生物化学：第四章 酶参考答案

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V

max

两式相除得

值为：

解得竞争性抑制剂存在时酶的K′

m

7. 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。

a. 无抑制剂和有抑制剂时的V max和K m。

b. 抑制剂类型。

c. EI复合物解离常数K i。

答：a.

有抑制剂时：K′m=31.8 μΜ, V′max=45.5 μΜ/min

无抑制剂时：K m=10.2 μΜ, V max=45.5 μΜ/min

b. 由于有抑制剂时的最大反应速率没有改变，因此属于竞争性抑制剂。

c. K m= K m’(1 + [I] /K i) 所以K i=0.47[I]

16. 下面的反应被酯水解酶催化水解，回答下列问题

（1）完成上述反应式。

（2）试设计两个该酶的竞争性抑制剂，画出它们的结构，并说明设计原理。

（3）如果该酶的活性中心有一丝氨酸残基，什么样的分子可以作为该酶的不可逆抑制剂？试画出一个你知道的分子的结构。

答：(1) CH 3CH 2OH + CH 3COOH

(2) 这两个分子均具有可与酶识别的羰基，分子大小接近，并没有能被水解的酯基，因此会与底物竞争与酶活性中心的结合。

(3) 那些能与丝氨酸残基上的羟基发生反应的分子（亲电性较强的分子）作为该酶的不可逆抑制剂，如卤代烃、有机磷农药等。 P O O O CH CH

3CH

3H 3C

H 3C

17、弹性蛋白酶能够被下列化合物特异性抑制：

a. 此化合物可能与酶活性中心的何种氨基酸残基共价结合？

b. 形成何种共价键？

答：（1）此化合物可能与酶活性中心的Ser 残基共价结合。

（2）Ser 的羟基与醛基可以形成半缩醛。

18、TPCK 能够与胰凝乳蛋白酶活性中心His 残基特异性反应，并使酶失活。TPCK 是否也能与胰蛋白酶活性中心的His 完全反应？ 试设计一个TPCK 类似物，它能够与胰蛋白酶活性中心的His 完全反应。

答：TPCK 与胰凝乳蛋白酶活性中心His 残基特异性反应是由于：（1）苯丙酰基与苯丙氨酸相似，因此很容易进入胰凝乳蛋白酶疏水的活性中心；（2）氯甲基酮基是一个很强的烷基化剂，它能够与反应中心His-57的咪唑基发生烷基化反应，并引起酶的失活。胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶均催化肽键的裂解反应，其结构和作用机制很相似，它们的活性部位都位于酶分子表面凹陷的口袋中，都

有由His 、Asp 和Ser 形成的催化三联体，只是专一性明显不同，胰凝乳蛋白酶的口袋被疏水氨基酸环绕，大到足以容纳一个芳基残基，因此该酶选择裂解芳香氨基酸如Phe 和Tyr 的羧基侧肽键，而胰蛋白酶口袋底物有一个带负电荷的Asp189，有利于结合正电荷Arg 和Lys 残基，而TPCK 中无正电荷，因此较难进入胰蛋白酶的活性中心与His 完全反应。因此可以这样设计TPCK 类似物：将TPCK 的反应基团—CH 2—Cl 和类似肽键结构—NH—CH—CO—保留，其余部分更换为带正电荷的Arg 或Lys 的R 基团或其类似物。

设计化合物如下：

H 3C S O NHCHCCH 2Cl

(CH 2)4NH 3O H 3C S O NHCHCCH 2Cl (CH 2)3CNH 2

O NH 2

19. 如果将胰蛋白酶活性部位的Asp102替换为Asn ，试预测： ① 这种替换对酶与底物的结合有何影响？

② 这种替换对酶的催化性能有何影响？

答：（1）由于Asp102是胰蛋白酶活性部位“催化三元区”中的一个氨基酸残基，把它替换为Asn 对酶与底物的结合影响不大。

（2）由于替换后，羧基的功能已不存在，因此会大大降低酶的催化活性。

20. 指出下列说法是否正确

① 酶既可以降低反应的活化能，也可以降低反应的自由能。

② 丝氨酸蛋白酶活性部位的氧负离子洞的作用是稳定酶与底物所形成的中间过渡态。

③ 有机磷杀虫剂对胆碱酯酶的抑制作用属于不可逆抑制作用。 ④ 辅酶作为全酶的一部分，可以转移基团、传递质子和电子以及决定酶的专一性。

(1) 错。（2 ）对。（3）对。（4）错。

21. 已知饮用甲醇可以致命，甲醇本身无害，但它在体内经乙醇脱氢酶作用生成有害的甲醛，令人奇怪的是甲醇中毒的一种处理方法是让患者饮酒，试问这种处理是否有效？为什么？

