生物学6酶学与酶工程

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1、酶学与酶工程 酶是一种在生物体内具有新陈代谢催化剂作用的蛋白质。它们可特定地促成某个反应而它们本身却不参与反应，且具有反应效率高、反应条件温和、反应产物污染小、能耗低和反应易控制等特点。 酶工程就是利用酶催化的作用，在一定的生物反应器中，将相应的原料转化成所需要的产品。它是酶学理论与化工技术相结合而形成的一种新技术。 酶工程的应用主要集中于食品工业、轻工业以及医药工业中。 第一节 酶学概述 新陈代谢是生命活动的基础，是生命活动最重要的特征。而构成新陈代谢的许多复杂而有规律的物质变化和能量变化，都是在酶催化下进行的。生命的生长发育、繁殖、遗传、运动、神经传导等生命活动都与酶的催化过程紧密相关，可

2、以说，没有酶的参与，生命活动一刻也不能进行。 酶是一类有催化功能的大分子物质，这些物质的化学本质绝大多数属于蛋白质，少数为RNA类。（一）酶和一般催化剂的共性1. 用量少而催化效率高；2. 不改变化学反应的平衡点；3. 可降低反应的活化能。酶催化作用的特点在一个反应体系里，任何反应物分子都有进行化学反应的可能，但并非全部反应物分子都进行化学反应。只有那些具有较高能量，处于活化态的分子（活化分子）才能在分子碰撞中发生化学反应。活化能：在一定温度下，1摩尔底物全部进入活化态所需要的自由能（kJ/mol)分子由基态达到活化态的途径有二：1、给反应体系加热或用光照射，从而使反应分子获得所需的活化能量；

3、2、使用催化剂，使其瞬时地与反应物结合成过渡态，降低反应活化能，使反应沿着一个活化能垒较低的途径进行。（二）酶作为生物催化剂的特点1. 酶具有高度的专一性 绝对专一性 结构专一性 族的专一性酶的专一性 键的专一性 旋光异构专一性 立体结构专一性 几何异构专一性2. 酶易失活3. 酶活性受到调节和控制4. 酶具有很高的催化效率锁钥学说：锁钥学说：n认为整个酶分子的天然构象是具有刚性认为整个酶分子的天然构象是具有刚性结构的，酶表面具有特定的形状。酶与结构的，酶表面具有特定的形状。酶与底物的结合如同一把钥匙对一把锁一样底物的结合如同一把钥匙对一把锁一样诱导契合学说诱导契合学说n该学说认为酶表面并没有

4、一种与底物互补该学说认为酶表面并没有一种与底物互补的固定形状，而只是由于底物的诱导才形的固定形状，而只是由于底物的诱导才形成了互补形状成了互补形状. .（一）酶的化学本质 酶的化学本质除有催化活性的RNA之外几乎都是蛋白质。 注意：不能说所有的蛋白质都是酶，只是具有催化活性的蛋白质才称酶。（二）酶的化学组成 从化学本质来看，酶可以分为：1. 单纯蛋白质（simple protein）2. 缀合蛋白质（conjugated protein）三、酶的化学本质及其组成缀合蛋白质（全酶）=蛋白质（脱辅酶，apoenzyme或apoprotein）+辅助因子（cofactor） 辅助因子是指一些对热稳定

5、的非蛋白质小分子物质或金属离子，包括：（1）辅酶（coenzyme）：与脱辅酶结合比较松弛的小分子有机化合物，通过透析方法即可出去，如辅酶等。（2）辅基（cofactor）：以共价键和脱辅酶结合，不能通过透析出去。（三）单体酶、寡聚酶、多酶复合体根据酶蛋白分子的特点，可将酶分为以下几类：1. 单体酶（monomeric enzyme）：一般由一条多肽链组成，如溶菌酶；但有的单体酶是由多条肽链组成，肽链间二硫键相连构成一整体。2. 寡聚酶（oligomeric enzyme）：是由两个或两个以上的亚基组成的酶，这些亚基可以是相同的，也可以是不同的。3. 多酶复合体（multienzyme com

