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第５章　酶的化学
5.1 酶的概述
5.2　酶促反应机理
5.3　酶促反应动力学
5.4　酶活性的调节
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５．１　酶的概述
酶是生物体系的催化剂，生物体中的各种化学反应，包括物质转化和能量转化，都需要特殊的酶参加催化。在酶作用下进行化学变化的物质称底物（ｓｕｂｓｔｒａｔｅ），有酶催化的化学反应称酶促反应。酶学知识在理论和实践两方面都有极其重要的意义。
5.1.1　酶的化学本质
１.大多数酶是蛋白质
到目前为止，科学家对上千种酶进行了分离纯化并分析证明了它们的本质是蛋白质。能够证明绝大多数酶的本质是蛋白质的依据是：酶经水解的产物是氨基酸；蛋白酶水解能使其失活；
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５．１　酶的概述
酶属于生物大分子，不同的酶有不同并且特定的空间结构，使蛋白质变性的因素可以使酶变性失活；酶像蛋白质一样具有两性解离性质，具有其特定的等电点；酶不能透过半透膜；具有同蛋白质一样的呈色反应。
显而易见，酶的范围比蛋白质的小，只有那些具有催化功能的蛋白质才是酶，其活性依赖于其天然蛋白质的空间构象完整性，使其变性或解聚为亚基都使其失活。
酶从化学组成上来看，有的酶为单纯蛋白质，其分子组成全为蛋白质，不含非蛋白质物质，如大多数水解酶类，如脲酶、蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶、核糖核酸酶等；有的酶为缀合蛋白质（结合蛋白质），其分子中除蛋白质外，还有非蛋白质物质，如氧化还原酶类。
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５．１　酶的概述
前者称单纯酶（ｓｉｍｐｌｅｅｎｚｙｍｅ），后者称缀合酶（ｃｏｎｊｕｇａｔｅｄｅｎｚｙｍｅ）。缀合酶中的蛋白质部分称酶蛋白或脱辅酶（ａｐｏｅｎｚｙｍｅ），非蛋白质部分称为辅因子（ｃｏｆａｃｔｏｒ），酶蛋白与辅因子组成的完整分子称为全酶。
全酶＝酶蛋白＋辅因子
对于缀合酶而言，只有全酶方能起催化作用，酶蛋白或辅因子各自单独存在时，皆无催化活性。辅因子按照其化学成分，分为金属离子和小分子有机化合物。
约有２／３的酶含有金属离子，常见的金属离子有Ｋ＋ 、Ｎａ＋ 、Ｍｇ２＋、Ｃｕ＋／Ｃｕ２＋ 、Ｚｎ２＋和Ｆｅ２＋／Ｆｅ３＋ 等。
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５．１　酶的概述
金属辅助因子的作用是多方面的，或者作为酶活性中心的催化基团参与催化反应如传递电子等；或者是连接底物和酶分子的桥梁，便于酶对底物起作用；或者为稳定酶的构象所必需；或者中和阴离子，降低反应中的静电斥力等。
有些酶的辅助因子是一些热稳定的小分子有机物质。
通常一种酶蛋白必须与某一特定的辅酶（辅基）结合，才能成为有活性的全酶。如果该
辅酶被另一辅酶所取代，此时酶即表现无活力。但是一种辅酶可以与多种不同酶蛋白结合，
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５．１　酶的概述
从而组成具有不同底物特异性的全酶。例如乳酸脱氢酶与苹果酸脱氢酶有同样的辅酶（ＮＡＤ＋），但酶蛋白不同，它们虽然同样能催化脱氢作用，但前者只能使底物乳酸脱氢，而后者只能使苹果酸脱氢。在全酶中，辅助因子决定催化反应的类型，酶蛋白则负责识别底物。酶蛋白具有对底物的专一性及对辅助因子选择的专一性，从而决定特定的底物发生特定的反应。辅酶相同而酶蛋白不同的几种酶，能催化同一种化学反应，但各作用于不同的底物。
