生物化学--酶

这是一篇关于生物化学--酶的思维导图

酶

• 酶通论
  • 催化特点
    • 高效性
    • 饱和性
    • 专一性
      • 指酶对底物及其催化反应的严格选择性程度，通常只催化一种或一类相似的反应
      • 分类
        • 绝对专一性：一种底物，一个方向
        • 相对专一性：一类类似化学键和基团物质
          • 键专一性：只对底物中某些化学键有选择性催化作用
          • 基团专一性
        • 立体专一性：一种立体异构体
      • 相关假说
        • 钥匙-锁（刚性模板，不足解释可逆）
        • 诱导契合学说（双向诱导）
    • 条件温和
    • 可调控性
    • 催化活性与辅酶、辅基有关
  • 化学本质和组成
    • 绝大部分酶为蛋白质属性
    • 组成
      • 按组成物质分类
        • 单纯蛋白酶
        • 结合蛋白酶（全酶=酶蛋白+辅助因子）
          • 辅助因子：决定反应类型
            • 辅酶：结合较松，透析可除
            • 辅基：结合较紧，透析不易除
          • 酶蛋白决定专一性底物
      • 按分子量大小分类
        • 单体酶：一条多肽链
        • 寡聚酶：多个亚基
        • 多酶体系：几种酶组成，有利于连续反应进行
  • 命名和分类
    • 命名
      • 习惯命名（底物、催化反应、酶的来源）
      • 系统命名
    • 分类（根据催化的反应类型）
      • 氧化还原酶（脱氢酶最多种）
      • 转移酶（基团转移或交换）
      • 水解酶
      • 裂解酶（裂合酶）
      • 异构酶类（几何学或结构学上，可逆）
      • 合成酶（连接酶）
  • 活力测定
    • 酶活力（酶活性）：
      • 指酶催化某一反应的能力，大小可用一定条件下所催化的某一反应的反应速率表示，两者线性关系。测酶活力即测酶促反应的速率。
      • 酶促反应可用单位时间内底物的减少量和产物的生成量来表示。
    • 酶活力单位（酶单位）
      • 酶活力的大小即酶含量多少用酶活力单位表示，单位IU
      • IU：每分钟能催化1μmol底物转化为产物所需酶量
      • 催量：1Kat=最适条件下每秒钟催化1mol底物所需酶量
    • 酶的比活力
      • 表示酶纯度，用每mg蛋白质所含酶活力单位数表示
  • 活性中心
    • 概念：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称为酶的活性中心。只限于酶分子的少数基团或较小的部位。
    • 特点
      • 只占体积1～2%
      • 一级结构上可能远，空间结构上近
      • 诱导契合
      • 位于酶分子表面一个裂缝内
      • 与底物结合通过非共价键
      • 柔性和可运动性 变性时最先被破坏
    • 两个功能部位
      • 结合部位：与底物结合决定专一性
      • 催化部位：决定酶促反应类型
    • 必须基团：AA基团若改变则活性丧失的基团
  • 酶反应的几个概念
    • 酶影响反应速率而不改变反应的平衡
    • 基态：反应开始点
    • 过渡态：特殊高能状态，老的未完全断新的未完全形成
    • 反应中间体：ES/EP，与过渡态区分
    • 活化能：基态和过渡态能量差
    • 生化标准自由能变化：pH=7下标准自由能变化
    • 限速步骤：总反应速率由反应活化能最高的一步决定
  • 核酶
    • 发现：四膜虫rRNA成熟中RNA的剪接
    • 定义：具有催化功能的RNA分子
    • 功能：剪接RNA
    • 意义：核酸可以仅依靠自身，而不依靠蛋白质即可进行催化活动，打破了生化催化一定需要蛋白质的限制
• 酶促反应动力学
  • 底物浓度对酶促反应速度的影响
