酶的探索历程！！超高分奖励！加油！
酶是生物体内细胞产生的生物催化剂。由蛋白质组成(少数是RNA)。它能在体内非常温和的条件下高效催化各种生化反应，促进生物体的新陈代谢。生命活动中的消化、吸收、呼吸、运动和繁殖都是酶促反应过程。酶是细胞生存的基础。几乎所有涉及细胞代谢的化学反应都是在酶的催化下进行的。例如，哺乳动物细胞含有数千种酶。它们要么溶解在细胞液中，与各种膜结构结合，要么位于细胞内其他结构的特定位置。这些酶统称为胞内酶；另外，还有一些酶是在细胞内合成，然后分泌到细胞外的——胞外酶。酶催化化学反应的能力称为酶活性(或酶活)。酶的活性可以受到多种因素的调控，从而使生物体适应外界条件的变化，维持生命活动。没有酶的参与，新陈代谢只能以极其缓慢的速度进行，生命活动根本无法维持。比如食物必须在酶的作用下分解成小分子，才能穿透肠壁，被组织吸收利用。胃内有胃蛋白酶，肠内有胰腺分泌的胰蛋白酶、糜蛋白酶、脂肪酶和淀粉酶。再比如食物的氧化是动物能量的来源，它的氧化过程也是在一系列酶的催化下完成的。
酶催化的本质:降低化学反应的活化能
酶与无机催化剂的比较:
1，同点:1)改变化学反应速率，几乎不消耗；2)仅催化现有的化学反应；3)加快化学反应速率，缩短达到平衡的时间，但不改变平衡点；4)降低活化能，加快化学反应速率。5)会发生中毒。
2.区别:酶的特性。
酶的特性
1，高效:酶的催化效率高于无机催化剂，使反应速度更快；2.特异性:一种酶只能催化一种或一种底物，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，约4000种；4.温和性:是指酶催化的化学反应一般在温和的条件下进行。
一般来说，动物体内酶的最适温度在35-40摄氏度之间，植物体内酶的最适温度在40-50摄氏度之间。细菌和真菌中酶的最适温度差异较大，酶的最适温度可高达70摄氏度。动物体内酶的最适PH大多在6.5-8.0之间，但也有例外。比如胃蛋白酶的最适PH是1.5，植物中的酶的最适PH大多在4.5-6.5之间。
酶的这些性质使细胞内复杂的物质代谢得以有序进行，从而使物质的代谢适应正常的生理功能。如果一种酶由于基因缺陷而缺失，或者由于其他原因而活性减弱，那么这种酶催化的反应就会异常，物质代谢就会紊乱，甚至会发生疾病。因此，酶与医学的关系非常密切。
[编辑本段]酶的发现
1773年，意大利科学家l·斯帕兰扎尼(1729-1799)设计了一个别出心裁的实验:把肉放进一个小金属笼子里，让老鹰吞下去。过了一会儿，他拿出小笼子，发现肉不见了。因此，他得出结论，胃液中一定含有消化肉块的物质。但是什么？他不知道。
1836年，德国科学家王石(T. Schwann，1810—1882)从胃液中提取了消化蛋白质的物质。解开胃消化之谜。
1926年，美国科学家j . b . sum ner(1887-1955)从刀豆种子中提取出脲酶晶体，通过化学实验证实脲酶是一种蛋白质。
20世纪30年代，科学家先后提取出各种酶的蛋白质晶体，并指出酶是一种生物催化蛋白质。
20世纪80年代，美国科学家切赫(T.R .切赫，1947-)和奥特曼(S .奥特曼，1939-)发现少数RNA也具有生物催化作用。
[编辑本段]酶的活性
活动单位(U，活动单位):
酶活性单位的测量。1961国际酶学会议规定，1酶活单位是指在特定条件下(25oC，其他为最适宜条件)1min内，能转化1μmol底物或转化1μmol底物中相关基团的酶量。
比活性:每分钟每毫克酶蛋白在25℃转化的底物的微摩尔数。比活性是酶纯度的一种量度。