答：这种处理是有效的。

因为甲醇与乙醇结构极其类似，甲醇可以和乙醇脱氢酶结合，但是乙醇才是乙醇脱氢酶的最佳底物，增加饮酒可以使乙醇脱氢酶大量与乙醇结合，有效阻止其与甲醇结合，从而减少甲醛的生成。

22. 某酶的化学修饰实验表明，Glu 和Lys 残基是这个酶活性所必需的两个残基。根据pH 对酶活性影响的研究揭示，该酶的最适pH 近中性。请说明这个酶的活性部位的Glu 和Lys 残基在酶促反应中可能的作用，并予以解释。

答：（1）Glu 的侧链羧基的解离常数约为4.0，在近中性条件下，该基团去质子化，因而可推测其在酶促反应中的可能作用是：广义碱催化作用，亲核共价修饰作用，正电荷过渡态稳定作用。

（2）Lys 的侧链氨基的解离常数约为10.0，在近中性条件下，该基团被质子化，因而可推测其在酶促反应中的可能作用是：广义酸催化作用，负电荷过渡态稳定作用。

23. HIV-1有一关键的蛋白酶，分子量为21500。该酶催化水解的底物为一七肽，已知该水解反应的K cat = 1000 s -1, K m = 0.075 M ，（1）计算当该蛋白酶的用量为0.2 mg/mL 时，催化底物水解的最大反应速率。 （2）计算底物浓度为0.15 M 时反应的初速率。 （3）当七肽中的－CONH ―被―CH 2NH －替换，所获得的衍生物不能被酶水解断裂，而是一种抑制剂。如果酶促反应条件与上述（1）相同，但同时存在2.5 M 的这种抑制剂，测得V max 为9.310-3 M/s 。请说明这种抑制剂的抑制作用类型。

答：

（1）由K cat = v max /[E]t 得，V max =K cat ×[E]t =1000×0.2/21500=9.3×10-3mol/(L.s)

（2）v = ][]max[S Km S V + = 5

.1075.005.1010.393-+×× = 6.2×10-3 mol/(L.s) （3）由于v max = 9.3×10-3 mol/(L.s)不变，说明该抑制剂是竞争性抑制剂。

24. 某酶的催化机制为共价催化，经研究发现，该酶活性中心的Cys 对酶活性是必需的，其p K a 值为8。当将与Cys 邻近的一个氨基酸残

基置换后，发现Cys 的p K a 值升高到10。试问：这种置换对酶促反应的速率有何影响？为什么？

答：这种置换将会降低酶促反应的速率。根据共价催化反应机理，半胱氨酸残基中的巯基作为亲和进攻基团进行催化反应，—S -的亲核性显然比—SH 强。当Cys 的p K a 值升到10时，说明酸性降低，在生理条件下更难解离为—S -，因此，会导致反应速率降低。

25. 对硫磷是一种剧毒杀虫剂。解释为什么对硫磷对昆虫和人都具有很高的毒性。

答：对硫磷可作为不可逆抑制剂，使昆虫和人体内的乙酰胆碱酶失活，导致有毒性的乙酰胆碱在体内积累，引起中毒。

26. 试解释青霉素杀菌的原因。为什么青霉素对人体细胞毒性不大？

答：因为人体细胞没有细胞壁，而青霉素是细菌细胞壁合成中转肽酶的不可逆抑制剂，故青霉素对人体细胞毒性不大。

27. 为什么药物的手性结构对药效影响很大？

答：酶具有立体专一性，即对具有手性的底物分子具有选择性。一种手性的药物分子对酶是抑制剂，其对映异构体可能完全不能被酶识别或识别能力相差很大，从而酶根本不能对其起作用或作用程度不同，甚至作用结果不同。因此，药物的手性结构对药效影响很大。

28. 阿司匹林（乙酰水杨酸）的抗炎和解热作用是由于与花生酸环氧合酶活性中心的Ser 作用，并使酶失活，从而抑制了前列腺素的合成。试写出阿司匹林与Ser 残基的反应情况。

