再使用或检测。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度，提高机体对氧和营养物质缺乏的耐
31、受力，有利于进行手术治疗。温度超过 80后，多数酶变性失活，临床应用这一原理进行高温灭菌。酶的最适温度与反应所需时间有关，酶可以在短时间内耐受较高的温度，相反，延长反应时间，最适温度便降低。据此，在生化检验中，可以采取适当提高温度，缩短时间的方法，进行酶的快速检测。（三）pH 对酶促反应速度的影响酶反应介质的 pH 可影响酶分子，特别是活性中心上必需基团的解离程度和催化基团中质子供体或质子受体所需的离子化状态，也可影响底物和辅酶的解离程度，从而影响酶与底物的结合。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，并发生催化作用，使酶促反应速度达最大值，这种 pH 值称
32、为酶的最适 pH。58图 4-2-4 pH 变化与酶促反应速度的关系体内多数酶的最适 pH 值接近中性，但也有例外，如胃蛋白酶的最适 pH 约 1.8，肝精氨酸酶最适 pH 约为 9.8。溶液的 pH 值高于和低于最适 pH 时都会使酶的活性降低，远离最适 pH 值时甚至导致酶的变性失活（图 4-2-4） 。所以测定酶的活性时，应选用适宜的缓冲液，以保持酶活性的相对恒定。临床上根据胃蛋白酶的最适 PH 偏酸这一特点，配制助消化的胃蛋白酶合剂时加入一定量的稀盐酸，使其发挥更好的疗效。三、激活剂与抑制剂（一）激活剂对酶促反应速度的影响凡能提高酶的活性或使酶原转变成酶的物质均称做酶的激活剂。从化学本
33、质看，激活剂包括无机离子和小分子有机物。例如 Mg2+是多种激酶和合成酶的激活剂，Cl -是淀粉酶的激活剂;胆汁酸盐是胰脂肪酶的激活剂。大多数金属离子激活剂对酶促反应不可缺少，称必需激活剂，如 Mg2+；有些激活剂不存在时，酶仍有一定活性，这类激活剂称非必需激活剂，如 Cl-。（二） 抑制剂对酶促反应速度的影响凡能使酶的活性降低或丧失而不引起酶蛋白变性的物质称酶的抑制剂。通常将抑制作用分为不可逆性抑制和可逆性抑制两类。1不可逆性抑制(irreversible inhibition)这类抑制剂与酶分子中的必需基团以共价键的方式结合，从而使酶失活，其抑制作用不能用透析、超滤等方法解除，这种抑制称为
34、不可逆抑制作用。在临床上这种抑制作用可以靠某些药物解除抑制，使酶恢复活性。例如，有机磷农药能特异性地与胆碱酯酶活性中心丝氨酸的羟基结合，使酶失活。当胆碱酯酶被有机磷农药抑制后，胆碱能神经末稍分泌的乙酰胆碱不能及时分解，过多的乙酰胆碱会导致胆碱能神经过度兴奋的症状，表现为一系列中毒的症状。临床上用碘解磷定（解磷定）治疗有机磷农药中毒（图 4-2-5） 。59图 4-2-5 有机磷农药对羟基酶的抑制和解磷定的解抑制2可逆性抑制(reversible inhibition)抑制剂与酶以非共价键结合，在用透析等物理方法除去抑制剂后，酶的活性能恢复，即抑制剂与酶的结合是可逆的。这类抑制剂大致可分为以下二
35、类。（1）竞争性抑制(competitive inhibition)：竞争性抑制剂（I）与底物（S）结构相似，因此两者互相竞争与酶的活性中心结合，当 I 与酶结合后，就不能结合 S，从而引起酶催化作用的抑制，称竞争性抑制。竞争性抑制作用有以下特点：抑制剂结构与底物相似；抑制剂结合的部位是酶的活性中心；抑制作用的大小取决于抑制剂与底物的相对浓度，在抑制剂浓度不变时，通过增加底物浓度可以减弱甚至解除竞争性抑制作用；Vmax 不变，Km 增大。例如，丙二酸是琥珀酸脱氢酶的竞争性抑制剂。很多药物是酶的竞争性抑制剂。例如磺胺药是通过竞争性抑制作用抑制细菌生长的，某些细菌在二氢叶酸合成酶的作用下，利用对氨
