3.2　考點歸納與歷年真題詳解

一、酶的分子結構和功能

1．酶的基本概念

酶的基本概念如表3-1所示。

表3-1  酶的基本概念

2．酶的分子組成

（1）組成

酶按其分子組成可分為單純酶和結合酶。

①單純酶

單純酶是指僅含有蛋白質的酶，如脲酶、某些消化蛋白酶、淀粉酶、脂酶、核酸酶等。

②結合酶

結合酶又稱全酶，是指由蛋白質部分和非蛋白質部分共同組成的酶，其中的蛋白質部分稱為酶蛋白，非蛋白質部分稱為輔助因子。結合酶的特點如下：

a．酶蛋白決定酶促反應的特異性及催化機制，—種酶蛋白只能結合一種輔助因子形成全酶

b．輔助因子決定酶促反應的性質和類型，—種輔助因子可與不同的酶蛋白結合形成不同的全酶。

c．酶蛋白與輔助因子結合在一起稱為全酶，它們單獨存在時均無催化活性，只有全酶才具有催化活性。

（2）輔助因子分類及化學性質

①按輔助因子與酶蛋白結合的緊密程度及作用特點不同，分為輔酶和輔基。

輔酶和輔基的比較如表3-2所示。

3-2  輔酶與輔基的比較

（3）輔助因子的物質成分

輔助因子多為小分子有機化合物或金屬離子。

①輔助因子為小分子有機化合物的多為B族維生素的衍生物或卟啉化合物，它們在酶

促反應中主要參與傳遞電子、質子（或基團）或起運載體作用。

某些輔酶（輔基）在催化中的作用如表3-3所示。

表3-3  某些輔酶（輔基）在催化中的作用

②金屬離子是最常見的輔助因子，約2/3的酶含有金屬離子。

常見以金屬離子為輔助離子的酶如表3-4所示。

表3-4  常見以金屬離子為輔助因子的酶

【例1】（A型題）下列關于輔酶或輔基的敘述，錯誤的是（　?。?。[2009年研]

A．屬于結合酶類的酶分子組成中才含有輔酶或輔基

B．維生素B族多參與輔酶或輔基的組成

C．輔酶或輔基直接參與酶促反應

D．一種輔酶或輔基只能與一種酶蛋白結合成一種全酶

【答案】D

【解析】A項，酶分為單純酶和結合酶，單純酶僅由氨基酸殘基組成，不含輔助因子；結合酶由酶蛋白和輔助因子結合而成，因此只有結合酶才含有輔助因子。B項，維生素B族可參與多種輔助因子的組成，如VitPP參與和的組成，參與FAD和FMN的組成。C項，輔助因子可直接參與酶促反應，起傳遞作用。D項，輔助因子按其與酶蛋白結合的緊密程度及作用特點分為輔酶及輔基。一種酶蛋白只能結合一種輔助因子，但一種輔助因子可與不同的酶蛋白結合形成不同的全酶，即結合酶。

3．酶的活性中心

（1）定義

酶的活性中心是指酶分子中能與底物特異地結合并催化底物轉變為產物的具有特定三維結構的區域，是酶分子執行其催化功能的部位，輔助因子常參與酶活性中心的組成。

（2）必需基團

必需基團是指酶分子中組成氨基酸殘基的側鏈并且與酶的活性密切相關的化學基團。常見的有絲氨酸殘基的羥基、組氨酸殘基的咪唑基、半胱氨酸殘基的巰基、酸性氨基酸殘基的羧基等。

①位于酶活性中心內的必需基團

位于酶活性中心內的必需基團有結合基因和催化基因之分。

a．結合基團：其作用是識別和結合底物和輔酶，形成酶-底物復合物。

b．催化基團：其作用是影響底物中某些化學鍵的穩定性，催化底物發生化學反應，進而轉變成產物。

②位于酶活性中心之外的必需基團

雖然不直接參與催化作用，卻為維持酶活性中心的空間構象和（或）作為調節劑的結合部位所必需。

4．同工酶

（1）定義

同工酶是指催化相同化學反應，但酶蛋白的分子結構、理化性質乃至免疫學性質不同的一組酶。

（2）應用

同工酶存在于同一種屬或同一個體的不同組織或同一細胞的不同亞細胞結構中，它使不同的組織、器官和不同的亞細胞結構具有不同的代謝特征。這為同工酶用來診斷不同器官的疾病提供了理論依據。同工酶的測定已應用于臨床診斷，當某種組織發生疾病時，可能有某種特殊的同工酶釋放出來，同工酶譜的改變有助于對疾病的診斷。

