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酶与酶促反应
有关酶与酶促反应的一些小知识。包含酶在医学中的应用、酶的工作原理、酶的分类与命名、酶的调节、酶促反应动力学、酶的分子结构与功能等。
编辑于2021-10-18 11:58:27- 酶促反应
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酶与酶促反应
酶的分子结构与功能
酶的分子组成中常含有辅因子
酶的不同形式
单体酶
单一亚基构成的酶
寡聚酶
由多个相同或不同亚基以非共价键连接组成的酶。
多媒体系
由几种不同功能的酶彼此聚合形成多酶体系或称多酶复合物。
多功能酶
一些多酶体系在进化过程中由于基因的融合，多种不同催化功能存在于一条多肽链中,这类酶称为多功能酶。
酶的分子组成
单纯酶
仅含有蛋白质的酶称为单纯酶
缀合酶
由蛋白质部分和非蛋白质部分共同组成的酶
全酶（具有催化作用）
蛋白质
酶蛋白(决定反应特异性)
单一存在无催化作用
辅酶因子
小分子有机化合物、金属离子（决定反应种类与性质）
单一存在无催化作用
辅因子
金属离子
金属离子为最常见的辅助因子:K, Na, Mg. Cu, Zn, Fe, Mo
按照金属离子与酶蛋白结合的紧密程度分类
金属酶：结合紧密
金属激酶：结合疏松
金属离子在酶促反应的作用
参与催化反应，传递电子
在酶和底物之间起桥梁作用
稳定酶的构象
中和阴离子，降低反应中的静电斥力
根据辅助因子与酶蛋白结合的牢固程度分类
辅酶
与酶蛋白共价结合，不能通过透析或超滤等方法将其去除
辅基
与酶蛋白以非共价键疏松结合，能通过透析或超滤等方法去除
酶的活性中心是酶分子执行其催化功能的部位
活化中心
定义：酶分子中直接与底物结合，并催化底物发生化学反应的部位
必需基团：与酶活性有关的化学基团
结合基团：直接与酶和辅酶结合，形成酶－底物复合物，决定酶的专一性
酶活性中心外的必需基团：位于活性中心以外，维持酶活性中心应有的空间构象和（或）作为调节剂
同工酶催化相同的化学反应
根据国际生化学会的建议,同工酶是由不同基因编码的多肽链,或由同一基因转录生成的不同 mRNA 所翻译的不同多肽链组成的蛋白质。<br>同工酶存在于同一种属或同一个体的不同组织或同一细胞的不同亚细胞结构中,它使不同的组织、器官和不同的亚细胞结构具有不同的代谢特征。这为同工酶用来诊断不同器官的疾病提供了理论依据。
同工酶
定义：催化相同的化学反应，但酶蛋白的分子结构、理化性质乃至免疫学性质不同的一组霉
同工酶谱
同一个体不同发育阶段和不同组织器官中,编码的基因开放程度不同,合成的亚基种类和数目不同,致使某种同工酶在同一个体的不同组织及同一细胞的不同亚细胞结构中的分布也不同,从而形成不同的同工酶谱。
同工酶变化的临床意义
在代谢调节上起着重要的作用
用于解释发育过程中阶段特有的代谢特征
同工酶谱的改变有助于对疾病的诊断
同工酶可以作为遗传标志,用于遗传分析研究。
举例
含锌四聚体酶,在 LDH 的活性中心附近, M 亚基与 H 亚基之间有极少数的氨基酸残基不同,如 M 型亚基的30位为 Ala , H 亚基则为 Gln ,且 H 亚基中的酸性氨基酸残基较多,这些微小的差别引起 LDH 同工酶解离程度不同,pH8.6电泳即可将其分离。两种亚基氨基酸序列和构象差异,表现出对底物的亲和力不同。如 LDH 1对乳酸的亲和力较大( Km =4.1x10-3mol/ L ),而 LDH5 对乳酸的亲和力较小( Km =14.3x103mol/ L ),由于对乳酸的 Km , H 型< M 亚基。
CK2 ,常作为临床早期诊断心肌梗死的一项生化指标。<div>常人血液中 CK 主要是 CK3 ,起病后,血液中CK2在4h内↑，12—24h达高峰(正常值18.0~198.0U/ L 的6倍),3—4天恢复正常,增高↑,梗死范围↑。
酶的工作原理
酶与一般催化剂的共同点
在反应前后没有质和量的变化
只能催化热力学允许的化学反应;
只能加速可逆反应的进程,而不改变反应的平衡点
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
酶的催化效率通常比非催化反应高108~1020倍,比一般催化剂高107~1013倍。<div><br></div>
