酶

关于酶的思维导图，包含酶的概念：酶的概念、酶的专一性、酶的化学本质；酶的分类和命名；酶的作用机制；酶促反应动力学；酶活性的调节；酶活性的测定及分离提纯；酶工程简介等。

酶

• 酶的概念
  • 酶的概念
    • 酶是生物细胞产生的，以蛋白质为主要成分的生物催化剂 酶促反应：酶催化的生物化学反应 底物：在酶的催化下发生化学变化的物质
    • 酶的作用特点：1）酶有极高的催化效率 2）酶的催化具有高度专一性 3）酶易失活 4）有些酶的催化效应与辅因子 5）酶的催化活性受到调节、控制
  • 酶的专一性
    • 结构专一性
      • 绝对专一性：这些酶对底物有非常严格的要求，只作用于一种底物。
      • 相对专一性：酶对底物要求较低，作用的底物不止一种，对作用底物键的两端的要求程度不同又可分为基团专一性和键专一性
        • 键专一性：酶对键的两端无严格要求，只要求一定的键
        • 基团专一性：又称族专一性。酶不但要求底物一定的化学键，而且对键一段的基团也有严格要求
    • 立体异构专一性
      • 旋光异构专一性：当底物有旋光异构体，酶只作用其中的一种。
      • 几何异构专一性
  • 酶的化学本质
    • 几乎所有的酶都是蛋白质，有的是简单蛋白质，有的是结合蛋白质，具有蛋白质的一切
    • 按化学组成
      • 单纯酶 不含有其他非蛋白成分
      • 结合酶
        • 酶蛋白（决定反应的特异性）
        • 辅因子（决定反应的种类和性质）
          • 辅基 与酶蛋白结合比较紧密、用透析法不易除去的小分子物质
          • 辅酶 与酶蛋白结合比较松散、用透析法可以除去的小分子蛋白质
    • 按酶蛋白结构的特点
      • 单体酶 只有一条多肽链，这一类酶很少，一般为水解酶类
      • 寡聚酶 由几个或几十个亚基组成，亚基相同或不同，亚基间以非共价键结合
      • 多酶复合物 由几个酶聚合而成的复合体，一般在系列反应中2-6个功能相关的酶组成
    • 其他酶
      • 金属酶
        • 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：金属离子为酶的活性所必需，但与酶的结合不甚紧密
        • 金属离子的作用：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等
      • 核酶 对RNA具有催化活性的RNA 水解反应磷酸转移反应等
      • 抗体酶
        • 是指通过一系列化学反应与生物技术方法制备出的具有催化活性的抗体，它除了具有相应免疫学性质，还类似酶能够催化某种化学反应
        • 制备策略
          • 诱导筛选法：以过渡态类似物为半抗原诱导机体产生针对半抗原的多种不同抗体，并运用单克隆抗体技术制备不同抗体并从当中筛选出具有高催化活性的抗体酶
          • 修饰改造法：利用化学修饰和基因工程技术在抗体的结合部位引入催化基因或辅因子，从而使抗体转化为具有催化活性抗体酶
• 酶的分类和命名
  • 分类
    • 1）氧化还原酶类 催化氧化还原反应，可分为氧化酶类和脱氢酶类，涉及氢离子和电子的转移
    • 2）转移酶类 催化分子间功能基团的转移，如谷丙转氨酶等
    • 3）水解酶类 催化水解反应，如蛋白酶等
    • 4）裂合酶类 催化底物C-C、C-O、C-N及其他键的断裂并形成双键的非水解性反应，或在双键上添加一个集团使双键变成单键，如脱羧酶，脱氨酶等
    • 5）异构酶类 催化同分异构体的相互转变
