酶知识导图

一张思维导图带你学习酶的相关知识点，包括酶的概述、酶的调节、酶的分子结构与功能、酶的工作原理、酶促反应动力学。

酶

• 概述
  • 定义：是一类由活细胞产生，对其底物有高度特异性和高度催化效能的蛋白质
  • 酶的本质是蛋白质
  • 分类
    • 单体酶
    • 寡聚酶
    • 多酶复合物（多酶体系）
    • 多功能酶（串联酶）
• 酶的分子结构与功能
  • 分子组成
    • 单纯酶：水解后仅有氨基酸组分而无其他组分
    • 缀合酶（结合酶）
      • 酶蛋白：蛋白质部分，决定酶促反应特异性及催化机制（和谁反应）
      • 辅因子：非蛋白质部分，决定酶促反应的类型（如何反应）
        • 按其与酶蛋白结合紧密程度
          • 辅酶：非共价键，连接疏松，物理方法可除去
          • 辅基：共价键，连接紧密，物理方法不可除
        • 按化学种类分
          • 小分子有机化合物
            • 多为B族维生素的衍生物（多为辅酶）
            • 作用：主要参与传递电子与质子（或基团）或起运载体的作用
          • 金属离子
            • 是最常见的辅因子，约2/3酶含有金属离子
            • 作用
              • 1.作为酶活性中心参与催化反应，使底物与酶活性中心催化基团形成正确排列
              • 2.作为连接酶与底物的桥梁
              • 3.中和电荷，减小静电斥力
              • 4.稳定酶空间构
      • 酶蛋白+辅助因子=全酶， 二者任意独立都不具有催化作用，只有全酶才具有催化作用
  • 活性中心
    • 定义：酶分子中能与底物特异性地结合并催化底物转变为产物的具有特定三维结构的区域
    • 酶的必需基团：与酶活性密切相关的化学基团
      • 酶活性中心内的必需基团
        • 结合基团：直接与底物和辅酶结合，形成酶-底物复合物，决定酶的专一性
        • 催化基团：催化底物发生化学反应，并将其转变为产物，决定酶的催化能力
      • 酶活性中心外的必需基团：不直接参与催化作用，不参与活性中心的组成，却为维持酶活性中心的空间构想和（或）作为调节剂的结合部位所需
  • 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酶
    • 存在特点
      • 1.存在于同一种属或同一个体的不同组织器官中
      • 2.存在于同一细胞的不同亚细胞结构中
    • 作用
      • 在代谢调节上起着重要的作用
      • 同工酶的存在提供了对不同组织和不同发育阶段代谢转换的独特调节方式，用于解释发育过程中特有的代谢特征
      • 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
    • 乳酸脱氢酶（LDH）是一种四聚体酶，由骨骼肌型（M型）和心肌型（H型）两种亚基以不同比例组成五种同工酶
      • LDH1：主要分布于心肌
      • LDH4：主要分布于骨骼肌、肝细胞
• 酶的工作原理（特点与机制）
  • 酶的特点（不同于一般催化剂）
    • 高效性：不需要较高的反应温度，比一般催化剂更有效的降低反应活化能
    • 特异性：对其底物有选择性，亦称为专一性
      • 绝对特异性：作用于特定结构的某一底物分子
      • 相对特异性：作用于底物分子中特定化学键或特定的基团，可作用于含有相同化学键或化学基团的一类化合物
      • 立体异构特异性：作用于底物的某一光学异构体或一种立体异构体，如乳酸脱氢酶（LDH）仅催化L-乳酸脱氢生成丙酮酸。属绝对特异性的一种。
    • 活性、酶量可调节性：受体内代谢物和激素调节
      • 对酶含量的调节（慢调节）
      • 对酶活性的调节（快调节）
      • 通过改变底物浓度对酶进行调节
    • 不稳定性：酶的本质是蛋白质，高温强酸强碱等会使酶变性失去活性