①乳酸脫氫酶

有5種同工酶，即。

a．心肌含量最高；

b．骨骼肌和肝臟含量最高。

②肌酸激酶

有3種同工酶，即。

a．腦中含（BB型）；

b．心肌中含（MB型）；

c．骨骼肌中含（MM型）。

【例2】（A型題）肝中富含的LDH同工酶是（　　）。[2006年研]

A．

B．

C．

D．

E．

【答案】E

【解析】LDH即乳酸脫氫酶，有5種同工酶：即。LDH1主要存在于心肌（占67%），LDH5主要存在于肝（占56%）。

二、酶的工作原理

1．酶促反應的特點

（1）酶對底物具有極高的催化效率

通常比非催化反應高108～1020倍，比一般催化劑高107～1013倍。

（2）酶對底物具有高度的特異性

酶對所催化的底物具有嚴格的選擇性，一種酶僅作用于一種或一類化合物，或一定的化學鍵，催化一定的化學反應并產生一定的產物。酶的特異性分為兩種類型：

①絕對特異性

一種酶只作用于特定結構的底物分子，進行一種專一的反應，生成一種特定結構的產物。

②相對特異性

一種酶可作用于含有相同化學鍵或化學基團的一類化合物。

（3）酶的活性與酶量具有可調節性

許多酶的活性和酶量受體內代謝物或激素的調節。機體通過對酶的活性與酶量的調節使得體內代謝過程受到精確調控，以使機體適應內外環境的不斷變化。

（4）酶具有不穩定性

酶的化學本質是蛋白質，在某些理化因素的作用下，酶會發生變性而失去催化活性。

【例3】（X型題）酶與一般催化劑相比，不同點有（　　）。[2007年研]

A．反應條件溫和，可在常溫、常壓下進行

B．加速化學反應速度，可改變反應平衡點

C．專一性強，一種酶只作用一種或一類物質

D．在化學反應前后酶本身不發生質和量的改變

【答案】AC

【解析】AC兩項，酶的特點：①酶主要參與生物體內的化學反應，其反應條件溫和，可在常溫、常壓和有水環境下進行。②與一般催化劑不同，酶對其催化的底物具有較嚴格的選擇性。即一種酶僅作用于一種或一類化合物，或一定的化學鍵，催化一定的化學反應并產生一定的產物，酶的這種特性稱為酶的特異性或專一性。BD兩項，酶與一般催化劑的共同點：①在催化反應的過程中自身的質和量保持不變；②都只能催化熱力學允許的化學反應；③都只能縮短達到化學平衡的時間，不能改變平衡點；④在可逆反應中，一般既可催化正反應，也可催化逆反應；⑤酶和一般催化劑加速反應的機制都是降低反應的活化能。

2．酶通過促進底物形成過渡態而提高反應速率

（1）酶比一般的催化劑能更有效地降低反應活化能，催化效率更高。

酶促反應活化能的變化如圖3-1所示。

圖3-1  酶促反應活化能的變化

（2）酶和底物結合形成中間產物。

①誘導契合作用使酶與底物密切結合；

②鄰近效應與定向排列使諸底物正確定位酶的活性中心；

③表面效應使底物分子去溶劑化。

3．酶的催化機制呈多元催化作用

（1）酸-堿催化作用

（2）親電催化作用

（3）親核催化作用

【例4】（A型題）酶活性中心的某些基團可以參與質子的轉移，這種作用稱為（　?。?。[2010年研]

A．親核催化作用

B．共價催化作用

C．多元催化作用

D．一般酸-堿催化作用

【答案】D

【解析】酶是兩性解離的蛋白質，酶活性中心有些基團可以作為質子的供體（酸），有些基團則可以成為質子的接受體（堿）。這些基團參與質子的轉移，可使反應速度提高102～105倍。這種催化作用稱為一般酸-堿催化作用。A項，酶活性中心有的基團屬于親核基團，可以提供電子給帶有部分正電荷的過渡態中間物，從而加速產物的生成，這種催化作用稱為親核催化作用。B項，很多酶的催化基團在催化過程中通過和底物形成瞬間共價鍵而將底物激活，并很容易進一步被水解形成產物和游離的酶，這種催化作用稱為共價催化作用。C項，許多酶促反應常有多種催化機制同時介入，呈現多元催化作用。

