生物化学 酶与酶促反应

这是一篇关于生物化学 酶与酶促反应的思维导图，酶促反应又称酶催化或酵素催化作用，指的是由酶作为催化剂进行催化的化学反应。

酶

• 概念
  • 酶
    • 一类由活细胞产生的，对其特异底物具有高效催化作用的蛋白质
  • 核酶
    • 具有高效、特异催化作用的核酸，作用主要参与RNA的剪切
  • 酶促反应
    • 酶所催化的反应
  • 底物
    • 被酶催化的物质
  • 产物
    • 催化反应生成的物质
• 分类
  • 单体酶
    • 由一条肽链构成的酶
  • 寡聚酶
    • 由相同或不同肽链（即亚基）非共价连接的酶
  • 多酶复合物/多酶体系
    • 按序催化，一组连续反应，不同催化功能，结构、功能整体
  • 多功能酶/串联酶
    • 在一条肽链上同时有多种不同的催化功能
    • 举例：脂肪酸合成酶、氨基甲酰磷酸合成酶II、二氢乳清酸酶、天冬氨酸氨基甲酰转移酶
  • 单纯酶
    • 水解后只有氨基酸组分而无其他组分的酶
  • 缀合酶/结合酶
    • 定义
      • 包含蛋白质部分和非蛋白质部分的酶
    • 组成
      • 酶蛋白
        • 决定特异性、催化机制
      • 辅因子
        • 决定酶促反应类型
      • 全酶
        • 酶蛋白和辅因子单独存在不具催化活性，全酶具催化活性
• 分子结构
  • 辅因子
    • 分类
      • 辅酶
        • 非共价结合，结合疏松，透析/超滤可去除
        • 可离开酶，接受质子或基团后参与另一酶促反应，并将携带的质子或基团转移出去
      • 辅基
        • 共价结合，结合紧密，透析/超滤不可去除
        • 不可离开酶
    • 本质
      • 有机化合物
        • 主要是Vit B族衍生物、卟啉化合物
      • 金属离子
        • 1. 作为活性中心一部分，使底物与酶活性中心的必需基团形成正确的空间排列
        • 2. 作为连接酶与底物的桥梁，形成三元复合物
        • 3. 中和电荷，减小静电斥力，有利于酶与底物的结合
        • 4. 维持酶空间构象的稳定
    • 功能
      • 传递电子、质子（或基团）/起运载体作用
    • 酶类细分
      • 金属酶
        • 金属离子与酶结合紧密，提纯时不容易丢失
      • 金属激活酶
        • 金属离子是酶活性所必需，但只是可逆性结合
      • 含多种不同辅因子的酶
        • 细胞色素氧化酶
          • 血红素、Cu+/Cu2+
        • 琥珀酸脱氢酶
          • FAD、Fe2+
  • 活性中心
    • 概念
      • 酶的活性中心/活性部位
        • 与底物特异结合，底物--->产物，特定三维结构，区域
        • 辅基和辅酶往往是活性中心的组成部分
    • 结构
      • 往往形成裂缝或凹陷，由酶特定空间构象所维持，深入酶分子内部
      • 多由氨基酸残基的疏水基团构成，形成疏水“口袋”
    • 举例
      • 溶菌酶活性中心
        • 裂隙结构，可容纳6个N-乙酰氨基葡糖环（A~F）
        • 催化基团：35位Glu、52位Asp，催化D环糖苷键断裂
        • 结合基团：101位Asp、108位Trp
  • 必需基团
    • 定义
      • 与酶活性密切相关的化学基团
    • 分布
      • 活性中心内
        • 结合基团
          • 识别结合底物和辅酶--->酶-底物过渡态复合物
        • 催化基团
          • 影响底物中的某些化学键的稳定性，催化底物发生化学反应，进而转变成产物
      • 活性中心外
        • 不直接参与催化作用，维持酶活性中心的空间结构 和/或 作为调节剂的结合部位
    • 举例
      • Ser羟基、His咪唑基、Cys巯基、酸性氨基酸羧基等
  • 同工酶
    • 定义
      • 催化相同化学反应，分子结构、理化性质、免疫学性质不同
      • 一级结构上存在差异，但活性中心的三维结构相同或相似
      • 同一基因转录的mRNA前体经过不同剪接过程，生成多种不同mRNA翻译产物（一系列酶）也属于同工酶
    • 同工酶谱
      • 同一个体不同发育阶段和不同组织器官，编码不同亚基的基因开放程度不同，合成的亚基种类、数量不同 某种同工酶在同一个体不同组织，以及同一细胞的不同亚细胞结构分布也不同，形成不同的同工酶谱
    • 病理
      • 组织细胞存在病变时，该组织细胞特异的同工酶可释放入血
        • 临床上检测血清中同工酶活性、分析同工酶谱有助于疾病诊断和预后判定
    • 举例
      • 乳酸脱氢酶LDH
        • 结构
          • 含锌四聚体酶
          • 两类亚基
            • H：心肌型，M：骨骼肌型
        • 功能
          • 催化L-乳酸和丙酮酸之间的氧化反应
        • 同工酶
          • LDH1~5（H4、H3M1~M4）
