1、酶定义：催化特定化学反应的蛋白质、RNA 或其复合体。是生物催化剂，能通过降低反应的活化能加快反应速度，但不改变反应的平衡点。绝大多数酶的化学本质是蛋白质。具有催化效率高、专一性强、作用条件温和等特点。 早期是指 in yeast 在酵母 中的意思，指由生物体内活细胞产生的一种生物催化剂。大多数由蛋白质组成（少数为 RNA） 。能在机体中十分温和的条件下，高效率地催化各种生物化学反应，促进生物体的新陈代谢。生命活动中的消化、吸收、呼吸、运动和生殖都是酶促反应过程。酶是细胞赖以生存的基础。细胞新陈代谢包括的所有化学反应几乎都是在酶的催化下进行的。简 介哺 乳 动 物 的 细 胞 就 含 有 几
2、千 种 酶 。 它 们 或 是 溶 解 于 细 胞 质 中 ， 或 是 与 各 种膜 结 构 结 合 在 一 起 ， 或 是 位 于 细 胞 内 其 他 结 构 的 特 定 位 置 上 。 这 些 酶 统 称胞 内 酶 ； 另 外 ， 还 有 一 些 在 细 胞 内 合 成 后 再 分 泌 至 细 胞 外 的 酶 胞 外 酶 。酶 催 化 化 学 反 应 的 能 力 叫 酶 活 力 （ 或 称 酶 活 性 ） 。 酶 活 力 可 受 多 种 因 素 的调 节 控 制 ， 从 而 使 生 物 体 能 适 应 外 界 条 件 的 变 化 ， 维 持 生 命 活 动 。 没 有 酶的 参 与 ， 新
3、 陈 代 谢 只 能 以 极 其 缓 慢 的 速 度 进 行 ， 生 命 活 动 就 根 本 无 法 维 持 。例 如 食 物 必 须 在 酶 的 作 用 下 降 解 成 小 分 子 ， 才 能 透 过 肠 壁 ， 被 组 织 吸 收 和利 用 。 在 胃 里 有 胃 蛋 白 酶 ， 在 肠 里 有 胰 脏 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 动 物 能 量 的 来 源 ， 其 氧 化 过 程 也 是 在一 系 列 酶 的 催 化 下 完 成 的 。 酶 实 质 ： 催 化 作 用 ， 降 低 化 学 反
4、 应 活 化 能 酶 与 无 机 催 化 剂 比 较 ： 1、 相 同 点 ： 1） 改 变 化 学 反 应 速 率 ， 本 身 几 乎 不 被 消 耗 ； 2） 只 催 化 已存 在 的 化 学 反 应 ； 3） 加 快 化 学 反 应 速 率 ， 缩 短 达 到 平 衡 时 间 ， 但 不 改 变 平衡 点 ； 4） 降 低 活 化 能 ， 使 化 学 反 应 速 率 加 快 。 5） 都 会 出 现 中 毒 现 象 。 2、 不 同 点 ： 即 酶 的 特 性 酶 的 特 性1、 高 效 性 ： 酶 的 催 化 效 率 比 无 机 催 化 剂 更 高 ， 使 得 反 应 速 率 更 快
5、； 2、 专 一 性 ： 一 种 酶 只 能 催 化 一 种 或 一 类 底 物 ， 如 蛋 白 酶 只 能 催 化 蛋 白质 水 解 成 多 肽 ； 3、 多 样 性 ： 酶 的 种 类 很 多 ， 大 约 有 4000 多 种 ； 4、 温 和 性 ： 是 指 酶 所 催 化 的 化 学 反 应 一 般 是 在 较 温 和 的 条 件 下 进 行 的 。5、 活 性 可 调 节 性 ： 包 括 抑 制 剂 和 激 活 剂 调 节 、 反 馈 抑 制 调 节 、 共 价 修饰 调 节 和 变 构 调 节 等 。 6.有 些 酶 的 催 化 性 与 辅 因 子 有 关 。 7.易 变 性 ，
6、由 于 大 多 数 酶 是 蛋 白 质 ， 因 而 会 被 高 温 、 强 酸 、 强 碱 等 破 坏 。一 般 来 说 ， 动 物 体 内 的 酶 最 适 温 度 在 35 到 40 之 间 ， 植 物 体 内 的 酶 最适 温 度 在 40-50 之 间 ； 细 菌 和 真 菌 体 内 的 酶 最 适 温 度 差 别 较 大 ， 有 的 酶 最适 温 度 可 高 达 70 。 动 物 体 内 的 酶 最 适 PH 大 多 在 6.5-8.0 之 间 ， 但 也 有例 外 ， 如 胃 蛋 白 酶 的 最 适 PH 为 1.5， 植 物 体 内 的 酶 最 适 PH 大 多 在 4.5-6.5
