酶与酶促反应

酶与酶促反应知识框架：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
  • 按酶的不同结构状态分类
    • 单体酶
      • 由一条多肽链构成的酶，只有一个活性中心
    • 寡聚酶
      • 由多个相同或不同亚基（多肽链）以非共价键连接组成的酶，有多个活性中心
    • 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，有多个活性中心
    • 多功能酶(串联酶)
      • 有一条肽链构成，但含多个活性中心
  • 按分子组成分类（是否含有辅助因子）
    • 单纯酶
      • 由多条多肽链构成，活性中心中的必需基团全部来自酶蛋白氨基酸R基
    • 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
    • 结合酶(缀合酶)
      • 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
      • 辅助因子
        • (按属性)分类
          • 小分子有机化合物
            • 参与酶的催化过程，在反应中传递电子、质子或某一些基团，多数是维生素（特别是B族维生素）的活性形式
          • 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
              • 中和阴离子，降低反应中的静电斥力，稳定酶的构象
        • 辅助因子分类
          • 辅酶
            • 与酶蛋白结合疏松，只在催化反应时才结合，可用透析或超滤的方法除去
          • 辅基
            • 与酶蛋白结合牢固，甚至共价结合，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
    • 定义
      • 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
    • 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
      • L-乳酸脱氢酶LDH：主要同工酶有五种，均为四聚体。分别为LDH1,LDH2,LDH3,LDH4,LDH5。由H亚基（心肌型亚基）和M亚基（骨骼肌型亚基）构成。其中心肌细胞含LDH1最多，肝细胞含LDH5最多
      • 肌酸激酶CK：有三种同工酶，均为二聚体，分别为CK1,CK2,CK3。由B亚基（脑型亚基）和M亚基（骨骼肌型亚基）构成。CK1为BB型，主要位于脑细胞内。CK2为MB型，位于心肌细胞内。CK3为MM型，主要位于骨骼肌和心肌细胞内
• 酶促反应
  • 酶与一般催化剂的共同点
    • 在反应前后没有质和量的变化，自己本身可以参与反应
    • 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（即改变酶的内部结构）
    • 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
      • 底物浓度， 酶浓度，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
    • 米氏方程V/Vmax=【s】/{【s】+Km}
      • 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
      • 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
  • （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
      • 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
      • 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
            • 特点
              • 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
          • 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
            • 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
            • 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
• 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：蛋白质空间结构的改变伴随其功能的变化
        • 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)，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
    • 酶原激活
      • 有些酶在细胞内刚合成的时，初分泌时或起作用前是无活性前体，必须水解一个或多个特定的肽键，或水解掉一个或几个特定氨基酸残基，肽段（称为激活肽），改变酶蛋白构想，从而表现出酶活性，酶的这种无活性前体称为酶原。酶原向酶转化的过程称为酶原激活
  • 酶的水平调节
    • 定义
      • 是指通过调节酶蛋白的合成和降解速度改变酶蛋白的水平，从而改变其总活性
    • 分类
      • 酶蛋白合成调节
      • 酶蛋白降解调节