活化能:将1mol反应底物中的所有分子从其状态转变为过渡态所需的能量。
活化能:酶含有底物结合位点和催化底物转化为产物的氨基酸残基部分。活性位点通常位于蛋白质的结构域或亚基之间的缝隙中或蛋白质表面的凹陷处，通常由一些在三维空间上靠在一起的氨基酸残基组成。
酶活性测定
初速度:酶促反应初始阶段底物转化为产物的速度。在这个阶段，产物的浓度很低，可以忽略逆反应。
米氏方程(Michaelis-Mentent equation):表达酶反应的初速度(υ)与底物浓度([s])之间关系的速度方程:υ=υmax[s]/(Km+[s])。
米氏常数:对于给定的反应，酶促反应的初速度(υ0)达到最大反应速度(υmax)的一半时的底物浓度。
催化数)(Kcat):也叫转化数。是一个动力学常数，它是当底物饱和时酶(或酶活性位点)催化反应速度的量度。
催化常数等于最大反应速率除以总酶浓度(υmax/[E]total)。或酶的每个活性位点每秒转化为产物的底物量(mol)。
双倒数图:这叫做Lineweaver_Burk图。酶促反应速度的倒数(1/V)与底物度的倒数(1/LSF)。x轴和y轴上的截距分别代表米氏常数和最大反应速度的倒数。
酶活性调节
竞争性抑制:一种酶抑制，可以通过增加底物浓度来逆转。竞争性抑制剂通常与正常底物或配体竞争同一蛋白质结合位点。这种抑制使Km增加，而υmax不变。
非竞争性抑制:一种酶反应抑制，其中抑制剂不仅与游离酶结合，还与酶-底物复合物结合。这种抑制使Km不变，υmax变小。
非竞争性抑制:一种酶反应抑制，其中抑制剂只与酶-底物复合物结合，而不与游离酶结合。这种抑制使Km和υmax变小，但υmax/Km不变。
一大类复杂的蛋白质物质[酶；酵素]在促进可逆反应(如水解和氧化)中起着催化剂的作用。它在许多工业过程中是有用的(例如发酵、皮革鞣制和奶酪生产)
酶是一种有机胶体物质，由蛋白质组成。它对生物体的化学变化起催化作用，发酵取决于它的功能:~。
[编辑此段]酶催化
酸碱催化:质子转移加速反应的催化作用。
共价催化:一种底物或底物的一部分与催化剂形成价键，然后转移到第二种底物上。许多酶催化的基团转移反应都是通过化合价进行的。
催化机理
酶的催化机理与一般的化学催化剂基本相同，都是与反应物(酶的底物)结合形成复合物，通过降低反应的能量来提高化学反应的速度。在恒温下，化学反应体系中各反应物分子所含的能量虽然差别很大，但其平均值较低，这就是反应的初始状态。
S(底物)→P(产物)的反应之所以能够进行，是因为相当一部分S分子已经被活化成活化(过渡态)分子。活化分子越多，反应速度越快。在特定温度下，化学反应的活化能是使1摩尔物质的所有分子变成活化分子所需的能量(千卡)。
酶(E)的作用是暂时与S结合形成新的化合物ES，ES的活化态(过渡态)远低于这种没有催化剂的化学反应中反应物活化分子的活化态。ES再次反应产生p，同时释放e。e可以和其他S分子结合，重复这个循环。降低整个反应所需的活化能，使单位时间内有更多的分子反应，反应速度可以加快。如果没有催化剂，过氧化氢分解为水和氧气的反应(2H2O2→2H2O+O2)需要每摩尔18千卡的活化能(1 kcal = 4.187焦耳)。当用过氧化氢酶催化该反应时，活化能仅为每摩尔2千卡，反应速度提高了约187J。
酶作用的分子基础
一.酶的化学组成