7、 之 间 。 酶 的 这 些 性 质 使 细 胞 内 错 综 复 杂 的 物 质 代 谢 过 程 能 有 条 不 紊 地 进 行 ，使 物 质 代 谢 与 正 常 的 生 理 机 能 互 相 适 应 若 因 遗 传 缺 陷 造 成 某 个 酶 缺 损 ，或 其 它 原 因 造 成 酶 的 活 性 减 弱 ， 均 可 导 致 该 酶 催 化 的 反 应 异 常 ， 使 物 质 代 谢紊 乱 ， 甚 至 发 生 疾 病 因 此 酶 与 医 学 的 关 系 十 分 密 切 。 常 根 据 两 个 原 则 ： 1.根 据 酶 所 催 化 的 底 物 ： 如 水 解 淀 粉 的 酶 称 为 淀 粉 酶
8、， 水 解 蛋 白 质 的称 为 蛋 白 酶 ； 有 时 还 加 上 来 源 ， 以 区 别 不 同 来 源 的 同 一 类 酶 ， 如 胃 蛋 白 酶 、胰 蛋 白 酶 等 等 。 2.根 据 酶 所 催 化 的 反 应 类 型 ： 催 化 底 物 分 子 水 解 的 称 为 水 解 酶 ， 催 化 还原 反 应 的 称 为 还 原 酶 。 也 有 根 据 上 述 两 项 原 则 综 合 命 名 或 加 上 酶 的 其 它 特 点 ， 如 琥 珀 酸 脱 氢酶 、 碱 性 磷 酸 酶 等 等 。 习 惯 命 名 较 简 单 ， 习 用 较 久 ， 但 缺 乏 系 统 性 又 不 甚 合 理
9、， 以 致 造 成 某 些酶 的 名 称 混 乱 。 如 ： 肠 激 酶 和 肌 激 酶 ， 从 字 面 看 ， 很 似 来 源 不 同 而 作 用 相 似的 两 种 酶 ， 实 际 上 它 们 的 作 用 方 式 截 然 不 同 。 又 比 如 ： 铜 硫 解 酶 和 乙 酰 辅酶 A 转 酰 基 酶 实 际 上 是 同 一 种 酶 ， 但 名 称 却 完 全 不 同 。 鉴 于 上 述 情 况 和 新 发 现 的 酶 不 断 增 加 ， 为 适 应 酶 学 发 展 的 新 情 况 ， 国际 生 化 协 会 酶 委 员 会 推 荐 了 一 套 系 统 的 酶 命 名 方 案 和 分 类 方
10、法 ， 决 定 每 一 种酶 应 有 系 统 名 称 和 习 惯 名 称 。 同 时 每 一 种 酶 有 一 个 固 定 编 号 。 系 统 命 名酶 的 系 统 命 名 是 以 酶 所 催 化 的 整 体 反 应 为 基 础 的 。 规 定 ， 每 种 酶 的 名 称应 明 确 写 出 底 物 名 称 及 其 催 化 性 质 。 若 酶 反 应 中 有 两 种 底 物 起 反 应 ， 则 这两 种 底 物 均 需 列 出 ， 当 中 用 “： ”分 隔 开 。 例 如 ： 谷 丙 转 氨 酶 （ 习 惯 名 称 ） 写 成 系 统 名 时 ， 应 将 它 的 两 个 底 物“L-丙 氨 酸
11、”“ -酮 戊 二 酸 ”同 时 列 出 ， 它 所 催 化 的 反 应 性 质 为 转 氨 基 ，也 需 指 明 ， 故 其 名 称 为 “L-丙 氨 酸 ： -酮 戊 二 酸 转 氨 酶 ”。 由 于 系 统 命 名 一 般 都 很 长 ， 使 用 时 不 方 便 ， 因 此 叙 述 时 可 采 用 习 惯 名 。 酶 的 分 类根 据 酶 所 催 化 的 反 应 性 质 的 不 同 ， 将 酶 分 成 六 大 类 ： 氧 化 还 原 酶 类 （ oxidoreductase）促 进 底 物 的 氧 化 或 还 原 。 转 移 酶 类 （ transferases）促 进 不 同 物 质
12、分 子 间 某 种 化 学 基 团 的 交 换 或 转 移 。 水 解 酶 类 （ hydrolases ）促 进 水 解 反 应 。 裂 合 酶 类 （ lyases）催 化 从 底 物 分 子 双 键 上 加 基 团 或 脱 基 团 反 应 ， 即 促 进 一 种 化 合 物 分 裂为 两 种 化 合 物 ， 或 由 两 种 化 合 物 合 成 一 种 化 合 物 。 异 构 酶 类 （ isomerases）促 进 同 分 异 构 体 互 相 转 化 ， 即 催 化 底 物 分 子 内 部 的 重 排 反 应 。 合 成 酶 类 （ ligase）促 进 两 分 子 化 合 物 互 相
