三、酶

酶是由活细胞产生的，对其底物具有高度特异性和高度催化效能的蛋白质或RNA。酶的催化作用有赖于酶分子的一级结构及空间结构的完整。本篇对酶的特点做了详细介绍。

酶

• 概念及作用特点
  • 概念
    • 具有高效性，高度专一性，活性可调节的生物催化剂
    • 酶催化的化学反应－－酶促反应
    • 被酶催化而发生化学变化的物质－－底物
    • 组成：蛋白质和核酸
  • 基本
    • 组成
      • 单纯酶
        • 仅氨基酸
          • 脲酶，核糖核酸酶，胃蛋白酶
        • 酶活性仅决定于蛋白质的空间结构
      • 结合酶
        • 除酶蛋白还有非蛋白的小分子有机物及金属离子
          • 全酶=酶蛋白+辅助因子
            • 酶蛋白
              • 识别和结合底物
                • 专一性
            • 辅助因子
              • 决定反应的种类和性质
          • 只有全酶有活性
        • 酶的辅助因子
          • 金属及非金属元素
            • 酶活性部位的组成部分
            • 连接底物和酶分子的桥梁
            • 稳定酶蛋白分子构象所必需的
          • 小分子有机物在反应中传递氢原子、电子或一些基团，按其与酶蛋白结合的紧密程度不同
            • 辅酶
              • 结合疏松，可用超滤和透析除去
            • 辅基
            • 大多数含维生素，尤其是B族
              • 酶种类多，辅酶和辅基只有十几种
                • 一种酶蛋白与一种辅酶或辅基结合
                • 一种辅酶或辅基与不同的酶蛋白结合
    • 酶的分类
      • 单体酶
        • 由一条或多条共价相连的多肽链组成
      • 寡聚酶
        • 由两个及以上亚基组成，亚基间以次级键相结合
      • 多酶复合体
        • 几种酶靠非共价键嵌合
        • 一种酶催化一个反应，依次进行，构成一个代谢途径或其中部分
    • 作用特点
      • 与一般催化剂共性
      • 作为生物催化剂
        • 高效性
        • 专一性
          • 绝对专一性
            • 对底物结构和反应类型要求严格
            • 催化一种底物发生一类反应
          • 相对专一性
            • 一种酶作用于一类化合物和化学键
          • 立体异构专一性
            • 对底物立体异构有一定要求
        • 酶活性可调节性
          • 催化活性和含量受到调控
          • 抑制剂调节，反馈调节等
        • 酶活性不稳定性
          • 酶促反应要求比较温和的条件
  • 酶活力及测定
    • 酶活力
      • 在一定条件下，酶催化某一反应的反应速度
    • 酶反应速度
      • 单位时间内底物浓度的减少量或产物浓度的增加量
    • 酶活力单位
      • IU
      • 在最适反应条件下，每分钟催化1umol底物转化为产物所需酶量
        • 一个IU
        • 最适条件：温度（25活37），pH，缓冲液离子强度，底物浓度
    • 酶的比活力
      • 每毫克酶蛋白所具有的活力单位数
      • 比活力越高，酶纯度越高
  • 酶的作用机理
    • 酶的活性中心
      • 结构特点
        • 只占酶总体积的很小一部分
        • 是一个三维实体，活性部位AA残基空间结构上相互靠近
        • 活性部位和底物是柔性互补，且酶的催化基团正好对着催化底物的敏感键
        • 位于酶分子表面的一个疏水的裂隙内，利于与底物结合
        • 底物靠次级键与酶结合
      • 与酶催化活性相关的氨基酸侧链基团
        • 酶的必需基团
        • 借助肽链彼此靠近形成活性中心
      • 酶分子中结合底物并起催化作用的少数氨基酸残基
        • 底物结合部位
        • 催化部位
    • 酶的催化机理
      • 降低反应活化能
        • 初态转变为激活态所需能量
      • 中间产物学说
        • 过渡态中间复合物，分两步需较少能量活化
      • 酶的专一性机理
        • 诱导契合学
          • 酶蛋白质受底物分子诱导构象改变，与底物互补契合
      • 酶的高效催化机理
        • 邻近效应
          • 酶与底物高亲和力使底物集中在分子表面的活性部位，使浓度提高
        • 定向效应
          • 底物或酶于底物的反应基团间具有正确的取向
        • 酶使底物分子中的敏感键发生形变
          • 底物与酶结合
            • 诱导酶分子构象变化
          • 底物分子敏感键产生张力或形变，有利于其减弱或断裂
        • 酸—碱催化
          • 向反应物提供或接受质子，降低反应活化能
            • His是酶的酸碱催化作用中最活泼的一个催化功能团
        • 共价催化
          • 酶作为亲核基团或亲电基团，与底物形成一个反应活性很高的共价中间物，降低反应活化能
        • 微环境的影响
          • 疏水环境
            • 介电常数低，可加强极性基团间的反应
          • 电荷环境
            • 在酶活性中性附近，往往有一电荷离子，可稳定过渡态的离子