根据酶的化学组成，酶可分为简单酶和结合酶两大类。在简单的酶分子中，只有由氨基酸残基组成的肽链，而在共轭酶分子中，除了由多肽链组成的蛋白质外，还有非蛋白质成分，如金属离子、铁卟啉或含B族维生素的小有机化合物。结合酶的蛋白质部分称为脱辅基酶，非蛋白质部分统称为辅因子，它们共同构成全酶。只有整个酶具有催化活性，如果将它们分开，酶的活性就消失了。非蛋白部分，如铁卟啉或含B族维生素的化合物，如果与酶蛋白通过价键相连，则称为辅基，不能通过透析或超滤与酶蛋白分离。相反，两者通过非* *价键连接，称为辅酶，通过上述方法可以将两者分开。表4-1显示了一些用金属离子作为结合酶辅因子的例子。表4-2列出了几种含B族维生素的辅酶(组)及其反应。
共轭酶中的金属离子具有多种功能，它们可能是酶活性中心的组成部分。有些可能起到稳定酶分子构象的作用；有些可以作为连接酶和底物的桥梁。辅酶和辅助基团在催化反应中作为氢(H+和E)或某些化学基团的载体，起到转移氢或化学基团的作用。体内的酶有很多种，但辅因子种类不多。从表4-1中，我们看到了几种酶都使用相同的金属离子作为辅因子的例子，同样的情况也出现在辅酶和辅助基团中，如甘油醛3-磷酸脱氢酶和乳酸脱氢酶，它们都使用NAD+作为辅因子。酶催化反应的特异性取决于酶的蛋白质部分，辅酶和辅助基团的作用是参与特定反应过程中氢(H+和E)和一些特殊化学基团的转运。
第二，酶的活性中心
酶属于生物大分子，分子量至少是654.38+00000，最多一百万。酶的催化作用取决于酶分子一级结构和空间结构的完整性。如果酶分子变性或亚基解聚，酶的活性就会丧失。一个值得注意的问题是，酶催化的反应物，即底物，大多是分子量比酶小几个数量级的小物质。
酶的活性中心只是酶分子的一小部分，酶蛋白的大部分氨基酸残基都不与底物接触。组成型酶活性中心的氨基酸残基侧链上有不同的官能团，如-NH2、-COOH、-SH、-OH和咪唑基，它们来自酶分子多肽链的不同部分。有些基团在与底物结合时起结合基团的作用，有些则在催化反应中起催化基团的作用。然而，有些基团既起结合作用又起催化作用，因此活性位点的官能团通常统称为必需基团。它们通过多肽链的缠绕折叠，在酶分子表面形成具有三维结构的空腔或裂隙，从而容纳进来的底物与之结合(图4-1)并催化底物转化为产物。这个区域被称为酶的活性中心。
酶的活性中心外的官能团也是形成和维持酶的空间构象所必需的，所以称为活性中心外的必需基团。对于需要辅因子的酶来说，辅因子也是活性中心的一部分。酶催化反应的特异性实际上取决于酶活性中心的结合基团、催化基团及其空间结构。
第三，酶的分子结构与其催化活性的关系
酶的分子结构是以其氨基酸序列为基础的，氨基酸序列决定了酶的空间结构、活性中心的形成和酶催化的特异性。比如哺乳动物的甘油醛磷酸脱氢酶的氨基酸残基序列几乎相同，说明相同的一级结构是酶催化相同反应的基础。再比如消化道中的胰凝乳蛋白酶、胰蛋白酶、弹性蛋白酶都可以水解食物蛋白质的肽键，但又各有其特异性。胰凝乳蛋白酶水解含有芳香族氨基酸残基的肽键以提供羧基，而胰蛋白酶水解碱性氨基酸残基如赖氨酸以提供羧基。然而，弹性蛋白酶水解具有小侧链且不带电荷氨基酸残基，以提供羧基肽键。这三种酶的氨基酸序列分析表明，其中约有40%是相同的，都是以丝氨酸残基为酶的活性中心基团。所有三种酶在丝氨酸残基周围都有G1y-Asp-Ser-Gly-Pro序列。x射线衍射研究表明，这三种酶具有相似的空间结构，这是它们水解肽键的基础。然而，它们水解肽键的特异性来自于酶的底物结合位点氨基酸组成的细微差异。
图中显示这三种酶的底物结合位点都具有袋状结构，糜蛋白酶可以容纳芳香基团或非极性基团。胰蛋白酶袋的底部略有不同，其中一个氨基酸残基被天冬氨酸取代，使得那里的负电荷更强，因此有利于带正电荷的赖氨酸或精制酸残基的结合。弹性蛋白酶口袋的两侧被缬氨酸和苏氨酸残基取代，所以这里只能结合小的侧链和不带电荷的基团，这说明酶的催化特异性与酶的分子结构密切相关。