13、结 合 ， 同 时 ATP 分 子 （ 或 其 它 三 磷 酸 核 苷 ） 中的 高 能 磷 酸 键 断 裂 ， 即 催 化 分 子 间 缔 合 反 应 。 按 照 国 际 生 化 协 会 公 布 的 酶 的 统 一 分 类 原 则 ， 在 上 述 六 大 类 基 础 上 ， 在每 一 大 类 酶 中 又 根 据 底 物 中 被 作 用 的 基 团 或 键 的 特 点 ， 分 为 若 干 亚 类 ； 为 了更 精 确 地 表 明 底 物 或 反 应 物 的 性 质 ， 每 一 个 亚 类 再 分 为 几 个 组 （ 亚 亚 类 ） ；每 个 组 中 直 接 包 含 若 干 个 酶 。 例 如
14、： 乳 酸 脱 氢 酶 （ EC1.1.1.27） 催 化 下 列 反 应 ： 图 例 1其 编 号 解 释 如 下 ： 催 化 反 应 图 例 2 酶 的 活 力酶 活 力 单 位 （ U, active unit） ： 酶 活 力 单 位 的 量 度 。 1961 年 国 际 酶 学 会 议 规 定 ： 1 个 酶 活 力 单 位 是 指在 特 定 条 件 （ 25 ， 其 它 为 最 适 条 件 ） 下 ， 在 1min 内 能 转 化 1 mol 底 物的 酶 量 ， 或 是 转 化 底 物 中 1 mol 的 有 关 基 团 的 酶 量 。 比 活 （ specific activi
15、ty） :每 分 钟 每 毫 克 酶 蛋 白 在 25 下 转 化 的 底物 的 微 摩 尔 数 。 比 活 是 酶 纯 度 的 测 量 。 活 化 能 （ activation energy） :将 1mol 反 应 底 物 中 所 有 分 子 由 基 态 转化 为 过 度 态 所 需 要 的 能 量 。 活 性 部 位 （ active site） :酶 中 含 有 底 物 结 合 部 位 和 参 与 催 化 底 物 转 化为 产 物 的 氨 基 酸 残 基 部 分 。 活 性 部 位 通 常 位 于 蛋 白 质 的 结 构 域 或 亚 基 之 间的 裂 隙 或 是 蛋 白 质 表 面 的
16、 凹 陷 部 位 ， 通 常 都 是 由 在 三 维 空 间 上 靠 得 很 紧 的一 些 氨 基 酸 残 基 组 成 。 酶 活 测 定初 速 度 (initial velocity)： 酶 促 反 应 最 初 阶 段 底 物 转 化 为 产 物 的 速 度 ，这 一 阶 段 产 物 的 浓 度 非 常 低 ， 其 逆 反 应 可 以 忽 略 不 计 。 米 氏 方 程 （ Michaelis-Mentent equation） :表 示 一 个 酶 促 反 应 的 起 始速 度 （ ） 与 底 物 浓 度 (s)关 系 的 速 度 方 程 ： = maxs/(Km+s) 米 氏 常 数 （
17、 Michaelis constant） :对 于 一 个 给 定 的 反 应 ， 使 酶 促 反 应的 起 始 速 度 （ 0） 达 到 最 大 反 应 速 度 （ max） 一 半 时 的 底 物 浓 度 。 催 化 常 数 （ catalytic number） (Kcat):也 称 为 转 换 数 。 是 一 个 动 力 学常 数 ， 是 在 底 物 处 于 饱 和 状 态 下 一 个 酶 （ 或 一 个 酶 活 性 部 位 ） 催 化 一 个 反 应有 多 快 的 测 量 。 催 化 常 数 等 于 最 大 反 应 速 度 除 以 总 的 酶 浓 度 （ max/Etotal） 。
18、或是 每 摩 酶 活 性 部 位 每 秒 钟 转 化 为 产 物 的 底 物 的 量 （ 摩 尔 ） 。 双 倒 数 作 图 （ double-reciprocal plot） :那 称 为 Lineweaver_Burk 作图 。 一 个 酶 促 反 应 的 速 度 的 倒 数 （ 1/V） 对 底 物 度 的 倒 数 （ 1/LSF） 的 作 图 。x 和 y 轴 上 的 截 距 分 别 代 表 米 氏 常 数 和 最 大 反 应 速 度 的 倒 数 。 酶 活 调 节竞 争 性 抑 制 作 用 （ competitive inhibition） ： 通 过 增 加 底 物 浓 度 可 以
19、 逆转 的 一 种 酶 抑 制 类 型 。 竞 争 性 抑 制 剂 通 常 与 正 常 的 底 物 或 配 体 竞 争 同 一 个蛋 白 质 的 结 合 部 位 。 这 种 抑 制 使 Km 增 大 而 max 不 变 。 非 竞 争 性 抑 制 作 用 （ noncompetitive inhibition） : 抑 制 剂 不 仅 与 游离 酶 结 合 ， 也 可 以 与 酶 -底 物 复 合 物 结 合 的 一 种 酶 促 反 应 抑 制 作 用 。 这 种 抑制 使 Km 不 变 而 max 变 小 。 反 竞 争 性 抑 制 作 用 （ uncompetitive inhibitio
