第四章 酶1. 酶作为生物催化剂有什么特点？答：酶和化学催化剂一样，能够改变化学反应的速度，但不能改变化学反应的平衡。

能够稳定底物形成的过渡态，降低反应的活化能。

此外，酶是一类特殊的蛋白质（除酶性核酸之外），它在生物体内不仅作为各种复杂生物化学反应的催化剂，而且也作为生物体内不同能量之间转换的中间体。

酶的催化特点表现为：（1）高效性。

酶是自然界中催化活性最高的一类催化剂。

（2）高度专一性。

酶是具有高度选择性的催化剂。

主要表现在：①反应专一性，酶一般只能选择性的催化一类相同类型的化学反应。

且酶催化的反应几乎不产生副反应。

②底物专一性，一种酶只能作用于某一种或某一类结构性质相似的物质。

（3）需要温和的反应条件。

（4）可调控性。

2. 辅酶和金属离子在酶促反应中有何作用？水溶性维生素与辅酶有什么关系？答： (1) 辅酶和金属离子作为结合蛋白酶类的非蛋白部分（又称辅因子），在酶实施催化作用过程中起到非常重要的作用。

只有酶蛋白与辅因子结合成的全酶才具有催化性能。

一般来说，与酶蛋白结合松散的有机小分子化合物被称作辅酶。

金属酶中，金属离子与酶蛋白结合紧密；金属激酶中金属离子与酶蛋白结合松散。

辅酶与金属酶中的金属离子在酶促反应中直接参加了反应，起到电子、原子或者某些化学基团转移的作用，决定了酶催化反应类型的专一性；而金属激酶中的金属离子主要起到激活酶的催化活性的作用。

(2) 大部分辅酶的前体都是水溶性B族维生素，许多水溶性维生素的生理功能与辅酶的作用息息相关。

3. 现有1 mL乙醇脱氢酶制剂，用缓冲溶液稀释至100 mL后，从中吸取500 μL测定酶的活力。

得知2 min使0.5 mmol乙醇转化为乙醛。

请计算每毫升酶制剂每小时能转化多少乙醇？（设：最适条件下，每小时转化1 mmol乙醇所需要的酶量为1个活力单位）。

答：500 μL的酶活力为15 U。

（计算方法：）1 mL酶制剂每小时能转化的乙醇量为3 mol乙醇，即3×46 = 138克乙醇。

（计算方法：）4. 称取25 mg蛋白酶粉配成25 mL溶液，取0.1mL溶液测酶活力，结果每小时可以水解酪蛋白产生1500 μg酪氨酸。

假定1个酶活力单位定义为每分钟产生1μg酪氨酸的酶量，请计算：（1）酶溶液的比活力；（2）每克酶粉的总活力。

答：25 mL溶液的酶活力为6250 U。

（计算方法：）比活力为：6250÷25 = 250 (U/mg)每克酶粉的总活力为：250 ×1000 = 2.5 × 105 (U)5. 说明米氏方程的生物学意义。

答：（1）米氏方程是酶促反应动力学最重要的一个数学表达式，根据它可以知道酶促反应速率与底物浓度之间的关系。

①在底物浓度低时，反应速率与底物浓度成正比，表现为一级反应特征。

②当底物浓度达到一定值时，几乎所有的酶都和底物结合后，反应速率达到最大值，此时再增加底物浓度，反应速率不再增加，表现为零级反应。

③米氏常数是反应速率为最大速率一半时的底物浓度。

（2）米氏方程所规定的动力学规律，是酶促反应的一项基本属性。

6. 某种酶遵循米氏方程，其K m = 1μmol·L-1，当底物浓度为100μmol·L-1时，反应初速率为0.1μmol·L-1·min-1。

有一竞争性抑制剂，当[S]= 10μmol·L-1时，其初速率为无抑制剂时的1/10。

请计算：（1）[S]= 1mmol·L-1时的初速率；（2）竞争性抑制剂存在时酶的K m′值。

答：（1）根据米氏方程：因此，[S]= 1mmol·L-1时的初速率为：不变（2）由于竞争性抑制Vmax两式相除得值为：解得竞争性抑制剂存在时酶的K′m7. 举例说明各种类型抑制剂的作用特点。

