酶的工作原理

生物化学与分子生物学酶的学习笔记，包含特点：极高的催化效率、高度的特异性、可调节性、不稳定性、一般特点等。

酶的工作原理

• 特点
  • 极高的催化效率
    • 效率高
      • 非催化反应高10^(8-20)倍
      • 一般催化剂高10^(7-13)倍
  • 高度的特异性
    • 酶的特异性/专一性
      • 一种酶仅作用于一种或一类化合物，或一定的化学键
    • 绝对特异性
      • 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
      • 例如
        • 脲酶仅催化尿素水解生成CO2和NH3
        • 琥珀酸脱氢酶仅催化琥珀酸与延胡索酸间的氧化还原反应
      • 有些只能催化底物的一种光学异构体或一种立体异构体
      • 例如
        • LDH仅催化L-乳酸，对D-乳酸无作用
        • 延胡索酸酶仅催化反-丁烯二酸(延胡索酸)产生苹果酸,对顺-丁烯二酸(马来酸)无作用
    • 相对特异性
      • 依据底物分子中特定的化学键或特定的基团
      • 例如
        • 磷酸酶水解磷酸酯键
        • 脂肪酶水解脂肪，简单的酯
  • 可调节性
    • 许多酶的酶活性和酶的含量受体内代谢物或激素的调节
    • 例如
      • PFK-1
        • AMP激活
        • ATP抑制
  • 不稳定性
    • 酶的化学本质是蛋白质
    • 某些理化因素（如高温、强酸、强碱等）的作用下，酶会变性而失活
    • 酶促反应往往在常温、常压和接近中性的条件下
  • 一般特点
    • 没有质和量的改变
    • 只能催化热力学反应
    • 加速反应的进程
      • 不改变反应的平衡常数
• 促进形成过渡态而提高速率
  • 更有效地降低活化能
    • 活化分子
      • 达到或超过一定能量水平，可能发生碰撞的分子
    • 活化能
      • 一定温度下，lmol反应物从基态转变成过渡态所需要的自由能
      • 决定化学反应速率的内因
        • 化学反应的能障
    • 结合能
      • 酶与底物相互作用的能量
      • 结合能的释放是酶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
    • 酶与底物结合的过程是释能反应
      • 释放的结合能是降低反应活化能的主要能量来源
    • 诱导契合作用使酶与底物密切结合
      • 酶在发挥催化作用前须先与底物结合
      • 两者在结构上相互诱导,变形和适应，形成酶－底物复合物
      • 意义
        • 使酶能够结合一组结构并不完全相同的底物分子
        • 酶构象变化有利于结合底物
        • 使底物转变为不稳定的过渡态，易受酶催化
    • 邻近效应与定向排列使底物正确定位
      • 两个以上底物，之间必须以正确的方向碰撞，才有可能发生反应
      • 邻近效应与定向排列的作用
        • 将分子间反应变成分子内反应，提高反应速率
      • 酶使它们接近并形成正确的定向关系
    • 表面效应使底物分子去溶剂化
      • 酶的活性中心多形成疏水”口袋＂
        • 造成有利于酶与底物结合，催化的环境
      • 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
        • 防止水化膜形成
        • 利于底物与酶的密切接触和结合
• 催化机制呈现多元催化作用
  • 酶的多种功能基团具有不同的解离常数
  • 普通酸－碱催化作用
    • 酶活性中心上有些基团是质子供体(酸)，有些基团是质子受体(碱)
    • 参与质子的转移
      • 反应速率提高10^(2-5)倍
    • 参与多种反应
      • 如多肽的水解、酯类的水解、磷酸基的转移
  • 共价催化
    • 催化剂与底物形成共价结合的中间物，然后把被转移基团传递给另一个反应物的催化作用
    • 亲核催化基团
      • 向底物中具有部分正电性的原子提供一对电子形成共价中间物的基团
        • 亲核催化
    • 亲电子催化基团
      • 与底物的亲核原子形成共价中间物的基团
        • 亲电子催化