  • 酶促反应的动力学
    • 研究酶促反应速度的规律以及影响酶促反应速度的各种因素
      • 底物浓度，酶浓度，pH,温度，激活剂与抑制剂等
    • 底物浓度的影响
    • 米氏方程
      • • 前提
          • 在最适条件下进行且pH,温度和酶的浓度是固定的
          • 反应体系处于稳态
          • 反应起始阶段S》E
          • 产物生成速度与ES成正比
      • • Km是酶的特征常数，与酶浓度无关
        • Km值大小，反应E与S的亲和程度
          • 越大，亲和力越小，ES复合物越不稳定
          • 越小，亲和力越大，ES复合物越稳定，越有利于反应·
        • Km可用来判断酶的最适底物
          • 酶与不同底物存在不同的Km值，则最小者为该酶的最适底物或天然底物
      • 双倒数计算
  • 酶浓度对酶促反应速度的影响
    • 一定温度和pH下，底物浓度远大于酶浓度，酶的浓度和反应速度呈正比
  • 温度或pH对反应速度的影响
    • 最适温度或pH，使酶促反应速率最大
  • 抑制剂对酶促反应速度的影响
    • 抑制作用
      • 使酶活性降低但不引起变异
        • 不可逆
          • 专一性不可逆
            • 专一性的与酶活性中心或某个必须基团共价结合
            • 有机磷作用于胆碱酯酶
              • 碘解磷定等解毒药
          • 非专一性不可逆
            • 与酶分子结构中一类或几类基团共价结合
            • 重金属离子等可与酶的巯基结合
              • 二巯基丁二酸钠可使酶复活
          • 抑制剂与酶的必须基团以共价键结合，使酶失活，不可以用超滤、透析等物理方法去除，可通过化学方法移去抑制剂
        • 可逆
          • 竞争性抑制
            • 抑制剂与底物结构相似，相互竞争酶活性中心
            • 抑制程度取决于抑制剂和底物相对比例
              • 可加入大量底物来减少或解除抑制
            • 降低了酶的亲和力，Km增大，Vmax不变
          • 非竞争性抑制
            • 抑制剂和底物与酶分子不同部位结合，形成ESI三元复合体，不能分解成产物，酶活力降低
            • I和S结构不相似，不干扰，同时和与酶结合
            • 抑制程度只取决于I的浓度
              • 增加S，不能去除抑制作用
            • 酶与底物亲和力不变，Km不变，Vmax降低
          • 反竞争性抑制
            • 抑制剂仅与ES结合，形成ESI使ES的量下降
              • 使ES变为P的速度减慢，v下降
              • Km下降，Vmax下降
          • 抑制剂与酶蛋白非共价结合，使酶活性暂时性丧失
            • 抑制剂可通过透析，超滤等物理方法除去，并部分或全部恢复酶活性
    • 抑制剂
      • 起抑制作用的化合物
  • 激活剂对酶促反应速度的影响
    • 凡是能提高酶活性的物质称为激活剂
    • 金属离子
      • 如Mg2+对酶酰基转移酶，Cu+对氧化酶 cl-对淀粉酶 激活作用
    • 一些有机小分子
      • 谷胱甘肽，维生素c，巯基乙醇等对巯基酶 激活作用
  • 酶的活性调节
    • 酶原和酶原的激活
      • 在最初合成和分泌的是没有活性的前体称为酶原
      • 使无活性的酶原转换成有活性的酶的过程为酶原激活
        • 酶的活性部位形成或暴露的过程
        • 本质：切断特异肽键或去除部分肽段
    • 反馈抑制
      • 产物反馈抑制
      • 底物前馈激活
    • 酶的结构调节
      • 共价修饰调节
        • 酶分子上某些氨基酸残基的基团在另一组酶催化下发生可逆的共价修饰
          • 酶的活性在两种状态之间变化
        • 磷酸化|脱磷酸，腺苷酰化|脱腺苷酰，甲基化|脱甲基
      • 变构调节
        • 生物体一些代谢物，可以与酶分子的调节部位进行非共价可逆性结合，改变酶分子构象，进而改变酶的活性
          • 变构酶
            • 受变构调节剂的酶
              • 催化部位
                • 底物
              • 调节部位
                • 变构剂
          • 变构剂
            • 导致变构效应的激活剂
            • 变构激活剂
              • 使酶活性增强的变构剂
            • 变构抑制剂
        • 有特征性的S型动力学曲线
          • 更具可调节性
            • 中段浓度稍低，酶活性明显下降，催化的代谢途径可因此关闭；稍高酶活性迅速上升，代谢途径又被打开。
            • 变构剂或底物浓度较小变化，反应速度显著改变
          • 变构酶通常是关键酶
            • 催化代谢途径中的不可逆反应
            • 通常处在途径的开始或分支点上，通过反馈调节来控制代谢途径，通过反馈抑制调节代谢速度
    • 同工酶
      • 催化相同化学反应，但其酶的分子结构、理化性质及免疫性能等不同的一组酶
      • 天冬氨酸激酶同工酶
    • 抗体酶（催化抗体）
      • 具有催化活性的免疫球蛋白，在其可变区域赋予了酶的属性
      • 抗体的高度选择性和酶的高效催化性相结合的产物