如何判断两种抑制剂的抑制类型？答：（1）抑制剂分两类：可逆抑制剂和不可逆抑制剂。

可逆抑制剂与酶分子通过静电引力，疏水键，氢键或范德华力等非共价键作用形成可逆的酶—抑制剂复合物。

不可逆抑制剂与酶之间发生共价键结合，形成不可逆的酶—抑制剂化合物。

不可逆抑制剂根据抑制剂与酶结合情况，又分三类：A.竞争性抑制剂。

抑制剂的化学结构与底物相似，能与底物竞争酶活性中心。

当抑制剂与酶活性中心结合后，底物被排斥在反应中心之外，结果酶促反应被抑制。

结果是v max,不变，K m变大。

竞争性抑制通常可以通过增大底物浓度来消除。

B.反竞争性抑制剂。

指抑制剂不能与自由酶结合，而只能与ES可逆结合成ESI，其抑制原因是ESI不能分解成产物。

结果是v max,,变小，K m变小。

C.非抑制性抑制剂。

又称混合型抑制剂，指酶可同时与底物及抑制剂结合，引起酶分子构象的变化，导致酶活性下降，这类物质并不与底物竞争与酶活性中心的结合。

结果是v max,变小，K m可变可不变。

（2）判断一种抑制剂为可逆还是不可逆抑制剂时，主要看能不能用透析等物理方法除去抑制剂，如果能就是可逆抑制剂，反之为不可逆抑制剂。

判断一种抑制剂为竞争性，非竞争性还是反竞争性抑制剂，可用抑制动力学研究方法进行判断，即通过抑制剂作用前后酶促反应动力学研究中的双倒数图进行判断。

如果双倒数图中的直线交于纵坐标，且 v max,不变，K m变大，则为竞争性抑制剂；如果双倒数图中的直线交于横坐标或第二、三象限，且v max,变小，K m可变可不变，则为非竞争性抑制剂；如果双倒数图中的直线为平行线，且v max,变小，K m变小，则可能为反竞争性抑制剂。

8．说明酶活性中心的结构与功能特点。

研究酶活性中心的主要方法及原理。

答：（1）酶的活性中心是酶催化作用的核心部分。

结构：一个酶的活性中心不是一个点、一条线或一个面，而是一个空间部位。

组成活性中心的氨基酸残基可能位于同一肽链的不同部位，也可能位于不同的肽链上。

酶活性中心的氨基酸残基在一级结构上可以相距较远，但通过肽链的盘旋折叠，在空间结构中都处于相近位置。

功能特点：酶的活性中心含有多种不同的基团，其中一些基团是酶的催化活性所必需的，称为必需基团。

在酶的催化过程中，这些必需基团与底物分子通过非共价力（氢键、离子键等）、质子迁移或形成共价键等方式，起催化作用。

（2）研究酶活性中心的主要方法及原理：主要方法原理切除法应用专一性蛋白水解酶将酶分子的肽链切除一部分，然后测定其剩余部分的活性。

如果仍有活性，则表示被切除的部分中，不包括活性中心。

化学修饰法当必需基团被化学修饰后，酶的催化活性将降低甚至消失。

因此可以选择应用某些试剂，对这些必需官能团进行化学修饰，然后测定修饰后的酶的活性，即可推断位于活性中心的氨基酸残基。

X射线晶体衍射法此法能直接测定酶分子的三维结构，根据酶分子的三维结构及其他有关数据，即可以确定酶活性中心位置、氨基酸种类和空间结构。

基因定位突变技术应用基因定点突变技术，合成（表达）出在特定位点上氨基酸残基不同的酶。

通过比较突变酶的活性，从而推断出活性中心的位置。

9、请简单论述为什么酶可以降低反应的活化能？答：酶催化作用的本质是酶的活性中心与底物分子通过短程非共价力（如氢键，离子键和疏水键等）的作用，形成E-S反应中间物，其结果使底物的价键状态发生形变或极化，起到激活底物分子和稳定反应分子过渡态作用，即使原反应经历活化能更低的过渡态或能量更高的底物活性中间体，从而降低反应的活化能。