三、酶促反應動力學

1．底物濃度對酶促反應速率的影響

在酶濃度和其他反應條件不變的情況下，反應速率（V）對底物濃度[S]作圖呈矩形雙曲線。

底物濃度對酶促反應速率的影響如圖3-2所示。

圖3-2  底物濃度對酶促反應速率的影響

（1）米-曼氏方程式

（v為酶促反應速度，Vmax為最大反應速度，[S]為底物濃度，Km為米氏常數）。

①[S]＜＜Km，v＝Vmax[S]/Km，即反應速度與底物濃度成正比；

②[S]＞＞Km，v＝Vmax；

③v＝1/2Vmax時，Km＝[S]。即Km為酶促反應速度為Vmax時底物濃度的一半。

（2）Km的特點

①Km值是酶的特征性常數之一；只與底物、pH、酶結構、離子強度有關，與酶濃度無關；

②Km值等于酶促反應速度為Vmax時底物濃度的一半；

③Km值可近似表示酶與底物親和力的大小，Km值越小，親和力越大；

④Km值可以判斷酶的專一性：不同的酶Km值不同，同一種酶對不同底物有不同的Km值。各種同工酶的Km值不同，也可借Km以鑒別之；

⑤如有幾種底物時，Km值最小的那個是天然底物。

【例5】（A型題）一個簡單的酶促反應，當[S]＜＜Km時，出現的現象是（　　）。[2005年研]

A．反應速度最大

B．反應速度太慢難以測出

C．反應速度與底物濃度成正比

D．增加底物濃度反應速度不變

E．增加底物濃度反應速度降低

【答案】C

【解析】根據酶促反應的米氏方程式：

當底物濃度很低時，。即反應速度與底物濃度成正比。

2．酶濃度對酶促反應速率的影響

當底物足夠時，酶濃度對酶促反應速率的影響呈直線關系。如圖3-3所示。

圖3-3  酶濃度對酶促反應速率的影響

3．溫度對酶促反應速率的影晌

溫度對酶促反應速率有雙重影響。隨著反應體系溫度的升高，酶促反應速度隨之加快。但當溫度升高達到一定臨界值時，溫度升高可使酶變性，使酶促反應速率下降。

溫度對酶促反應速率的影響如圖3-4所示。

圖3-4  溫度對酶促反應速率的影晌

4．pH對酶促反應速率的影晌

pH通過改變酶和底物分子解離狀態影響反應速率。酶催化活性最高時反應體系的pH，稱為酶促反應的最適pH。

pH對酶促反應速率的影響如圖3-5所示。

圖3-5  pH對酶促反應速率的影晌

5．抑制劑對酶促反應速率的影響

（1）定義

抑制劑是指能使酶活性下降而不引起酶蛋白變性的物質。分為不可逆性抑制劑和可逆性抑制劑。

（2）不可逆性抑制劑

和酶活性中心的必需基團共價結合，不能用透析、超濾等方法予以去除。如有機磷抑制膽堿酯酶；重金屬離子抑制巰基酶。

（3）可逆性抑制劑

能與酶非共價可逆性結合，使酶活性降低或消失?？捎猛肝?、超濾或稀釋等物理方法予以去除，使酶的活性恢復?？赡嫘砸种苿┳饔米袷孛资戏匠獭７譃楦偁幮砸种苿?、非競爭性抑制劑和反競爭性抑制劑。

三種典型的可逆性抑制作用的比較如表3-5所示。

表3-5  三種典型的可逆性抑制作用的比較

【例6】（A型題）酶促動力學特點為表現Km值不變，Vmax降低，其抑制作用屬于（　?。?。[2015年研]

A．競爭性抑制

B．非競爭性抑制

C．反競爭性抑制

D．不可逆抑制

【答案】B

【解析】酶競爭性抑制的特點是表觀Km增大，最大速度Vmax不變；酶非競爭性抑制的特點是Km不變，Vmax降低；酶反競爭性抑制的特點是Km降低，Vmax降低；不可逆抑制時反應終止。

