酶与酶促反应

生物化学与分子生物学之酶与酶促反应笔记，包括酶的分子结构与功能、酶的工作原理、酶的调节、酶促反应动力学等内容。

酶与酶促反应

• 酶分子的结构和功能
  • 酶的分子组成
    • 单纯酶
      • 水解后仅有氨基酸组分，而无其他组分的酶，如脲酶、某些蛋白酶、淀粉酶、脂酶、核酸酶等
    • 结合酶
      • 也称缀合酶，是由蛋白质部分（酶蛋白）和非蛋白质部分（辅因子）组成的酶
        • 酶蛋白
          • 一种酶蛋白常与一种辅因子结合形成全酶，决定酶促反应的特异性和催化机制
        • 辅因子
          • 一种酶蛋白可以不同的酶蛋白结合形成不同的全酶，催化不同的化学反应，决定酶促反应的类型
            • 辅酶
              • 通过非共价键与酶蛋白相连，结合疏松可以用透析或超滤方法除去，多为小分子化合物
            • 辅基
              • 通过共价键与酶蛋白去，结合紧密，不易通过透析超滤方法除去，多为金属离子及小分子有机化合物
  • 酶的活性中心
    • 指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
      • 辅酶与辅基
      • 必需基团
        • 常见的必需基团有丝氨酸残基的羟基、组氨酸残基的咪唑基、半胱氨酸残基的巯基、酸性氨基酸残基的羧基
          • 有的必需基团位于酶的活性中心内
            • 结合基团
              • 识别和结合底物和辅酶，形成酶-底物过滤态复合物
            • 催化基团
              • 影响底物中某些化学键的稳定性，催化底物发生化学反应
          • 有的必需基团位于酶的活性中心外
  • 同工酶
    • 催化相同化学反应，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
      • 乳酸脱氢酶有5种同工酶，即LDH1～LDH5；心肌以LDH1含量最高，骨骼肌和肝以LDH5含量最高
      • 肌酸激酶由M型和B型亚基组成的二聚体酶，脑中含CK1（BB型），心肌中含有CK2（MB型），骨骼肌中含有CK3（MM型）
• 酶的工作原理
  • 酶促反应的特点
    • 酶对底物具有极高的催化效率
    • 酶对底物具有高度的特异性
      • 绝对特异性
      • 相对特异性
    • 酶具有可调节性
    • 酶具有不稳定性
• 酶促反应动力学
  • 底物浓度
    • 其他因素不变时，底物浓度的变化对反应速率影响的作图呈矩形双曲线→米-曼方程式v＝Vmax［S］/Km＋［S］
      • 当［S］远大于Km时，v＝Vmax，反应呈零级反应
      • 当［S］远小于Km时，v＝Vmax［S］/Kmax，v与［S］成正比，反应呈一级反应
      • 当v＝1/2Vmax时，Km＝［S］
      • Km等于酶促反应速率为最大速率一半时的底物浓度。是酶的特征性常数
        • Km是特征性常数，其大小并非固定不变，它与酶的结构、底物结构、反应环境的pH、温度、离子强度有关，而与酶浓度无关。各种酶的Km值是不同的
        • Km是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值约小，表示酶对底物的亲和力越大
        • 一种酶有多种底物时，每种底物的Km值各不相同。对于同一底物，不同的酶有不同的Km值
      • Vmax是酶被底物完全饱和时的反应速率，与酶浓度成正比
  • 酶浓度
    • 当底物浓度远大于酶浓度时，酶浓度对反应速率的影响呈直线反应
  • 温度
    • 酶促反应速率最快时，反应体系的温度。它不是酶的特征性常数，它与反应时间有关
  • pH
    • 酶催化活性最高时反应体系的pH。它不是酶的特征性常数，它受底物浓度、缓冲液种类与浓度、酶纯度等因素的影响
  • 抑制剂
    • 指能使酶催化活性下降而不引起酶蛋白变性的物质
      • 不可逆性抑制
        • 不可逆性抑制剂与酶活性中心的必需基团共价结合，使酶失活
          • 有机磷农药抑制胆碱酯酶可用阿托品、解磷定解毒
          • 重金属离子抑制酶的巯基可用二巯基丙醇解毒
          • 路易士气抑制酶的巯基可用二巯基丙醇解毒
      • 可逆性抑制
        • 可逆性抑制与酶活性中心的必需基团非共价结合，使酶的活性降低或消失，可用透析、超滤或稀释等物理方法将抑制剂除去
          • 竞争性抑制
            • Km增大、Vmax不变
              • 丙二酸抑制琥珀酸脱氢酶
              • 磺胺药抑制二氢蝶酸合酶
          • 非竞争性抑制
            • Km不变、Vmax降低
          • 反竞争性抑制
            • Km减小、Vmax降低
  • 激活剂
    • 使酶从无活性转变为有活性，或使酶活性增加的物质
• 酶的调节
  • 别构调节
    • 体内一些代谢物可与某些酶的活性中心外的某些部位非共价可逆结合，引起酶的构象改变，从而改变酶的活性
      • 其速率方程不符合米氏方程，反应速率与底物浓度的曲线呈“S”形（米氏方程为矩形双曲线
      • 别构酶是关键酶，催化的反应常是不可逆反应。别构酶在细胞内控制着代谢通路的闸门
      • 别构调节可引起酶的构象变化
      • 别构酶常由多个亚基（偶数）组成，但并非都有催化亚基和调节亚基，“S”形曲线反映了多个亚基之间具有协同作用，包括正协同和负协同效应
      • 别构调节剂可能是，也可能不是参与反应的辅酶、底物或产物
      • 别构酶有二个中心，即催化中心和调节中心（并非催化亚基和调节亚基）
      • 别构酶属于快速调节
  • 化学修饰
    • 通过某些化学基团与酶的共价可逆结合，发生无活性（低活性）与有活性（高活性）两种形式的互变
      • 磷酸化和脱磷酸化
      • 乙酰化和脱乙酰化
      • 甲基化和脱甲基化
      • 腺苷化和脱腺苷化
      • -SH和-S-S-的互变
  • 酶原的激活
    • 酶原的激活是酶的活性中心形成或暴露的过程。避免自身损伤
  • 别构调节和化学修饰是快速调节。酶的诱导和阻遏是缓慢调节