10、请简述酶为什么可以高效催化反应？请利用胰凝乳蛋白酶的催化机理解释多功能催化作用。

答： (1) 酶之所以具有高效催化作用特点，主要有以下几方面的原因：a. 在酶促反应中，底物分子结合到酶的活性中心，一方面底物在酶活性中心的有效浓度大大增加，有利于提高反应速率；另一方面，由于活性中心的立体结构和相关基团的诱导和定向作用，使底物分子中参与反应的基团相互接近，并被严格定向定位，使酶促反应具有高效率和专一性特点。

邻近效应和定向效应可使双分子反应速率提高104～108倍。

b. 酶通过多种催化作用机制，如酸碱催化、过渡态稳定化、共价催化、金属离子催化、多功能催化等，大大降低了酶促反应的活化能，达到高效催化的目的。

(2) 多功能催化作用指的是酶的活性中心含有多个起催化作用的基团，这些基团在空间有特殊的排列和取向，得以对底物价键的形变和极化及调整底物基团的位置等起到协调作用，从而使底物达到最佳反应状态。

如图，胰凝乳蛋白酶的活性中心的关键氨基酸残基是Ser, His, Asp。

胰凝乳蛋白酶上195位丝氨酸残基的羟基氧是一个强的亲核基团，可以进攻肽键上的羰基碳。

同时，His和Asp对质子的吸引，使得Ser 的H更容易离去，亲核性更强，酶与底物能共价连接形成短暂的酶－底物中间体。

随后不稳定的肽键上发生断裂。

三个活性基团在提高催化反应效率上表现为：通过协同，实施酸碱催化作用和共价催化作用。

11、有哪些因素可以影响酶催化反应的速率，如何影响的？答：(1) 底物浓度。

根据米氏方程v0 = K m[S] / (K m + [S]) ，底物浓度通过改变单位时间内与酶反应的底物量影响反应速率。

底物浓度降低，单位时间内与酶反应的底物量减小，酶促反应速率降低。

(2) pH。

酶发挥作用必须在适宜的pH范围内，在此范围内速率最快。

pH 过高或过低，会影响酶的活性甚至使酶失活，从而影响反应速率。

(3) 温度。

在一定的温度范围内，酶催化反应速率随着温度的上升而增大。

因为，温度升高在一定程度上能够促进反应的进行。

温度过低时，酶活性降低，反应速率降低；温度过高时，酶会发生变性失活，不能再催化反应的进行，从而降低反应速率。

12、试解释：为什么底物与酶结合紧密对酶促反应并不利？答：由于酶与底物结合紧密，意味着底物被酶稳定化，从而使底物更难克服活化能，生成产物。

事实上，酶与底物的过渡态结合紧密，更有利于酶促反应的进行。

13、举例说明酸碱催化和共价催化的基本原理。

答：（1）酸碱催化酶参与的酸碱催化一般是广义酸碱催化，是指通过质子酸提供部分质子，或通过质子碱接受部分质子，达到降低反应活化能的催化作用。

例子：酮式-烯醇式互变异构。

广义酸可以将羰基氧质子化促进异构，广义碱可以结合羰基α氢使α碳带上负电促进异构。

(2) 共价催化共价催化是指催化剂通过与底物形成反应活性很高的共价中间产物，使反应活化能降低，从而实现提高反应速率的催化作用。

例子：丝氨酸蛋白酶催化蛋白水解反应。

蛋白酶活性中心Ser-OH上的氧亲核进攻蛋白质酰胺键上的羰基碳，并与其共价结合，催化酰胺键断裂。

14、某酶遵循米氏方程，（1）当[S]＝K m时，v = 35 μmol/min，V max是多少μmol/min？（2）当[S]＝2×10-5 mol/L，v = 40 μmol/min，这个酶的K m是多少？（3）若I是非竞争性抑制剂，K I = K I'＝4×10-5 mol/L, 当[S]＝3×10-2 mol/L和[I]＝3×10-5 mol/L，v是多少？答：(1) V max = 2v = 70 (μmol/min)(2) 40K m = 30[S], 40(K m+[S]) = v max[S], K m = 1.510-5 (mol/L)(3) v = = 40 (μmol/min)15、用下表列出的数据，确定此酶促反应。