    • 6）合成酶类 又称连接酶类，催化一切必须与ATP水解相偶联，并由两种物质（双分子）合成一种物质的反应
  • 命名
    • 系统命名法 系统名称包括底物名称、构型、反应性质，最后加一个酶字。如习惯名称：谷丙转氨酶 系统名称：丙氨酸：α-酮戊二酸氨基转移酶
    • 习惯命名法 根据其催化底物来命名：蛋白酶、淀粉酶，根据所催化反应的性质来命名：脱氢酶、转氨酶 结合上述两个原则来命名：乳酸脱氢酶，有时在这些命名基础上加上酶的来源或其它特点：胃蛋白酶、胰蛋白酶等
• 酶的作用机制
  • 酶的催化作用及活化能
    • 酶催化作用的本质：降低了分子反应所需的活化能。从而增加了活化分子数，加快了反应速率
    • 活化能：活化分子处于活化态，活化态和常态的能量差，也就是分子由常态转变为活化态所需的能量。在一定温度下，1mol底物全部达到活化态所需要的自由能。
  • 中间产物学说
    • 证据：1）电子显微镜观察到了核酸聚合酶与核酸结合而成的复合物 2）根据酶和底物反应前后的光谱变化，可证明中间产物的存在 3）D-氨基酸氧化酶与D-氨基酸结合而成的复合物已被分离、结晶出来
    • 中间产物学说：酶与底物通过形成中间产物使反应沿一个低活化能的途径进行
  • 酶的活性部位和必需基团
    • 活性中心（活性部位）：是指酶分子中直接和底物结合，并与酶催化作用直接相关的部位。对于单纯酶来说，是由一些氨基酸残基的侧链基团组成（有时也包括某些氨基酸残基主链骨架上的基团），对于结合酶来说，除了上述之外，辅酶或辅基的某一些部分也是活性部位的重要组成成分。 它在已知酶中都是位于酶分子表面含有极性残基的疏水裂缝或凹穴中。
    • 必需基团：活性中心的基团均属必需基团，但它还包括那些在活性部位以外的、对维持酶的空间构象必须的基团 。
    • 活性中心
      • 结合部位：由一些参与底物结合的有一定特性的基团组成，决定酶的专一性
      • 催化部位：由一些参与催化反应的集团组成，决定酶的催化能力
  • 诱导契合学说
    • 锁钥假说
      • 内容：认为整个酶分子的天然构象是具有刚性结构的，酶表面具有特定的形状。酶与底物的结合如同一把钥匙对一把锁一样。
      • 优劣：解释了酶的立体异构专一性；但不能揭示酶的活性中心既适合可逆反应的底物，又适合可逆反应的产物
    • 诱导契合假说
      • 内容：该学说认为酶表面并没有一种与底物互补的固定形状，而只是由于底物的诱导才形成了互补形状
      • 要点：1）酶有其原来的形状，不一定一开始就是底物的模板 2）底物能诱导酶蛋白质的形状发生一定改变（专一性结合 ）3）当酶的形状发生变化后，就使得其中的催化集团形成正确的排列 4）在酶反应过程中，酶活性中心构象的变化是可逆的。即酶与底物时，产生一种诱导构象，反应结束时，产物从酶表面脱落，酶又恢复起原来的构象。
  • 影响酶催化效率的因素
    • 底物和酶的邻近效应和定向效应（这两种效应使酶具有高效率和专一性特点）
      • 邻近效应：在酶促反应中，由于酶和底物分子之间的亲和性，底物分子有向酶的活性中心靠近的趋势，最终结合到酶的活性中心，使底物在酶活性中心的有效浓度大大增加的效应
      • 定向效应：当专一性底物向酶活性中心靠近时，会诱导酶分子构象发生改变，同时使反应集团之间的分子轨道以正确方向严格定位，使酶促反应易于进行
    • “张力”和“变形”
      • 底物与酶结合诱导酶的分子构象变化，变化的酶分子又使底物分子的敏感键产生“张力”甚至“形变”，从而使底物分子某些键的键能减弱，产生键扭曲，降低了反应的活化能，有助于过渡态的中间产物形成
    • 酸碱催化
      • 广义酸碱催化是指通过质子酸提供部分质子，或者通过质子碱接受部分质子的作用，达到降低反应活化能的作用