          • 差异
            • LDH活性中心附近，两亚基少数AA残基不同
              • 30位 H：Gln、M：Ala
              • H中酸性AA较多
            • 解离程度、分子表面电荷，pH8.6缓冲液中电泳速率（LDH5>4>3>2>1）
            • 对底物亲和力（Km H<M，故LDH1>LDH5）
        • 大鼠出生前不同时间心肌LDH不同
        • 意义
          • 急性心肌梗死--->LDH1↑
          • 肝细胞受损--->LDH5↑
      • 肌酸激酶CK
        • 结构
          • 二聚体酶
          • 两类亚基
            • B：脑型，M：肌型
        • 同工酶
          • CK1（BB）、CK2（MB）、CK3（MM）
        • 意义
          • CK2作为临床早期诊断心肌梗死的指标之一
            • 正常血液主要是CK3，不含CK2，心肌梗死后CK2活性升高
• 特点
  • 极高催化效率
    • 降低反应活化能
  • 高度特异性
    • 概念
      • 特异性/专一性
        • 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产生一定的产物
    • 分类
      • 绝对特异性
        • 定义
          • 只作用于特定结构的底物分子，进行一种专一的反应，生成一种特定结构的产物
          • 只作用于底物的一种光学/立体异构体
        • 举例
          • 脲酶仅能催化尿素水解
          • LDH仅催化L-乳酸脱氢生成丙酮酸，对D-乳酸无效
          • 琥珀酸脱氢酶
          • 延胡索酸酶仅催化反-丁烯二酸（延胡索酸）加水产生苹果酸，对顺-丁烯二酸（马来酸）无效
      • 相对特异性
        • 定义
          • 酶对底物特异性不是依据整个底物分子结构，而是依据底物分子中特定的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
        • 举例
          • 磷酸酶对一般的磷酸酯键都有水解作用，可水解甘油/酚与磷酸形成的酯键
          • 脂肪酶不仅水解脂肪，也水解简单的酯
          • 蔗糖酶不仅水解蔗糖，也水解棉子糖中的同一种糖苷键
          • 消化系统中蛋白酶仅对肽键的氨基酸残基种类有选择性，对具体蛋白质种类无严格要求
  • 可调性
    • 定义
      • 体内许多酶的活性和酶的含量受体内代谢物或激素的调节
    • 举例
      • 磷酸果糖激酶-1活性受AMP别构激活，受ATP别构抑制
      • 胰岛素诱导HMG-CoA还原酶合成，胆固醇则阻遏该酶合成
  • 不稳定性
    • 一些理化因素，如高温、强酸、强碱下，酶会发生变性，失去催化活性
• 工作原理
  • 降低活化能
    • 概念
      • 活化能
        • 一定温度下，1mol反应物从基态转变为过渡态所需能量
      • 结合能
        • 衍生于酶与底物相互作用的能量，结合能的释放是酶降低活化能所能利用的自由能的主要来源
  • 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，两者在结构上相互诱导、相互变形、相互适应，进而结合，形成酶-底物复合物
    • 邻近效应与定向排列使诸底物正确定位于酶活性中心
      • 两个以上底物参加反应，必须以正确方向相互碰撞，才可反应
      • 邻近效应、定向排列实际上是将分子间反应转变为类似于分子内的反应，提高反应效率
    • 表面效应使底物分子去溶剂化
      • 酶活性中心形成疏水口袋，使酶促反应在疏水环境进行，排除水分子对酶和底物功能基团的干扰性吸引和排斥，防止水化膜形成，有利于密切接触和结合（表面效应）
  • 多元催化
    • 普通酸-碱催化作用
      • 酶活性中心上质子供体（酸）、质子受体（碱）参与质子转移，提高反应速率
    • 共价催化
      • 催化剂与反应物形成共价结合的中间物，降低反应活化能，然后把被转移基团传递给另一个反应物
      • 机制
        • 亲核催化
          • 活性中心上亲核基团给底物上带部分正电性的原子提供一对电子形成共价中间物
        • 亲电子催化
        • 使底物上被转移基团传递给另一个底物
    • 举例
      • 胰凝乳蛋白酶P62
• 举例
  • 含多种辅因子
    • 琥珀酸脱氢酶
    • 细胞色素氧化酶
  • 绝对特异性
    • LDH
    • 琥珀酸脱氢酶
    • 延胡索酸酶
    • 脲酶
  • 相对特异性
    • 磷酸酶
    • 脂肪酶
    • 蔗糖酶
    • 消化道的蛋白酶
  • 可调性
    • 磷酸果糖激酶-1
    • HMG-CoA
  • 溶菌酶活性中心
  • 同工酶
    • LDH
    • CK

