酶思维导图

酶（enzyme）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。

酶

• 酶的分子结构与功能
  • 酶蛋白自身的结构
    • 多酶体系（多酶复合体）:多种酶的聚合体 （通常为连续反应过程中的一组酶）
    • 多功能酶（串联酶）：由一条多肽链组成的，具有多种不同功能的酶。（酶蛋白可以有多个结构域，每个结构域具有不同的生物学功能）
  • 酶的分子组成
    • 酶蛋白决定反应的特异性；辅助因子决定反应的种类与性质
  • 酶的活性中心（active center）
    • 定义：或称活性部位（active site），指必需基团在空间结构上彼此靠近，组成具有特定空间结构的区域，能与底物特异结合并起催化作用的部位。
    • 酶的必需基团(essential group) ：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。
• 酶促反应的特点与机制
  • 酶反应特点
    • 酶反应具有极高的效率（不需要较高的温度；有效地降低反应的活化能。）
    • 酶促反应具有高度的特异性（specificity）
      • 定义：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。酶的这种特性称为酶的特异性或专一性。
      • 分类
        • 绝对特异性（absolute specificity）
          • 酶只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（relative specificity）
          • 酶作用于一类化合物或一种化学键。
        • 立体结构特异性（stereospecificity）
          • 酶仅作用于立体异构体中的一种。
    • 酶促反应的可调节性
  • 酶促反应具有多样化机制
    • 机制：降低反应的活化能。
      • 活化能（activation energy）：底物分子从初态转变到活化态所需的能量。结合能：底物与酶形成过渡态时，与酶的活性中心以次级键（氢键、离子键、疏水键）相结合，这一过程是释放能量的反应，所释放的能量叫结合能（binding energy)。
      • 结构基础：酶的活性中心
        • 酶-底物复合物的诱导契合假说(induced-fit hypothesis)——酶与底物相互接近-诱导-变形-适应-结合
        • 酶的催化机制呈多元催化作用
          • 一般酸-碱催化作用（general acid-base catalysis）——广义酸碱性的基团
          • 共价催化作用（covalent catalysis）——亲核基团或亲电子基团
          • 金属离子的催化作用
          • 定向效应与邻近效应
            • 正确定位于酶的活性中心 ；将分子间的反应变成类似于分子内的反应
• 酶动力学
  • 概 述
    • 研究各种因素对酶促反应速率的影响，并加以定量的阐述。
  • 影响酶促反应速率的因素
    • 底物浓度对反应速率的影响——矩形双曲线关系
      • 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，反应速度不再成正比例加速；反应为混合级反应。
      • 当底物浓度高达一定程度，反应速度不再增加，达最大速度；反应为零级反应。
    • Km 值大表示亲和程度小，酶的催化活性低； Km值小表示亲和程度大，酶的催化活性高。Vmax：Vmax是酶完全被底物饱和时的反应速率，与酶浓度成正比。
    • 底物足够时酶浓度对反应速率的影响
      • [S]>>[E]时，反应速度与酶的浓度呈正比关系。 关系式为：V = K3 [E]
    • 温度对反应速率存在双重影响
      • 低温一般不使酶破坏；酶的最适温度不是特征性常数，与反应进行的时间有关。
      • 最适温度 (optimum temperature)：酶促反应速度最快时的环境温度。
    • pH可影响酶和底物的结构影响反应
      • pH影响底物、酶和辅酶的解离状态，从而影响它们相互间的亲和力。
      • 不是酶的特性常数，它受底物浓度、缓冲液的种类和浓度以及酶的纯度等因素影响。
      • 酶催化活性最大时的环境pH为最适pH (optimum pH)
    • 抑制剂对酶促反应速率的影响
      • 抑制剂 ( inhibitor, I )： 能使酶的催化活性下降而酶蛋白不变性的物质。
        • 抑制原理：与酶活性中心内、外的必需基团结合，抑制酶的催化活性。 移去抑制剂后酶的活性可恢复
        • 抑制剂对酶有一定选择性 变性的因素对酶无选择性
      • 不可逆性抑制作用
        • 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。
      • 可逆性抑制作用
        • 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，使酶的活性降低或丧失；抑制剂可用透析、超滤等方法除去。
        • 类型
          • 竞争性抑制
            • 定义：与底物的结构相似，与底物竞争酶的活性中心，阻碍ES的形成。
          • 非竞争性抑制
            • 定义：结合酶活性中心外的必需基团；底物和抑制剂之间无竞争关系。但ESI不能释放出产物。
          • 反竞争性抑制
            • 定义：仅结合中间产物（ES），使ES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。）
    • 激活剂可加快酶促反应速率
      • 定义：使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加的物质称为激活剂（activator）。
      • 种类
        • 必需激活剂（essential activator）
        • 非必需激活剂（non-essential activator）
• 酶活性和含量的调节
  • 概 述
    • 调节对象：关键酶
    • 调节方式
      • 酶活性的调节（快速调节）
      • 酶含量的调节（缓慢调节）
  • 调节酶实现对酶促反应速率的快速调节
    • 变构调节（allosteric regulation）——活性中心外-可逆地结合-酶构象改变-改变酶的催化活性
      • 变构酶常为多个亚基构成的寡聚体，具有协同效应
    • 共价修饰调节（covalent modification）——其他酶的催化作用下-与某种化学基团发生可逆的共价结合-改变酶的活性
      • 磷酸化与脱磷酸化（最常见）
    • 酶原的激活使无活性的酶原转变成有催化活性的酶
      • 酶原：酶的无活性前体 酶原的激活：在一定条件下，酶原向有活性酶转化的过程。
      • 机理
      • 肠激酶启动的酶原激活：酶原激活的级联效应
      • 酶原激活的生理意义
  • 酶含量的调节包括对酶合成与分解速率的调节
    • 酶蛋白合成可被诱导或阻遏（诱导作用、阻遏作用）
    • 酶降解的调控与一般蛋白质降解途径相同
  • 同工酶
    • 定义：同工酶(isoenzyme)是指催化相同的化学反应，而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。
• 几种基团催化反应配合在一起共同作用
• 形成酶－底物过渡态复合物过程中释放的结合能（binding energy)是酶反应降低活化能的主要能量来源。