【例7】（A型題）丙二酸對琥珀酸脫氫酶的抑制作用屬于（　?。?。[2014年研]

A．不可逆抑制

B．非競爭性抑制

C．反競爭性抑制

D．競爭性抑制

【答案】D

【解析】有些抑制劑和酶的底物結構相似，可與底物競爭酶的活性中心，從而阻礙酶和底物結合成中間產物，這種抑制作用稱為競爭性抑制。丙二酸與琥珀酸的結構類似，因此丙二酸可與琥珀酸競爭性抑制琥珀酸脫氫酶。酶對丙二酸的親和力遠大于酶對琥珀酸的親和力，當丙二酸濃度僅為琥珀酸濃度的1/50時，酶活性便被抑制50%。若增大琥珀酸濃度，此抑制作用便可被削弱。

【例8】（A型題）競爭性抑制時，酶促反應表現Km值的變化是（　　）。[2012年研]

A．增大

B．不變

C．減小

D．無規律

【答案】A

【解析】競爭性抑制劑一般與酶的底物結構相似，可與底物競爭酶的活性中心，從而阻礙酶和底物結合成中間產物。若增加底物濃度，則抑制作用會降低，甚至被解除。當底物濃度遠遠大于競爭性抑制劑濃度時，幾乎所有的酶分子均可與底物結合，因此最大反應速度（Vmax）仍可達到，但由于競爭性抑制劑的影響，使酶對底物的親和力下降，則表現Km值將增大。

【例9】（A型題）非競爭性抑制劑存在時，酶促反應的動力學特點是（　　）。[2011年研]

A．Km值不變，Vmax降低

B．Km值不變，Vmax增加

C．Km值增高，Vmax不變

D．Km值降低，Vmax不變

【答案】A

【解析】非競爭性抑制劑與酶活性中心外的必需基團結合，不影響酶與底物的結合，酶與底物的結合也不影響酶與抑制劑的結合。底物和抑制劑之間無競爭關系，因此非競爭性抑制作用不改變酶促反應的表觀Km值。但由于抑制劑與酶的結合抑制了酶的活性，故使最大反應速度（Vmax）降低。

【例10】（A型題）下列關于酶的Km值的敘述，正確的是（　?。?span id="grwqrz0" class="ZhenTiTag">[2008年研]

A．是反應速度達到最大速度時的底物濃度

B．不能反映酶對底物的親和力

C．對有多個底物的酶，其Km值相同

D．對同一底物，不同的酶有不同的Km值

【答案】D

【解析】米氏方程是解釋酶促反應底物濃度[S]與反應速度V之間關系的方程式：

（V為酶促反應速度，Vmax為最大反應速度，[S]為底物濃度，Km為米氏常數），當V＝1/2Vmax時，Km＝[S]。即Km的定義是酶促反應速度為最大速度一半時的底物濃度。Km特點為：①Km是酶的特征性常數之一，只與酶的結構、底物、溫度、pH、離子強度有關，而與酶濃度無關。②一種酶有多種底物時，每種底物都有其Km。其中，Km最小的一種底物稱為天然底物。③同一底物，不同的酶，有不同的Km值。④Km表示酶的親和力，Km值越小，表示親和力越大。

6．激活劑對酶促反應速率的影響

（1）定義

激活劑是指使酶由無活性變為有活性或使酶活性增高的物質。

（2）化學本質

激活劑大多為金屬離子，如、、等；少數為陰離子，如等；也有許多有機化合物激活劑，如膽汁酸鹽等。

四、酶的調節

1．酶活性的調節是對酶促反應速率的快速調節

（1）變構調節

①定義

變構調節是指體內一些代謝物與某些酶活性中心外的某個部位可逆性結合，使酶發生變構而改變其催化活性的調節方式。

②特點

a．變構調節是快速調節，不符合米氏方程，反應速度與底物濃度曲線呈S形；

b．變構酶多催化不可逆反應，變構調節可引起酶構象變化；

c．變構酶多由多亞基組成，但并非都有催化亞基和調節亞基。

（2）化學修飾調節

①定義

酶的化學修飾調節是指酶蛋白肽鏈上的一些基團，可與某些化學基團共價結合（在其他酶的催化下）；同時又可去掉已結合的化學基團（在另一種酶的催化下），從而影響酶的活性的調節方式。最常見的形式是磷酸化和去磷酸化。