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５．１　酶的概述
２. 某些犚犖犃有催化活性
长期以来人们认为所有的酶都是蛋白质，这几乎成了定律。２０世纪８０年代，陆续发现了ＲＮＡ 的催化活性，这一类酶为Ｒｉｂｏｚｙｍｅ，通常译为核酶。这以后发现的ＲＮＡ 催化剂越来越多，它们在ｔＲＮＡ、ｒＲＮＡ 和ｍＲＮＡ 的成熟及其他一些重要的生化反应中表现出催化活性，因此越来越受到人们的重视。
３.某些抗体有催化活性
１９８６年，美国Ｒ．Ａ．Ｌｅｒｎｅｒ和Ｐ．Ｇ．Ｓｃｈｕｌｔｚ等人得到了具有酶催化活性的抗体，这类酶称为抗体酶（ａｂｚｙｍｅ），是一种具有催化功能的抗体分子，在其可变区赋予了酶的属性。
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５．１　酶的概述
5.1.2　酶的分类和命名
酶的名称习惯上是根据底物和反应类型来取的。例如作用于糖的，称为糖酶；催化底物水解的，称为水解酶；有的根据底物，例如淀粉酶、蛋白酶；有的根据反应性质，如水解酶；有的将两者结合起来，如氨基酸氧化酶等；有的则根据来源，如唾液淀粉酶等。由于酶的种类众多，而过去的习惯命名方法无统一规定，难免引起一些混乱。系统名的组成包括：正确的底物名称（包括构型）、反应性质和一个“酶”字，例如Ｄ?葡萄糖酸?δ?内酯水解酶。
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５．１　酶的概述
若底物为两种，则需列出两个底物的名称，两者之间用冒号（：）分开，例如Ｌ?丙氨酸：α?酮戊二酸转氨酶。如底物之一是水时，水可以省去，如乙酰辅酶Ａ：水水解酶，可写作乙酰辅酶Ａ：水解酶。氧化还原酶类的命名是在供体、受体后面加“氧化还原酶”一词作语尾。如醇：ＮＡＤ＋ 氧化还原酶。
5.1.3 酶的结构
１. 酶的结构
酶蛋白也由组成一般蛋白质的２０种常见氨基酸所组成。根据酶蛋白分子的特点，将酶分为以下３类：
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５．１　酶的概述
（１）单体酶（ｍｏｎｏｍｅｒｉｃｅｎｚｙｍｅ）
（２）寡聚酶（ｏｌｉｇｏｍｅｒｉｃｅｎｚｙｍｅ）
（３）多酶复合物（ｍｕｌｔｉｅｎｚｙｍｅｃｏｍｐｌｅｘ）
２.酶的活性部位与必需基团
酶的分子结构是酶功能的物质基础。酶蛋白之所以异于非酶蛋白质，各种酶之所以有催化性和专一性，都是由于其分子结构的特殊性。
酶的活性部位（ａｃｔｉｖｅｓｉｔｅ）又称酶的活性中心（ａｃｔｉｖｅｃｅｎｔｅｒ），是指酶分子中能同底物结合并起催化反应的空间部位。一个酶的活性部位是由结合部位（ｂｉｎｄｉｎｇｓｉｔｅ）和催化部位（ｃａｔａｌｙｔｉｃｓｉｔｅ）所组成的。
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５．１　酶的概述
前者直接同底物结合，它决定酶的专一性，也就是说，决定与何种底物结合；后者直接参加催化，它决定所催化反应的性质。单纯酶（指不需要辅基的酶）的活性部位是由肽链的氨基酸残基或小肽段所组成的三维结构；缀合酶（指需辅基的酶）的活性部位除含组成活性部位的氨基酸残基外，还含有辅因子的某些化学结构，如磷酸吡哆醛、核黄素、血红素之类。
5.1.4 酶催化作用的特点
酶作为一种生物催化剂，在催化一个化学反应时，既具有一般催化剂的特性，又具有不同于一般催化剂的特殊性。酶与一般催化剂一样，只催化热力学允许的化学反应；
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５．１　酶的概述
