酶与酶促反应

生化，生物化学，酶与酶促反应，酶促反应动力学。包含概述、酶的工作原理、酶的调节、酶促反应动力学等等。

酶与酶促反应

• 概述
  • 酶是一类由活细胞产生的、对其底物具有高度特异性和高度催化效能的蛋白质
  • 核酶：具有催化活性的DNA 核酸酶：能够水解核酸的酶
• 酶的分子结构与功能
  • 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
    • 多酶体系
      • 由几种不同功能的酶彼此聚合形成多酶体系或多酶复合物
    • 多功能酶(串联酶)
      • 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，这类酶称为多媒体酶
  • 酶的分子组成中常含有辅助因子
    • 按分子组成分类
      • 单纯酶
        • 仅含有蛋白质的酶
      • 结合酶(缀合酶)
        • 酶蛋白和辅助因子结合在一起称为全酶，只有全酶才具有催化活性
        • 蛋白质部分
          • 酶蛋白
            • 在催化反应中的作用
              • 决定反应的特异性及催化机制
        • 非蛋白质部分
          • 辅助因子
            • (按属性)分类
              • 小分子有机化合物
                • 作用
                  • 参与酶的催化过程，在反应中传递电子、质子或某一些基团
              • 金属离子
                • 金属酶
                  • 金属离子与酶结合紧密，提取过程中不易丢失
                • 金属激活酶
                  • 金属离子虽为酶的活性所必需，但与酶的结合不紧密或不直接与酶结合，而是通过底物相连接
                • 金属离子的作用
                  • 参与催化作用，传递电子
                  • 在酶与底物间起桥梁作用
                  • 稳定酶的构象
                  • 中和阴离子，降低反应中的静电斥力
            • (按与酶蛋白结合的紧密程度)分类
              • 辅酶
                • 与酶蛋白结合疏松
                • 可用透析或超滤的方法除去
              • 辅基
                • 与酶蛋白结合紧张
                • 不可用透析或超滤的方法除去
            • 在催化反应中的作用
              • 决定反应的种类与性质
  • 酶的活性中心是酶分子中执行其催化功能的部位
    • 酶的活性中心
      • 酶的活性中心或活性部位是酶分子中能与底物特异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
    • 必需基团
      • 酶分子中氨基酸残基侧链的化学基团中，一些与酶活性密切相关的化学基团
      • 分类
        • 活性中心内的必需基团
          • 结合基团
            • 与底物相结合
          • 催化基团
            • 催化底物转变为产物
        • 活性中心外的必需基团
          • 位于活性中心外，维持酶活性中心应有的空间构象和(或)作为调节剂的结合部位所必须
  • 同工酶催化相同的化学反应
    • 定义
      • 同工酶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
    • eg
• 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，而不改变可逆反应的平衡点
  • 酶促反应的特点
    • 高效性
      • 酶和一般催化剂加速反应的机理都是降低反应的活化能。酶比一般催化剂更有效地降低反应的活化能
    • 专一性(特异性)
      • 一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
      • 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
        • 相对特异性
          • 有些酶对底物的专一性不是依据整个底物分子结构，而是根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
    • 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
      • 调节方式
        • 调节酶的浓度
        • 调节酶的活性
    • 不稳定性
      • 酶的化学本质主要是蛋白质。在某些理化因素(高温，强酸，强碱)的作用下，酶会发生变性而失去催化活性
  • 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活化能
      • 酶和一般催化剂一样，加速反应的作用都是降低反应的活化能
        • 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
      • 邻近效应与定向排列使诸底物正确定位于酶的活性中心
        • 酶的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
          • 邻近效应与定向排列
      • 表面效应使底物分子去溶剂化
        • 酶的活性中心多形成疏水区域，形成一种有利于酶与其特定底物结合并催化其反应的环境。酶促反应在此疏水环境中进行，使底物分子去溶剂化，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
    • 酶的催化机制呈多元催化作用
      • 酸-碱催化作用
      • 共价催化作用
• 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
      • 别构效应：蛋白质空间结构的改变伴随其功能的变化
      • 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
      • 相关概念
        • 别构酶
          • 受别构调节的酶称为别构酶
          • 常为多个亚基构成的寡聚体，具有协同效应
        • 别构部位
          • 酶分子与别构效应剂结合的部位
        • 别构效应剂
          • 引起别构效应的物质
          • 分类
            • 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结合与分离实现的
      • 共价修饰(化学修饰)
        • 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，从而影响酶的催化活性
      • 常见类型
        • 磷酸化与去磷酸化(最常见)
          • Ser,Thr,Tyr氨基酸