第四，酶原及其活化。
一些酶，如消化系统中的各种蛋白酶，以无活性的前体形式合成和分泌，然后转运到特定的位点。当体内需要时，它们通过特定蛋白水解酶的作用转化为活性酶发挥作用。这些非催化酶的前体被称为酶原。例如胃蛋白酶原、胰蛋白酶原和胰凝乳蛋白酶原。物质作用于酶原使其转化为活性酶的过程称为酶原激活。将非活性酶原转化为活性酶的物质称为激活素。激活素对酶原的激活有一定的特异性。
比如胰腺细胞合成的糜蛋白酶，最初是由245个氨基酸残基组成的单肽链，分子中有5对二硫键相连。这种酶原的激活过程如图4-3所示。首先，15位精氨酸和16位异亮氨酸之间的肽键被胰蛋白酶水解，激活具有完全催化活性的β-糜蛋白酶，但此时酶分子不稳定，被β-糜蛋白酶自身除去。
正常情况下，血浆中大部分凝血因子基本以无活性酶原的形式存在。只有当组织或血管内膜受损时，无活性的酶原才能转化为活性酶，从而引发一系列级联酶促反应，最终导致可溶性纤维蛋白原转化为稳定的纤维蛋白聚合物，并通过截留血小板形成血栓。
酶原激活的本质是切断特定的肽键或去除酶原分子中的某些肽段，有利于酶活性中心的形成，具有重要的生理意义。一方面保证合成酶的细胞不被蛋白酶消化破坏，另一方面使其在特定的生理条件和特定的部位被激活，发挥其生理作用。如在组织或血管内膜损伤后激活凝血因子；胃主要细胞分泌的胃蛋白酶原和胰腺细胞分泌的糜蛋白酶、胰蛋白酶原和弹性蛋白酶分别在胃和小肠中被激活成相应的活性酶，是促进食物蛋白质消化的明显例子。特定肽键断裂引起的酶原激活在生物体内广泛存在，是生物调节酶活性的重要方式。如果酶原激活异常，会导致一系列疾病。出血性胰腺炎的发生是由于蛋白酶体在进入小肠前被激活，被激活的蛋白酶水解自身的胰腺细胞，导致胰腺出血和肿胀。
四、同工酶(同功酶)
同工酶的概念:同工酶是催化同一化学反应的一种酶，但酶蛋白的分子结构、理化性质和免疫原性不同。它们存在于同一种族或个体的不同组织中，甚至存在于同一组织和细胞的不同细胞器中。到目前为止，已知的同功酶有几十种，如己糖激酶和乳酸脱氢酶，其中乳酸脱氢酶(LDH)是研究得最清楚的。在人类和脊椎动物组织中有五种分子形式，它们催化如下相同的化学反应:
所有五种同工酶都由四个亚基组成。LDH的亚基可分为骨骼肌型(M型)和心肌型(H型)。两种亚基的氨基酸组成不同，LDH有五种形式，分别是H4(LDHl)、H3M1(LDH2)、H2M2 (LDH3)和H1m3 (LDH)。
M和H亚基的氨基酸组成不同，是由不同的基因决定的。五种LDH中M和H亚基的不同比例决定了其理化性质的差异。通常，通过电冷冻可以分离出五种LDH。LDH1向正极的迁移速度最快，LDH5迁移速度最慢，其他居中，分别为LDH2、LDH3和LDH4(图4-5)。图4-5也显示了各种LDH在不同组织中的含量是不同的。LDHl和LDH2在心肌中含量丰富，而LDH5和LDH4在骨骼肌和肝脏中占优势。不同组织中LDH同工酶的差异与组织中乳酸利用的生理过程有关。LDH 1和LDH2对乳酸有很大的亲和力，使乳酸脱氢氧化成丙酮酸，有利于心肌从乳酸氧化中获取能量。LDH5和LDH4对丙酮酸有很大的亲和力，可将丙酮酸还原为乳酸，适合肌肉在无氧糖酵解中获得能量的生理过程(详见葡萄糖代谢一章)。这些同工酶在组织疾病期间被释放到血液中，并且由于同工酶在组织和器官中的不同分布而改变血清同工酶。因此，血清同工酶谱分析常用于诊断疾病(图4-5)。
五，等位酶