可以加快或者改变化学反应的速度，但不改变反应的平衡点，即不改变反应的平衡常数；作用机理都是降低反应的活化能；在反应前后，酶本身没有质和量的改变，且微量的酶便可发挥巨大的催化作用。但是酶也具有不同于一般催化剂的特殊性，有以下几点：
１.酶的不稳定性
２.酶的催化效率极高
３.酶催化的反应具有高度的专一性
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５．１　酶的概述
5.1.5　酶活力的测定
在酶的分离纯化过程中，或是对酶性质的研究过程中，或酶的应用工作中，经常要测定酶活力，酶活力的测定实际上就是酶的定量测定。酶活力（ｅｎｚｙｍｅａｃｔｉｖｉｔｙ）也称酶活性，是指酶所催化的化学反应的速率。酶所催化的化学反应速率越大，酶活力就越高；反之，酶所催化的化学反应速率越大，酶活力就越小。
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５．２　酶促反应机理
5.2.1　中间产物学说
关于酶的高效性，目前普遍接受的是１９１３年生物化学家Ｍｉｃｈａｅｌｉｃ和Ｍｅｎｔｅｎ提出的酶的中间产物学说。他们认为：酶降低活化能的原因是酶参加了反应，即酶分子与底物分子先结合形成不稳定的中间产物（中间结合物），这个中间产物不仅容易生成，而且容易分解出产物，释放出原来的酶，这样就把原来活化能较高的一步反应变成了活化能较低的两步反应。由于活化能降低，所以活化分子大大增加，反应速度因此迅速提高。如果以Ｅ表示酶，Ｓ表示底物，ＥＳ表示中间产物，Ｐ表示反应终产物，其反应过程可表示如下：Ｅ＋Ｓ→ＥＳ→Ｅ＋Ｐ。
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５．２　酶促反应机理
该学说的关键是认为酶参与了底物的反应，生成了不稳定的中间产物，因而使反应沿着活化能较低的途径迅速进行。事实上，中间产物学说已经被许多实验所证实，中间产物确实存在。
根据中间复合物学说可以解释米氏方程的曲线，在酶浓度恒定的条件下，当底物浓度很小时，酶未被底物饱和，此时反应速率随底物浓度的增加呈线性增加。随着底物浓度继续增大，ＥＳ生成也越多，反应速率取决于ＥＳ浓度，故也增高。只是随着ＥＳ的增多，其分解为Ｅ和Ｓ的逆反应速率也在增加，故总体反应速率增加趋势变缓。当底物浓度相当高时，溶液中的酶全部被底物饱和，即使增加底物浓度，也不会有更多的ＥＳ生成，故反应速率此时与底物浓度无关。
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５．２　酶促反应机理
目前，中间复合物学说已得到如电子显微镜、Ｘ射线晶体结构、光谱学实验等的证明。
5.2.2　诱导契合学说
关于酶的专一性的解释，早期曾经提出“锁与钥匙”学说，即酶和底物之间为锁和钥匙的关系，但是该学说具有局限性，对于酶促反应的逆反应则不能解释，因为在这种机制下，同一种酶不可能既能与底物准确结合，又能与产物准确结合。后来提出了“诱导契合假说”，该学说认为酶活性部位的构象并不像“锁与钥匙”学说那样僵硬不变，而是柔韧可变的。
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５．２　酶促反应机理
5.2.3　酶的作用机制
关于酶如何能使反应加快的解释也有很多，现主要介绍如下６种学说。
１. 底物和酶的邻近与定向效应
２. 酸碱催化
３. 共价催化
４. 金属离子催化
５. 多元催化与协同效应
６. 活性部位微环境
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5.3 酶促反应动力学
5.3.1　酶浓度对酶促反应速率的影响
