生物化学与分子生物学 第3章 酶与酶促反应 思维导图

酶促反应动力学简称酶动力学,主要研究酶促反应的速度和底物(即反应物)浓度以及其他因素的关系。在底物浓度很低时酶促反应是一级反应;当底物浓度处于中间范围时,是混合级反应;当底物浓度增加时,向零级反应过渡。

第三章 酶与酶促反应

• 第一节 酶的分子结构与功能
  • 前言
    • 由一条肽链构成的酶称为单体酶
    • 由多个或不同的肽链以非共价键连接组成的酶称为寡聚酶
    • 在某一代谢途径中，按序催化完成一组连续反应的几种具有不同催化功能的酶可彼此聚合形成一个结构和功能上的整体，此即为多酶复合物，亦称为多酶体系
    • 有一些酶在一条肽链上同时具有多种不同的催化功能，这类酶称为多功能酶或串联酶
  • 一、酶的分子组成中常含有辅因子
    • 水解后仅有氨基酸组分而无其他组分的酶称为单纯酶
    • 缀合酶（亦称为结合酶）则是由蛋白质部分和非蛋白部分共同组成，其中蛋白质部分称为酶蛋白，非蛋白质部分称为辅因子
      • 酶蛋白主要决定酶促反应的特异性及其催化机制
      • 辅因子主要决定酶促反应的类型
    • 辅因子按其与酶蛋白结合的紧密程度与作用特点不同可分为辅酶和辅基
    • 辅酶多通过非共价键与酶蛋白相连，这种结合比较疏松，可以用透析或超滤的方法除去
    • 辅基则与酶蛋白形成共价键，结合较为紧密，不易通过透析或超滤将其除去
    • 辅因子多为小分子的有机化合物或金属离子
    • 辅因子在酶促反应中主要参与传递电子、质子（或基团）或起运载体的作用
    • 有的金属离子与酶结合紧密，提取过程中不易丢失，这类酶称为金属酶
    • 有的金属离子虽为酶的活性所必需，但与酶的结合是可逆结合，这类酶称为金属激活酶
  • 二、酶的活性中心是酶分子执行其催化功能的部位
    • 酶分子中能与底物特异性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称为酶的活性中心或酶的活性部位
    • 酶分子中与酶的活性密切相关的基团称为酶的必需基团
    • 酶活性中心内的必需基团可有结合基团和催化基团之分，前者的作用是识别与结合底物和辅酶，形成酶-底物过渡态复合物，后者的作用是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
    • 酶活性中心外的必需基团虽然不直接参与催化作用，却为维持酶活性中心的空间构象和作为调节剂的结合部位所必需
  • 三、同工酶催化相同的化学反应
    • 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
    • LDH 由骨骼肌型（M型）和心肌型（H型）两种类型的亚基以不同的比例组成5种同工酶，即LDH1（H4）、LDH2（H3M）、LDH3（H2M2）、LDH4（HM3）、LDH5（M4）
    • 肌酸激酶是由M型（肌型）和B型（脑型）亚基组成的二聚体酶
    • 脑中含CK1（BB型）、心肌中含CK2（MB型）、骨骼肌中含CK3（MM型）
    • LDH1和CK2含量升高常作为临床早期诊断心肌梗死的指标之一
• 第二节 酶的工作原理
  • 一、酶具有不同于一般催化剂的显著特点
    • （一）酶对底物具有极高的催化效率
    • （二）酶对底物具有高度的特异性
      • 1.绝对特异性
        • 即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，酶的这种特性称为酶的特异性/专一性
      • 2.相对特异性
        • 有些酶对底物的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，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，这种选择性称为相对特异性
    • （三）酶具有可调节性
      • 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
    • （四）酶具有不稳定性
      • 酶的化学本质是蛋白质
  • 二、酶通过促进底物形成过渡态而提高反应速率
    • （一）酶比一般催化剂更有效地降低反应的活化能
    • （二）酶与底物结合形成中间产物
      • 1.诱导契合作用使酶与底物密切结合
      • 2.邻近效应与定向排列使诸底物正确定位于酶的活性中心
      • 3.表面效应使底物分子去溶剂化