6、plex）：是由几种酶非共价键彼此嵌合而成。（四）根据酶的存在状态分为：（四）根据酶的存在状态分为：胞内酶、胞外酶1.1.胞内酶：胞内酶：在合成分泌后定位于细胞内发生作用的酶，大多数的酶属于此类。2.2.胞外酶：胞外酶：在合成后分泌到细胞外发生作用的酶，主要为水解酶。（一）习惯命名法 1961年以前使用的酶的名称都是习惯沿用的，称为习惯名。主要依据两个原则：1. 根据酶作用的底物命名；2. 根据酶催化反应的性质及类型命名；有的酶结合上述两个原则来命名。 习惯命名比较简单，应用历史较长，尽管缺乏系统性，但现在还被人们使用。四、酶的命名和分类（二）国际系统命名法 国际系统命名法原则是以酶的整体反应

7、为基础的，规定每种酶的名称应当明确标明酶的底物及催化反应的性质。如果一种酶催化两个底物起反应，应在它们系统名称中包括两个底物的名称，并以“：”号将它们隔开。若底物之一是水时，可将水略去不写。（三）国际系统分类法及酶的编号 国际酶学委员会，根据各种酶所催化反应的类型，把酶分为6大类，即氧化还原酶类、转移酶类、水解酶类、裂合酶类、异构酶类和连接酶类。分别用1、2、3、4、5、6来表示。再根据底物中被作用的基团或键的特点将每一大类分为若干个亚类，每一个亚类又按顺序编成1、2、3、4等数字。每一个亚类可再分为亚亚类，仍用1、2、3、4编号。每一个酶的分类编号由4个数字组成，数字间由“”隔开，编号之前冠

8、以EC（EnzymeCommision)。1. 1. 氧化还原酶类（氧化还原酶类（OxidoreductasesOxidoreductases）：）：Any enzyme which catalyzes a reduction has to also catalyze Any enzyme which catalyzes a reduction has to also catalyze the reverse (oxidation) reaction, thus the double-barreled the reverse (oxidation) reaction, thus the dou

9、ble-barreled name oxidoreductase. name oxidoreductase. 2. 2. 转移酶类（转移酶类（TransferasesTransferases）: : A common example involves transfer of a phosphate between A common example involves transfer of a phosphate between ATP and a sugar molecule. ATP and a sugar molecule. 3. 3. 水解酶类（水解酶类（HydrolasesHydrol

10、ases）: : The hydrolysis of an ester would be an example of such a The hydrolysis of an ester would be an example of such a reactionreaction. .4. 4. 裂合酶类（裂合酶类（LyasesLyases）: : Reactions which add a small Reactions which add a small molecule such as water or ammonia to a double bond (and the molecule

11、such as water or ammonia to a double bond (and the reverse, elimination, reactions) are catalyzed by lyases. reverse, elimination, reactions) are catalyzed by lyases. 5. 5. 异构酶类（异构酶类（IsomerasesIsomerases）: : These enzymes catalyze the conversion of a molecule into an These enzymes catalyze the conve

12、rsion of a molecule into an isomer. The cis-trans interconversion of maleate and isomer. The cis-trans interconversion of maleate and fumarate is an example. fumarate is an example. 6. 6. 连接酶类（连接酶类（LigasesLigases）: : These enzymes catalyze reactions which make bonds to join These enzymes catalyze re

13、actions which make bonds to join together (ligate) smaller molecules to make larger ones.together (ligate) smaller molecules to make larger ones.n水解酶催化底物的加水分解反应。水解酶催化底物的加水分解反应。n主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。n例如，脂肪酶例如，脂肪酶(Lipase)(Lipase)催化的脂的水解反应：催化的脂的水解反应：(1) (1) 水解酶水解酶 hydrolase hydrolase

14、n氧化氧化- -还原酶催化氧化还原酶催化氧化- -还原反应。还原反应。n主要包括脱氢酶主要包括脱氢酶(dehydrogenase)(dehydrogenase)和氧化酶和氧化酶(Oxidase)(Oxidase)。n如，乳酸如，乳酸(Lactate)(Lactate)脱氢酶催化乳酸的脱氢反应。脱氢酶催化乳酸的脱氢反应。(2) (2) 氧化氧化- -还原酶还原酶 Oxidoreductase Oxidoreductasen转移酶催化基团转移反应，即将一个底物分子转移酶催化基团转移反应，即将一个底物分子的基团或原子转移到另一个底物的分子上。的基团或原子转移到另一个底物的分子上。例如，例如， 谷丙转