  • 酶的作用机制：通过促进底物形成过渡态而提高反应速率
    • 酶更有效地降低反应活化能
    • 酶与底物结合形成中间产物
      • 诱导契合作用：酶与底物在结构上相互诱导变形适应，密切结合形成酶-底物复合物
      • 邻近效应与定向排列：将诸底物结合到酶的活性中心使他们相互接近并形成有利于反应定向关系，将分子间反应变为分子内反应，提高速率
      • 表面效应：酶活性中心形成疏水口袋，使底物分子去溶剂化，排除水的干扰，防止水化膜的形成
    • 酶的催化机制呈多元催化作用
      • 共价催化
      • 亲核催化
      • 亲电子催化
• 酶促反应动力学
  • 定义：研究酶促反应速率及各种因素对酶促反应速率影响机制并加以定量阐述的科学。受酶浓度、底物浓度、pH、温度、抑制剂、激活剂影响，不受底物种类影响
  • 底物浓度对酶促反应速率的影响
    • 矩形双曲线
      • 一级反应：底物浓度底时，v随底物浓度增加而升高
      • 混合级反应：随着底物浓度的不断增加，上升幅度不断变缓，呈现一级与零级混合
      • 零级反应：随着底物浓度增加，所有酶都被饱和，v不再增加，v达最大反应速率
    • 米--曼方程
      • v=Vmax[S]/Km+[S]
    • Km和Vmax的意义
      • Km值等于酶促反应速率等于最大反应速率一半时的底物浓度
      • Km值是酶的特征性常数：与酶的结构、底物结构、pH、温度和离子强度有关，与酶浓度无关
      • Km值在一定条件下表示酶对底物的亲和力：成反比关系
      • Vmax是酶被底物完全饱和时的反应速度
    • 酶的转换数：Vmax时，单位时间内每个酶分子催化底物转变成产物的分子数，即k3，表示酶的催化效率
    • Km和Vmax常通过林-贝作图法求取：即双倒数作图法
  • 酶浓度对酶促反应速率的影响
    • 底物浓度远大于酶浓度时，酶浓度对酶促反应速率呈正比关系
  • 温度对酶促反应速率的影响
    • 双重性
      • 提高温度，加快酶促反应速率
      • 提高温度，酶变性，酶促反应速率下降
    • 最适温度：酶促反应最快时的温度，不是酶的特征性常数，与温度有关
    • 可通过短时间大幅提高温度来提高反应速率
  • pH对酶促反应速率影响
    • 机制：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
    • 最适pH：酶催化活性最高时pH，不是酶的特征性常数，受多种因数影响
    • 酶与底物反应时间越长，该酶的最适pH可改变
  • 抑制剂对酶促反应速率影响
    • 定义：凡能使酶活性下降又不引起酶蛋白变性的物质统称为酶的抑制剂
    • 根据抑制剂与酶结合的紧密程度
      • 不可逆性抑制剂
        • 与酶活性中心必需基团共价结合，使酶失活
        • 不能用透析超滤等物理方法除去
        • 例子
          • 有机磷农药（敌百虫、敌敌畏、乐果和马拉硫磷等）与胆碱酯酶结合
          • 低浓度重金属离子（Hg，Ag，Pb等）与巯基酶分子中的巯基结合使酶失活。如路易士气，Pb对羟基酶的抑制作用
          • 砷化物
      • 可逆性抑制剂
        • 与酶活性中心内外的必需基团非共价可逆性结合，使酶活性降低或消失
        • 可用透析超滤等物理方法除去
        • 分类
          • 竞争性抑制作用
            • 定义：抑制剂和酶的底物在结构上相似，可与底物竞争结合酶的活性中心，阻碍酶与底物形成中间产物
            • 特点
              • 竞争性抑制剂往往是底物类似物或反应产物
              • 抑制剂与酶的结合部位与底物与酶的结合部位相同
              • 抑制程度取决于抑制剂与酶的相对亲和力及与底物浓度的相对比例
              • Km增大，Vmax不变
