酶化学

大学食品专业-生物化学-思维导图笔记，酶（生物催化剂）是由活细胞产生的具有催化功能的生物分子，绝大多数酶都是蛋白质。

酶化学

• 概述
  • 酶（生物催化剂）是由活细胞产生的具有催化功能的生物分子
  • 绝大多数酶都是蛋白质
  • 某些RNA分子具有催化活性
    • 一类具有特殊空间构象的生物大分子，包括蛋白质和核酸等。 有催化活性的RNA称为核酶
• 酶的催化性质
  • 酶与一般催化剂的比较
    • 用量少而催化效率高，反应前后自身结构不变；
    • 酶催化作用不改变反应的平衡点，而是提高反应到达平衡点的速度；
    • 酶与底物形成活性复合物，中间能量状态能降低反应过程的活化能。
  • 酶作为生物催化剂的特点
    • 催化高效性
    • 高度专一性
      • 绝对专一性：一种酶只能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，这种特异性称为绝对特异性。
      • 相对专一性：一种酶可以催化一类反应。
        • 键专一：只要求合适的化学键，对键两端的基团并无严格要求。
        • 基团专一：不但要求一定的化学键，还要求键一端的基团是一定的。
      • 立体异构专一性：这类酶不能辨别底物不同的立体异构体，只对其中的某一种构型起作用，而不催化其他异构体。
        • 旋光异构专一性
        • 顺反异构专一性
    • 反应条件温和，易失活
    • 酶活力的调节控制
    • 某些酶需要辅酶或辅基
    • 生物体内酶催化反应通常表现为偶合形式
  • 酶的组成
    • 根据化学组成
      • 简单酶
      • 结合酶（复合酶）
        • 酶蛋白（脱辅酶）
        • 辅助因子
          • 辅酶
          • 辅基
      • 全酶=酶蛋白+辅助因子
    • 根据酶蛋白分子的组成和关系
      • 单体酶
      • 寡聚酶
      • 多酶复合体
• 命名与分类
  • 习惯命名法
    • 根据催化作用的底物（S，substrate）：淀粉酶、蛋白酶 根据反应性质：脱氢酶、转氨酶 以上两者结合：乳酸脱氢酶、丙氨酸氨基转移酶 根据来源：胃蛋白酶、木瓜蛋白酶 其他：在生产中习惯使用的传统名称,，如老黄酶、大麦酶
  • 国际系统分类法
    • 每一个酶的命名和分类由名称和分类编码两部分组成 根据已知的催化反应类型和作用的底物特点，酶一共分为六大类
      • 氧化-还原酶类 主要包括：脱氢酶和氧化酶
      • 转移酶类：转移酶催化基团转移反应 如：谷丙转氨酶催化的氨基转移反应
      • 水解酶类：水解酶催化底物的加水分解反应 主要包括：淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及酯酶等
      • 裂解酶类：裂解酶催化从底物分子中移去一个基团或原子形成双键的反应及其逆反应 主要包括：醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。
      • 异构酶类：异构酶催化同分异构体的相互转化。 如：6-磷酸葡萄糖异构酶催化的反应
      • 合成酶类 ： 合成酶，又称为连接酶，能够催化C-C、C-O、C-N 以及C-S 键的形成反应。 如：丙酮酸羧化酶催化的反应
  • 国际系统命名法
    • 系统命名法包括：酶的系统命名和分类编码（由四组数字组成） 系统命名（学名） + EC+ 编号（大类 、亚类、亚亚类、序号）
• 酶催化反应的机理
  • 酶的催化作用与活化能
    • A－B→A···B→A＋B A···B：过渡态（反应物体系转变成产物体系 过程中，经过的能量最高状态或称活化络合物： 旧键未完全断裂,新键未完全形成）
  • 中间产物学说
    • 子主题
    • 过渡态中间复合物ES：反应效率得到明显提高的根本原因
    • 子主题
  • 酶的活性中心
    • 结合底物和将底物转化为产物的区域，通常是相隔很远的氨基酸残基形成的三维实体
    • 活性中心
      • 结合部位
      • 催化部位
      • 活性中心内必需基团
    • 特点
      • 活性中心部分只占酶分子中的一小部分
      • 活性中心具有呈现疏水性裂隙特点的三维结构
      • 活性中心与底物之间以次级键结合
      • 活性中心部分具有一定的柔韧性
  • “诱导契合”理论（Koshland，1964年）
    • 指酶与底物接近时，其结构相互诱导、相互变形和相互适应，进而相互结合，形成E-S复合物 酶的构象改变有利于与底物结合；而底物在酶的诱导下也发生变形，处于不稳定的过渡态，易受酶的催化攻击
    • 子主题
    • 诱导契合机制
      • 酶与底物靠近👉定向👉酶与底物相互诱导变形👉契合形成中间产物👉产物脱离
• 酶促反应动力学
  • 主要研究：反应过程速度与影响因素之间的关系
  • 反应过程影响因素
    • 底物浓度
      • 米氏方程
        • 条件： 假定测定的反应速率是初速率 假定反应系统遵守质量作用定律 稳态假设
          • Km是测得反应初速率是Vmax的一半时所对应的的底物浓度。 Km可显示一个酶与它的底物的亲和力，负相关， Km越小，亲和力越高。