变构酶通常是具有四级结构的多亚基寡聚酶。酶分子除了催化活性中心外，也称为催化部位。还有一个变构位点，它是变构效应物结合的位点。当它与一种变构效应物结合时，酶的分子构象会发生微小的变化，从而影响催化位点对底物的亲和力和催化效率。如果变构剂结合起来增加酶和底物的亲和力或催化效率，它们被称为变构激活剂，而那些降低酶底物的亲和力或催化效率的被称为变构抑制剂。变构剂对酶活性的调节称为变构调节。变构酶的催化位点和变构位点可以位于一个亚基的不同部分，但更常见的是它们在不同的亚基上。在后一种情况下，带有催化位点的亚基称为催化亚基，而带有变构位点的亚基称为调节亚基。大部分别构酶处于代谢途径的起点，别构酶的别构剂往往是一些生理小分子和酶的底物或代谢途径的中间产物或终产物。因此，等位酶的催化活性受细胞内底物、代谢中间产物或终产物的浓度调节。终产物对该途径中变构酶的抑制称为反馈抑制，表现为一旦细胞中的终产物增多，就作为变构抑制剂抑制代谢途径开始时的酶，及时调整代谢途径的速度，以满足细胞生理功能的需要。变构酶在细胞代谢的调节中起着重要的作用。所以等位酶也叫调节酶。(调节酶)
六、修饰酶
体内有些酶需要在其他酶的作用下修饰该酶的分子结构，才具有催化活性。这些酶被称为修饰酶。其中，* * *价修饰比较常见。比如酶蛋白的丝氨酸和苏氨酸残基的官能团-OH可以被磷酸化，伴随着* * *价键的修饰，所以称为* * *价修饰。这种修饰引起的酶活性的变化称为酶的共价修饰调控。体内最常见的* * *化合价修饰是酶的磷酸化和去磷酸化，此外还有酶的乙酰化和去乙酰化、尿苷酸化和尿苷酸化、甲基化和去甲基化。由于* * *的化合价修饰反应迅速，具有级联放大效应，也是调节体内物质代谢的重要途径。例如，催化糖原分解第一步的糖原磷酸化酶有两种形式:活性的称为磷酸化酶A，非活性的称为磷酸化酶b，这两种形式的相互转化就是酶分子磷酸化和去磷酸化的过程(详见糖代谢一章)。
七、多酶复合体和多酶系统。
体内的一些酶相互聚合形成一种物理结合体，称为多酶复合体。如果多酶复合体解体，每种酶的催化活性就消失了。多酶复合体中涉及许多酶。比如催化丙酮酸氧化脱羧的丙酮酸脱氢酶的多酶复合体由三种酶组成，而催化线粒体中脂肪酸β-氧化的多酶复合体由四种酶组成。多酶复合体第一次酶催化反应的产物成为第二次酶的底物，如此类推，直至产生最终产物。
多酶复合体由于物理结合，有利于这种流动过程在空间构象上的快速进展，是生物提高酶催化效率的有效措施。
往往有许多酶参与体内物质代谢的各种途径，依次完成反应过程。这些酶不同于多酶复合物，在结构上彼此没有关系。因此被称为多酶系统。比如参与糖酵解的11酶都存在于胞质溶胶中，形成多酶系。
八、多功能酶
近年来，人们发现一些酶分子具有多种催化活性。如大肠杆菌DNA聚合酶I是分子量为109kDa的多肽链，具有催化合成DNA链、3’-5’核酸外切酶和5’-3’核酸外切酶的活性。通过用蛋白水解酶温和水解获得两个肽片段，一个含有5’-3’核酸的核酸外切酶活性，另一个含有另外两种酶的活性。哺乳动物的脂肪酸合酶由两条多肽链组成，每条多肽链都含有脂肪酸合成所需的七种酶的催化活性。这种分子中具有多个催化活性位点的酶称为多功能酶或串联酶。多功能酶在分子结构上优于多酶复合体，因为相关的化学反应是在一个酶分子上进行的，比多酶复合体更有效，这也是生物进化的结果。
[编辑本段]影响酶活性的因素
Michaelis和Menten根据中间产物理论推导出酶促反应的速度方程，即Mi-Men公式(详见环境工程微生物学第四章)。根据Mimen公式，酶促反应的速度受酶浓度和底物浓度以及温度、pH、活化剂和抑制剂的影响。