        • 酶的活性中心形成疏水“口袋”
    • （三）酶的催化机制呈现多元催化作用
• 第三节 酶促反应动力学
  • 前言
    • 酶促反应速率可受多种因素的影响，如酶浓度、底物浓度、pH、温度、抑制剂及激活剂等
  • 一、底物浓度对酶促反应速率的影响呈矩形双曲线
    • 前言
      • 当S很低时，v随S的增加而增加，呈一级反应（曲线的a段）
        • 成正比
      • 随着S的不断增加，v的上升的幅度不断变缓，呈现出一级反应与零级反应的混合级反应（曲线的b段）
      • 再随着S的不断增加，v达最大反应速率，此时的反应可视为零级反应（曲线的c段）
    • （一）米-曼方程揭示单底物反应的动力学特性
      • 酶-底物中间复合物学说
      • 米-曼方程/米氏方程
        • • Km为米氏常数，Vmax为最大反应速率
          • • 原理：系统处于稳态时，生成=分解。
    • （二）Km与Vmax是重要的酶促反应动力学参数
      • 1.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
      • 2.Km值是酶的特征性常数
        • 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，而与酶浓度无关
      • 3.Km在一定条件下可表示酶对底物的亲和力
        • 当k3远远小于k2时，即相当于ES分解为E+S的解离常数
        • Km越大，酶对底物亲和力越小
        • Km越小，酶对底物亲和力越大
      • 4.Vmax是酶被底物完全饱和时的反应速率
      • 5.酶的转换数
    • （三）Km和Vmax常通过林-贝作图法求取
  • 二、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远远大于E时，随着酶浓度的增加，酶促反应速率增大，两者呈现正比关系
  • 三、温度对酶促反应速率的影响具有双重性
    • 酶促反应速率达到最大时的反应系统的温度称为酶的最适温度
    • 酶的最适温度不是酶的特征性常数
  • 四、pH通过改变酶分子及底物分子的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
    • 酶的最适pH也不是酶的特征性常数
  • 五、抑制剂可降低酶促反应速率
    • 前言
      • 凡能使酶活性下降而又不引起酶蛋白变性的物质统称为酶的抑制剂
    • （一）不可逆性抑制剂与酶共价结合
      • 不可逆性抑制剂和酶活性中心的必需基团共价结合，使酶失活
      • 此类抑制剂不能用透析、超滤等方法予以去除
      • 有机磷农药（敌百虫、敌敌畏、乐果和马拉硫磷等）特异地与胆碱酯酶活性中心丝氨酸残基的羟基结合，使胆碱酯酶失活
      • 解救有机磷农药中毒时，可给予乙酰胆碱拮抗剂阿托品和胆碱酯酶复活剂解磷定
      • 低浓度的重金属离子（汞、银、铂等）及砷等可与巯基酶分子中的巯基结合使酶失活
      • 二巯基丙醇可以解除这类抑制剂对巯基酶的抑制
    • （二）可逆性抑制剂与酶非共价结合
      • 前言
        • 可逆性抑制剂与酶非共价可逆性结合，使酶活性降低或消失
        • 采用透析、超滤或稀释等物理方法可将抑制剂除去，使酶的活性恢复
      • 1.竞争性抑制剂与底物竞争结合酶的活性中心
        • 抑制剂和酶的底物在结构上相似，可与底物竞争结合酶的活性中心，从而阻碍酶与底物形成中间产物，这种抑制作用称为竞争性抑制作用
        • Km增大，Vmax不变
        • 磺胺类药物的抑菌机制属于对酶的竞争抑制性作用
      • 2.非竞争性抑制剂结合活性中心之外的调节位点
        • 有些抑制剂与酶活性中心外的结合位点相结合，不影响酶与底物的结合，底物也不影响酶与抑制剂的结合
        • 底物与抑制剂之间无竞争关系，但抑制剂-酶-底物复合物（IES）不能进一步释放出产物
        • 这种抑制作用称为非竞争性抑制作用
          • 可以结合酶、酶-底物复合物
        • Km不变，Vmax降低
          • Vmax降低是因为酶少了
      • 3.反竞争性抑制剂的结合位点由底物诱导产生
        • 抑制剂仅与酶-底物复合物（ES）结合，使中间产物ES的量下降
