酶与酶促反应

《生物化学与分子生物学》酶与酶促反应知识框架分享！下图包括以下六点内容：酶分子的结构与功能、酶的工作原理、酶促反应动力学、酶的调节、酶的分类与命名、酶在医学的应用。

酶与酶促反应

• 酶的分子结构和功能
  • 分类
    • 单体酶
      • 由一条肽链构成的酶（仅有三级结构）
    • 寡聚酶
      • 由多个相同或不同的肽链（亚基）以非共价键链接组成的酶
    • 多酶复合物（多酶体系）
      • 在某一代谢途径中，按序催化完成一组连续反应的几种具有不同催化功能的酶可彼此聚合形成一个结构和功能上的整体
    • 多功能酶（串联酶）
      • 在一条肽链上同时具有多种不同催化功能的酶
  • 酶的分子组成常含辅因子
    • 单纯酶
      • 水解后仅有氨基酸组分
    • 缀合酶（结合酶，全酶）
      • 酶蛋白
        • 决定酶促反应的特异性及其催化机制
      • 辅因子
        • 决定酶促反应的类型
        • 按照与酶蛋白结合紧密程度与作用特点
          • 辅酶
            • 非共价键，比较疏松
            • 透析或超滤可除
            • （转移质子或基团）作为底物接受质子或基团后离开酶蛋白，参加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
            • 共价键，结合较紧密
            • 不易通过透析或超滤除去
        • 类型
          • 小分子有机化合物
            • 特点
              • 多为B族维生素的衍生物或卟啉化合物
              • 传递电子，质子（或基团） 或运载体作用
          • 金属离子
            • 分类
              • 金属酶（结合紧密）
              • 金属激活酶（可逆结合）
            • 作用
              • 作为酶的活性中心的组成部分参加催化反应，使底物与酶的活性中心必须基团形成正确空间排列（作为酶活性中心的催化基团参与反应）
              • 连接酶和底物的桥梁，形成三元复合物
              • 中和电荷，减小静电斥力
              • 稳定酶的空间结构
        • 一种酶可同时含多种不同类型的辅因子
  • 活性中心是酶分子执行催化功能的部位
    • 定义
      • 酶分子中能与底物特异性结合并催化底物转变为产物的具有特定三维结构的区域
    • 特点
      • 辅酶、辅因子往往是活性中心的组成成分
    • 必须基团
      • 定义
        • 与酶活性密切相关的基团
          • eg。丝氨酸残基的羟基、组氨酸残基的咪唑基、半胱氨酸残基的巯基、酸性氨基酸残基的羧基，，，
      • 位置
        • 活性中心内、活性中心外
      • 活性中心内分类
        • 结合基团
          • 仅有识别连接作用，不能使底物转化为产物
          • 识别与结合底物和辅酶，形成酶-底物过渡态复合物
        • 催化基团
          • 影响底物中的某些化学键的稳定性，催化底物发生化学反应
      • 作用
        • 不直接参与催化反应。维持酶活性中心的空间构象；作为调节剂的结合部位所必须
    • 具有三维结构，往往形成裂缝和凹陷。裂缝和凹陷由酶的特定空间构象维持，深入酶分子深部，多由aa残基疏水基团组成，形成疏水口袋。
  • 同工酶催化相同的化学反应
    • 定义
      • 催化相同的化学反应，但酶蛋白的分子结构、理化性质乃至免疫学性质不同的一组酶
    • 特点
      • 一级结构存在差异，活性中心三维结构相同或相似
      • 由同一基因转录的mRNA前体经过不同的剪接过程，生成的多种不同mRNA的翻译产物也属于同工酶
    • 典型例子
      • 动物的乳酸脱氢酶（LDH）（含锌的四聚体酶）
        • 由骨骼肌型M型 心肌型H型两种亚基以不同比例组成五种同工酶
          • LDH1(H4),,LDH2(H3M),,,,,,LDH5(M4)
        • 催化L-乳酸与丙酮酸之间的氧化还原反应
    • 用处
      • 疾病的诊断和预后判定
        • 组织细胞病变时，该组织细胞特异的同工酶可释放入血
        • 例子
          • 肌酸激酶
            • CK1（脑中）,CK2（心肌中）,CK3（骨骼肌中）
            • 血液中主要CK3，几乎不含CK2。CK2是临床早期判断心肌梗死的指标之一
• 酶的反应原理
  • 酶具有不同于一般催化剂的显著特点
    • 高效性(降低反应活化能）
    • 高特异性
      • 一种酶仅作用于一种或一类化合物，或一定的化学键，催化一定的化学反应并产生一定的产物（酶的特异性或专一性）