15、氨酶催化的氨基转移反应。谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。(3) (3) 转移酶转移酶 Transferase Transferasen裂合酶催化从底物分子中移去一个基团或裂合酶催化从底物分子中移去一个基团或原子形成双键的反应及其逆反应。原子形成双键的反应及其逆反应。n主要包括醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。主要包括醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。n例如，例如， 延胡索酸水合酶催化的反应。延胡索酸水合酶催化的反应。(4) (4) 裂合酶裂合酶 Lyase Lyasen异构酶催化各种同分异构体的相互转化，异构酶催化各种同分异构体的相互转化，即底物分子内基团或原子的重排过程。即底物分子内基团或原子的重排过程。例如

16、，例如，6-磷酸葡萄糖异构酶催化的反应。磷酸葡萄糖异构酶催化的反应。(5) (5) 异构酶异构酶 Isomerase Isomerasen合成酶，又称为连接酶，能够催化合成酶，又称为连接酶，能够催化C-CC-C、C-OC-O、C-N C-N 以及以及C-S C-S 键的形成反应。这类反应必须与键的形成反应。这类反应必须与ATPATP分解反应相互偶联。分解反应相互偶联。nA + B + ATP + H-O-H =A A + B + ATP + H-O-H =A B + ADP +Pi B + ADP +Pi n例如，丙酮酸羧化酶催化的反应。例如，丙酮酸羧化酶催化的反应。 丙酮酸丙酮酸 + + C

17、OCO2 2 草酰乙酸草酰乙酸(6) (6) 合成酶合成酶 Ligase or Synthetase Ligase or Synthetase核酸类酶（R酶）的分类 n自1982年以来，被发现的核酸类酶越来越多，对它的研究越来越广泛和深入。但是对于分类和命名还没有统一的原则和规定。n根据酶催化反应的类型，可以将R酶分为剪切酶，剪接酶，和多功能酶等三类。n根据R酶的结构特点不同，可分为锤头型R酶，发夹型R酶，含I型IVS 的R酶，含II型 IVS 的R酶等。n根据酶催化的底物是其本身RNA分子还是其它分子，可以将R酶分为分子内催化（in cis，也称为自我催化）和分子间催化（in trans）两

18、类。 回本章目录五、酶的活力测定 酶活力（enzyme activity）也称为酶活性，是指酶催化一定化学反应的能力。1. 酶活力与酶反应速度 酶活力的大小可以用一定条件下所催化的某一化学反应的反应速度（reaction velocity）来表示，两者呈线性关系。 酶反应速度可用单位时间内底物的减少量或产物的增加量来表示。2. 酶的活力单位（U，activity unit） 酶活力的大小及酶含量的多少，用酶活力单位表示，即酶单位（U）。酶单位的定义是：在一定条件下，一定时间内将一定量的底物转化为产物所需要的酶量。这样酶的含量就可以用每克酶制剂或每毫升酶制剂含有多少酶单位来表示（U/g或U/ml

19、）。 1961年国际酶学委员会规定“国际单位”表示酶活力；1972年又推荐一种新的酶活力单位Katal（简称Kat）单位。一个katal单位是指在最适反应条件下，1每秒钟催化1moL底物转化为产物所需要的酶量。1Kat6107IU，3. 酶的比活力（specific activity） 酶的比活力代表酶的纯度，国际酶学委员会规定比活力用每mg蛋白质所含有的酶活力单位数表示。对同一种酶比活力愈大，纯度愈高。 4. 酶的转换数：kat值 kat值以一定条件下每秒钟每个酶分子转换底物的分子数来表示酶的催化效率。5. 酶活力的测定方法（1）分光光度法（spectrophotometry）（2）荧光法（

20、fluorometry）The interactions from the added groups contribute largely to the stabilization of the transition state. Moreover, the rate can beaffected greatly by the interactions physically remote from thecovalent bond broken.第二节 酶促反应动力学 酶促反应动力学（kinetics of enzyme-catalyzed reactions）是研究酶促反应的速度以及影响此速