酶促反应动力学

• 概念
  • 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
    • 酶浓度、底物浓度、pH、温度、抑制剂、激活剂等
• 底物浓度-反应速率曲线
  • 一级反应
  • 零级反应
  • 米氏方程
    • 前提
      • 1. 底物是单底物
      • 2. 测定的反应速率是初速率
      • 3. 底物浓度远大于酶浓度
• 重要参数
  • 米氏常数Km
    • 意义
      • 酶促反应速率为最大反应速率一半时的底物浓度
      • k3远小于k2时，Km代表酶对底物的亲和力（Km↑亲和力↓）
    • 影响因素
      • 与酶结构、底物结构、反应环境的pH、温度、离子强度有关，与酶浓度无关
  • Vmax
    • 意义
      • 酶被底物完全饱和（酶均与所有底物形成ES）时的反应速率
    • Vmax=k3[Et]
  • 酶的转换数
    • 意义
      • 当酶被底物完全饱和时，单位时间内每个酶分子（或活性中心）催化底物转变成产物的分子数
      • 表示酶的催化效率
    • 影响因素
      • 温度、pH等
  • 酶的特征性常数
    • Km
• 酶促反应速率影响因素
  • 温度
    • 影响机制
      • 反应体系温度↑底物分子热运动↑分子碰撞机会↑反应速率↑ 温度到达一定值，酶变性，反应速率↓
    • 最适温度
      • 酶促反应速率达到最大时反应系统的温度
      • 哺乳动物一般为35~40℃，大多数酶60℃开始变性，80℃不可逆
      • 不是特征性常数，与反应时间有关
    • 应用
      • 低温保存酶、菌种等
      • 低温麻醉，机体组织细胞酶活性↓代谢↓耗氧↓缺氧耐受↑，保护机体
  • pH
    • 影响机制
      • 酶分子中许多极性基团，在不同pH解离状态不同，酶活性中心的某些必需基团往往仅在某一解离状态最容易与底物结合，或具有最大催化活性
      • 具可解离基团的辅酶、底物也受pH影响，进而影响其与酶的亲和力；pH影响酶活性中心空间结构
    • 最适pH
      • 酶催化活性最高时反应系统的pH
      • 动物体内多数酶最适pH接近中性，胃蛋白酶最适pH=1.8，肝精氨酸酶最适pH=9.8
      • 不是特征性常数，与底物浓度、酶纯度、缓冲液种类与浓度有关
    • 应用
      • 测定酶活时，选用适宜的缓冲液保持酶活相对恒定
  • 激活剂
    • 定义
      • 使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加的物质
      • 大多为金属离子，如Mg2+、 K+、 Mn2+等；少数为阴离子，如Cl-等 也有许多简单有机化合物激活剂，如胆汁酸盐等
    • 分类
      • 必需激活剂
        • 大多数金属离子激活剂对酶促反应必不可少，否则检测不到酶活性
        • 举例：己糖激酶—Mg2+
      • 非必需激活剂
        • 激活剂不存在，酶仍有活性；激活剂存在，酶活性增加
        • 举例：唾液淀粉酶—Cl-
  • 抑制剂
    • 定义
      • 使酶活性下降而不变性
    • 分类
      • 不可逆性抑制剂
        • 定义
          • 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，透析、超滤无法去除