20、n） : 抑 制 剂 只 与 酶 -底物 复 合 物 结 合 而 不 与 游 离 的 酶 结 合 的 一 种 酶 促 反 应 抑 制 作 用 。 这 种 抑 制 使Km 和 max 都 变 小 但 max/Km 不 变 。 很 大 一 类 复 杂 的 蛋 白 质 物 质 enzyme;ferment， 在 促 进 可 逆 反 应 (如水 解 和 氧 化 )方 面 起 着 像 催 化 剂 一 样 的 作 用 。 在 许 多 工 业 过 程 中 是 有 用 的(如 发 酵 、 皮 革 鞣 制 及 干 酪 生 产 ) 酶 是 一 种 有 机 的 胶 状 物 质 ， 由 蛋 白 质 组 成 ， 对 于
21、 生 物 的 化 学 变 化 起 催化 作 用 ， 发 酵 就 是 靠 它 的 作 用 ： 原 。 影 响 酶 活 力 的 因 素米 契 里 斯 （ Michaelis） 和 门 坦 （ Menten） 根 据 中 间 产 物 学 说 推 导 出 酶促 反 应 速 度 方 程 式 ， 即 米 -门 公 式 （ 具 体 参 考 环 境 工 程 微 生 物 学 第 四 章微 生 物 的 生 理 ） 。 由 米 门 公 式 可 知 ： 酶 促 反 应 速 度 受 酶 浓 度 和 底 物 浓 度 的 影响 ， 也 受 温 度 、 pH、 激 活 剂 和 抑 制 剂 的 影 响 。 （ 1） 酶 浓 度
22、 对 酶 促 反 应 速 度 的 影 响 从 米 门 公 式 和 酶 浓 度 与 酶 促 反 应 速 度 的 关 系 图 解 可 以 看 出 ： 酶 促 反 应 速度 与 酶 分 子 的 浓 度 成 正 比 。 当 底 物 分 子 浓 度 足 够 时 ， 酶 分 子 越 多 ， 底 物 转 化的 速 度 越 快 。 但 事 实 上 ， 当 酶 浓 度 很 高 时 ， 并 不 保 持 这 种 关 系 ， 曲 线 逐 渐趋 向 平 缓 。 根 据 分 析 ， 这 可 能 是 高 浓 度 的 底 物 夹 带 夹 带 有 许 多 的 抑 制 剂 所 致 。（ 2） 底 物 浓 度 对 酶 促 反 应
23、速 度 的 影 响 在 生 化 反 应 中 ， 若 酶 的 浓 度 为 定 值 ， 底 物 的 起 始 浓 度 较 低 时 ， 酶 促 反 应速 度 与 底 物 浓 度 成 正 比 ， 即 随 底 物 浓 度 的 增 加 而 增 加 。 当 所 有 的 酶 与 底 物 结合 生 成 中 间 产 物 后 ， 即 使 在 增 加 底 物 浓 度 ， 中 间 产 物 浓 度 也 不 会 增 加 ， 酶 促反 应 速 度 也 不 增 加 。 还 可 以 得 出 ， 在 底 物 浓 度 相 同 条 件 下 ， 酶 促 反 应 速 度 与 酶 的 初 始 浓 度 成正 比 。 酶 的 初 始 浓 度 大
24、， 其 酶 促 反 应 速 度 就 大 。 在 实 际 测 定 中 ， 即 使 酶 浓 度 足 够 高 ， 随 底 物 浓 度 的 升 高 ， 酶 促 反 应 速 度 并 没有 因 此 增 加 ， 甚 至 受 到 抑 制 。 其 原 因 是 ： 高 浓 度 底 物 降 低 了 水 的 有 效 浓 度 ，降 低 了 分 子 扩 散 性 ， 从 而 降 低 了 酶 促 反 应 速 度 。 过 量 的 底 物 聚 集 在 酶 分 子 上 ，生 成 无 活 性 的 中 间 产 物 ， 不 能 释 放 出 酶 分 子 ， 从 而 也 会 降 低 反 应 速 度 。 （ 3） 温 度 对 酶 促 反 应
25、速 度 的 影 响 各 种 酶 在 最 适 温 度 范 围 内 ， 酶 活 性 最 强 ， 酶 促 反 应 速 度 最 大 。 在 适 宜 的温 度 范 围 内 ， 温 度 每 升 高 10 ， 酶 促 反 应 速 度 可 以 相 应 提 高 1 2 倍 。 不同 生 物 体 内 酶 的 最 适 温 度 不 同 。 如 ， 动 物 组 织 中 各 种 酶 的 最 适 温 度 为37 40 ； 微 生 物 体 内 各 种 酶 的 最 适 温 度 为 25 60 ， 但 也 有 例 外 ， 如 黑曲 糖 化 酶 的 最 适 温 度 为 62 64 ； 巨 大 芽 孢 杆 菌 、 短 乳 酸 杆 菌