      • 分类
        • 绝对特异性
          • 定义
            • 只作用于特定结构的底物分子，进行一种专一的反应，生成一种特定结构的产物
          • 有些只能催化底物的一种光学异构体或一种立体异构体进行反应
            • 例子
              • 乳酸脱氢酶仅催化L-乳酸脱氢生成丙酮酸，对D型无用
              • 延胡索酸酶仅催化反-丁烯二酸加水产生苹果酸，对顺式无用
        • 相对特异性
          • 特异性不是依据整个底物分子，而是依据分子中特定的化学键或特定的基团
            • 作用于含有相同化学键或化学基团的一类化合物
          • 例子
            • 磷酸酶对一般的磷酸酯键都有水解作用（甘油或酚与磷酸形成的酯键）
            • 脂肪酶 水解脂肪，简单的酯
            • 蔗糖酶
              • 水解蔗糖，棉子糖中的一种糖苷键
            • 消化系统中的蛋白酶仅对蛋白质中肽键的氨基酸残基种类有选择性，对蛋白质种类无要求
    • 可调节性
      • 分类
        • 酶合成和降解量的调节
          • 慢，涉及基因
        • 酶活性的调节
          • 快，别构和共价修饰
    • 不稳定性
      • 在某些理化因素作用下，会发生变性而失活
      • 酶促反应有条件
  • 酶通过促进底物形成过渡态而提高反应速率
    • 有效降低活化能
      • 活化能：一定温度下，一摩尔反应物从基态变成过渡态所需自由能
      • 酶与底物结合释放的结合能是降低反应活化能所利用的自由能的主要来源
    • 酶与底物结合形成中间产物
      • 酶活性部位的活性基团能否有效与底物结合使其转化为过渡态是催化作用的关键
      • 促进结合
        • 诱导契合作用使酶与底物密切结合
          • 诱导契合假说（后得到证据支持）
            • 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，结合形成酶-底物复合物
            • 使相对特异性的酶能结合一组结构并不完全相同的底物分子
        • 邻近效应与定向排列使诸底物正确定位于酶的活性中心
          • 两个以上底物参与的反应中，底物之间必须以正确方向相互碰撞，才有可能发生反应
          • 实际上使将分子间反应变成类似于分子内的反应，提高反应速率
        • 表面效应使底物分子去溶剂化
          • 活性中心多形成“疏水”口袋，造成一种有利的环境
          • 排除水分子影响，防止水化膜的形成，利于底物与酶分子的密切接触和结合
    • 催化机制呈现多元催化作用
      • 原因
        • 酶分子中所含有的多种功能基团具有不同的解离常数，即使同一中功能基团处于不同微环境时，解离程度也有差异
      • 类型
        • 一般酸碱催化作用
          • 质子供体（酸）、质子受体（碱），参与质子转移
        • 共价催化
          • 催化剂与反应物形成共价结合的中间物，降低活化能，把被转移基团传递给另外一个反应物
        • 亲和催化作用
        • 亲电催化作用
• 酶促反应动力学
  • 影响因素
    • 酶浓度、底物浓度、pH、温度、抑制剂及激活剂等
  • 分述
    • 底物浓度对酶促反应速率的影响呈矩形双曲线
      • 米-曼方程揭示单底物反应动力学特性
        • • 三段分析
            • 第一段o~a
              • s<<E,底物来多少反应多少，呈一级反应
            • 第二段a~c
              • 混合式，S与E相当
            • 第三段c~
              • s>>E，v不再增加
        • • k1,k2,k3是速率常数
          • • Km 米氏常数【=k2+k3)/k1] vmax最大反应速率
        • 前提
          • 单底物反应
          • 测定的反应速率是初速度
          • S>>E时，初速度范围内，底物消耗量很少
        • 推导过程
          • k1k2快反应，k3慢反应 反应速率由k3决定（v=k3[ES])
          • 所有的酶形成中间产物【ES】时，速率最大
      • Km vmax
        • Km值=酶促反应速率为最大值一半时的底物浓度
          • 代入公式可得
          • 有单位
        • Km是酶的特征性常数
          • 不是固定不变
          • 与酶的结构、底物结构、反应环境、离子强度有关
          • 与酶浓度无关
        • 在一定条件下可表示酶对底物的亲和力