            • 例子
              • 丙二酸对琥珀酸脱氢酶的抑制作用
              • 磺胺类药物的抑菌机制：磺胺类药物与对氨基苯甲酸的结构相似，竞争性地与二氢碟酸合酶结合，抑制FH2以至于FH4合成，干扰一碳单位代谢，干扰核酸合成，抑制细菌生长。人体可直接利用食物中的叶酸，不受此类药物干扰。
              • 抗肿瘤等药物的作用机理
          • 非竞争性抑制作用
            • 定义：非竞争性抑制剂与酶活性中心外的结合位点（必需基团）相结合，不影响酶与底物的结合，底物也不影响酶与抑制剂结合底物和抑制剂间无竞争关系，但抑制剂-酶-底物复合物（IES）不能进一步释放出产物
            • 特点
              • 底物与抑制剂本别独立地与酶的不同部位相结合
              • 抑制程度取决于抑制剂浓度
              • Km不变，Vmax降低
          • 反竞争性抑制作用
            • 定义：抑制剂与酶活性中心外的调节位点结合，但不与酶结合，仅与酶-底物复合物结合，使中间产物ES的量下降
            • 特点
              • 抑制剂只与酶-底物复合物结合，不与游离酶结合，而且是可逆结合
              • 抑制程度取决于抑制剂的浓度及底物的浓度
              • Km降低，Vmax降低
            • 例子
              • 苯丙氨酸对胎盘型碱性磷酸酶的抑制
  • 激活剂对酶促反应速率的影响
    • 定义：使酶从无活性变为有活性或使酶活性增加的物质称为酶的激活剂
    • 大多为金属离子，少数为阴离子，也有许多有机化合物激活剂
    • 分类
      • 必需激活剂：无活性®有活性，如镁离子对己糖激酶
      • 非必须激活剂：活性低®活性高，如氯离子对唾液淀粉酶
• 酶的调节
  • 调节对象：关键酶（限速酶）
  • 酶活性的调节（快速调节）
    • 最直接，最有效的调节方式
    • 分类
      • 别构（变构）调节
        • 定义；体内一些代谢物与酶活性中心外的调节部位非共价可逆结合，引起酶的构象改变，改变酶的活性
        • 别构分子中常含有偶数个亚基，有些酶调节部位和催化部位存在于同一亚基，有的分别存在于不同亚基，从而有催化亚基和调节亚基之分
        • 别构酶的反应速率-底物浓度曲线呈S形，激活剂使曲线向左抑制剂使曲线向右
        • 名词概念
          • 别构部位(调节部位）：酶分子与别构效应剂结合部位
          • 别构酶：受别构调节的酶
          • 别构效应剂：引起别构效应的物质
      • 化学（共价）修饰调节
        • 定义；酶蛋白肽链上的一些基团可在其他酶的催化下，与某些化学基团公家可逆结合，同时又在另一种酶的催化下，去掉已结合的基团，影响酶的活性
        • 在此调节中，酶发生无活性与有活性或高活性与低活性互变
        • 此调节为酶促反应，故有放大效应
        • 最常见：磷酸化与去磷酸化
      • 酶原激活
        • 有些酶需要从酶原激活成酶才能发挥作用
        • 酶原激活：由无活性的酶原向有活性的酶的转变，大多是酶蛋白水解掉一个或几个肽段，实质上是酶活性中心形成或暴露的过程
        • 酶原激活的生理意义
          • 避免细胞自身消化，使酶在特定的环境起作用
          • 有的酶原可以视作酶的储存形式
  • 酶含量的调节（缓慢调节）
    • 回路较长，反应缓慢
    • 通过改变酶的合成与降解速率来调节酶的含量，进而影响酶促反应速率
    • 酶蛋白合成的诱导与阻遏作用
      • 诱导作用
      • 阻遏作用
    • 酶蛋白的降解与一般蛋白质降解途径相同
      • 组织蛋白降解的溶酶体途径
      • 组织蛋白降解的胞质途径