26、 、 产 气 杆 菌等 体 内 的 葡 萄 糖 异 构 酶 的 最 适 温 度 为 80 ； 枯 草 杆 菌 的 液 化 型 淀 粉 酶 的 最适 温 度 为 85 94 。 可 见 ， 一 些 芽 孢 杆 菌 的 酶 的 热 稳 定 性 较 高 。 过 高 或 过 低的 温 度 都 会 降 低 酶 的 催 化 效 率 ， 即 降 低 酶 促 反 应 速 度 。 最 适 温 度 在 60 以 下 的 酶 ， 当 温 度 达 到 60 80 时 ， 大 部 分 酶 被 破 坏 ，发 生 不 可 逆 变 性 ； 当 温 度 接 近 100 时 ， 酶 的 催 化 作 用 完 全 丧 失 。 所 以
27、 ， 人 在 发 烧 时 ， 不 想 吃 东 西 。 （ 4） pH 对 酶 促 反 应 速 度 的 影 响 酶 在 最 适 pH 范 围 内 表 现 出 活 性 ， 大 于 或 小 于 最 适 pH， 都 会 降 低 酶 活性 。 主 要 表 现 在 两 个 方 面 ： 改 变 底 物 分 子 和 酶 分 子 的 带 电 状 态 ， 从 而 影 响酶 和 底 物 的 结 合 ； 过 高 或 过 低 的 pH 都 会 影 响 酶 的 稳 定 性 ， 进 而 使 酶 遭 受不 可 逆 破 坏 。 人 体 中 的 大 部 分 酶 所 处 环 境 的 pH 值 越 接 近 7， 催 化 效 果 越
28、好 。但 人 体 中 的 胃 蛋 白 酶 却 适 宜 在 pH 值 为 12 的 环 境 中 ， 胰 蛋 白 酶 的 最 适 pH在 8 左 右 。 （ 5） 激 活 剂 对 酶 促 反 应 速 度 的 影 响 能 激 活 酶 的 物 质 称 为 酶 的 激 活 剂 。 激 活 剂 种 类 很 多 ， 有 无 机 阳 离 子 ，如 钠 离 子 、 钾 离 子 、 铜 离 子 、 钙 离 子 等 ； 无 机 阴 离 子 ， 如 氯 离 子 、 溴 离子 、 碘 离 子 、 硫 酸 盐 离 子 磷 酸 盐 离 子 等 ； 有 机 化 合 物 ， 如 维 生 素 C、 半胱 氨 酸 、 还 原 性
29、谷 胱 甘 肽 等 。 许 多 酶 只 有 当 某 一 种 适 当 的 激 活 剂 存 在 时 ， 才表 现 出 催 化 活 性 或 强 化 其 催 化 活 性 ， 这 称 为 对 酶 的 激 活 作 用 。 而 有 些 酶 被合 成 后 呈 现 无 活 性 状 态 ， 这 种 酶 称 为 酶 原 。 它 必 须 经 过 适 当 的 激 活 剂 激 活 后才 具 活 性 。 （ 6） 抑 制 剂 对 酶 促 反 应 速 度 的 影 响 能 减 弱 、 抑 制 甚 至 破 坏 酶 活 性 的 物 质 称 为 酶 的 抑 制 剂 。 它 可 降 低 酶 促 反应 速 度 。 酶 的 抑 制 剂 有
30、 重 金 属 离 子 、 一 氧 化 碳 、 硫 化 氢 、 氢 氰 酸 、 氟 化 物 、碘 化 乙 酸 、 生 物 碱 、 染 料 、 对 -氯 汞 苯 甲 酸 、 二 异 丙 基 氟 磷 酸 、 乙 二 胺 四 乙酸 、 表 面 活 性 剂 等 。 对 酶 促 反 应 的 抑 制 可 分 为 竞 争 性 抑 制 和 非 竞 争 性 抑 制 。 与 底 物 结 构 类似 的 物 质 争 先 与 酶 的 活 性 中 心 结 合 ， 从 而 降 低 酶 促 反 应 速 度 ， 这 种 作 用 称 为竞 争 性 抑 制 。 竞 争 性 抑 制 是 可 逆 性 抑 制 ， 通 过 增 加 底 物
31、浓 度 最 终 可 解 除 抑 制 ，恢 复 酶 的 活 性 。 与 底 物 结 构 类 似 的 物 质 称 为 竞 争 性 抑 制 剂 。 抑 制 剂 与 酶 活性 中 心 以 外 的 位 点 结 合 后 ， 底 物 仍 可 与 酶 活 性 中 心 结 合 ， 但 酶 不 显 示 活 性 ，这 种 作 用 称 为 非 竞 争 性 抑 制 。 非 竞 争 性 抑 制 是 不 可 逆 的 ， 增 加 底 物 浓 度 并 不能 解 除 对 酶 活 性 的 抑 制 。 与 酶 活 性 中 心 以 外 的 位 点 结 合 的 抑 制 剂 ， 称 为 非 竞争 性 抑 制 剂 。 有 的 物 质 既 可