      • 酶活性部位上的某些集团可以作为良好的质子供体或受体对底物进行酸碱催化
      • His（组氨酸）的咪唑基，解离常数为6.0，在中性条件下以兼性离子存在，既可以作质子供体，也可作质子受体，是最有效、最活泼的一个催化功能基团
    • 共价催化
      • 催化剂通过与底物反应形成反应活性很高的共价过渡产物，使反应活化能降低，从而提高反应速度的过程，称为共价催化
      • 酶中参与共价催化的基团主要包括以下亲核集团：His（组氨酸）的咪唑基，Cys（半胱氨酸）的巯基，Asp（天冬氨酸）的羧基，Ser（丝氨酸）的羟基等等；亲电子集团：氢离子、镁离子、二价锰离子、三价铁离子。某些辅酶，如焦磷酸硫胺素和磷酸吡哆醛等也可以参与共价催化作用
    • 金属离子催化
      • 以金属酶和金属激活酶结合的金属离子可以通过结合底物为反应定向或通过静电稳定或屏蔽负电荷，金属离子还可以通过可逆的改变金属离子的氧化态来调节氧化还原反应
    • 酶活性中心是低介电区域——微环境影响
      • 酶活性中心内相对地说是非极性的，也就是说酶的催化基团被低介电环境所包围，在某些情况下，还可能排除高极性的水分子。这样，底物分子的敏感键和酶的催化集团之间就会有很大的反应力，这是有利于酶的加速反应
  • 酶催化机制的举例
    • 胰凝乳蛋白酶是研究最早、最彻底的一个酶。在动物小肠中催化蛋白质的水解，它是一个丝氨酸蛋白酶，活性中心的AA残基：Ser（丝氨酸）195，His（组氨酸）57，Asp（天冬氨酸）102、先经酶原激活，由无活性转变为有活性，催化肽键裂解的全过程可分为两个过程：第一阶段是肽键的裂解和酶的酰基化阶段，第二阶段是酶-酰基共价中间物的脱酰基阶段
• 酶促反应动力学
  • 酶促反应速率的测量
    • 两种方法：测定单位时间内底物的消耗量或产物的生成量，通常以测定产物的生成量较为准确
  • 对酶作用的影响
    • 酶浓度
      • 在底物足够过量而其他条件固定的条件下，若反应系统中不含有抑制酶活性的物质及其他不利于酶发挥作用的因素是，酶促反应的速率与酶浓度成正比
    • 底物浓度
      • 在一级阶段，底物浓度很小时，反应速率取决于底物浓度，中间是混合级反应，底物浓度增大后，反应速率取决于S和E-S浓度，最后阶段是零级反应，E全部被饱和，反应速率取决于E浓度，与底物浓度无关（零级反应）
      • 米氏方程：1913年，德国化学家Mischaclis和Menten根据中间产物学说对酶促反应的动力学进行研究，推导除了表示整个反应中底物浓度和反应速度关系的著名公式。1925年，G.E.Briggs和J.B.S.Haldane又对基本原理加以补充和发展，提出“稳态假说”
      • V=(Vmax+[S])/Km+[S]
      • Km等于酶促反应速率为最大反应速度一半时的底物浓度，酶的一个重要特征物理常数，表示酶与底物间的亲和程度，不同条件下具有不同值 测定Km和V的最常用方法就是双倒数作图法
    • pH
      • 原因：1）过酸过碱影响酶蛋白的构象，导致失活 2）影响底物的解离状态 3）影响酶分子的解离状态 4）影响酶分子集团的解离而影响酶活性中心构象
    • 温度
      • 双重影响：温度升高，酶促反应升高；温度升高10摄氏度，反应速度增加一倍（Q10） 由于酶的本质是蛋白质，温度升高，可引起酶的变性，从而反应速度降低
      • 最适温度：酶促反应速度最快时的环境温度 TaqDNA聚合酶，用于PCR反应
      • 低温的作用：贮存生物制品、菌种等，临床上的低温麻醉
    • 激活剂
      • 激活剂使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加的物质