        • 举例
          • 有机磷农药 结合 胆碱酯酶（羟基酶）活性中心Ser残基的羟基，使其失活，导致乙酰胆碱堆积，引起胆碱能神经兴奋
            • 解毒：乙酰胆碱拮抗剂阿托品、胆碱酯酶复活剂解磷定（PAM）
          • 低浓度重金属离子与As3+（路易士气） 结合 巯基酶的巯基，使酶失活
            • 解毒：二巯基丙醇BAL
      • 可逆性抑制剂
        • 定义
          • 抑制剂通常以非共价键与可酶或酶-底物复合物 可逆性结合，使酶的活性降低或丧失，透析、超滤、稀释等方法可除去
        • 分类
          • 竞争性抑制
            • 定义
              • 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-底物复合物的形成，使酶的活性降低
            • 影响
              • 表观Km增大，酶亲和力降低，Vmax不变
            • 抑制程度决定因素
              • 抑制剂与酶的相对亲和力
              • 底物与抑制剂的相对浓度
            • 举例
              • 丙二酸 与 琥珀酸 竞争 琥珀酸脱氢酶
              • 磺胺类药物的抑菌机制：与 对氨基苯甲酸 竞争 二氢蝶酸合酶，抑制FH2以至FH4合成
              • MTX（氨甲喋呤）、5-FU、6-MP等化疗药物，抑制核苷酸合成
              • 氯霉素抑制某些细菌转肽酶的活性，从而抑制蛋白质合成
          • 非竞争性抑制
            • 定义
              • 抑制剂与酶活性中心外的结合位点结合，不影响酶与底物的结合，底物也不影响酶与抑制剂的结合（即I可与E或ES结合）
            • 影响
              • Km不变，酶亲和力不变，Vmax降低
            • 举例
              • 亮氨酸抑制精氨酸酶
              • 毒毛花苷G（哇巴因）对细胞膜钠钾泵的抑制
              • 麦芽糖对α淀粉酶的抑制
          • 反竞争性抑制
            • 定义
              • 抑制剂结合酶活性中心外的调节位点，只与酶-底物复合物结合，使中间产物ES量下降
            • 影响
              • 表观Km降低，酶对底物亲和力增高，Vmax降低
            • 举例
              • 苯丙氨酸对胎盘型碱性磷酸酶的抑制
• 举例
  • 不可逆性抑制剂
    • 有机磷农药
      • 阿托品、解磷定
    • 路易士气
      • 二巯基丙醇
  • 竞争性抑制剂
    • 丙二酸-琥珀酸——琥珀酸脱氢酶
    • 磺胺类药物抑菌作用
    • 抗肿瘤药物
    • 氯霉素抑菌
  • 非竞争性抑制剂
    • 哇巴因/乌本苷/毒毛花苷G-钠泵
    • 亮氨酸-精氨酸酶
    • 麦芽糖-α-淀粉酶
  • 反竞争性抑制剂
    • 苯丙氨酸-胎盘型碱性磷酸酶
  • 必需激活剂
    • 己糖激酶-Mg2+
  • 非必需激活剂
    • 唾液淀粉酶-Cl-