在一个酶作用的最适条件下，如果底物浓度足够大，足以使酶饱和而有余，则随着酶浓度的增加，酶促反应速率也相应加快，即酶促反应的速率（v）与酶浓度［Ｅ］成正比，v＝k［Ｅ］，犽为反应速度常数。相应关系如图５-５所示。
5.3.2　底物浓度对酶促反应速率的影响
保持其他条件不变，以反应速率狏与底物浓度［Ｓ］作图，可得到如图５-６所示的双曲线。
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5.3 酶促反应动力学
在底物浓度低的情况下，大部分酶分子处于游离状态，反应速率与底物浓度成正比；随着底物浓度继续升高，反应速率还在加快，但不再呈正比例，增加的幅度越来越小；当底物浓度大大高于酶浓度时，反应体系中所有的酶都已被底物所“饱和”。此时底物浓度的继续增加对反应速率已没有影响，酶催化反应的速率不再增加，达到最大值，即vｍａｘ。
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5.3 酶促反应动力学
5.3.3　温度对酶促反应速率的影响
由于酶促反应也是一种化学反应，所以，在一定的温度范围内，温度升高，活化分子数增加，反应速率加快。但由于酶是生物催化剂，其本质是蛋白质，温度过高会使酶变性失活。如果以温度为横坐标，反应速率为纵坐标，可得到如图５-８所示的曲线。对每一种酶来说，都有一个最大活力对应的温度，这一温度称为该酶的最适温度。当反应温度低于最适温度时，升高温度增加活化分子数、加快反应速率这一效应起主导作用；超过最适温度时，温度继续升高，酶的变性失活起主导作用。因此，反应速率随温度的升高而降低。
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5.3 酶促反应动力学
5.3.4 　PH对酶促反应速率的影响
ｐＨ 对酶促反应速率的影响是复杂的。ｐＨ 的变化不仅影响酶的稳定性，而且还影响酶活性中心重要基团的解离状态。若用不同ｐＨ 条件下测得的酶活力对ｐＨ 的变化作图，可得到一种钟罩形的曲线。从曲线可以看出，一种酶只在某一ｐＨ 范围内，表现出最高的催化活性，偏离此值则反应速率下降。通常称此ｐＨ 为某酶的最适ｐＨ。
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5.3 酶促反应动力学
大多数酶的反应速率对ｐＨ 的变化呈钟罩形曲线，多数植物和微生物来源的酶，最适ｐＨ 在４．５～６．５，动物酶的最适ｐＨ 在６．５～８．０，个别也有例外，如胃蛋白酶的最适ｐＨ 为１．５～２．５，精氨酸酶的最适ｐＨ 在９．８～１０．０。最适ｐＨ 也不是酶的特征性常数，往往受到酶的纯度、底物浓度、缓冲液种类和浓度等因素的影响。在测定酶的活性时，应选用适宜的缓冲液，以保持酶活性的相对恒定。
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５．４　酶活性的调节
5.4.1　酶的变构效应
关于血红蛋白的变构调节已在蛋白质化学一章涉及，生物体内许多酶也有类似的变构现象。细胞内一些中间代谢物能与某些酶分子活性中心以外的某一部位以非共价键可逆结合，使酶构象发生改变并影响其催化活性，进而调节代谢反应速率，这种现象称为变构效应或别构效应（ａｌｌｏｓｔｅｒｉｃｅｆｆｅｃｔ）。对酶催化活性的这种调节方式称为变构调节（ａｌｌｏｓｔｅｒｉｃｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ）。具有变构调节的酶被称为变构酶或别构酶。
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５．４　酶活性的调节