      • 分类
        • 无机离子
          • 金属离子：钾离子、钠离子、镁离子等
          • 阴离子：动物唾液α-淀粉酶受氯负离子激活
        • 作为激活剂的有机小分子
          • 一些以巯基为活性集团的酶
          • EDTA等金属螯合剂
        • 生物大分子激活剂
      • 1）这些离子可与酶分子上的氨基酸侧链基团结合，可能是酶活性部位的组成部分，也可能作为辅酶或辅基的一个组成部分起作用 2）一般情况下，一种激活剂对某种酶是激活剂，而对另一种酶则起抑制作用 3）对于同一种酶，不同激活剂浓度会产生不同的作用
    • 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。抑制剂对酶有一定选择性，引起变性的因素对酶没有选择性。一般具有两个方面的特点：1）在化学结构上与被抑制的底物分子或底物的过渡状态相似 2）能够与酶的活性部位以非共价或共价的方式形成比较稳定的复合体或结合物
      • 不可逆性抑制剂
        • 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。以潜伏状态存在，当它与酶的活性中心结合时，就被激活成有抑制活性的抑制剂。酶激活后，自身活力完全丧失，抑制剂可以看作它的自杀性底物
      • 可逆性抑制剂
        • 竞争性抑制剂
          • 某些抑制剂的化学结构与底物相似，因而能与底物竞争与酶活性中心结合。当抑制剂与活性中心结合后，底物被排斥在反应中心之外，其结果为酶促反应被抑制 竞争性抑制剂通常可以通过增大底物浓度，即提高底物的竞争能力来消除
          • 竞争性抑制剂往往是酶的底物结构类似物，抑制剂和酶的活性部位与底物与酶的结合部位相同——酶的活性中心，Km值增大，Vm值不变
        • 非竞争性抑制剂
          • 酶可同时与底物及抑制剂结合，引起酶分子构象变化，并导致酶活性下降。由于这类物质并不是与底物竞争与活性中心的结合，所以称为非竞争性抑制剂，不能通过增大底物浓度的方法来消除
          • 特点：不一定与底物分子结构相似，抑制剂与酶的活性中心外的位点结合；抑制剂与酶与底物的结合无影响，故底物浓度的改变对抑制剂无影响（抑制程度取决于抑制剂的浓度0，Km值不变Vm值降低
        • 反竞争性抑制剂
          • 酶只有在与底物结合后，才能与抑制剂结合，引起酶活性下降
          • 特点：不一定与底物结构类似，抑制剂和底物可同时与酶的不同部位结合；必须有底物存在，抑制剂才能对酶产生抑制作用；抑制程度随底物浓度的增加而增加（抑制程度取决与抑制剂的浓度及底物的浓度，Km值减小,Vm值降低
• 酶活性的调节
  • 别构酶
    • 一些代谢物可与某些酶分子活性中心外的某部分可逆的结合，使酶构象改变，从而改变酶的催化活性，此种调节称为别构调节 底物本身为同构，效应剂结合为异构
    • 特点：1）一般为寡聚酶，由多亚基组成，包括催化部位与调节（别构）部位。2）具有别构效应。指酶和一个配体（底物，调节物）结合后可以影响酶和另一个配体（底物）的结合能力。 3）不符合米氏方程，呈S型曲线。
  • 同工酶
    • 同工酶是指催化相同的化学反应，而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
    • 生理及临床意义：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
  • 共价修饰酶
    • 共价修饰：在其他酶的催化作用下，某些酶蛋白肽链上的一些基团可与某种化学集团发生可逆的共价结合，从而改变酶的活性