酶和一般催化剂加速反应的机理都是降低反应的活化能( activatior energy )。酶比一般催化剂更有效地降低反应的活化能。
酶的催化不需要较高的反应温度
酶对底物具有高度的特异性酶的特异性
定义
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生成一定的产物。酶的这种特性称为酶的特异性或专一性。
分类
绝对特异性：只能作用于特定结构的底物,进行一种专一的反应,生成一种特定结构的产物。</div>
.相绝对专一性：有些酶对底物的专一性不是依据整个底物分子结构,而是依据底物分子中的特定的化学键或特定的基团,因而可以作用于含有相同化学键或化学基团的一类化合物。</div>
酶的活性与酶的含量具有可调节性
酶促反应受多种因素的调控,以适应机体对不断变化的内外环境和生命活动的需要。
例子
磷酸果糖激酶—1的活性受 AMP 的别构激活,而受 ATP 的别构抑制。胰岛素诱导 HMG — CoA 还原酶的合成,而胆固醇则阻遏该酶合成。
酶具有不稳定性
酶的化学本质主要是蛋白质。在某些理化因素(如高温、强酸、强碱等)的作用下,酶会发生变性而失去催化活性。因此,酶促反应往往都是在常温、常压和接近中性的条件下进行的。
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地降低反应的活化能
活化能：底物分子从基态转变到过渡态所需的能量
酶和一般催化剂一样，加速反应的作用都是通过降低反应的活化能实现的
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
酶与底物相互接近时，其结构相互诱导、相互变形和相互适应，进而相互结合。这一过程称为酶－底物结合的诱导契合
邻近效应与定向排列使诸底物正确定位于酶的活性中心
酶在反应中将诸底物结合到酶的活性中心,使它们相互接近并形成有利于反应的正确定向关系。这种邻近效应与定向排列实际上是将分子间的反应变成类似于分子内的反应,从而提高反应速率。
表面效应使底物分子去溶剂化
酶在活性中心多形成疏水“口袋”。酶促反应在此疏水环境中进行,使底物分子去溶化，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,利于底物与酶分子的密切接触和结合,这种现象称为表面效应
酶的催化机制呈现多元催化作用
酸—碱催化作用:酶活性中心上有质子供体和受体基团,参与质子转 移, v 提高102—105倍。
供价催化
亲核催化
亲电催化
酶促反应动力学
底物浓度对酶促反应速率的影响呈矩形双曲线
在其他因素不变的情况下,底物浓度对反应速率的影响呈矩形双曲线关 系
当底物浓度较低时: 反应速率与底物浓度成正比; 反应为一级反应 随着底物浓度的增高: 反应速率不再成正比例加速; 反应为混合级反应 当底物浓度高达一定程度； 反应速率不再增加，达到最大速率；反应为零级反应
研究前提
单底物、单产物反应; 酶促反应速率一般在规定的反应条件下,用单位时间内底 物的消耗量和产物的生成量来表示; 反应速率取其初速率,即底物的消耗量很小(一般在5%以 内)时的反应速率底浓度远远大于酶浓度。
米－曼方程揭示单底物反应的动力学特性
1913年 Michaelis 和 Menten 提出反应速率与底物浓度关系的数学方程式, 即米—曼氏方程式,简称米氏方程式
推导
E 与 S 形成 ES 复合物的反应是快速平衡反应, 而 ES 分解为 E 及 P 的反应为慢反应, 反应速率取决于慢反应即 V = K3[ ES ]。(1) S 的总浓度远远大于 E 的总浓度, 因此在反应的初始阶段, S 的浓度可认为不变即[ s ]=[ St]。
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
子主题
Km值是酶的特征性常数
Km 值的大小并非固定不变,它与酶的结构、底物结构、反应环境的 pH 、温度和离子强度有关,而与酶浓度无关。酶的 Km 值多在10—6~10—2mol/ L 的范围。
Km在一定条件下可以表示酶对底物的亲和力
Km 越大,表示酶对底物的亲和力越小; Km 越小,酶对底物的亲和力越大。
Vmax是酶被底物完全饱和时的反应速率
当所有的酶均与底物形成 ES 时(即[ ES ]=[ Et] ),反应速率达到最大,即 Vmax = K3[Et]。
酶的转换数