    • 中间产物学说:(s较低、足够大、过量)
      • 酶活性中心都被底物结合时的[S]称饱和浓度
    • 动力学方程式-米氏方程
      • Km：米氏常数
        • 物理意义：当v0=0.5Vm时，Km=[S]
        • Km是酶的特征常数，与酶浓度无关
        • 酶有多个底物，就有多个Km，最小的叫做天然底物
        • 1/Km近似表示酶与底物亲和力大小
        • 生理意义：饮酒
          • 两种乙醛脱氢酶，线粒体Km低，细胞质Km高，乙醇敏感人群线粒体中酶无活性
      • Vm：酶的特征常数，难达到
        • Km和Vm求法——双倒数作图法1/v0=Km/Vm（1/[S]）+1/Vm
      • Kcat：转换数（催化常数）
        • 酶被底物饱和时，一个酶，单位时间内被转变为产物的底物分子数，是酶最大催化活性的一种量度。
        • Kcat=Vm/[E]
        • 意义：比较不同的酶的催化效率（因为Vm随酶浓度变化不可比）
      • Kcat/Km：催化效率指数
        • 意义：评价[S]较小时酶的动力学效率，比较不同酶或同一种酶催化不同底物的催化效率。比值越大催化效率越高。
    • 多底物的酶促反应（不适用米氏）
  • 酶的抑制作用
    • 失活作用：凡可使酶蛋白变性而引起酶活力丧失的作用
    • 抑制作用：酶的必须基团化学性质改变，但酶未变性，引起的酶活力降低或丧失
    • 抑制剂：引起抑制作用的物质
    • 1.可逆抑制：抑制剂与酶非共价可逆结合，可用透析、过滤等物理方法去除抑制剂恢复酶活力
      • 竞争性抑制作用
        • 机理：分子结构与底物分子相似，非共价在活性中心结合，与底物竞争酶的活性中心。
        • 解除：加入大量底物提高竞争力
        • 动力学曲线变化：Vm不变，Km增大
        • 例：甲醇中毒抢救
      • 非竞争性抑制作用
        • 机理：抑制剂I与酶活性中心以外的基团结合后，活性中心构想改变或不变，但还可与S继续结合，生成的IES不能进一步分解为产物，降低酶活性。
        • 动力学曲线变化：Vm减小，Km不变（Vm减小Km对呀0.5Vm点也变化）
      • 反竞争性抑制作用（仅理论存在）
        • 机理：抑制剂不能与酶直接结合只能与ES复合物结合，EIS不能转变为产物。
        • 动力学曲线：Vm变小，Km变小
    • 不可逆抑制：抑制剂与酶分子活性中心某些必须基团以共价键结合，使酶失活，通过化学反应才能除去。
      • 基因特异性不可逆抑制剂：I与E共价结合，作用于包含必须基团的基团，引起酶失活。
        • 有机磷化合物：神经毒剂（抑制乙酰胆碱分解，解磷定解药）
        • 有机汞、有机砷化合物：与酶分子中Cys的-HS作用，加入过量-HS化合物解除
        • 重金属盐：使酶蛋白变性失活
        • 烷化剂
        • 氰化物、硫化物和CO
      • 过渡态类似物不可逆抑制
        • 体现催化本质：过渡态与酶选择性结合
      • 底物类似物不可逆抑制
        • 不仅具有与底物相似的、可与酶结合的基团，同时还有一个能与酶的其他基团反应的活泼基团
        • Vm下降，Km不变
      • 自杀性抑制剂
        • 特点：与天然底物结构类似；本身是酶的底物；有潜伏的反应基团。当酶催化时，潜伏基团被活化作用于酶活性部位使酶失活。
        • Vm下降，Km不变
  • 影响酶反应速度的因素
    • 酶浓度
    • 温度：左开右闭
    • pH：钟罩形曲线
    • 激活剂
      • 无极离子：作为辅助因子；酶与底物结合起桥梁作用
      • 中等有机分子：还原剂，激活某些酶
      • 蛋白质性质大分子：专指对某些无活性酶原起作用的酶，本身为酶。
    • 抑制剂
• 酶反应机制
