酶与酶促反应

生物化学与分子生物学，包含酶的分子结构和功能、酶的工作原理、酶促反应动力学、酶的调节、酶的分类与命名。

酶与酶促反应

• 酶的分子结构和功能
  • 酶的分子组成产含有辅因子
    • 缀合酶（亦称为结合酶）是由蛋白质部分和非蛋白质部分共同组成，其中蛋白质部分称为酶蛋白（apoenzyme），非蛋白质部分称为辅因子（cofactor）
    • 酶蛋白主要决定酶促反应的特异性及其催化机制
    • 辅因子主要决定酶促反应的类型
    • 辅酶多通过非共价键与酶蛋白连接，结合比较疏松
    • 辅基则通过共价键与酶蛋白连接，结合较为紧密
    • 金属离子是最常见的辅因子，约2/3的酶含有金属离子
  • 酶的活性中心是酶分子执行其催化功能的部位
    • 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称为酶的活性中心（active center of enzymes）或酶的活性部位
    • 酶分子中有许多化学基团，但它们并非都与酶的活性有关，其中一些与酶的活性密切相关的基团称为酶的必需基团（essential group）
    • 酶活性中心内的必需基团可有结合基团和催化基团
  • 同工酶催化相同的化学反应
    • 同工酶（isoenzyme）是指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
    • 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（一系列酶）也属于同工酶
• 酶的工作原理
  • 酶具有不同与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
    • 酶具有可调节性
    • 酶具有不稳定性
  • 酶通过促进底物形成过渡态而提高反应效率
    • 酶通过一般催化剂更有效地降低反应的活化能
    • 酶与底物结合形成中间产物
      • 诱导契合作用使酶与底物密切结合
      • 邻近效应与定向排列使诸底物正确定位于酶的活性中心
      • 表面效应使底物分子去溶剂化
    • 酶的催化机制呈现多元催化作用
• 酶促反应动力学
  • 酶促反应动力学（kinetics of enzyme-catalyzed reactions）是研究酶促反应效率以及各种因素对酶促反应效率影响机制的科学
  • 底物浓度与酶促反应效率的影响呈矩形双曲线
    • 一级反应（a段）
    • 混合级反应（b段）
    • 零级反应（c段）
    • v=Vmax[S]/Km+[S]
    • Km在一定条件下可表示酶对底物的亲和力，当Km越大，表示酶对底物的亲和力越小
    • Vmax是酶被底物完全饱和时的反应速率
    • 当酶被底物完全饱和时（Vmax），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称为酶的转换数
  • 底物足够时酶浓度对酶促反应速率的影响可呈直线关系
  • 温度对酶促反应速率的影响具有双重性
  • PH通过改变酶分子及底物分子的解离状态影响酶促反应速率
  • 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
      • 不可逆性抑制剂和酶活性中心的必需基团共价结合，使酶失活
      • 有机磷农药（敌百虫，敌敌畏，乐果和马拉硫磷）特异地与胆碱酯酶活性中心丝氨酸残基的羟基结合。解救有机磷中毒时，可给予乙酰胆碱拮抗剂阿托品和胆碱酯酶复活剂解磷定。
    • 可逆性抑制剂与酶非共价结合
      • 使酶活性降低或消失，采用透析，超滤或稀释等物理方法可将抑制剂除去，使酶活性恢复
      • 竞争性抑制剂与底物竞争酶活性中心
        • 磺胺类药物的抑菌机制属于对酶的竞争性抑制作用
      • 非竞争性抑制剂结合活性中心之外的调节位点
      • 反竞争性抑制剂的结合位点由底物诱导产生
  • 激活剂可提高酶促反应速率
• 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活性
      • 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结合，引起酶的构象改变，从而改变酶的活性，酶的这种调节方式称为酶的别构调节（allosteric regulation of enzymes）
      • 别构酶，别构部位，别构激活剂，别构抑制剂
    • 酶的化学修饰调节是通过某些化学基团与酶的共价可逆结合来实现
      • 酶蛋白肽链上的一些基团可在其他酶的催化下，与某些化学基团共价结合，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，酶的这种调节方式称为酶的共价修饰（covalent modification of enzymes）或酶的化学修饰（chemical modification）
      • 酶的共价修饰常见的形式
        • 磷酸化和去磷酸化
        • 乙酰化和脱乙酰化
        • 甲基化和脱甲基化
        • 腺苷化和脱腺苷化
        • -SH与-S-S互变
    • 酶原需要激活过程才能转变为有活性的酶
      • 有些酶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，这种无活性的酶的前体称为酶原（zymogen或proenzyme）。在一定条件下，酶原向有催化活性的酶的转变的过程称为酶原的激活
      • 酶原激活实际上是酶活性中心形成或暴露的过程
  • 酶含量的调节是对酶促反应速率的缓慢调节
• 酶的分类与命名
  • 酶可根据其催化反应的反应类型予以分类
• 酶
  • 酶的化学本质是蛋白质
  • 由一条肽链构成的酶称为单体酶
  • 由多个相同或不同的肽链（即亚基）以非共价键链接组成的美称为寡聚酶
  • 还有一些酶在一条肽链上同时具有多种不同的催化功能，这类酶成为多功能酶