36、基苯甲酸（PABA） 、二氢喋呤及谷氨酸合成二氢叶酸，后者能转变为四氢叶酸，四氢叶酸是细菌合成核酸不可缺少的辅酶。由于磺胺药与 PABA 结构相似，是二氢叶酸合成酶的竞争性抑制剂，进而细菌核酸合成障碍，达到抑菌作用。图 4-2-6 PAPA 与磺胺药抗癌药物氨甲蝶呤（MTX）的结构与二氢叶酸相似，是二氢叶酸还原酶的竞争性抑制剂，抑制四氢叶酸的合成，进而抑制肿瘤的生长。（2）非竞争性抑制(non-competitive inhibition)：非竞争性抑制剂（I）和底物（S）的结构不相似，I 常与酶活性中心外的部位结合，使酶催化作用抑制叫做非竞争性抑制。这种抑制作用的特点是：抑制剂与底物结构不相
37、似；抑制剂结合的部位是酶活性60中心外；抑制作用的强弱取决于抑制剂的浓度，此种抑制不能通过增加底物浓度而减弱或消除，哇巴因抑制 Na+-K+-ATP 酶活性是非竞争性抑制；Vmax 下降，Km 不变。图 4-2-7 竞争性抑制与非竞争性抑制的作用机制第三节 体内酶的特殊存在形式一、酶原及酶原激活有些酶在细胞内合成或初分泌时，没有催化活性，这种无活性状态的酶的前身物称为酶原(zymogen)。在一定条件下，酶原受某种因素作用后，分子结构发生变化，形成或暴露出活性中心，使无活性的酶原转变成有活性的酶，这一过程称为酶原的激活。胃蛋白酶、胰蛋白酶、胰糜蛋白酶等在它们初分泌时都是以无活性的酶原形式存在，
38、在一定条件下才转化成相应的酶。例如，胰蛋白酶原进入小肠后，受肠激酶或胰蛋白酶本身的激活，第 6 位赖氨酸与第 7 位异亮氨酸残基之间的肽键被切断，水解掉一个六肽，酶分子空间构象发生改变，形成酶的活性中心，于是胰蛋白酶原变成了有活性的胰蛋白酶(图 4-3-1)。除消化道的蛋白酶外，血液中有关凝血和纤维蛋白溶解的酶类，也都以酶原的形式存在。图 4-3-1 胰蛋白酶原激活示意图酶原激活的生理意义在于避免细胞内产生的蛋白酶对细胞进行自身消化，并可使酶在特定的部位和环境中发挥作用，保证体内代谢的正常进行。61二、同工酶及其临床意义同工酶(isoenzyme)是指催化的化学反应相同，但酶蛋白的分子结构、理
39、化性质乃至免疫学性质不同的一组酶。这类酶存在于生物的同一种属或同一个体的不同组织、甚至同一组织或细胞中。现已发现有数种同工酶。如 6-磷酸葡萄糖脱氢酶、乳酸脱氢酶、酸性和碱性磷酸酶、肌酸磷酸激酶等。其中乳酸脱氢酶（LDH）最为大家所熟悉，LDH 是由二种亚基组成的四聚体，即骨骼肌型(M 型)和心肌型(H 型)亚基。两种亚基以不同比例组成五种四聚体：LDH 1(H4)、LDH 2(H3M)、LDH 3(H2M2)、LDH 4(HM3)和 LDH5(M4)。电泳时它们都移向正极，其速度以 LDH1为最快，依次递减，以 LDH5为最慢。LDH 同工酶在不同组织中的比例不同(图 4-3-2 )，心肌中
40、以 LDH1较为丰富，在心肌以催化乳酸脱氢生成丙酮酸为主；肝脏和骨骼肌中含 LDH5较多，以催化丙酮酸还原为乳酸为主。图 4-3-2 LDH 同工酶在某些组织中的含量在临床检验中，通过检测病人血清中 LDH 同工酶的电泳图谱，辅助诊断哪些器官组织发生病变。例如，心肌受损病人血清 LDH1含量上升，肝细胞受损者血清 LDH5含量增高。三、细胞内酶活性的调节细胞中的一些酶催化的反应常常组成一个连续的反应链，前一个酶反应的产物正好是后一个酶反应的底物，以这种方式联系在一起的一组酶称为多酶体系，使某一种底物经过一系列化学反应转变成最终产物，这一系列酶促反应组成代谢途径。在多酶体系中，各个酶的活性高低不