  • 酶和底物的弱相互作用在过渡态--过渡态稳定学说
    • 酶与底物间的最佳相互作用仅发生在过渡态，过渡态中形成的弱相互作用是对催化作用作出主要贡献的部分
    • 一个有效酶的活性中心为反应过渡态设计，必须和过渡态互补。
    • proof：
      • 过渡态类似物作为酶的不可逆抑制剂
    • 抗体酶：过渡态类似物作为抗原去免疫动物得到的抗体可能具有催化活性
  • 酶和底物复合物的形成伴随着熵减过渡态稳定的化学机制
  • 过渡态稳定的化学机制：酶利用一系列化学机制稳定过渡态，由此加速反应。
    • 邻近与定向效应
      • 邻近效应：酶与底物形成中间复合物后，使底物与底物之间，酶的催化基团与底物之间结合于同一分子而使有效浓度得以极大升高，增加反应速率。（分子间反应变成近似分子内反应）
      • 定向效应：指反应物的反应基团之间或酶的催化基团与底物反应基团之间正确取位所产生的效应。
    • 底物分子敏感键扭曲变形
      • 诱导契合动态过程。变化的酶分子又使底物分子的敏感键产生张力，甚至变形，从而促使酶-底物络合物进入过渡态，降低活化能
    • 广义酸碱催化
      • 组成酶活性中心的极性基团，在与底物的催化中起质子供体或受体作用，可提高反应速率。
      • 影响因素
        • 酸碱强度
        • 酸碱速度（供质子受质子的速度）
    • 共价催化
      • 酶活性中心的极性基团，首先以共价键与底物短暂结合，变成活性很高的共价中间物，很容易朝最终产物方向变化，故大大降低反应所需的活化能。
        • 亲核催化（Ser、Cys、His）
        • 亲电催化
    • 静电催化（酶自身电荷中和过渡态）
    • 金属催化：金属离子参与的催化（金属酶、金属激活酶）
  • 实例：胰凝乳蛋白酶催化机制
    • 胰凝乳蛋白酶三维构象
      • 以酶原合成，单一肽链5个二硫键交联，被激活形成活性中心的催化三联体
      • 活性中心的催化三联体：
        • Ser：底物结合部位，完成共价催化，以质子化形式存在，强亲核基团
        • His：催化部位。其咪唑基为强亲核基团，易供给电子，又是广义酸碱功能基团，以去质子化形式存在
        • Asp：定向His，使其更好成为质子受体
      • 第一阶段：酰化阶段，产生第一个产物胺。（Ser先广义酸催化，再共价亲核催化；His广义酸碱催化）
      • 第二阶段：脱酰阶段，产生第二个产物酸（H2O广义酸催化、共价亲核催化；Ser广义碱催化；His广义酸碱催化）
      • Ser蛋白酶家族：胰凝乳蛋白酶、胰蛋白酶、弹性蛋白酶（同样的催化三联体）
• 酶调节机制
  • 量变（改变酶浓度）
    • 酶基因表达和酶分子降解
    • 同工酶的调控：酶的多重形式，在不同位置或时间调节酶活性的另一种形式
      • 同工酶：指有机体内催化同一种化学反应，但其酶蛋白本身但分子结构组成和性质却有所不同的一组酶。由两个及以上的肽链聚合而成。
  • 质变（改变已有酶活性）
    • 别构酶调节（最快）
      • 别构酶：酶分子的非催化部位（别构中心）与某些化合物可逆地非共价结合后发生构象的改变，进而改变酶活性状态，具有这种别构调节作用的酶称为别构酶，是限速酶。大多寡聚酶，两个及以上亚基
      • 别构中心：和某种或某些物质特异结合的调节部位
      • 别构激活剂、别构抑制剂
      • 动力学：不属于米氏酶双曲线，为S形曲线
      • 调节机制（R松弛T紧张）
        • 齐变/协同/MWC：只有正协同
        • 序变/顺序/KNF：正协同、负协同
    • 共价修饰（可逆）（第二快）
      • 修饰酶和去修饰酶对酶的多肽链上某些基团进行可逆的共价修饰，构象改变，使其处于活性与非活性的互变状态，调节酶活性。
    • 酶原激活
      • 酶原：酶的无活性前体
      • 激活：由无活性状态变成有活性状态，不可逆
      • 实质：酶活性中心形成或暴露的过程