          • Vm是在反应条件下，增加底物浓度所能达到的最大理论反应速率。
    • 酶浓度
      • 与速率成正比
    • pH
      • pH值影响酶活力的原因
        • 影响酶分子构象的稳定性
        • 影响酶分子（包括辅因子）极性基团的解离状态，使其荷电性发生变化
        • 影响底物分子的解离状态
      • 反应速度最大时的溶液pH，称为酶的最适pH
    • 温度
      • 反应速度最大时的温度称为酶的最适温度
      • 温度升高，酶促反应速度加快
    • 激活剂
      • 定义：提高酶活性的物质
      • 无机离子：金属离子(K+ 、Na+ 、Mg2+ 、Zn2+ 、Fe2+ 、Ca2+)、阴离子(Cl－、Br－)、氢离子
      • 简单有机离子：某些还原剂（半胱氨酸、还原型谷胱甘肽、维生素C、巯基乙醇等）、金属螯合剂（EDTA）
    • 抑制剂
      • 定义：能够引起酶的抑制作用的化合物
      • 不可逆抑制
        • 非专一性不可逆抑制剂
        • 专一性不可逆抑制剂
      • 可逆抑制
        • 竞争性抑制剂
        • 非竞争性抑制剂
        • 反竞争性抑制剂
• 酶的调节
  • 酶活性的调节
    • 酶原与酶原的激活
      • 酶原：酶在生物体内首先合成出来的无活性前体
      • 酶原的激活：无活性的酶原在特定条件下经蛋白酶作用，通过部分肽段的有限水解，转变成有活性的酶的过程
      • 子主题
      • 酶原激活的生理意义： 作为酶的贮存形式，在需要这种的催化作用时能够很快产生催化作用 以酶原形式存在的酶的环境中是稳定的，能够保护自身组织细胞不被酶作用
    • 别构酶
      • 定义：也称变构酶，通过效应物和酶的别构部位（活性中心以外）的结合来调节其活性，从而调节酶反应速度和代谢过程
      • 特点
        • 由多个亚基构成，具有四级结构结构
        • 除了催化部位外，还有可以结合效应物的调节部位
        • 催化部位和别构部位有的在酶分子的同一亚基上，有的在不同亚基上
        • 催化动力学不符合米氏方程，效应物与底物之间存在协调效应
      • 别构效应
        • 通过别构效应调节酶活性的方式：别构调节
        • 别构效应物通过与酶分子上的活性部位以外的其他部位（别构部位）结合，引起酶分子的构象变化，从而使得酶的活性发生改变的现象
        • 酶受别构调节而增强催化作用。其别构效应物被称为正别构效应物
        • 酶受别构调节而减弱催化作用。 其别构效应物被称为负别构效应物
  • 酶含量的调节
    • 生物体可以通过改变酶的合成或降解速度，以控制酶的决定含量来调节代谢过程。 调节酶蛋白质合成的诱导和阻遏过程 控制酶的降解速度
    • 酶蛋白合成的诱导和阻遏
      • 酶的合成
        • 基因的控制
        • 代谢物的控制
          • 诱导剂：能促进基因转录增加，从而使酶蛋白合成速度增加的物质。
          • 阻遏剂：能抑制基因转录，从而使酶蛋白合成速度降低的物质。
      • 结构酶—是指细胞中天然存在的酶，其含量较为稳定，受外界的影响小。
      • 诱导酶—指细胞中加入特定诱导物后诱导产生的酶，其含量在诱导物存在下显著增高，这种诱导物往往是该酶底物的类似物或底物本身。
      • 子主题
    • 酶降解的调控
      • 酶的降解主要在细胞内进行，降解途径
        • 溶酶体降解途径
        • 泛素标记蛋白降解途径
      • 溶酶体：含大量的蛋白酶，主要降解半衰期较长的蛋白质，使之降解为寡肽和氨基酸
      • 泛素：真核细胞中广泛存在，可以对蛋白质进行标记，然后进行降解，其专一性较高
    • 同工酶
      • 能催化相同的化学反应，但酶蛋白的分子结构、理化性质和免疫性能等方面都存在明显差异的一组酶
• 酶活力的测定
  • 酶活力与酶反应速度
    • 酶活力：也称酶活性，指酶催化一定化学反应的能力。其大小可用在一定条件下，它所催化的某一化学反应的反应速度来表示，两者呈线性关系。所以测定酶的活力就是测定酶的反应速率。
    • 酶反应速度：用单位时间内、单位体积中底物的减少量或产物的增加量来表示。单位：浓度/单位时间
    • 酶的活力单位
      • 1个国际酶活力单位： 是指在最适条件下，1分钟内能转化1 mol底物的酶量，或转化底物中1mol有关基团的酶量。 (25C，最适底物浓度和最适pH）
      • 酶的比活力
        • 代表酶的纯度，比活力用每mg蛋白质所含的酶活力单位数表示，对同一酶来说，比活力愈大，表示酶的纯度愈高。用U/mg蛋白、 Kat/mg蛋白表示。
        • 比活力大小可用来比较每单位质量蛋白质的催化能力。 比活力=活力U/mg蛋白=总活力U/总蛋白mg
  • 酶活力的测定方法
    • 分光光度法
      • 利用底物或产物在紫外或可见光部分的光吸收的不同，选择一适当的波长，测定反应过程中反应进行的情况 优点：简便、节省时间和样品，可检测到nmol/L水平的变化。
    • 荧光法
      • 根据底物或产物的荧光性质的差别来进行测定。