        • 这种抑制作用称为反竞争性抑制作用
          • 仅可以结合酶-底物复合物
        • Km降低，Vmax降低
          • Vmax降低也是因为酶少了，Km降低是因为k1增大
  • 六、激活剂可提高酶促反应速率
    • 使酶由无活性变为有活性或使酶的活性增加的物质称为酶的激活剂
    • 激活剂大多为金属离子，如镁离子、钾离子、锰离子等
    • 少数为阴离子，如氯离子
    • 也有许多有机化合物激活剂，如胆汁酸盐
    • 对酶促反应不可缺少的激活剂称为酶的必须激活剂
    • 有些酶即使激活剂不存在时，仍有一定的催化活性，激活剂则可使其活性增加，这类激活剂称为非必需激活剂
• 第四节 酶的调节
  • 一、酶活性的调节是对酶促反应速率的快速调节
    • （一）別构效应剂通过改变酶的构象而调节酶活性
      • 体内一些代谢物可与某些酶的活性中心外的某个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，酶的这种调节方式称为酶的别构调节，亦曾称为变构调节
      • 受别构调节的酶称为别构酶，引起别构效应的物质称为別构效应剂
      • 根据別构效应剂对别构酶的调节效果，有别构激活剂和别构抑制剂之分
    • （二）酶的化学修饰调节是通过某些化学基团与酶的共价可逆结合来实现
      • 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，从而影响酶的活性，酶的这种调节方式称为酶的共价修饰或称酶的化学修饰
      • 酶的共价修饰有多种形式，其中最常见的形式是磷酸化和去磷酸化
      • 酶蛋白的磷酸化是在蛋白激酶的催化下
      • 反之，磷酸化的酶蛋白在磷蛋白磷酸酶催化下，磷酸酯键被水解而脱去磷酸基
    • （三）酶原需要通过激活过程才能转变为有活性的酶
      • 有些酶在细胞内合成或初分泌、或在其发挥催化功能前处于无活性状态，这种无活性的酶的前体称为酶原
      • 酶原向有催化活性的酶的转变过程称为酶原的激活
      • 酶原的激活大多是经过蛋白酶的水解作用，去除一个或几个肽段后，导致分子构象改变，从而表现出催化活性
      • 酶原的激活实际上是酶的活性中心形成或暴露的过程
      • 消化道蛋白酶以酶原形式分泌可避免胰腺的自身消化和细胞外基质蛋白遭受蛋白酶的水解破坏，同时还能保证酶在特定环境和部位发挥其催化作用
  • 二、酶含量的调节是对酶促反应速率的缓慢调节
    • （一）酶蛋白合成可被诱导或阻遏
      • 一般在转录水平上能促进酶合成的物质称为诱导物
      • 在转录水平上能减少酶蛋白合成的物质称为辅阻遏物
    • （二）酶的降解与一般蛋白质降解途径相同
• 第五节 酶的分类与命名
  • 一、酶可根据其催化的反应类型予以分类
    • （一）氧化还原酶类
      • 催化氧化还原反应的酶属于氧化还原酶类
    • （二）转移酶类
      • 催化底物之间基团转移或交换的酶属于转移酶类
    • （三）水解酶类
      • 催化底物发生水解反应的酶属于水解酶类
    • （四）裂合酶类
      • 催化从底物移去一个基团并形成双键的反应或其逆反应的酶属于裂合酶类
    • （五）异构酶类
      • 催化分子内部基团的位置互变，几何或光学异构体互变，以及醛酮互变的酶属于异构酶类
    • （六）连接酶类
      • 催化两种底物形成一种产物并同时偶联有高能键水解和释能的酶属于连接酶类
  • 二、每一种酶均有其系统名称和推荐名称
    • （一）底物+反应性质+酶
    • （二）来源+底物+反应性质+酶
    • （三）水解酶类
      • 底物+酶
• 第六节 酶在医学中的应用
  • 一、酶与疾病的发生、诊断及治疗密切相关
    • （一）许多疾病与酶的质和量的异常相关
      • 1.酶的先天性缺陷是先天性疾病的重要病因之一
      • 2.一些疾病可引起酶活性或量的异常
    • （二）体液中酶活性的改变可作为疾病的诊断指标
    • （三）某些酶可作为药物用于疾病的治疗
      • 1.有些酶作为助消化的药物
      • 2.有些酶用于清洁伤口和抗炎
      • 3.有些酶具有溶解血栓的疗效
  • 二、酶可作为试剂用于临床检验和科学研究
    • （一）有些酶可作为酶偶联测定法中的指示酶或辅助酶
    • （二）有些酶可作为酶标记测定法中的标记酶
    • （三）多种酶成为基因工程常用的工具酶