21、度的各种因素的科学。 酶促反应动力学的研究既有重要的理论意义，又具有一定的实践意义。一、底物浓度对酶反应速度的影响（一）中间络合物学说 1903年Henri用蔗糖酶水解做实验，研究底物浓度与反应速率的关系。当酶浓度不变时，可以测出一系列不同底物浓度下的反应速度，以反应速度对底物浓度作图，可得一双曲线。从该曲线可以看出，当底物浓度较低时，反应速率对底物浓度的关系呈正比关系，表现为一级反应。随着底物浓度的增加，反应速率不再按正比升高，反应表现为混合级反应。当底物浓度达到相当高时，底物浓度对反应速率影响变小几乎无关，反应达最大速率，为零及反应。 根据上述实验结果，Henri和Wurtz提出酶底物中间

22、络合学说。（二）酶促反应的动力学方程式1. 米氏公式的推导 1913年Michaelis和Menten在前人工作的基础上，根据酶反应的中间复合物学说，推导出底物浓度与酶反应速率之间的定量关系，称之为米氏方程：Vmax SKs + Sv =The term (k2 + k-1)/k1 is defined as the Michaelis-Menten constant, Km. An important numerical relationship emerges from the MichaelisMenten equation in the special case when V0 is

23、exactly one-half Vmax。If SKm,2. 动力学参数的意义（1）米氏常数的意义 Km是酶的一个特征常数，Km的大小只与酶的性质有关，而与酶浓度无关。 Km值可以判断酶的专一性和天然底物，1/Km可近似地表示酶对底物亲和力的大小。若已知某酶的Km值，就可以计算在某一底物浓度时，其反应速率相当于Vmax的百分率。（2）Vmax的意义 在一定酶浓度下，酶对特定底物的Vmax也是一常数。Vmax与Km相似，同一种酶对不同底物的Vmax也不同，pH、温度和离子强度等因素也影响Vmax的数值。（3）kcat/Km的意义Kcat/Km值的大小，可以比较不同酶或同一种酶催化不同底物的催化

24、效率。3. 米氏常数的测定（1）Lineweaver-Burk双倒数作图法（The Douhle-Reciprocal Plot）横轴截距为-1/Km，纵轴截距为1/Vmax。（2）Eadie-Hofstee作图法 v=Vmax-Kmv/S以vv/S作图得一直线，其纵轴截距为Vmax，斜率为-Km。（3）Hanes-Woolf作图法 S/v=S/Vmax+Km/Vmax以S/vS作图得一直线，横轴截距为-Km，斜率为1/Vmax。（4）Eisenthal和Cornish-Bowden直接线性作图法： Vmax=v+v/S Km（三）多底物的酶促反应动力学1.多底物反应按动力学机制分类（1）序列

25、反应（sequential reactions）或单-置换反应（single-displacement reactions） 有序反应（ordered reactions） 随机反应（randon reactions）（2）乒乓反应（Ping pang reactions）2. 双底物反应的动力学Figure 8-14 Steady-state kinetic analysis of bisubstrate reactions. In these double-reciprocal plots (see Box 8-1), the concentration of substrate 1 is

26、 varied while the concentration of substrate 2 is held constant. This is repeated for several values of S2, generating several separate lines. The lines intersect if a ternary complex is formed in the reaction (a), but are parallel if the reaction goes through a ping-pong or double-displacement path

27、way (b).二、酶的抑制作用 酶是蛋白质，凡可使蛋白质变性而引起酶活力丧失的作用为失活作用（inactivation)。由于酶的必需基团化学性质的改变，但酶未变性，而引起酶活力的降低或丧失称为抑制作用（inhibition）。引起抑制作用的物质称为抑制剂（inhibitor）。 变性剂对酶的变性无选择性，而一种抑制剂只能使一种酶或一类酶产生抑制作用，即抑制剂对酶的抑制作用是具有选择性的。（一）抑制作用的类型 根据抑制剂与酶的作用方式及抑制作用是否可逆，可把抑制作用分为两大类：1. 不可逆的抑制作用（irreversible inhibition）2. 可逆的抑制作用（reversible

28、inhibition） 根据可逆抑制剂与底物的关系，可逆抑制作用分为3类型：（1）竞争性抑制（competitive inhibition）（2）非竞争性抑制（noncompetitive inhibition）（3）反竞争性抑制（uncompetitive inhibition）（二）可逆抑制作用动力学1. 竞争性抑制 抑制剂（I）和底物（S）竞争酶的结合部位，从而影响了底物与酶的正常结合。竟竟争争性性抑抑制制竟争性抑制竟争性抑制竟争性抑制竟争性抑制2. 非竞争性抑制 底物与抑制剂同时和酶结合，两者没有竞争作用。非非竟竟争争性性抑抑制制3. 反竞争性抑制 酶只有与底物结合后，才能与抑制剂结合