          • k3<<k2时：Km越大，亲和力越小；反之越大
          • k3>>k2时，不成立
        • Vmax是酶被底物完全饱和时的反应速率
          • =k3[ES] (全转化为中间产物）
        • 酶的转换数
          • 单位时间内每个酶分子（或活性中心）催化底物转变为产物的分子数
          • 表示酶的催化效率
          • 就是k3，单位（/s)
      • Km 和Vmax通过林-贝作图法求取
        • 双倒数作图法
        • 将米-曼方程的坐标变成相应导数
        • 不能用米-曼求，最大速率只是无限接近
    • 底物浓度足够时，酶浓度对酶促反应速率的影响呈直线关系
    • 温度对酶反影响有双重性
      • 最适温度不是特征性常数，与反应时间有关
      • 低温保存酶和菌种
    • pH通过改变酶分子及底物分子的解离状态影响
      • 胃蛋白酶1.8 肝精氨酸酶9.8
      • 大多数6.5~8
    • 抑制剂
      • 定义
        • 使酶活性下降又不引起酶蛋白变性的物质
      • 分类
        • 不可逆性抑制剂（与酶共价结合）
          • 特点
            • 共价结合，使酶失活
            • 不能用透析、超滤去除
            • 不可逆
            • 非生物来源
          • 羟基酶失活
            • 例子
              • 有机磷农药
                • 特异性的与胆碱酯酶活性中心丝氨酸残基的羟基结合，使其失活
                • 病人恶心、呕吐、多汗、肌肉震颤、瞳孔缩小、惊厥，，，
                • 解毒
                  • 给予胆碱酯酶拮抗剂阿托品/胆碱酯酶复活剂解磷定
          • 巯基酶失活
            • 低浓度重金属离子及三价砷与巯基酶中的巯基结合
        • 可逆性抑制剂（与酶非共价结合）
          • 特点
            • 非共价结合，使酶活性降低或消失
            • 可用透析，超滤或稀释等物理方法除去，使酶活性恢复
            • 遵守米氏方程
          • 分类
            • 竞争性抑制剂
              • 特点与酶底物在结构上相似，竞争酶的活性中心，阻碍中间产物的形成
              • 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
              • Vmax 不变（底物浓度很大，抑制剂影响趋于0）
              • Kmax变大，亲和力下降
              • 例子
                • 丙二酸对琥珀酸脱氢酶的抑制作用使竞争性抑制
                • 磺胺类药物的抑菌机制
                  • 与对氨基苯甲酸的化学结构相似，竞争性的与二氢蝶酸合酶结合
                  • 必须保持血液内足够高的药物浓度
            • 非竞争性抑制剂
              • 结合活性中心之外的调节位点，不影响酶与底物结合，底物与酶没有竞争关系
              • 抑制程度取决于抑制剂浓度
              • Km不变，酶对底物的活性不变
              • Vmax减小
            • 反竞争性抑制剂
              • 结合位点由底物诱导产生
              • Km减小，亲和力增大；Vmax减小 林贝图像斜率不变
              • 苯丙氨酸对胎盘型碱性磷酸酶的抑制
              • 抑制程度取决于抑制剂浓度与底物的浓度
    • 激活剂
      • 定义
        • 使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加的物质
      • 大多金属离子，少数阴离子；化合物激活剂
• 酶的调节
  • 总述
    • 主要通过对催化限速反应的调节酶（关键酶）的活性进行调节
    • 多部反应，多种酶，不可逆的反应的酶就是关键酶
  • 酶活性的调节（快速调节）
    • 别构调节（改变酶的构象）
      • 定义
        • 体内一些代谢物可与某些酶的活性中心外的某个部位非共价可逆结合，引起酶的构象改变，从而改变酶的活性
      • 相关概念
        • 别构酶
          • 受别构调节的酶
        • 别构效应剂
          • 引起别构效应的物质
        • 别构部位（调节部位）
          • 酶分子与别构效应剂结合的部位
      • 亚基分类（调节部位与催化部位是否一致）
        • 催化亚基