32、 作 为 一 种 酶 的 抑 制 剂 ， 又 可 作 为 另 一 种 酶 的 激 活 剂 。 酶 的 催 化酸 -碱 催 化 （ acid-base catalysis） ： 质 子 转 移 加 速 反 应 的 催 化 作 用 。共 价 催 化 （ covalent catalysis） ： 一 个 底 物 或 底 物 的 一 部 分 与 催 化 剂形 成 共 价 键 ， 然 后 被 转 移 给 第 二 个 底 物 。 许 多 酶 催 化 的 基 团 转 移 反 应 都 是 通过 共 价 方 式 进 行 的 。 催 化 机 理 酶 的 催 化 机 理 和 一 般 化 学 催 化 剂 基 本 相
33、 同 ， 也 是 先 和 反 应 物 （ 酶 的 底 物 ）结 合 成 络 合 物 ， 通 过 降 低 反 应 的 能 来 提 高 化 学 反 应 的 速 度 ， 在 恒 定 温 度 下 ，化 学 反 应 体 系 中 每 个 反 应 物 分 子 所 含 的 能 量 虽 然 差 别 较 大 ， 但 其 平 均 值 较 低 ，这 是 反 应 的 初 态 。 S（ 底 物 ） P（ 产 物 ） 这 个 反 应 之 所 以 能 够 进 行 ， 是 因 为 有 相 当 部 分 的S 分 子 已 被 激 活 成 为 活 化 （ 过 渡 态 ） 分 子 ， 活 化 分 子 越 多 ， 反 应 速 度 越 快
34、 。在 特 定 温 度 时 ， 化 学 反 应 的 活 化 能 是 使 1 摩 尔 物 质 的 全 部 分 子 成 为 活 化 分子 所 需 的 能 量 （ 千 卡 ） 。 酶 （ E） 的 作 用 是 ： 与 S 暂 时 结 合 形 成 一 个 新 化 合 物 ES， ES 的 活 化 状态 （ 过 渡 态 ） 比 无 催 化 剂 的 该 化 学 反 应 中 反 应 物 活 化 分 子 含 有 的 能 量 低 得 多 。ES 再 反 应 产 生 P， 同 时 释 放 E。 E 可 与 另 外 的 S 分 子 结 合 ， 再 重 复 这 个 循 环 。降 低 整 个 反 应 所 需 的 活 化
35、 能 ， 使 在 单 位 时 间 内 有 更 多 的 分 子 进 行 反 应 ， 反 应速 度 得 以 加 快 。 如 没 有 催 化 剂 存 在 时 ， 过 氧 化 氢 分 解 为 水 和 氧 的 反 应（ 2H2O2 2H2O+O2） 需 要 的 活 化 能 为 每 摩 尔 18 千 卡 （ 1 千 卡 =4.187 焦 耳 ） ，用 过 氧 化 氢 酶 催 化 此 反 应 时 ， 只 需 要 活 化 能 每 摩 尔 2 千 卡 ， 反 应 速 度 约 增加 1011 倍 。 酶 促 反 应 的 特 点(一 )酶 促 反 应 具 有 高 度 的 催 化 速 率 酶 是 高 效 生 物 催
36、化 剂 ， 比 一 般 催 化 剂 的 效 率 高 107-1013 倍 。 酶 能 加 快化 学 反 应 的 速 度 ， 但 酶 不 能 改 变 化 学 反 应 的 平 衡 点 ， 也 就 是 说 酶 在 促 进 正 向反 应 的 同 时 也 以 相 同 的 比 例 促 进 逆 向 的 反 应 ， 所 以 酶 的 作 用 是 缩 短 了 到 达 平衡 所 需 的 时 间 ， 但 平 衡 常 数 不 变 ， 在 无 酶 的 情 况 下 达 到 平 衡 点 需 几 个 小 时 ，在 有 酶 时 可 能 只 要 几 秒 钟 就 可 达 到 平 衡 。 酶 和 一 般 催 化 剂 都 是 通 过 降
37、 低 反 应 活 化 能 的 机 制 来 加 快 化 学 反 应 速 度 的 。(二 ) 酶 催 化 具 有 高 度 特 异 性 酶 的 催 化 特 异 性 表 现 在 它 对 底 物 的 选 择 性 和 催 化 反 应 的 特 异 性 两 方 面 。体 内 的 化 学 反 应 除 了 个 别 自 发 进 行 外 ， 绝 大 多 数 都 由 专 一 的 酶 催 化 ， 一 种 酶能 从 成 千 上 万 种 反 应 物 中 找 出 自 己 作 用 的 底 物 ， 这 就 是 酶 的 特 异 性 。 根 据 酶催 化 特 异 性 程 度 上 的 差 别 ， 分 为 绝 对 特 异 性 (absol
