生物化学：第二版第九章 酶

一张思维导图带你学完医用化学与生物化学第二版第九章酶全部重点。酶是由活细胞产生的、对其底物具有高度特异性和高度催化效能的蛋白质或RNA。酶的催化作用有赖于酶分子的一级结构及空间结构的完整。若酶分子变性或亚基解聚均可导致酶活性丧失。酶属生物大分子。喜欢请点赞收藏！关注我，能持续获取优质导图哦。

酶

• 酶的分子结构与功能
  • 酶的不同形式
    • 单体酶
      • 由一条链构成的酶
    • 寡聚酶
      • 有多种相同或不同的肽链（及亚基）以非共价键连接组成的酶
    • 多酶复合物
    • 多功能酶（多个基因编码同一肽链）
  • 酶的组成中常含有辅助因子
    • 单纯酶
      • 水解后仅有氨基酸的组成部分而无其他组分的酶
    • 结合酶（缀合酶）
      • 由蛋白质部分和辅助因子组成
        • 蛋白质部分：蛋白酶
          • 决定酶促反应的特性及其催化机制
        • 非蛋白质部分：辅助因子
          • 决定酶促反应的类型
            • 辅酶
              • 通过非共价键与酶蛋白相连，结合比较疏松
                • 可通过透析、超滤去除
                  • 酶促反应中，辅酶作为底物接受质子或基团后离开酶蛋白，参与另一酶促反应并将所携带的质子或基团转移出去，或者相反
            • 辅基
              • 通过共价键与酶蛋白相连，结合较为紧密
                • 不可通过透析、超滤去除
                  • 辅基不能离开酶蛋白
            • 运载氢原子或电子或反应基团
          • 多为小分子的有机化合物或金属离子
            • 主要参与电子、质子或起运载体的作用
          • 金属离子是最常见的辅助因子，约2/3的酶含有金属离子
            • 作用
              • ①维持酶分子的构象
              • ②传递电子
              • ③在酶与作用物间起桥梁作用
              • ④中和阴离子，降低反应的静电斥力
            • 金属酶
              • 与酶紧密结合，提取过程中不易丢失
            • 金属激活酶
              • 虽然是酶的必须，但是结合过程可逆
          • 有些酶可以同时含有多种不同类型的辅助因子
      • 全酶：酶蛋白与辅因子结合
        • 酶蛋白与辅因子单独存在时均无催化活性
  • 酶的活性中心是酶分子执行其催化功能的部位
    • 酶的活性中心
      • 定义：酶分子中能与底物特异结合并催化底物转变为产物的具有三维特定结构的区域
      • 辅酶和辅基往往是酶的活性中心的组成部分
      • 酶的活性中心具有三维结构，往往行成裂缝或凹陷
        • 由酶的特定空间构象所维系，深入到酶分子内部，且多由氨基酸残基的疏水基团组成，组成疏水“口袋”
    • 必需基团
      • 与酶的活性密切相关的基团
      • 有些必需氨基酸位于活性中心内，有些位于活性中心之外
        • 酶活性中心外必需基团虽然不直接参与催化作用，但在维持酶活性中心应有的空间构象中具有重要作用
      • 结合基团
        • 能结合底物和辅酶，促进酶-底物形成复合物的基团
      • 催化基团
        • 能影响底物中某些化学键的稳定性，催化底物发生化学反应并将其转变为产物的基团
  • 同工酶催化相同的反应
    • 同工酶
      • 定义：催化相同的化学反应，但酶蛋白的分子结构、理化性质和免疫学性质各不相同的一组酶
      • 在一级结构中存在差异但其活性中心的三维结构相同或相似
        • 可以催化相同化学反应的原因
      • 长期进化过程中基因趋异的产物
      • 由同一基因转录生成的mRNA前体经过不同的剪接过程，生成的多种不同mRNA的翻译产物（一系列酶）也属于同工酶
• 酶的工作原理
  • 酶具有不同于一般催化剂的显著特点
    • 酶对底物具有极高的催化效率
    • 酶对底物具有高度的特异性
      • 定义：一种酶仅作用于一种或一类化合物，或一定的化学键，催化一定的反应并产生一定的产物
      • 绝对特异性
        • 只作用于特定结构的底物，进行一种专一反应，生成一种特定结构的产物