酶分子中与中间代谢物结合的部位称为变构部位（ａｌｌｏｓｔｅｒｉｃｓｉｔｅ） 或调节部位（ｒｅｇｕｌａｔｏｒｙｓｉｔｅ）。能引起变构效应的代谢物称为变构效应剂（ａｌｌｏｓｔｅｒｉｃｅｆｆｅｃｔｏｒ）。如果某效应剂能使酶活性增加并加速反应速率，则被称为变构激活剂（ａｌｌｏｓｔｅｒｉｃａｃｔｉｖａｔｏｒ）；反之，降低酶活性及反应速率者，为变构抑制剂（ａｌｌｏｓｔｅｒｉｃｉｎｈｉｂｉｔｏｒ）。
根据变构效应物是否为底物本身，又可分为同促效应和异促效应。同促效应是指变构效应物为底物本身，酶蛋白与其结合后，引起催化部位与催化部位之间的相互作用；异促效应是指变构效应物为底物外的小分子物质，其结合后引起的调节部位与活性部位之间的相互关系。
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５．４　酶活性的调节
变构酶分子常含有多个（多为偶数）亚基，酶分子的催化部位（活性中心）和调节部位有的在同一亚基内，也有的不在同一亚基内。含催化部位的亚基称为催化亚基；含调节部位的亚基称为调节亚基。具有多亚基的变构酶也与血红蛋白一样，存在着协同效应，包括正协同效应和负协同效应。如果效应剂与酶的一个亚基结合，此亚基的变构效应使相邻亚基也发生变构，并增加对此效应剂的亲和力，则此协同效应称为正协同效应；如果后续亚基的变构降低对此效应剂的亲和力，则此协同效应称为负协同效应。如果效应剂是底物本身，则正协同效应的底物浓度曲线为Ｓ形曲线。可见变构酶不遵守米氏动力学原则。
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５．４　酶活性的调节
5.4.2　酶的共价修饰
共价修饰（ｃｏｖａｌｅｎｔｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ）调节是酶活性调节的另一种重要方式。某些调节酶在其他酶的作用下，对其多肽链上的某些基团进行可逆的共价修饰，而使其在高活性形式和相对较低的活性形式之间互相转变。这种互变实际上是由两种催化不可逆反应的酶所催化的，它们往往又受激素的调控。酶的化学修饰包括磷酸化与脱磷酸化、乙酰化与脱乙酰化、甲基化与脱甲基化、腺苷化与脱腺苷化及—ＳＨ 与—Ｓ—Ｓ的互变等，其中以磷酸化修饰最为常见。能够被其他酶通过共价修饰／去共价修饰的互变，进而改变其活性的这一类酶，称为共价调节酶。
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５．４　酶活性的调节
酶分子上特定的丝氨酸、苏氨酸或酪氨酸残基上—ＯＨ 的可逆磷酸化修饰是最常见的共价修饰方式。在真核细胞中，１／３～１／２的蛋白质受可逆磷酸化修饰，并且很多都是对代谢起调节作用的关键酶，蛋白质的磷酸化与脱磷酸化过程是生物体内存在的一种普遍的调节方式，在各个系统中均占重要地位。有些常受激素甚至神经的指令（导致级联放大效应）。磷酸基与酶分子上特定氨基酸残基的结合是由蛋白激酶（ｐｒｏｔｅｉｎｋｉｎａｓｅｓ）催化的，磷酸基的脱去由蛋白磷酸酶（ｐｒｏｔｅｉｎｐｈｏｓｐｈａｔａｓｅｓ）催化。有些酶分子上只有一个磷酸化位点，有些酶分子上有几个磷酸化的位点。
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５．４　酶活性的调节
所有的可以通过可逆磷酸化共价修饰进而调节其活性的共价调节酶，其过程均涉及一个共同的环节，即，由蛋白激酶和蛋白磷酸酶催化的共价调节酶分子本身的磷酸化与脱磷酸化反应。
蛋白质的磷酸化：由蛋白激酶催化的、把ＡＴＰ或ＧＴＰ的γ?位磷酸基转移到底物蛋白质氨基酸残基上的过程；蛋白质的脱磷酸化：磷酸化的逆过程（脱磷酸化），通常由蛋白磷酸酶催化。