        • 调节亚基
      • 分类
        • 别构激活剂
          • 一般底物是别构效应剂的，是激活剂。糖代谢中ATP除外
        • 别构抑制剂
          • 结合物是别构效应剂的
      • 若底物是别构效应剂，正协同效应的反应速率-底物浓度曲线呈S型
    • 化学修饰调节（某些化学基团与酶的共价结合）
      • 定义
        • 酶蛋白肽链上的一些基团可在其他酶的催化下，与某化学基团共价结合；同时又可在另一种酶的催化下，去掉已结合的化学基团，从而影响酶的活性
      • 例子
        • 磷酸化和去磷酸化
          • 在蛋白激酶的催化下，来自ATPγ-磷酸共价结合在酶蛋白的丝氨酸，苏氨酸，酪氨酸残基侧链羟基上
        • 乙酰化和脱乙酰化
        • 甲基化和脱甲基化
        • 腺苷化和脱腺苷化
        • 巯基与二硫键
      • 特点
        • 酶有高（有）活性与低（无）活性之分，共价修饰可使两种形式互变
        • 酶蛋白磷酸化需ATP提供磷酸，耗能反应
        • 共价修饰是酶促反应，一分子酶可催化许多其他酶蛋白发生磷酸化，有放大效应（级联效应）
        • 有些酶具有别构和化学双重调节
    • 酶原激活
      • 酶原
        • 有些酶在细胞内合成和分泌、或在其发挥催化功能之前处于无活性状态；无活性的酶的前体
      • 定义
        • 酶原向有催化活性的酶的转变过程
      • 实质
        • 酶活性中心形成或暴露的过程
      • 方式
        • 大多经过蛋白酶的水解，去掉一个或几个肽段，导致分子构象改变，出现催化活性
      • 例子
        • 胰蛋白酶原进入小肠后再钙离子存在下受肠激酶的作用，，，
        • 胃蛋白酶原（胃腔）、胰凝乳蛋白酶原（肠腔）、弹性蛋白酶原（肠腔）、羟基肽酶原（肠腔），，，
      • 意义
        • 避免酶对细胞进行自身消化，使酶再特定部位和环境发生作用，保证体内代谢正常进行
        • 有的酶原可以视为酶的储存形式
  • 酶含量的调节（缓慢调节）
    • 酶蛋白合成可被诱导和阻遏
      • 阻遏作用
      • 诱导作用
    • 酶的降解与一般蛋白质降解途径相同
      • 溶酶体蛋白酶降解途径
        • 不依赖ATP的降解途径
      • 非溶酶体蛋白酶的降解途径
        • 依赖ATP和泛素的降解途径
• 酶的分类和命名
  • 分类
    • 氧化还原酶类
      • 琥珀酸脱氢酶、乳酸脱氢酶、细胞色素氧化酶。。
    • 转移酶类
      • 甲基转移酶、己糖激酶。。
    • 水解酶类
      • 淀粉酶、脂肪酶。。
    • 裂解酶类
      • 催化从底物上移去一个基团而形成双键的反应或其逆反应的酶类
      • 醛缩酶、柠檬酸合酶，，
    • 异构酶类
      • 磷酸丙糖异构酶、消旋酶，，
    • 连接酶类
      • 谷氨酰胺合成酶、氨基酰-tRNA合成酶
  • 命名
    • 习惯命名法
    • 系统命名法
• 酶与医学的关系
  • 酶活性测定和酶活性单位
    • 酶的活性
      • 酶催化化学反应的能力，衡量标准使酶促反应速率大小
    • 酶的活性单位
      • 规定条件下，酶促反应再单位时间内生成一定量的产物和消耗一定数量的底物所需酶量
      • 单位
        • 国际单位（IU)
          • 每分钟以微摩尔底物所需酶量
        • 催化单位（katal)
          • 每秒钟一摩尔底物所需酶量
  • 酶和疾病的发生、诊断、及治疗密切相关
    • 许多疾病与酶的质和量的异常有关
      • 酶的先天性缺陷是先天性疾病的重要病因之一
        • 酪氨酸酶缺乏 白化病
        • 苯丙氨酸羟化酶缺乏 苯丙氨酸和丙酮酸在体内堆积(正常生成酪氨酸，幼儿期及时治疗，可避免对神经系统的损伤）
        • 肝细胞中G-6-P酶缺陷 Ⅰa型糖原贮积症
      • 一些疾病引起酶活性或量的异常
        • 急性胰腺炎
        • 激素代谢障碍或维生素缺乏
          • VK缺乏，凝血障碍
        • 酶活性受到抑制多见于中毒性疾病
    • 体液内酶活性的改变可作为疾病的诊断指标
      • 急性肝炎 谷丙转氨酶活性升高
      • 急性胰腺炎 血、尿淀粉酶活性升高
      • 前列腺癌病人血清酸性磷酸酶含量升高
      • 骨癌病人血中碱性磷酸酶含量升高
    • 作为药物用于疾病治疗
      • 消化药物
      • 情节伤口和抗炎
      • 溶解血栓
        • 链激酶、尿激酶、纤溶酶，，
  • 作为试剂进行临床检验和科学研究
    • 作为酶偶联测定法中的指示酶或辅助酶
    • 酶标记测定法中的标记酶
    • 基因工程的工具酶