“酶的化學(xué)組成和活性”知識拓展

周炳渠

在內(nèi)外因素影響下，細(xì)胞和生物體需要通過代謝調(diào)節(jié)適應(yīng)發(fā)生了變化的外部環(huán)境，并使內(nèi)部環(huán)境保持相對穩(wěn)定。細(xì)胞和生物體的代謝調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)是酶促反應(yīng)速率，主要是通過酶的合成調(diào)節(jié)和活性調(diào)節(jié)。下面，筆者就酶的化學(xué)組成和活性調(diào)節(jié)這部分內(nèi)容，在高中教材基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展分析。

一、酶的化學(xué)組成

酶的化學(xué)本質(zhì)，極少數(shù)是RNA（即核酶），絕大多數(shù)是蛋白質(zhì)（下文提及的酶，沒有特別說明時不包括核酶）。從化學(xué)組成來看，有的酶為單純蛋白質(zhì)，如脲酶、蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶和RNA酶等，有的酶除了蛋白質(zhì)，還需要結(jié)合輔因子才具有催化功能，即全酶=蛋白質(zhì)+輔因子。很多維生素就是輔因子的組成成分。

根據(jù)酶蛋白分子的特點(diǎn)，酶可以分為三類。①一般由1條肽鏈組成，有的由多條肽鏈組成，肽鏈間通過二硫鍵（-S-S-）相連構(gòu)成一個整體，稱為單體酶。②由2個或2個以上亞基組成，亞基間易分開，分開的亞基沒有催化活性，聚合后才具有催化活性，這類酶往往可調(diào)控代謝，稱為寡聚酶。③由幾種酶彼此嵌合形成多酶復(fù)合體，形成一個結(jié)構(gòu)和功能上保持統(tǒng)一的整體，并具有連續(xù)催化生理功能上密切相關(guān)的一組反應(yīng)的能力。如脂肪酸合成酶復(fù)合體是由7種酶和1種蛋白質(zhì)構(gòu)成的，能有序地催化7步反應(yīng)。

打個比方，單體酶是工廠中那些結(jié)構(gòu)簡單的小型工具，寡聚酶是需要多個零件相互配合的大型器械，多酶復(fù)合體就是應(yīng)用了小型工具和大型器械的整個生產(chǎn)流水線。

【例1】（浙江省2021年1月選考第30題節(jié)選）1897年德國科學(xué)家畢希納發(fā)現(xiàn)，利用無細(xì)胞的酵母汁可以進(jìn)行乙醇發(fā)酵;還有研究發(fā)現(xiàn)，乙醇發(fā)酵的酶發(fā)揮催化作用需要小分子和離子輔助。某研究小組為驗(yàn)證上述結(jié)論，利用下列材料和試劑進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

材料和試劑：酵母菌、酵母汁、A溶液（含有酵母汁中的各類生物大分子）、B溶液（含有酵母汁中的各類小分子和離子）、葡萄糖溶液、無菌水。

回答下列問題：

（1）除表中4組外，其他2組的實(shí)驗(yàn)處理分別是：; 。本實(shí)驗(yàn)中，這些起輔助作用的小分子和離子存在于酵母菌、 。（2）若為了研究B溶液中離子M對乙醇發(fā)酵是否是必需的，可增加一組實(shí)驗(yàn)，該組的處理是 。（3）制備無細(xì)胞的酵母汁，酵母菌細(xì)胞破碎處理時需加入緩沖液，緩沖液的作用是 ，以確保酶的活性。

【解析】本試題的命制以酶的科學(xué)發(fā)現(xiàn)史為背景，以全酶的化學(xué)組成為隱含知識。題中B溶液含有酵母汁中的各類小分子和離子，存在著各種全酶的多種輔因子。制備無細(xì)胞的酵母汁，酵母菌細(xì)胞中的很多物質(zhì)會由于分布改變（物質(zhì)間直接接觸）、pH改變等導(dǎo)致酶的結(jié)構(gòu)被改變，因而在破碎處理時需加入緩沖液。

【答案】（1）葡萄糖溶液+酵母汁 葡萄糖溶液+A溶液+B溶液 酵母汁和B溶液 （2）葡萄糖溶液+A溶液+去除了離子M的B溶液 （3）保護(hù)酶分子空間結(jié)構(gòu)和提供酶促反應(yīng)的適宜pH

二、酶活性

酶活性又稱酶的活力，是指酶催化某一化學(xué)反應(yīng)的能力，可以用在一定條件下所催化的某一化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)速率來表示，所以測定酶的活性就是測定酶促反應(yīng)的初速率。酶促反應(yīng)的反應(yīng)速率一般用單位時間內(nèi)的生成物的增加量來表示。