磷酸化共价调节的典型例证是肌肉和肝脏中的糖原磷酸化酶，它是糖原代谢形成葡萄糖的关键酶。催化如下反应：
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５．４　酶活性的调节
糖原磷酸化酶存在两种形式：高活力的磷酸化酶ａ和低活力的磷酸化酶ｂ。磷酸化酶ｂ由４条肽链组成，每个肽链上有一个特定的丝氨酸的羟基被磷酸化之后变成磷酸化酶ａ，这些丝氨酸的磷酸化是酶发挥活力所必需的。这一磷酸化共价修饰的过程由（糖原）磷酸化酶激酶来催化。
反过来，磷酸化酶ａ的去磷酸化过程变为低活力的磷酸化酶ｂ，则由（糖原）磷酸化酶磷酸酶来催化。
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５．４　酶活性的调节
5.4.3 同工酶
同工酶（ｉｓｏｅｎｚｙｍｅ）是指催化相同的化学反应，但酶蛋白的分子组成、结构、理化性质乃至免疫学性质和电泳行为都不同的一组酶。它是长期进化过程中基因分化的产物。同工酶存在于同一属或同一个体的不同组织，或同一细胞的不同亚细胞结构中，它在代谢中起着重要的作用，对疾病的诊断和鉴别具有重要的帮助意义。
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５．４　酶活性的调节
5.4.4　酶原激活
有些酶在细胞内合成或初分泌时，只是酶的无活性前体，必须在某些因素参与下，水解掉一个或几个特殊的肽键，从而使酶的构象发生改变，而表现出酶的活性。这种无活性酶的前体称为酶原（ｚｙｍｏｇｅｎ）。酶原向酶转化的过程称为酶原的激活。酶原的激活实际上是通过切掉一段无用的肽段，使酶活性中心形成或暴露的过程。例如，初从胰腺细胞分泌出来的胰蛋白酶原，并无活性，但进入小肠后，在Ｃａ２＋ 的存在下，受肠激酶激活，水解掉一个六肽，分子的构象发生改变，Ｎ 端分子螺旋程度增加，从而使组、丝、异亮等氨基酸残基靠拢，形成活性中心，称为有催化活性的胰蛋白酶。
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５．４　酶活性的调节
胃蛋白酶、胰蛋白酶、糜蛋白酶、羧肽酶Ａ 等在它们初分泌时，都是以无活性的酶原形式存在的，经过激活才能成为有活性的酶。
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５．４　酶活性的调节
消化道内蛋白酶原的激活具有级联反应性质。胰蛋白酶原被肠激酶激活后，生成的胰蛋白酶除了可以自身激活外，还可以进一步激活糜蛋白酶原、羧肽酶原等，进而加速对食物的消化。血液中凝血与纤维蛋白溶解系统相关的溶血酶类也都是以酶原形式存在的，它们的激活也具有典型的级联反应性质。因此，只要少数凝血因子被激活，便可通过瀑布式的放大作用，迅速使大量的凝血酶原转化为凝血酶，引发快速而有效的血液凝固。
酶原具有重要的生理意义。对于蛋白酶来说，可以避免细胞产生的蛋白酶对细胞自身进行消化，并使之在特定部位发挥作用。此外，酶原还可以视为酶的贮存形式。如凝血和纤维蛋白溶解酶类，以酶原的形式在血液循环中运行，一旦需要，便转化为有活性的酶，发挥其对机体的保护作用。
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图５-５　酶浓度与反应速率之间的关系
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图5-6　底物浓度对酶促反应速率的影响
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图５-８　温度对酶促反应速率的影响
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