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)催化底物转变成产物的分子数,单位是s1,范围:1—104/s。
Km和Vmax常通过林－贝作图法求取
以1/ v对1/[ S ]作图, 纵轴上的截距为1/Vmax， 横轴上的截距为—1/Km
子主题
底物足够时酶浓度对酶促反应速率的影响呈直线关系
子主题
温度对酶促反应速率的影响具有双重性
温度对酶促反应速率具有双重影响(分子热运动、变性) 酶促反应速率最快时反应体系的温度称为酶促反应的最适温度,35—40℃ >栖热水生菌 DNA 聚合酶,72℃, DNA 体外扩增 。 酶的最适温度不是酶的特征性常数,它与反应进 行的时间有关 酶的活性虽然随温度的下降而降低,但低温一般不使酶破坏。 温度回升后,酶又恢复其活性。
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
活性中心必需基团的解离状态 活性中心的空间构象 底物、辅酶的解离状态 酶催化活性最高时反应体系的 pH， 称为酶促反应的最适 pH 最适 pH 不是酶的特征性常数, 它受底物浓度、缓冲液种类与浓度、 以及酶纯度等影响。
激活剂可提高酶促反应速率
使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加的物质称为激活剂 。常见的有金属阳离子、阴离子、有机化合物。
种类
必需激活剂
子主题
非必需激活剂
子主题
抑制剂可降低酶促反应速率
定义
凡能使酶的催化活性下降而不引起酶蛋白变性的物质称为酶的抑制剂。
酶的抑制区别于酶的变性:⒈抑制剂对酶有一定选择性 ⒉引起变性的因素对酶没有选择性
根据抑制剂与酶结合的紧密程度分类
不可逆抑制剂
抑制剂通常以共价键与 酶活性中心的必需基团 相结合，使酶失活。 因此类抑制剂不能用透析、 超滤等方法予以去除。
可逆抑制剂
竞争性抑制剂
竞争性抑制剂与底物 竞争结合酶的活性中心
抑制剂与底物的结构相似, 能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, 这种抑制作用称为竞争性抑制作用。
子主题
子主题
非竞争性抑制剂
有些抑制剂与酶活性中心外的必需基团相结合, 不影响酶与底物的结合,酶和底物的结合 也不影响酶与抑制剂的结合。 底物和抑制剂之间无竞争关系。 但酶—底物—抑制剂复合物( ESI )不能进一步释放出产物。 这种抑制作用称作非竞争性抑制作
反竞争性抑制剂
子主题抑制剂仅与酶和底物形成的中间产物( ES )结合, 使中间产物 ES 的量下降。 这样,既减少从中间产物转化为产物的量, 也同时减少从中间产物解离出游离酶和底物的量。 这种抑制作用称为反竞争性抑制作用。
酶的调节
酶活性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
别构调节
一些代谢物可与某些酶分子活性中心外的某部分可逆地结合,使酶构象改变,从而改变酶的催化活性,此种调节方式称别构调节
别构酶
多含偶数亚基,有催化亚基和调节亚基(有的别构酶的催化和调节位点在同一亚基上),亚基间有协同效应。
别构部位
别构效应剂
别构激活剂、别构抑制剂。可以是终"产物、中间产物、酶的底物、其他物
别构酶正协同效应的反应速率与底物浓度作图呈S形曲线
子主题
酶的别构调节是体内代谢途径的重要快速调节方式之一
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
共价修饰
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或称酶的化学修饰调节。
常见类型
>磷酸化与脱磷酸化(最常见) >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 酶的化学修饰是体内快速调节的另一种重要方式。
酶原需要通过激活过程才能产生有活性的酶
酶原
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,这种无活性的酶前体称为酶原。
酶原的激活
在一定条件下,酶原向有活性酶转化的过程,其本质为酶活性中心形成或暴露。
酶原激活的原理
酶原激活的生理意义