【例2】下列關(guān)于酶的活性測定的敘述中，錯誤的是（ ）

A.溫度會影響酶促反應(yīng)的速率

B.測定酶活性時，酶促反應(yīng)的底物應(yīng)充足

C.測定酶活性時，反應(yīng)時間越長，測得的數(shù)據(jù)越準(zhǔn)確

D.與測定生成物的增加量相比，測定底物的減少量相對不準(zhǔn)確

【解析】溫度會影響酶促反應(yīng)的速率，一方面是因?yàn)闇囟忍岣?，底物分子活動性增?qiáng)，另一方面是因?yàn)闇囟葧绊懨富钚?。酶的催化具有最適溫度范圍，小于或高于最適溫度酶活性就會下降，選項(xiàng)A說法正確。由于底物濃度會影響酶促反應(yīng)的速率，因而在測定酶活性時，應(yīng)保證底物過量，即要有足夠的底物濃度。如果反應(yīng)時間過長，底物減少，酶促反應(yīng)速率會下降，因而測定酶活性時，只測定反應(yīng)的初速率，選項(xiàng)B說法正確，選項(xiàng)C說法錯誤。也正因?yàn)闇y定酶活性時，底物濃度過量，底物濃度的減小幅度很小，所以往往會測不準(zhǔn)，選項(xiàng)D說法正確。

【答案】C

三、底物影響酶活性

根據(jù)酶促反應(yīng)的中間產(chǎn)物學(xué)說，酶促反應(yīng)過程中，酶（E）首先與底物（S）結(jié)合形成中間產(chǎn)物，即酶-底物復(fù)合物（ES），然后再生成產(chǎn)物（P），產(chǎn)物與酶分子分離。酶促反應(yīng)的中間產(chǎn)物學(xué)說可用下式表示：E+S→ES→E+P。因而酶促反應(yīng)的速率取決于ES的形成速率。

【例3】下圖（圖1）實(shí)線表示聯(lián)苯水解酶催化反應(yīng)速率與酶濃度的關(guān)系，虛線表示在其他條件不變的情況下，底物濃度增加1倍，反應(yīng)速率與酶濃度的關(guān)系，能正確表示兩者關(guān)系的是（ ）

【解析】根據(jù)酶促反應(yīng)的中間產(chǎn)物學(xué)說，酶促反應(yīng)的速率取決于ES的形成速率。當(dāng)酶濃度很低時，可以認(rèn)為全部的酶都與底物反應(yīng)形成了中間產(chǎn)物ES，即中間產(chǎn)物ES形成速率的限制因素是酶濃度，因而底物增加的影響十分微弱，兩條曲線重合或差距很小;在酶濃度足夠高時，即有足夠數(shù)量的酶沒有與底物相結(jié)合，中間產(chǎn)物ES形成速率與底物濃度成正相關(guān)。故選項(xiàng)B的曲線符合事實(shí)。

【答案】B

四、產(chǎn)物抑制酶活性

酶促反應(yīng)的產(chǎn)物，往往會對酶具有抑制作用，這有利于產(chǎn)物的濃度保持相對穩(wěn)定。如下列反應(yīng)中，2，3-二磷酸甘油酸對1，3-二磷酸甘油酸變位酶的活性具有抑制作用，從而實(shí)現(xiàn)對這一反應(yīng)的調(diào)節(jié)。

許多物質(zhì)合成代謝途徑的一連串反應(yīng)中，催化第一步反應(yīng)的酶大多能被全部序列的最終產(chǎn)物反饋抑制。

【例4】生物體內(nèi)以底物為甲為原料生成終產(chǎn)物戊的反應(yīng)途徑如圖2所示，戊對酶1的活性具有抑制作用。下列分析中不合理的是（ ）

A.酶1具有與戊結(jié)合的位點(diǎn)

B.酶1與戊結(jié)合后不再分離

C.酶2的活性基本保持穩(wěn)定

D.戊的含量在生物體內(nèi)保持相對穩(wěn)定

【解析】戊對酶1的活性具有反饋抑制作用，這有利于戊的含量在生物體內(nèi)保持相對穩(wěn)定。這種抑制作用是通過終產(chǎn)物戊與酶1結(jié)合，改變酶1的結(jié)構(gòu)，從而減弱酶1的活性。終產(chǎn)物戊與酶1的結(jié)合和分離是可逆的，否則無法實(shí)現(xiàn)對酶活性的調(diào)節(jié)。各步驟的反應(yīng)速率保持相對恒定，酶2、酶3、酶4的活性都保持相對穩(wěn)定。故選項(xiàng)B說法不合理。

【答案】B