    • 常见类型：磷酸化与脱磷酸化，乙酰化与脱乙酰化，甲基化和脱甲基化，腺苷化和脱腺苷化，-SH与-S-S-互变
    • 特点：1）酶以两种不同修饰和不同活性的形式存在 2）有共价键的变化 3）一般为耗能过程 4）受其他调节因素（如激素）的影响 5）存在放大效应
    • 酶含量调节：诱导作用：诱导物使酶合成增加的过程 阻遏作用：阻遏物使酶合成减少的过程 降解：使酶的半寿期发生改变，酶的降解就是蛋白质和氨基酸分解代谢的过程
  • 酶原激活
    • 酶原：没有催化活性的酶 酶原激活：酶原在一定条件下打断一个或几个特殊的肽键或切掉多余的肽段，从而使酶构象发生一定的变化，形成具有活性的三维结构，如胰凝乳蛋白酶
    • 生理意义：1）消化道内的蛋白酶原：避免细胞的自身消化。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 2）凝血系统和纤维蛋白溶解酶：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3）一则可保护分泌酶原的组织不被自身分泌的蛋白酶破坏，二则酶原只有在需要它的时间和空间才被激活，这也是有机体调控酶活的一种形式
• 酶活性的测定及分离提纯
  • 酶活性测定
    • 酶活力是指酶催化化学反应的能力，其衡量的标准是酶促反应速度
    • 酶促反应速度可在适宜的反应条件下，用单位时间内底物的消耗或产物的生成量来表示
    • 比活力：每单位（一般为mg）蛋白质中的酶活力单位数（酶蛋白/mg蛋白）。对同一种酶来讲，比活力越高则表示酶的纯度越高，所以比活力是评价酶纯度高低的一个指标
    • IU：在特定的条件下，每分钟催化1umol底物转化为产物所需的酶量为一个国际单位 katal(kat)：1催量是指在特定条件下，每秒钟使1mol底物转化为产物所需的酶量 1IU=16.67*10-9kat
  • 酶的分离提纯
    • 基本原则：提取过程中避免酶变性而失去活性；防止强酸、强碱、高温和剧烈搅拌等；要求在低温下操作，加入的化学试剂不使酶变性，操作中加入缓冲溶液
    • 基本操作程序：选材、抽提、分离与纯化
• 酶工程简介
  • 概念：酶工程是围绕着酶所特有的生物催化性能使其在工业、农业、医学及其他方面发挥作用的一门应用技术，是酶学基本原理与化学工程技术及DNA重组技术有机结合的产物。广义的讲，它还包括酶的生产、分离和纯化
  • 四大生物工程：基因工程、细胞工程、酶工程和发酵工程
  • 研究内容分类
    • 化学酶工程
      • 化学修饰酶常用于酶学研究和临床医学
      • 天然酶粗制剂常用于食品、制药等方面
      • 固定化酶:固定在载体上，并在一定范围内进行催化反应的酶。 优点：不溶于水，易于产物分离；可反复使用，可连续化生产；稳定性好 缺点：固定化过程中往往会引起酶的失活
      • 化学人工酶是模拟酶的催化功能，用化学半合成法（小分子加无活性蛋白）或全合成法（不是蛋白质，而是小分子有机物）合成的具有催化活性的人工酶
    • 生物酶工程
      • 1）用DNA重组技术大量生产酶 2）对酶基因进行修饰，生产遗传修饰酶 3）设计新的酶基因，合成自然界不曾有过的、性能稳定、催化效率更高的新酶
• 维生素和辅酶
  • 维生素是维持机体正常生命活动不可缺少的一类小分子有机化合物
  • 分类
  • 维生素与辅酶
  • 维生素在食品加工时损失的一般情况：清洗整理，烫漂与沥滤（损失沸水>蒸汽>微波），冷冻（在-7~-18摄氏度范围以外，可大大降低损失）、脱水（损失低温缓慢干燥>高温快速干燥）、加热、食品添加剂和碾磨
• ECCCA8486C77E1763DD5C538782150EE