(1)酶浓度对酶促反应速度的影响
从Mimen公式和酶浓度与酶反应速度关系图可以看出，酶反应速度与酶分子浓度成正比。当底物分子浓度足够时，酶分子越多，底物转化越快。但实际上，当酶浓度较高时，这种关系并不维持，曲线逐渐趋于平坦。据分析，这可能是由于含有许多抑制剂的高浓度底物造成的。
(2)底物浓度对酶促反应速度的影响
在生化反应中，如果酶的浓度不变，底物初始浓度较低，酶促反应的速度与底物浓度成正比，即随底物浓度的增加而增加。当所有的酶都与底物结合产生中间体时，即使底物浓度增加，中间体的浓度也不会增加，酶促反应速度也不会增加。
在相同底物浓度下，酶促反应的速度与酶的初始浓度成正比。酶的初始浓度越高，酶促反应越快。
在实际测定中，即使酶浓度足够高，酶促反应速度也不会随着底物浓度的增加而增加，甚至受到抑制。原因是高浓度的底物降低了水的有效浓度和分子扩散率，从而降低了酶促反应的速度。过量的底物聚集在酶分子上，产生无活性的中间产物，不能释放酶分子，从而降低反应速度。
(3)温度对酶促反应速度的影响
在最适温度范围内，各种酶的酶活最强，酶促反应速度最快。在合适的温度范围内，温度每升高10℃，酶促反应速度可提高12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℃；微生物中各种酶的最适温度为25 ~ 60℃，但也有例外，如曲糖化酶的最适温度为62 ~ 64℃；巨大芽孢杆菌、短乳杆菌、气单胞菌葡萄糖异构酶的最适温度为80℃。枯草芽孢杆菌液化淀粉酶的最适温度为85 ~ 94℃。可以看出，有些芽孢杆菌酶具有较高的热稳定性。温度过高或过低都会降低酶的催化效率，即降低酶促反应的速度。
最适温度低于60℃时，当温度达到60 ~ 80℃时，大部分酶被破坏，不可逆变性。当温度接近100℃时，酶的催化作用完全丧失。
(4)4)pH对酶促反应速度的影响
酶在最适pH范围内显示活性，如果大于或小于最适pH，酶活性会降低..主要表现在两个方面:①改变底物分子和酶分子的带电状态，从而影响酶与底物的结合；②pH值过高或过低都会影响酶的稳定性，进而使酶受到不可逆的损伤。
(5)活化剂对酶促反应速度的影响。
能激活酶的物质叫做酶激活剂。激活剂的种类很多，包括①无机阳离子，如钠离子、钾离子、铜离子、钙离子等。(2)无机阴离子，如氯离子、溴离子、碘离子、硫酸根离子和磷酸根离子；③有机化合物，如维生素C、半胱氨酸和还原型谷胱甘肽。许多酶只有在有合适的激活剂存在时才表现出或加强其催化活性，这叫做酶的活化。但有些酶合成后是无活性的，这种酶叫酶原。它必须在激活前被合适的激活剂激活。
(6)抑制剂对酶反应速度的影响
能够削弱、抑制甚至破坏酶活性的物质称为酶抑制剂。它会降低酶促反应的速度。酶抑制剂包括重金属离子、一氧化碳、硫化氢、氢氰酸、氟化物、碘乙酸、生物碱、染料、对氯汞苯甲酸、氟磷酸二异丙酯、乙二胺四乙酸、表面活性剂等。
酶促反应的抑制可分为竞争性抑制和非竞争性抑制。与底物结构相似的物质首先与酶的活性中心结合，从而降低酶促反应的速度，称为竞争性抑制。竞争性抑制是可逆抑制，可通过增加底物浓度最终释放，恢复酶的活性。与底物结构相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，底物仍能与酶活性中心结合，但酶不显示活性，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。
有些物质可以用作一种酶的抑制剂和另一种酶的激活剂。