29、，即ES+I ESI，ESI PUncompetitive inhibitiona a=1+I/KI, KI=ESI/ESI（三）一些重要的抑制剂1. 不可逆抑制剂 按照不可逆抑制作用的选择性，可将其分为两类：（1）非专一性不可逆抑制剂 主要有以下几种： 有机磷化合物 常见的有DIFP、农药敌敌畏、敌百虫、对硫磷等。有机汞、有机砷化合物 这类化合物与酶分子中半胱氨酸残基的硫基作用，抑制含硫基的酶。重金属盐 含Ag+、Cu2+ 、 Hg2+ 、 Pb2+ 、 Fe3+重金属盐在高浓度时，能使酶蛋白变性失活。 在低浓度时对某些酶的活性产生抑制作用，一般可以使用金属螯合剂如EDTA、半胱氨酸等螯合除

30、去有害的重金属离子，恢复酶的活力。烷化试剂 这一类试剂往往含一个活泼的卤素原子，如碘乙酸、碘乙酰胺和2，4-二硝基氟苯等，被作用的 基团有巯基、氨基、羧基、咪唑基和硫醚基等。氰化物、硫化物和CO青霉素（Penicillin)（2） 专一性不可逆抑制剂 Ks型不可逆抑制剂kcat型不可逆抑制剂2. 可逆抑制剂 可逆抑制剂中最重要和最常见的是竞争性抑制剂。如像一些竞争性抑制剂与天然代谢物在结构上十分相似，能选择性地抑制病菌或癌细胞在代谢过程中的某些酶，而具有抗癌和抗菌作用。这类抑制剂可称为抗代谢物或代谢类似物。三、温度对酶的影响 温度对酶反应速率的影响表现在两个方面，一方面是当温度升高时，与一般化

31、学反应一样，反应速率加快。反应温度提高10，其反应速率与原来反应速率之比称为反应的温度系数，用Q10表示，对大多数酶来讲温度系数Q10多为2 ，也就是说，即温度每升高10 ，酶反应速率为原反应速率的2倍。另一方面由于酶是蛋白质，随着温度升高，使酶蛋白逐渐变性而失活，引起酶反应速率下降。 在较低的温度范围内，酶反应速率随温度升 高而增大，但超过一定温度后，反应速率反而下降，因此只有在某一温度下，反应速率达到最大值，这个温度就称为酶反应的最适温度（opptimum temperature)。每种酶在一定条件下都有其最适温度。vt/0C最适温度四 、 pH对酶反应的影响 酶的活力受环境p的影响，在一

32、定p下，酶表现最大活力，高于或低于此p，酶活力降低，通常把表现出酶最大活力的p称为该酶的最适p（optimum pH) 各种酶在一定条件下都有其最特定的最适pH，因此最适pH是酶的特性之一。但酶的最适pH不是一个常数，受许多因素影响，随底物种类和浓度、缓冲液种类和浓度的不同而改变，因此最适pH只有在一定条件下才有意义。 pH影响酶活力的原因可能有以下几个方面：（1） 过酸或过碱可以使酶的空间结构破坏，引起酶构象的改变，酶活性丧失。（2） 当pH改变不很剧烈时，酶虽未变性，但活力受到影响。（3）pH影响维持酶分子空间结构的有关基团解离，从而影响了酶活性部位的构象，进而影响酶的活性。唾液 五、 激

33、活剂对酶反应的影响 凡是能提高酶活性的物质都称为激活剂(activator)，其中大部分是无机离子或简单的有机化合物。作为激活剂的金属离子有K+、Na2+ 、 Ca2+ 、 Mg2+ 、 Zn2+ 及 Fe3等离子，无机阴离子如：Cl- 、 Br- 、 I- 、 CN- 、 PO43- ，氢离子，中等大小的有机分子以及具有蛋白质性质的大分子物质等都可作为激活剂。 激活剂对酶的作用具有一定的选择性，即一种激活剂对某种酶起激活作用，而对另一种酶可能起抑制作用；有时离子之间有拮抗作用；有时金属离子间也可互相替代。第三节 酶的作用机制和酶的调节一、 酶的活性部位（一) 酶活性部位的特点 通过各种研究证