41、同，在代谢途径的各个反应中，速度最慢，控制着整个代谢途径进行速度的酶促反应称为该途径的限速反应，催化此步反应的酶称为的限速酶。调节限速酶活性的方式有变构调节和化学修饰调节两种方式。（一） 别构酶（亦称变构酶）体内某些特异性分子可以与某些酶分子活性中心外的某一部位可逆的非共价结合，使酶分子的构象发生改变，进而改变酶的活性。酶的这种调节作用称为别构调节，受别构调节的酶称别构酶(allosteric enzyme)，这些特异性分子称为效应剂。凡使酶活性增强的效应剂称别构激活剂；凡使酶活性减弱的效应剂称别构抑制剂。例如，ATP 是磷酸果糖激酶的别构抑制剂，而 ADP、AMP 为其别构激活剂。别构酶分子
42、常有多个亚基组成，酶分子中与底物结合的部位称为催化部位，与效应剂结合的部位称为调节部位，这二个部位可在不同的亚基上，也可在同一亚基上。别构抑制是最常见的别构调节，别构抑制剂常是代谢通路的终产物，别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，也避免各种产物的过多生成，对维持体内的代谢恒定起着重要的作用。例如葡萄糖的氧化62分解使 ADP 转变成 ATP，当 ATP 过多时，通过别构调节可限制葡萄糖的分解，而 ADP 增多时，则可促进糖的分解。随时调节 ATP/ADP 的水平，可以维持细胞内能量的正常供应。（二）修饰酶体内有些酶可在其它酶的作用下，将酶
43、的结构进行共价修饰，使该酶活性发生改变，这种调节称为共价修饰调节，这类酶称为修饰酶(prosessing enzyme)。 修饰酶的类型主要有：磷酸化/脱磷酸化、乙酰化/去乙酰化、腺苷化/去腺苷化等，其中磷酸化/脱磷酸化最常见。表 4-3-1 共价修饰对酶活性的调节酶 类 反应类型 修饰引起的活性变化糖原磷酸化酶 磷酸化 / 脱磷酸 激活 / 抑制磷酸化酶 b 激酶 磷酸化 / 脱磷酸 激活 / 抑制糖原合成酶 磷酸化 / 脱磷酸 抑制 / 激活丙酮酸脱羧酶 磷酸化 / 脱磷酸 抑制 / 激活脂肪细胞脂肪酶 磷酸化 / 脱磷酸 激活 / 抑制修饰酶的特点：绝大多数修饰酶具有无活性/有活性（或低
44、活性/高活性）两种形式，催化正逆反应的酶不同；耗能少。例如磷酸化每个亚基仅需 1 分子 ATP，比生物合成多肽链消耗的 ATP 要少得多，速度也快得多；效率高。由于共价修饰是酶促反应，且往往是连锁反应，即一种酶经共价修饰后，被修饰的酶又可催化另一种酶分子进行共价修饰，故对调节信号有快速、放大的效应。例如，微量肾上腺素或胰高血糖素会使靶细胞 cAMP 含量升高，然后，启动一系列酶促共价修饰反应（cAMP活化蛋白激酶活化磷酸化酶 b 激酶活化磷酸化酶 a） ，最终使无活性的磷酸化酶 b 转化成有活性的磷酸化酶 a，从而催化糖原分解。第四节 酶与临床医学人体的许多疾病与酶的质和量的异常、酶活性的改变
45、有关；血浆中酶活性的改变又可反映许多疾病；酶在医学上的应用也日趋广泛。因此，酶与临床医学有密切的关系。一、酶与疾病的发生（一）遗传性疾病酶是基因表达的特殊蛋白质，先天性或遗传性缺陷可使某些酶的基因表达缺如或异常，导致酶的质和量的先天性异常。因酶的缺陷使相应的正常代谢途径不能进行而引起的疾病叫做酶遗传性缺陷病。例如，酪氨酸酶遗传性缺陷时，体内酪氨酸不能转化成黑色素，导致皮肤、毛发缺乏黑色素而患白化病。表 4-4-1 列出部分酶遗传性缺陷病及其所缺陷的酶。表 4-4-1 遗传性酶缺陷所致疾病缺陷酶 相应疾病酪氨酸酶 白化病黑尿酸氧化酶 黑尿酸症苯丙氨酸羟化酶 苯丙酮酸尿症1-磷酸半乳糖尿苷移换酶