        • 乙酰化与脱乙酰化
        • 甲基化与脱甲基化
        • 腺苷化与脱腺苷化
        • -SH与-S-S互变
• 酶促反应动力学
  • 概述
    • 酶促反应动力学
      • 研究各种因素对酶促反应速率的影响，并加以定量的阐述
    • 影响因素
      • 酶浓度
      • 底物浓度
      • pH
      • 温度
      • 抑制剂
      • 激活剂
  • 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
      • 反应过程
        • 当底物浓度较低时，反应速度与底物浓度成正比
          • 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，达最大速率
          • 反应为零级反应
    • 米-曼方程(米氏方程)揭示单底物反应的动力学特性
      • 解释酶促反应中底物浓度和反应速率关系的最合理学说是中间产物学说
      • 米-曼方程(米氏方程)
        • 推导
          • 推导基于的假设
            • 当S的浓度远远大于E的浓度时，在反应的初始阶段，底物的消耗很少，可忽略不计，S的浓度可认为不变，即[S]=[St]
            • 反应是单底物的反应，测定的反应速度为初速度
              • 即产物的生成量极少，产物的逆反应可以忽略不计
          • 推导过程
    • Km与Vmax是重要的酶促反应动力学参数
      • Km值
        • 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
        • Km值是酶的特征性因素
          • 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，而与酶的浓度无关
          • 酶的Km值多在10⁻⁶-10⁻²mol/L的范围内
        • Km在一定条件下可表示酶对底物的亲和力
          • Km值越大，表示酶对底物的亲和力越小 Km值越小，表示酶对底物的亲和力越大
          • 同一个酶对不同底物有不同的Km值
      • Vmax值
        • Vmax是酶被底物完全饱和时的反应速率
      • 酶的转换数
        • 当酶被底物完全饱和时，单位时间内每个酶分子催化底物转变为产物的分子数，称为酶的转换数，单位s⁻¹
        • 酶的转换数可用来表示酶的催化效率
    • Km值与Vmax常通过林-贝氏作图法求取
      • 林-贝氏作图法又称双倒数作图法
  • 底物足够时酶浓度对酶促反应速率的影响呈直线关系
    • 当S的浓度远远大于酶的浓度时，反应中底物浓度的变化量可忽略不计
    • 随着酶浓度的增加，酶促反应速率增大，两者呈现正比关系
  • 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
      • 酶促反应中，随温度升高，底物分子热运动加快，增加分子碰撞的机会，提高酶促反应速率
      • 当温度升高达到一定临界值时，温度的升高可使酶变性，酶促反应速率下降
    • 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
      • 酶的最适温度不是酶的特征性常数，与反应进行的时间有关
  • pH通过改变酶和底物分子解离状态影响酶促反应速率
    • 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，受底物浓度、缓冲液种类与浓度、以及酶纯度等因素的影响
  • 抑制剂可降低酶促反应速率
    • 酶的抑制剂
      • 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
    • 酶的抑制区别与酶的变性
      • 抑制剂对酶有一定的选择性
      • 引起变性的因素对酶没有选择性
    • 抑制作用的类型
      • 根据抑制剂和酶结合的紧密程度不同，分为
        • 不可逆性抑制
          • 概念
            • 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
            • 此类抑制剂不能用透析、超滤等方法予以去除
          • eg
            • 有机磷化合物→羟基酶
              • 解毒→解磷定
            • 重金属离子及砷化合物→巯基酶
              • 解毒→二巯基丙醇
        • 可逆性抑制
          • 概念
            • 抑制剂通常以非共价键与酶或酶-底物复合物可逆性结合，使酶的活性降低或消失
            • 此类抑制剂可用透析、超滤等方法除去
          • 分类
            • 竞争性抑制
              • 概念
                • 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
              • 反应模式
              • 特点
                • I与S结构类似，竞争酶的活性中心
                • 抑制程度取决于抑制剂与酶的相对亲和力，底物浓度
                • 动力学特点：Vmax不变，Km增大
              • eg
                • 丙二酸与琥珀酸竞争琥珀酸脱氢酶
            • 非竞争性抑制
              • 概念
                • 有些抑制剂与酶活性中心外的必需基团相结合，不影响酶与底物结合，酶和底物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-抑制剂复合物不能进一步释放产物
              • 反应模式
              • 特点
                • 抑制剂与酶活性中心外的必需基团结合，底物与抑制剂之间无竞争关系
                • 抑制程度取决于抑制剂的浓度
                • 动力学特点：Vmax降低，Km不变
            • 反竞争性抑制
              • 概念
                • 抑制剂仅与酶-底物复合物结合，从而使酶-底物复合物的量下降。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
              • 反应模式
              • 特点
                • 抑制剂只与酶-底物复合物结合
                • 抑制程度取决于抑制剂浓度及底物浓度
                • 动力学特点：Vmax降低，Km降低
  • 激活剂可提高酶促反应速率
    • 概念
      • 使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加的物质
    • 种类
      • 必需激活剂
      • 非必需激活剂