        • 有些酶仅作用于底物立体异构（或光学异构）体的一种
      • 相对特异性
        • 有些酶的特异性较差，作用于含有相同化学键或相同化学基团的一类化合物
    • 酶促反应的可调节性
      • 体内许多酶的活性和酶的含量受代谢物或激素的调节，使代谢过程收到精确调控以适应不断变化的内外环境
      • 包括对酶生成与降解量的调控、酶催化效力的调节和通过改变底物浓度对酶进行调节，此外还包括对酶生物合成的诱导与阻遏、酶降解速率的调节等方面
    • 酶具有不稳定性
      • 酶的化学本质是蛋白质
  • 酶通过促进底物形成过渡态而提高反应速率
    • 酶比一般催化剂更有效的降低化学反应的活化能
      • 酶通过降低化学反应的活化能提高反应速率
      • 酶与底物的结合过程是是释能反应，释放的结合能是降低化学反应活化能的主要来源
    • 酶与底物结合形成中间产物
      • 诱导契合作用使酶和底物密切结合
        • 酶与底物相互接近时两者在结构上相互诱导、相互变形和相互适应，进而形成酶-底物复合物
      • 临近效应与定向排列使诸底物正确定位于酶的活性中心
        • 酶在反应中将诸底物结合到酶的活性中心，使他们相互接近并形成有利于反应的正确定向关系
      • 表面效应使底物分子去溶剂化
        • 酶促反应在疏水环境中进行，是底物分子去溶剂化，排除周围大量水分子对酶和底物分子中功能基团的干扰性吸引和排斥，防止水化膜的形成，有利于底物与酶分子的密切接触和结合
    • 酶的催化机制呈多元催化作用
• 酶的调节
  • 酶活性的调节是对酶促反应速率的快速调节
    • 别构效应剂通过改变酶的构象而调节酶的活性
    • 酶化学修饰调节时通过对某些化学基团与酶的共价可逆结合来实现
      • 酶的共价修饰有多种形式，其中最常见的是磷酸化和去磷酸化
    • 酶原需要通过激活过程才能转变为有活性的酶
      • 酶原
        • 在细胞内合成或初分泌、或在其发挥催化功能前处于无活性状态的酶
        • 经过蛋白酶的水解作用，去除一个或几个肽段后，导致分子构象发生变化，从而表现出分子活性
        • 酶原激活实际上是酶的活性中心形成或暴露的过程
      • 生理意义
        • 消化道蛋白酶以酶原的形式分泌可避免胰腺的自身消化和细胞外基质蛋白遭受蛋白酶的水解破坏
        • 血管中的凝血因子以酶原的形式存在，不发生血液凝固，保证血液畅通，而一旦血管破损，凝血因子被激活，凝血酶原被激活生成凝血酶，防止大量失血，对机体起保护作用
  • 酶含量的调节是酶促反应速率的缓慢调节
    • 酶蛋白合成可被诱导和阻遏
      • 诱导物
        • 诱导物诱发酶蛋白合成的作用称为诱导作用
      • 辅阻遏物
        • 辅阻遏物与无活性的阻遏蛋白结合而影响基因的转录称为阻遏作用
      • 一旦酶被诱导合成以后，即使去除诱导因素，酶的活性仍然持续存在，直到该酶被降解或抑制
        • 酶合成的诱导和阻遏都是一种缓慢而长效的调节
    • 酶的降解与一般蛋白质降解途径相同
      • 组织蛋白降解溶酶体途径（非ATP依赖型）
      • 组织蛋白降解的胞质途径（ATP依赖型泛素介导的蛋白降解途径）
• 酶的分类与命名
  • 酶可根据其催化的反应类型予以分类
    • 氧化还原酶类
    • 转移酶类
    • 水解酶类
    • 裂合酶类
    • 异构酶类
    • 连接酶类
  • 每一种酶均有其系统命名和推荐命名
• 酶在医学中的应用
  • 酶与疾病的发生、诊断及治疗密切相关
    • 许多疾病与酶的质和量的异常相关
    • 体液中的酶活性的改变可作为疾病的诊断指标
    • 酶与疾病的治疗：代替治疗，抗菌治疗，抗癌治疗，对症治疗，调整代谢及纠正纠正紊乱
  • 酶可做为试剂用于临床检验和科学研究
    • 抗体酶（催化性抗体）
      • 是一类像酶一样具有催化活性的抗体，兼具有抗体和酶的特点
    • 酶工程
      • 化学酶工程
        • 通过对酶的化学修饰或固定化处理，改善酶的性质以提高酶的催化效率和降低成本
      • 生物酶工程
        • 用基因重组技术生产酶以及对酶基因进行修饰或设计新基因，从而生产性能稳定，具有新的生物活性及催化效率更高的酶
    • 核酶与脱氧核酶
• 酶促反应动力学
  • 酶促反应动力学
    • 研究酶促反应动力以及各种因素对酶促反应速率机制的科学