46、半乳糖血症63葡萄糖-6-磷酸酶 糖原贮积症6-磷酸葡萄糖脱氢酶 蚕豆病高铁血红蛋白还原酶 高铁血红蛋白血症谷胱甘肽过氧化物酶 新生儿黄疸肌腺苷酸脱氢酶 肌病（二）中毒性疾病临床上有些疾病是由于酶活性受到抑制引起的，常见于中毒性疾病。例如，有机磷农药中毒是由于抑制了胆碱酯酶活性，重金属盐中毒是由于抑制了巯基酶活性，氰化物中毒是由于抑制了细胞色素氧化酶的活性等。二、酶与疾病的诊断由于细胞内酶含量很少，直接测定其绝对量很难，因此酶学检测中一般是测定酶活性。测定血清（血浆） 、尿液等体液中酶活性变化，可以反映某些疾病的发生和发展，有利于疾病诊断和预后判断。（一）酶活性的测定1 原理 临床上对酶活性的
47、测定多采用相对测定法。即在一定条件下，测定单位时间内酶促反应体系中底物的消耗量或产物的生成量来表示酶活性。因为在反应初速度时，酶促反应体系中的产物从无到有，其生成量最能反映酶活性，故绝大多数方法都是把酶促反应体系中产物生成量作为酶活性测定的依据。2 酶活性单位 酶活性的高低用酶活性单位（U）来表示。酶活性单位指在特定条件下、单位时间内酶促反应过程中底物的减少量或产物的生成量。有习惯单位和国际单位等方法。习惯单位是依据不同的实验方法定义出来的酶活性单位。同一种酶，测定的方法不同，测定的结果不能比较。国际单位（IU）是 1961 年国际酶学委员会规定的酶活性单位的统一标准：指在最适条件下，25，每
48、分钟催化 1 微摩尔底物（1mol/L）发生化学变化的酶量为一个单位。1972 年，国际酶学委员会又推荐了一个新的酶活性单位，即“催量” （Kat） ，其定义为在最适条件下，每秒钟催化 1 摩尔底物（1mol/L）发生化学变化的酶量为 1 催量。（二）酶活性测定的样品临床实验室测定酶活性的样品很多，有全血、血清、血浆、尿液、脑脊液、胸腔积液和胃液等。由于血清简便易得，既可避免抗凝剂对酶活性的影响，又可防止加抗凝剂振摇引起溶血，故最为常用。（三）血清酶的测定血液与全身各组织细胞相沟通，当组织细胞损伤时，细胞内酶大量入血，使血清酶活性增高；或因细胞病变使其合成酶的能力下降，使血清中酶活性降低。测定
49、血清酶活性对疾病的辅助诊断、治疗评价和预后判断具有重要的临床意义。1 血清（浆）功能性酶的测定此类酶是血浆蛋白质的固有成分，在血浆中发挥其特异催化作用的酶，故称血浆功能性酶。如与血液凝固和纤维蛋白溶解有关的酶类、催化血浆中胆固醇酯化的卵磷脂胆固醇酯酰基转移酶、使乳糜微粒中三脂酰甘油水解的脂蛋白脂肪酶等。这些酶主要由肝细胞合成后分泌入血，在血浆中的含量较为恒定。测定这些酶在血中的活性，有助于了解肝的功能。642血清（浆）非功能性酶的测定此类酶在血浆中浓度很低，来自各组织细胞，在血浆中不发挥催化的功能，称做血浆非功能性酶。测定血浆中这些酶活性，能反映产生该酶的组织细胞的病变。许多组织器官的疾病可引起血浆中酶活性的改变，一般有以下几种原因：体内某些物质代谢发生障碍时，细胞中酶合成增加，使进入血中的酶量增加。如成骨肉瘤或佝偻病时，成骨细胞中碱性磷酸酶活性增高；组织细胞损伤或细胞膜通透性变大，使进入血液中的酶量增加。例如，急性胰腺炎时，血清淀粉酶活性升高；急性肝炎、心肌梗塞时血浆丙氨酸氨基转移酶（AL