避免细胞产生的酶对细胞进行自身消化,并使酶在特定的部位和环境中发挥作用,保证体内代谢正常进行。 有的酶原可以视为酶的储存形式。在需要时,酶原适时地转变成有活性的酶,发挥其催化作用。 例:血管内的凝血因子—血管破损→凝血酶源激活→凝血酶纤维蛋白原变为纤维蛋白→血凝块—保护机体。
酶含量的调节是对酶促反应速率的缓慢调节
细胞也可通过改变酶蛋白合成与分解的速率来调节酶的含量,进而影响酶促反应速率。 长效缓慢:酶基因被诱导表达→转录翻译→加工修饰→发挥效应
酶蛋白合成可被诱导或阻遏
诱导作用
在转录水平上能促进酶合成的物质称之为诱导物( inducer ),诱导物诱发酶蛋白合成的作用称为诱导作用。
阻遏作用
在转录水平上能减少酶蛋白合成的物质称为辅阻遏物( co — repressor ),辅阻遏物与无活性的阻遏蛋白结合而影响基因的转录,这种作用称为阻遏作用。
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) 溶酶体的组织蛋白酶非选择性催化分解膜结合蛋白、 长半寿期蛋白(2h以上,如乳酸脱氢酶—130h)、细胞外蛋白。 非溶酶体蛋白酶降解途径(又称依赖 ATP 和泛素的降解途径） 异常或损伤的蛋白,几乎所有的短半寿期蛋白 (10min—2h,鸟氨酸脱羧酶—30min)
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
催化氧化还原反应的酶;传递 e 、 H 、 O :乳酸脱氢酶、过氧化物酶
转移酶类
催化底物之间基团转移或交换的酶:甲基转移酶、氨基转移酶、激酶
水解酶类
催化底物发生水解反应的酶:核酸酶、脂肪酶、脲酶
裂合酶类
催化从底物移去一个基团并形成双键的反应或其逆反应的酶:脱羧酶
异构酶类
催化分子内部基团的位置互变,几何或光学异构体互变, 以及醛酮互变的酶:异构酶、变位酶、消旋酶
连接酶类
催化两种底物形成一种产物并同时偶联有高能键水解和释能的酶 (合酶、合成酶): DNA 连接酶、谷氨酰胺合成酶、氨基酰— tRNA 合成酶
每一种酶均有其系统名称和推荐名称
系统名称
如 L —乳酸(底物): NAD +(底物)—氧化还原酶(反应性质)( EC .1.1.1.27）
推荐名称
国际酶学委员会选择简便实用的推荐名称:如乳酸脱氢酶
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
1.酶的先天性缺陷是先天性疾病的重要病因之一 现已发现140多种先天性代谢缺陷中,多数由酶的先天性或遗 传性缺损所致;例如酪氨酸酶缺乏引起白化病。 2.一些疾病可引起酶活性或量的异常 许多疾病引起酶的异常,这种异常又使病情加重; 例如急性胰腺炎时,胰蛋白酶原在胰腺中被激活,造成胰腺组织被水解破坏。
体液中酶活性的改变可作为疾病的诊断指标
组织器官损伤可使其组织特异性的酶释放入血,有助于对组织器官疾病的诊断。如急性肝炎时血清丙氨酸转氨酶活性升高;急性胰腺炎时血、尿淀粉酶活性升高等等。因此,血清中酶的增多或减少可用于辅助诊断和预后判断。
某些酶可以作为药物用于疾病的治疗
>有些酶作为助消化的药物:胃蛋白酶—消化不良 >有些酶用于清洁伤口和抗炎:胰蛋白酶、溶菌酶—伤口净化消炎>有些酶具有溶解血栓的疗效:链激酶、尿激酶、纤溶酶
药物可通过抑制体内的某些酶来达到治疗目的
磺胺类药物是细菌二氢蝶酸合成酶的竞争性抑制剂;氯霉素可抑制某些细菌转肽酶的活性从而抑制其蛋白质的合成;抗抑郁药通过抑制单胺氧化酶而减少儿茶酚胺的灭活,治疗抑郁症;洛伐他汀通过竞争性抑制 HMG — CoA 还原酶的活性。甲氨蝶呤、5—氟尿嘧啶、6—巯基嘌呤等用于治疗肿瘤也是因为它们都是核苷酸合成途径中相关酶的竞争性抑制剂。
酶可以作为试剂用于临床检验和科学研究
有些酶可作为酶偶联测定法中的指示酶或辅助酶
酶促反应底物/产物含量极低,不易直接测定,此时偶联另一种、两种酶使其变为易测量的产物。 指示酶(最后一种酶) 测血糖◇过氧化物酶—指示酶。
有些酶可作为酶标记测定法中的标记酶
酶联免疫吸附测定( ELISA )法:利用抗体—抗原特异性结合,将标记酶与抗体偶联,对抗原或抗体检测。辣根过氧化物酶、碱性磷酸酶、葡萄糖氧化酶、 β— D —半乳糖苷酶。
多种酶成为基因工程常用的工具酶
Ⅱ型限制性内切核酸酶、 DNA 连接酶、逆转录酶、 DNA 聚合酶。
底物、产物、激素、 生长因子、药物等 可在转录水平影响 蛋白质的生物合成。