38、ute specificity)、 相对 特 异 性 (relative specificity)和 立 体 异 构 特 异 性 (stereospecificity)三类 。 一 种 酶 只 催 化 一 种 底 物 进 行 反 应 的 称 绝 对 特 异 性 ， 如 脲 酶 只 能 水 解 尿素 使 其 分 解 为 二 氧 化 碳 和 氨 ； 若 一 种 酶 能 催 化 一 类 化 合 物 或 一 类 化 学 键 进 行反 应 的 称 为 相 对 特 异 性 ， 如 酯 酶 既 能 催 化 甘 油 三 脂 水 解 ， 又 能 水 解 其 他 酯键 。 具 有 立 体 异 构 特 异 性 的
39、酶 对 底 物 分 子 立 体 构 型 有 严 格 要 求 ， 如 L 乳 酸脱 氢 酶 只 催 化 L-乳 酸 脱 氢 ， 对 D-乳 酸 无 作 用 。 (三 ) 酶 活 性 的 可 调 节 性 有 些 酶 的 催 化 活 性 可 受 许 多 因 素 的 影 响 ， 如 别 构 酶 受 别 构 剂 的 调 节 ， 有的 酶 受 共 价 修 饰 的 调 节 ， 激 素 和 神 经 体 液 通 过 第 二 信 使 对 酶 活 力 进 行 调 节 ，以 及 诱 导 剂 或 阻 抑 剂 对 细 胞 内 酶 含 量 (改 变 酶 合 成 与 分 解 速 度 )的 调 节 等 。 酶 促 反 应 的
40、作 用 机 制酶 (E)与 底 物 (S)形 成 酶 -底 物 复 合 物 (ES) 酶 的 活 性 中 心 与 底 物 定 向 结 合 生 成 ES 复 合 物 是 酶 催 化 作 用 的 第 一 步 。定 向 结 合 的 能 量 来 自 酶 活 性 中 心 功 能 基 团 与 底 物 相 互 作 用 时 形 成 的 多 种 非 共价 键 ， 如 离 子 键 、 氢 键 、 疏 水 键 ， 也 包 括 范 德 瓦 力 。 它 们 结 合 时 产 生 的 能量 称 为 结 合 能 （ binding energy） 。 这 就 不 难 理 解 各 个 酶 对 自 己 的 底 物 的 结合 有
41、选 择 性 。 (二 )酶 与 底 物 的 过 渡 状 态 互 补 若 酶 只 与 底 物 互 补 生 成 ES 复 合 物 ， 不 能 进 一 步 促 使 底 物 进 入 过 渡 状 态 ，那 么 酶 的 催 化 作 用 不 能 发 生 。 这 是 因 为 酶 与 底 物 生 成 ES 复 合 物 后 尚 需 通 过酶 与 底 物 分 子 间 形 成 更 多 的 非 共 价 键 ， 生 成 酶 与 底 物 的 过 渡 状 态 互 补 的 复 合物 (图 4-8)， 才 能 完 成 酶 的 催 化 作 用 。 实 际 上 在 上 述 更 多 的 非 共 价 键 生 成 的过 程 中 底 物 分
42、 子 由 原 来 的 基 态 转 变 成 过 渡 状 态 。 即 底 物 分 子 成 为 活 化 分 子 ，为 底 物 分 子 进 行 化 学 反 应 所 需 的 基 团 的 组 合 排 布 、 瞬 间 的 不 稳 定 的 电 荷 的 生成 以 及 其 他 的 转 化 等 提 供 了 条 件 。 所 以 过 渡 状 态 不 是 一 种 稳 定 的 化 学 物 质 ，不 同 于 反 应 过 程 中 的 中 间 产 物 。 就 分 子 的 过 渡 状 态 而 言 ， 它 转 变 为 产 物 (P)或转 变 为 底 物 (S)的 概 率 是 相 等 的 。 当 酶 与 底 物 生 成 ES 复 合
43、物 并 进 一 步 形 成 过 渡 状 态 ， 这 过 程 已 释 放 较 多的 结 合 能 ， 现 知 这 部 分 结 合 能 可 以 抵 消 部 分 反 应 物 分 子 活 化 所 需 的 活 化 能 ，从 而 使 原 先 低 于 活 化 能 阈 的 分 子 也 成 为 活 化 分 子 ， 于 是 加 速 化 学 反 应 的 速 度 (三 )酶 促 反 应 作 用 机 制 1 邻 近 效 应 与 定 向 排 列 2 多 元 催 化 （ multielement catalysis） 3 表 面 效 应 (surface effect) 应 该 指 出 的 是 ， 一 种 酶 的 催 化 反