34、明，酶的特殊催化能力只局限在大分子的一定区域，也就是说，只有少数特异的氨基酸残基参与底部结合及催化作用。这些特异的氨基酸残基比较集中的区域，即与酶活力直接相关的区域称为酶的活性部位(active site)或活性中心(active center)。通常又将活性部位分为结合部位和催化部位，前者负责与底物的结合，决定酶的专一性；后者负责催化底物键的断裂形成新键，决定酶的催化能力。对需要辅酶的酶来说，辅酶分子，或辅酶分子上的某一部分结构，往往也是酶活性部分组成部分。虽然酶在结构、专一性和催化模式上差别很大，就活性部分而言有其共同特点。（1） 活性部位在酶分子的总体中只占相当小的部分，通常只占整个酶分

35、子体积的 1%2%。（2） 酶的活性部分是一个三维实体。（3） 酶的活性部位并不是和底物的形状正好互补的，而是在酶和底物结合的过程中，底物分子或酶分子，有时是两者的构象同时发生了一定的变化后才互补的，这时催化基团的位置也正好在所催化底物键的断裂和即将生成键的适当位置。（4） 酶的活性部位是位于酶分子表面的一个裂缝(crevice)内。（5） 酶活性部位具有柔性或可运动性。 酶活性中心示意图酶活性中心示意图 n结合部位结合部位 Binding site Binding siten酶分子中与底物结合的酶分子中与底物结合的部位或区域一般称为结部位或区域一般称为结合部位。合部位。酶分子的结构特点酶分子

36、的结构特点n酶分子中促使底物发生化学酶分子中促使底物发生化学变化的部位称为催化部位变化的部位称为催化部位。n通常将酶的结合部位和催化通常将酶的结合部位和催化部位总称为酶的活性部位或部位总称为酶的活性部位或活性中心。活性中心。n结合部位决定酶的专一性，结合部位决定酶的专一性，n催化部位决定酶所催化反应催化部位决定酶所催化反应的性质。的性质。催化部位催化部位 catalytic sitecatalytic site（二） 研究酶活性部位的方法 1. 酶分子侧链基团的化学修饰法（1） 非特异性共价修饰（2） 特异性共价修饰2. 动力学参数测定法3. X射线晶体结构分析法4. 定点诱变法二、酶催化反应

37、的独特性质 酶催化反应的某些独特性质为许多反应所共有，可概括如下：（1） 酶反应可分为两类，一类反应仅仅涉及到电子的转移，这类反应的速率或转换数在108s-1数量级；另一类反应涉及到电子和质子两者或者其它基团的转移，它们的速率在103s-1数量级。大部分反应属第二类。（2） 酶的催化作用是由氨基酸侧链上的功能基团和辅酶为媒介的。（3） 酶催化反应的最适pH范围通常是狭小的（4） 与底物相比较，酶分子很大，而活性部位通常只比底物稍大一些。（5） 多酶复合体的特性，使更复杂的多底物反应按一定途径进行。三、 影响酶催化效率的有关因素（一） 底物和酶的邻近效应(approximation, proxi

38、mity)与定向效应(oritntation) 酶和底物复合物的形成过程包括：邻近效应和定向效应。 邻近效应使底物和底物（如双分子反应）之间，酶的催化基团与底物之间有效浓度得以极大的升高，从而使反应速率大大增加的一种效应。 定向效应是指反应物的反应基团之间和酶的催化基团与底物的反应基团之间的正确取位产生的效应。（二） 底物的形变(distortion)和诱导契合(induced fit) 当酶遇到其专一性底物时，酶中某些基团或离子可以使底物分子内敏感键中的某些基团的电子云密度增高或降低，使敏感键的一端更加敏感，底物分子发生形变，底物比较接近它的过渡态，降低了反应活化能，使反应易于发生。（三）

39、酸碱催化(acid-base catalysis) 酸碱催化是通过瞬时的向反应物提供质子或从反应物接受质子以稳定过渡态，加速反应的一类催化机制。在水溶液中通过高反应性的质子和氢氧离子进行的催化称为专一的酸碱性催化(specific acid-base catalysis)或狭义的酸碱催化；而通过H+以及能提供H+供体进行的催化称为总酸碱催化(general acid-base catalysis)或广义的酸碱催化。Figure 8-9 Many organic reactions are promoted by proton donors (general acids) or proton a