②特點

酶的化學修飾調節是體內快速調節的另一種重要形式。

【例11】（A型題）下列物質代謝調節方式中，屬于快速調節的是（　?。?。[2013年研]

A．產物對酶合成的阻遏作用

B．酶蛋白的誘導合成

C．酶蛋白的降解作用

D．酶的別構調節

【答案】D

【解析】對關鍵酶的調節方式分為兩類：①快速調節：這類調節作用較快，在數秒或數分鐘內完成，如別構調節和化學修飾調節等。②遲緩調節：這類調節一般需數小時或數天才能完成。ABC三項，均屬于遲緩調節。

【例12】（A型題）下列反應中，屬于酶化學修飾的是（　?。?。[2012年研]

A．強酸使酶變性失活

B．加入輔酶使酶具有活性

C．肽鏈蘇氨酸殘基磷酸化

D．小分子物質使酶構象改變

【答案】C

【解析】酶蛋白肽鏈上某些殘基在不同催化單向反應的酶的催化下發生可逆的共價修飾，引起酶活性改變，這種調節稱為酶的化學修飾。最常見的修飾方式是磷酸化與脫磷酸化。酶蛋白分子中蘇氨酸、絲氨酸或酪氨酸殘基上的羥基是磷酸化修飾的位點。酶的磷酸化與脫磷酸化過程分別由蛋白激酶及磷蛋白磷酸酶催化。A項，強酸使酶活性降低甚至失活，稱為酶的變性。B項，酶與輔酶結合稱為結合酶。D項，一些小分子物質與酶分子活性中心以外的部位結合，引起酶的構象改變，從而改變酶的活性，稱為酶的變構調節。

【例13】（A型題）變構調節和化學修飾調節的共同特點是（　?。?。[2008年研]

A．引起酶蛋白構象變化

B．酶蛋白發生共價修飾

C．屬于快速調節方式

D．有放大效應

【答案】C

【解析】小分子化合物與酶蛋白分子活性中心外的某一部位特異結合，引起酶蛋白分子構象變化，從而改變酶的活性，這種調節稱為酶的變構調節。酶蛋白肽鏈上某些殘基在酶的催化下發生可逆的共價修飾，從而引起酶活性改變，這種調節稱為酶的化學修飾調節。變構調節和化學修飾調節都是通過改變酶的分子結構來改變其活性，從而調節酶促反應速度，都屬于快速調節。D項，化學修飾是由酶催化引起的共價鍵的變化，由于存在酶促反應，因此有放大效應。變構調節無酶促反應，故無放大效應。

【例14】（X型題）屬于酶化學修飾調節的反應有（　　）。[2012年研]

A．乙?；?/p>

B．磷酸化

C．腺苷化

D．泛素化

【答案】ABC

【解析】在酶促化學修飾過程中，酶發生無活性與有活性兩種形式的互變。這種調節是酶催化引起的共價鍵的變化，包括磷酸化與脫磷酸化、乙?；c脫乙?；?、甲基化與脫甲基化、腺苷化與脫腺苷化、-SH與-S-S-的互變等，其中以磷酸化與脫磷酸化最常見。D項，泛素化主要參與蛋白質在蛋白酶體通過ATP-依賴途徑被降解的生化反應。

2．酶含量的調節是對酶促反應速度的緩慢調節

（1）酶蛋白合成可被誘導或阻遏

①一般在轉錄水平上促進酶生物合成的作用稱為誘導作用；

②在轉錄水平上減少酶生物合成作用稱為阻遏作用。

（2）酶的降解與一般蛋白質降解途徑相同

①溶酶體途徑（非ATP依賴性）

②胞質途徑（ATP依賴性泛素介導）

五、酶與醫學的關系

1．酶缺乏所發生的疾病

酶缺乏所發生的疾病如表3-6所示。

表3-6  酶缺乏所發生的疾病

2．酶與疾病的診斷

酶與疾病的診斷如表3-7所示。

表3-7  酶與疾病的診斷

3．酶與疾病的治療

酶與疾病的治療如表3-8所示。

表3-8  酶與疾病的治療