44、 应 常 常 是 多 种 催 化 机 制 的 综 合 作 用 ，这 是 酶 促 进 反 应 高 效 率 的 重 要 原 因 。 酶 的 应 用酶 在 生 物 体 内在 生 物 体 内 的 酶 是 具 有 生 物 活 性 的 蛋 白 质 ， 存 在 于 生 物 体 内 的 细 胞 和 组织 中 ， 作 为 生 物 体 内 化 学 反 应 的 催 化 剂 ， 不 断 地 进 行 自 我 更 新 ， 使 生 物 体 内及 其 复 杂 的 代 谢 活 动 不 断 地 、 有 条 不 紊 地 进 行 酶 的 催 化 效 率 特 别 高 （ 即 高 效 性 ） ， 比 一 般 的 化 学 催 化 剂 的
45、效 率 高107 1018 倍 ， 这 就 是 生 物 体 内 许 多 化 学 反 应 很 容 易 进 行 的 原 因 之 一 酶 的 催 化 具 有 高 度 的 化 学 选 择 性 和 专 一 性 一 种 酶 往 往 只 能 对 某 一 种 或某 一 类 反 应 起 催 化 作 用 ， 且 酶 和 被 催 化 的 反 应 物 在 结 构 上 往 往 有 相 似 性 一 般 在 37 左 右 ， 接 近 中 性 的 环 境 下 ， 酶 的 催 化 效 率 就 非 常 高 ， 虽 然它 与 一 般 催 化 剂 一 样 ， 随 着 温 度 升 高 ， 活 性 也 提 高 ， 但 由 于 酶 是 蛋
46、 白 质 ， 因此 温 度 过 高 ， 会 失 去 活 性 （ 变 性 ） ， 因 此 酶 的 催 化 温 度 一 般 不 能 高 于 60 ，否 则 ， 酶 的 催 化 效 率 就 会 降 低 ， 甚 至 会 失 去 催 化 作 用 强 酸 、 强 碱 、 重 金属 离 子 、 紫 外 线 等 的 存 在 ， 也 都 会 影 响 酶 的 催 化 作 用 人 体 内 存 在 大 量 酶 ， 结 构 复 杂 ， 种 类 繁 多 ， 到 目 前 为 止 ， 已 发 现 3000种 以 上 （ 即 多 样 性 ） 如 米 饭 在 口 腔 内 咀 嚼 时 ， 咀 嚼 时 间 越 长 ， 甜 味 越 明
47、 显 ，是 由 于 米 饭 中 的 淀 粉 在 口 腔 分 泌 出 的 唾 液 淀 粉 酶 的 作 用 下 ， 水 解 成 麦 芽 糖的 缘 故 因 此 ， 吃 饭 时 多 咀 嚼 可 以 让 食 物 与 唾 液 充 分 混 合 ， 有 利 于 消 化 此外 人 体 内 还 有 胃 蛋 白 酶 ， 胰 蛋 白 酶 等 多 种 水 解 酶 人 体 从 食 物 中 摄 取 的 蛋 白质 ， 必 须 在 胃 蛋 白 酶 等 作 用 下 ， 水 解 成 氨 基 酸 ， 然 后 再 在 其 它 酶 的 作 用 下 ，选 择 人 体 所 需 的 20 多 种 氨 基 酸 ， 按 照 一 定 的 顺 序 重
48、 新 结 合 成 人 体 所 需 的 各种 蛋 白 质 ， 这 其 中 发 生 了 许 多 复 杂 的 化 学 反 应 可 以 这 样 说 ， 没 有 酶 就 没 有生 物 的 新 陈 代 谢 ， 也 就 没 有 自 然 界 中 形 形 色 色 、 丰 富 多 彩 的 生 物 界 为 什 么 人 体 缺 酶目 前 的 问 题 是 现 代 人 体 内 缺 酶 的 现 象 普 遍 严 重 ， 人 群 中 十 有 六 七 的 体 中酶 量 不 足 。 对 此 ， 概 括 了 三 个 主 要 的 原 因 ： 原 因 一 ： 生 食 生 食 物 中 含 有 必 需 的 消 化 酶 ， 但 酶 在 高 温
49、 烹 调 下 或 加 工 储 运 过 程 中 容 易丧 失 活 性 ， 由 于 人 们 大 都 以 熟 食 为 主 ， 使 得 食 物 中 原 有 的 酶 遭 受 破 坏 ， 而不 得 不 消 耗 体 内 天 然 的 酶 储 备 。 另 外 ， 有 些 水 果 中 酶 含 量 最 高 的 部 位 却 是 在人 们 所 不 吃 的 果 皮 和 果 茎 中 ， 以 及 在 未 成 熟 的 苦 涩 的 果 汁 中 ， 这 也 是 造 成人 体 酶 量 缺 乏 的 因 素 所 在 。 原 因 二 ： 老 化 人 的 一 生 当 中 体 内 生 成 的 酶 是 有 限 的 ， 随 着 年 龄 的 增 长 ， 体 内 分 泌 的 酶从 旺 盛 变 得 不 足 。 人 体 摄 入 的 养 料 不 容 易 消 化 吸 收 ， 依 靠 摄 取 养 料 来 合 成 酶的 能 力 下 降 ， 从 而 酶 缺 乏 加 剧 ， 形 成 体 内 酶 量 递 减 的 恶 性 循 环 。 原 因 三 ： 现 代 生 活 随