40、cceptors (general bases). The active sites of some enzymes contain amino acid functional groups, such as those shown here, that can participate in the catalytic process as proton donors or proton acceptors（四） 共价催化(covalent catalysis) 共价催化又称亲核催化(nucleophilic catalysis)或亲电子催化(electrophilic catalysis)，

41、在催化时，亲核催化剂或亲电子催化剂能分别放出电子或汲取电子并作用于底物的缺电子中心或负电中心，迅速形成不稳定的共价中间复合物，降低反应活化能，使反应加速。（五） 金属离子催化1. 需要金属的酶分类（1） 金属酶(metalloenzymes)（2） 金属-激活酶(metal-activated enzyme)（六）协同效应（七）活性部位微环境的影响四、酶催化反应机制的实例 胰凝乳蛋白酶（chymotrypsin）选择裂解芳香族氨基酸如象Phe、Tyr羧基侧链。其活性中心由Ser195、His57和Asp102组成。 在胰凝乳蛋白酶的催化反应中，组氨酸的咪唑基起着广义酸碱催化剂的作用，先促使Se

42、r195的羟基亲核地附着到底物敏感肽键中的羧基原子上，形成共价的酰化中间物，在促进酰化的ES中间物上的酰基转移到水或其他的酰基受体（如醇、氨基酸等）上。五、酶活性的调节控制 细胞内酶的调节和控制有多种方式，主要有：1. 调节酶的浓度；2. 通过激素调节酶活性；3. 反馈抑制调节酶活性； 在多酶体系中，反应的总速度决定于其中反应速度最慢的一个反应，这个速度最慢的酶限制着全部反应序列的速度，称为限速步骤。它受到终产物的反馈抑制。4. 抑制剂和激活剂对酶活性的调节；5. 其他调节方式：通过别构调控、酶原的激活、酶的可逆共价修饰和同工酶来调节酶的活性。（一）别构调控（allosteric regula

43、tion） 酶分子的非催化部位与某些化合物可逆地非共价结合后发生构象的改变，进而改变酶活性状态，称为酶的别构调节。具有这种调节作用的酶称为别构酶（alloseric enzyme）。凡能使酶分子发生别构作用的物质称为效应物（effector）或别构剂，通常为小分子代谢物或辅因子。 有的别构酶有“负调节物”，有的别构酶有：“正调节物”或称激活剂（激活效应物）；有的别构酶则正负调节物兼而有之。有的别构酶只有一个专一性的调节物，称之为单价别构酶（monovalent enzyme），有的别构酶则有两个或更多的专一性调节物，称为多价别构酶（polyvalent enzyme）。1. 别构酶的性质（1）

44、别构酶一般都是寡聚酶，通过次级键由多亚基组成。在别构酶分子上有和底物结合和催化底物的活性部位，也有和调节物或效应物结合的调节部位，这两种部位可能在同一个亚基上，也可能分别在不同的亚基上。在同促别构酶中活性部位和调节部位是相同的。调节部位与活性部位虽在空间上分开的，但这两个部位可互相影响，通过构象的变化，产生协同效应。（2）别构酶的动力学 因别构酶有协同效应，故其S对v的动力学曲线不是双曲线，而是S形曲线（正协同）或表观双曲线（负协同），两者均不符合米氏方程。这种S形曲线表明酶结合一分子底物（或调节物）后，酶的构象发生改变，这种新的构象大大地增加对后续底物分子的亲和力，促进后续分子与酶的结合，表

45、现为正协同性，这种酶称为具有正协同效应的酶。表观双曲线表明，在底物浓度较低的范围内酶活力上升很快，但随后底物浓度虽有较大的提高，但反应速率升高却很小。 为了区分符合米氏方程的“正常”酶，具有正协同性的别构酶和具有负协同性的别构酶，Koshland建议用协同指数（cooperativity index，CI）来鉴别。CI是指酶分子中的结合位点被底物饱和90%和饱和10%时底物浓度的比值。故协同指数又称饱和比值（saturation ratio，Rs），即：位点被90%饱和时的底物浓度位点被10%底物饱和时的浓度 Rs =81 1/n （3）K型效应物和V型效应物：凡是改变底物的K0.5而不改变V