酶的调节

• 酶活性调节
  • 别构效应
    • 定义
      • 一些代谢物可与某些酶活性中心外的某部位以非共价键 可逆结合，使酶构象改变，从而改变酶的催化活性，此种调节方式称变构调节/别构调节
    • 概念
      • 别构酶
        • 常含多个（偶数）个亚基
        • 存在协同效应
          • 若别构效应剂即底物本身，则反应速率-底物浓度曲线呈“S”形
        • 一般是关键酶/限速酶
      • 别构效应剂
        • 本质
          • 代谢终产物、中间产物、酶底物或其他物质
        • 分类
          • 别构激活剂
          • 别构抑制剂
      • 别构部位/调节部位
      • 催化亚基、调节亚基
  • 化学修饰
    • 定义
      • 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基团发生可逆的共价结合； 同时也可在另一种酶催化下，去掉已经结合的化学基团，从而影响酶活性，此调节方式称为共价修饰
    • 常见类型
      • 磷酸化与去磷酸化（最常见）
        • 酶蛋白磷酸化：蛋白激酶催化下，ATP的γ-磷酸基共价结合在酶蛋白的Ser、Thr、Tyr残基侧链上
        • 去磷酸化：磷蛋白磷酸酶催化下，磷酸酯键被水解，脱去磷酸
      • 甲基化和去甲基化
      • 乙酰化和去乙酰化
      • 糖基化和去糖基化
      • 腺苷化和去腺苷化
      • -SH与-S-S互变
  • 酶原的激活
    • 概念
      • 酶原
        • 有些酶在细胞内合成或初分泌、或发挥催化功能前时只是酶的无活性前体，此无活性的酶的前体物质称为酶原
      • 酶原的激活
        • 在一定条件下，酶原向有活性酶转化的过程
        • 本质
          • 酶活性中心形成或暴露的过程
    • 常见形式
      • 酶原经蛋白酶水解，脱去一个/几个肽段，构象改变，表现活性
    • 举例
      • 胰蛋白酶原、胃蛋白酶原、胰凝乳蛋白酶原、弹性蛋白酶原、羧基肽酶原P72
        • 胰蛋白酶原 肠激酶作用，Ca2+参与，脱去N端一个6肽
      • 消化道蛋白酶以酶原形式分泌，避免胰腺自身消化、细胞外基质被破坏，并保证酶在特定环境和部位发挥作用
      • 血管内凝血因子以酶原形式存在，正常情况下不发生血液凝固，保证血流通畅
  • 快速调节酶促反应速率
• 酶含量调节
  • 诱导/阻遏酶蛋白的合成
    • 概念
      • 诱导作用
        • 诱导物
      • 阻遏作用
        • 辅阻遏物（与无活性的阻遏蛋白结合）
    • 举例
      • 胰岛素诱导合成HMG-CoA还原酶，促进胆固醇合成，而胆固醇阻遏该酶合成
      • 糖皮质激素诱导磷酸烯醇式丙酮酸激酶，促进糖异生
      • 镇静催眠药物：苯巴比妥，诱导肝微粒体单加氧酶合成
  • 酶的降解
    • 途径
      • 组织蛋白降解的溶酶体途径（非ATP依赖性蛋白质降解途径）
        • 溶酶体内组织蛋白酶非选择性催化分解一些膜结合蛋白、长半寿期蛋白和细胞外蛋白
      • 组织蛋白降解的胞质途径（ATP依赖性泛素介导的蛋白质降解途径）
        • 主要降解异常或损伤蛋白，以及几乎所有短半寿期蛋白
  • 缓慢调节酶促反应速率

酶

• 分类
  • 氧化还原酶类
  • 转移酶类
  • 水解酶类
  • 裂合酶类
  • 异构酶类
  • 连接酶类
• 疾病
  • 发生
    • 酶的先天性缺陷是先天性疾病的重要病因之一
      • 苯丙氨酸羟化酶先天性缺乏——苯酮酸尿症，精神幼稚化
      • 人体酪氨酸酶缺乏——白化病
      • 肝G-6-P酶缺陷，Ia型糖原贮积病
    • 一些疾病可引起酶活性或量的异常
      • Vit K缺乏，肝内一些凝血因子无法合成
      • 胰蛋白酶原在胰腺中激活——急性胰腺炎
      • 有机磷农药中毒
      • 重金属导致巯基酶失活
  • 诊断
    • 体液中酶活性的改变可作为疾病的诊断指标
      • 血清谷丙转氨酶活性↑——急性肝炎
  • 治疗
    • 酶作为助消化药物
    • 酶用于清洁伤口和抗炎
    • 酶溶解血栓
      • 尿激酶溶解血栓
    • 抑制酶活性杀菌
      • 磺胺类药物抑菌作用
      • 氯霉素抑制某些细菌转肽酶的活性，从而抑制蛋白质合成
• 临床检验、研究
  • 酶可作为酶偶联测定法中的指示酶或辅助酶
  • 酶可作为酶标记测定法中的标记酶
  • 多种酶成为基因工程常用工具酶