      • 这些因素主要包括：底物浓度、酶浓度、温度、pH、抑制剂、激活剂等
  • 底物浓度对酶促反应的速率呈矩形双曲线
    • 米-曼方程揭示单底物反应的动力学方程
    • Km与Vmax是重要的酶促反应动力学参数
      • Km值等于酶促反应速率为最大反应速率一半时的底物浓度
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      • Km值时酶的特征性常数
        • Km值得大小并非固定不变，它与酶的结构、底物结构、反应的pH、温度和离子强度有关，而与酶的浓度无关
      • Km在一定条件下可表示酶对底物的亲和力
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          • 其中，Km值代表酶对底物的亲和力，两者呈正比
          • 但当K3远远大于K2时，Km不能代表对底物的亲和力
          • K3为限速步骤的速率常数
      • Vmax时酶被底物完全饱和时的反应速率
        • 当所有酶均与底物形成ES时（【Es】＝【Et】），反应速率达到最大，即Vmax＝K3【Et】
      • 酶的转换数
        • 当酶被完全饱和时，单位时间内每个酶分子催化底物转变成产物的分子数称为酶的转换数
    • Km和Vmax常通过林-贝作图法求取
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  • 底物足够时酶浓度对酶促反应的影响呈直线关系
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  • 温度对酶促反应速率的影响具有双重性
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  • pH通过改变酶分子及底物分子的解离状态影响酶促反应
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  • 抑制剂可降低酶促反应速率
    • 不可逆性抑制剂与酶共价结合
      • 不可逆性抑制剂与酶活性中心的必需基团共价结合，使酶失活，此类抑制剂不能使用透析、超滤等方法予以去除
    • 可逆性抑制剂与酶非共价结合
      • 可逆抑制剂与酶非共价结合，使酶的活性降低或消失，采用透析、超滤等方法可将抑制剂除去，使酶活性恢复，可逆抑制剂遵守米氏方程
      • 竞争性抑制剂与底物竞争酶的活性中心
        • 抑制剂与酶的底物在结构上相似，可与底物竞争酶的活性中心，从而阻碍酶与底物形成中间产物
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        • 表观Km值增大，即酶对底物的亲和力降低，但不影响Vmax
        • 由于抑制剂是可逆的，抑制程度取决于抑制剂与酶的相对亲和力与底物浓度的比例
          • 服用磺胺类药物时保持血液中足够高的底物浓度
      • 非竞争性抑制剂结合活性中心之外的调节点
        • 抑制剂结合活性中心之外的结合位点相结合，底物也不影响酶与抑制剂的结合
        • 底物与抑制剂之间没有竞争关系，但抑制剂-酶-底物复合物（IES）不能进一步释放出产物
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        • 非竞争性抑制剂存在时，直线斜率增大，而Km值不变即非竞争性抑制剂不影响酶对底物的亲和力，但使Vmax降低
      • 反竞争性抑制剂的结合位点由底物诱导产生
        • 抑制剂也与酶的没有底物结合时，活性中心之外的结合位点相结合，游离的酶不能与抑制剂相结合，当底物与酶结合后，抑制剂才能与酶结合
        • 抑制剂仅与酶-底物复合物结合，使中间产物ES的量下降
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        • 反竞争性抑制剂不改变直线的斜率，但使酶促反应的Vmax降低，使表观Em降低，增加了酶对底物的亲和力，从而增进底物与酶的结合作用
  • 激活剂可提高酶促反应速率
    • 使酶由无活性转变为有活性或者增加酶的活性的物质
    • 必须激活剂
      • 参加酶与底物或与酶-底物复合物结合反应，但激活剂本身不转化为产物
    • 非必需激活剂
      • 与酶与底物或与酶-底物复合物结合提高酶的活性