46、max的效应物称为K型效应物。反之，凡是改变Vmax而不改变K0.5的效应物为V型效应物。（4）别构酶经加热或用化学试剂等处理，可引起别构酶解离，失去调节活性，称为脱敏作用（desensitization）。2. 别构模型（allosteric models）（1）协同模型或对称模型（concerted or symmetry model，也称WHC模型） 别构酶由确定数目的亚基组成的寡聚酶，各亚基占有相等的地位，因此每个别构酶都有一个对称轴。 每一个亚基对一种配体（或调节物）只有一个位点。 每种亚基有两种构象状态，一种为有利于结合底物或调节物的松弛构象（relaxed state，R型），另

47、一种为不利于底物或调节物结合的紧张构象（tensed state，T型）。这两种型式在三级结构和四级结构上，在催化活力上有所不同。这两种状态可以互变，且一个亚基从T态变为R态，则其它亚基也几乎同时变成R态。 当蛋白质由一构象状态转变至另一构象状态时，其分子对称性不变。（2）序变模型（sequential model，也称KNF模型） 当配体不存在时，别构酶只有一种构象状态存在（T），而不是处于R T的平衡状态，只有当配体与之结合后才诱导T态向R态转变。 别构酶的构象是以序变方式进行的，而不是齐变。当配体与一个亚基结合后，可引起该亚基构象发生变化，并使邻近亚基易于发生同样的构象变化，即影响对下一

48、个配体的亲和力。当第二个配体结合后，又可导致第三个亚基类似变化，如此顺序传递，直至最后所有亚基都处于同样的构象。这种序变机制的特点有各种TR型杂合态。 亚基间的相互作用可能是正协同效应，也可能是负协同效应，前者导致下一个亚基对配体有更大的亲和力，后者则降低亲和力。3. 天冬氨酸转氨甲酰酶（ATCase） ATCase是嘧啶核苷酸（CTP）生物合成多酶体系反应序列中的第一个酶，受到终产物反馈抑制。ATCase由催化亚基和调节亚基构成，催化亚基不与ATP和CTP结合，调节亚基与ATP和CTP结合。 ATCase的别构作用通过四级结构大的变化来转达。底物结合到ATCase上引起高度协同的别构转变，

49、ATP和CTP通过改变T态和R态之间的平衡来调节ATCase的活性。（二）酶原的激活 体内合成出的蛋白质，有时不具有生物活性，经过蛋白水解酶专一性作用后，构象发生变化，形成酶的活性部位，变成活性蛋白。这个不具生物活性的蛋白质称为前体（precursor）。如果活性蛋白质是酶，这个前体称为酶原（zymogen or proenzyme）。该活化过程，是生物体的一种调控机制。这种调控作用的特点，由无活性状态转变成活性状态是不可逆的。通过专一的蛋白水解作用来活化酶和蛋白质，在生物体系中是经常发生的，例如消化系统酶原的激活、凝血机制等。（三）可逆的共价修饰（reversible covalent mo

50、dification） 这种调控作用通过共价调节酶（covalently Modulated enzymes）进行。共价调节酶通过其他酶对其多肽链上某些基团进行可逆的共价修饰，使处于活性与非活性的互变状态，从而调节酶活性。1. 蛋白质的磷酸化 由蛋白激酶催化，将ATP或GTP位磷酸基转移到底物蛋白质氨基酸残基上的过程，其可逆过程是由蛋白磷酸化酶催化的。六、同工酶和诱导酶（一）同工酶（isozyme or isoenzyme） 是指催化相同的化学反应，但其蛋白质分子结构、理化性质和免疫性能等方面都存在明显差异的一组酶。 最常见的同工酶且研究最多的是乳酸脱氢酶（LDH），是由4个亚基聚合的四聚体，有5种同工酶，由两种不同结构基因编码成2种蛋白亚基，即肌肉型（M）和心肌型（H）亚基。H型富含酸性氨基酸，而M型富含碱性氨基酸，在电场中由阴极向阳极依次排列着LDH5（M4）、LDH4（M3H）、LDH3（M2H2）、LDH2（MH3）、LDH1(H4)。LDH同工酶有组织特异性，LDH1在心肌中相对含量高，而LDH5在肝、骨骼肌中相对含量高。（二）诱导酶（induced enzyme） 是指当细胞中加入特定诱导物后诱导产生的酶，它的含量在诱导物存在下显著提高，这种诱导物往往是该酶的类似物或底物本身。