答：阿司匹林可以通过与环氧合酶发生酰化反应，使酶失活，其与Ser 残基的反应情况如图所示：

O COOH O

Ser COOH C O 3Ser COOH OH +Ser

O C O CH 3 环氧合酶（活性酶） 环氧合酶（失活酶）

29. 举例说明抗体酶、杂化酶和酶模型的设计原理。

答：抗体酶的设计原理就是构建一个对某种过渡态具有最佳缔合状态的抗体。主要包括过渡态类似物的构建、抗原的制备和应用单克隆抗体筛选技术制备抗体酶。如对硝基苯酚胆碱酯在酶催化水解过程中会形成以下过渡态，而对硝基苯酚磷酸胆碱酯（PNPDC）在结构上与过渡态中间物很相似，因此可用作人工合成半抗原。

杂化酶：用化学方法将一个催化活性基团（带有双向可反应基团）引进抗原类似物中，利用抗体蛋白与抗原类似物亲和结合作用，使催化活性基团与和抗体结合部位附近氨基酸残基共价结合，然后将催化活性基团与抗原类似物分离，并将抗原类似物从抗体的结合部位除去。

酶模型：酶模型含有酶具有的主要活性基团以及与酶的活性中心相似的空间结构。在水解酶分子中His的催化活性基团是咪唑基，咪唑对活性酯的催化行为表明它具有酶的一般属性，可以把咪唑看成是最简单的水解活性酯的酶模型。

30. 酶在有机溶剂中保持活性的基本条件是什么？有机溶剂中酶促反应有何特点？

答：（1）酶在有机溶剂中保持活性的基本条件是：必须含有必需的结合水以保持酶的催化活性（含水量一般小于2%）；另一方面，有机溶剂的极性相对较弱。

（2）有机溶剂中酶促反应特点是：底物特异性、立体选择性、区域选择性、键选择性、热稳定性。

31．设计用酶法将外消旋醇转变成手性醇。

答：(1) 在有机溶剂介质中，以外消旋醇和脂肪酸为原料，用猪肝酯酶（PLE）催化酯化反应，得到光学纯度的R-或S-酯。

(2) 有机溶剂萃取上述获得的光学纯酯，在水溶液中应用酶催化水解酯的反应，将脂水解得到手性醇。

32. 应用水解酶催化酯键合成的基本条件是什么？

答：水解酶催化酯键合成首先要处于有机溶剂中，但需要保存酶的结合水以保持酶的活性，此时发生的是酯合成反应和酯交换反应。如脂肪酶，不同微生物来源的脂肪酶可以催化不同链长脂肪酸与不同链长脂肪醇的酯化反应。其次，酶要有活性，要有合适的温度、pH等。

33. 举例说明某种酶在环境保护中的应用前景。

答：以多酚氧化酶为例，多酚氧化酶可以直接利用空气中的氧作为氧化剂，将含酚废水中的酚氧化成邻醌类化合物。邻醌类化合物在水相中能够自身发生聚合反应生成不溶性物质黑色素，或者与其他的芳香胺等作用形成聚合反应沉淀。由于多酚氧化酶容易制备，成本比较低，所以获得了广泛应用。例如，属于多酚氧化酶中的漆酶对酚类或芳胺类等多种底物的氧化起催化作用，从而使其在含酚废水的处理、环境中酚类毒物的降解、饮料加工、食用和药用菌生产、饲料工业及医药卫生等各个领域有着广泛应用。

34. 试设计将面包酵母制成固定化酶。

答：酶固定化的方法主要有四种，分别是吸附法、共价法、交联法和包埋法。对于面包酵母，选择包埋法比较合适，常用的载体有纤维素和海藻胶，本例子采用海藻胶为载体。主要过程如下：

（1）活化酵母细胞

活化是让休眠状态的微生物重新恢复正常的生活状态，酵母细胞需要的活化时间一般为0.5-1小时。

（2）配制0.05 mol/L的CaCl2

其作用是使海藻酸钠胶体发生聚沉，形成凝胶珠。

（3）配制海藻酸钠的溶液

加热使海藻酸钠溶化，注意要小火或者间断加热，不可温度过高。

（4）海藻酸钠溶液与酵母细胞混合

将冷却的海藻酸钠溶液冷却至室温，加入活化了的酵母细胞，充分搅拌，转移至注射器。

（5）固定化酵母细胞

以恒定的速度缓慢地将注射器中的溶液滴到配置好的CaCl2溶液，形成凝胶珠，凝胶珠在CaCl2中浸泡30分钟即可。