酶与酶促反应

酶与酶促反应，详细讲述了酶的分子结构和功能，酶的反应原理，酶促反应动力学和酶的调节。

酶与酶促反应

• 酶的分子结构和功能
  • 酶的分子组成常含辅因子
    • 单纯酶
      • 水解后仅有氨基酸组分,没有辅助因子
    • 缀合酶（结合酶，全酶）
      • 酶蛋白
        • 决定酶促反应的特异性及其催化机制
      • 辅因子
        • 决定酶促反应性质和反应类型
        • 按照与酶蛋白结合紧密程度与作用特点
          • 辅酶
            • 非共价键，结合比较疏松
            • 透析或超滤可除
          • 辅基
            • 共价键，结合较紧密
            • 不易通过透析或超滤除去
        • 类型
          • 小分子有机化合物
            • 特点
              • 多为B族维生素的衍生物或卟啉化合物
              • 传递电子，质子（或基团）或运载体作用
          • 金属离子
            • 分类（了解即可）
              • 金属酶（结合紧密），提取过程中不易丢失
              • 金属激活酶（可逆结合）
            • 作用
              • 参加催化反应，传递电子
              • 在酶和底物间起桥梁作用
              • 中和阴离子，减小反应中的静电斥力
              • 稳定酶的构象
        • 一种酶可同时含多种不同类型的辅因子
  • 活性中心是酶分子执行催化功能的部位
    • 定义
      • 酶分子中能与底物特异性结合并催化底物转变为产物的具有特定三维结构的区域
    • 特点
      • 辅酶、辅因子往往是活性中心的组成成分
    • 必须基团
      • 定义
        • 氨基酸残基的侧链具有不同的化学基团，其中与酶活性密切相关的基团
      • eg：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（谷氨酸）
      • 活性中心外的必须集团
        • 维持酶活性中心应有的空间构想所必须，或作为调节剂的结合部位所必须
      • 活性中心内的必须基团
        • 结合基团
          • 识别与结合底物和辅酶，形成酶-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，催化底物转变为产物
  • 同工酶催化相同的化学反应
    • 定义
      • 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
    • 特点
      • 一级结构存在差异（不同基因编码的多肽链），活性中心三维结构相同或相似
      • 由同一基因转录生成不同mRNA的翻译的不同多肽链组成的蛋白质
    • 动物的乳酸脱氢酶（LDH）5种
      • 对于同一底物，具有不同的Km值
      • 在不同组织器官中含量与分布比例不同
        • LDH1：心肌，肾 LDH5：肝，骨骼肌
      • 代谢特点不同，不同的电泳速度
    • 用处
      • 疾病的诊断和预后判定
        • 组织细胞病变时，该组织细胞特异的同工酶可释放入血
        • 肌酸激酶
          • M亚基，B亚基形成二聚体
          • CK1（脑中）,CK2（心肌中）,CK3（骨骼肌中）
          • 血液中主要CK3，几乎不含CK2。CK2是临床早期判断心肌梗死的指标之一，在急性期肌酸激酶用的比较多
• 酶的反应原理
  • 酶具有不同于一般催化剂的显著特点
    • 高效性(降低反应活化能），高特异性，可调节性，不稳定性
• 酶促反应动力学
  • 影响因素
    • 酶浓度、底物浓度、pH、温度、抑制剂及激活剂等
  • 底物浓度足够时，酶浓度对酶促反应速率的影响呈直线关系
  • 底物浓度对酶促反应速率的影响呈矩形双曲线
    • 米-曼方程揭示单底物反应动力学特性
      • 前提
        • 单底物反应
        • 测定的反应速率是初速度
    • Km vmax
      • Km值=酶促反应速率为最大值一半时的底物浓度
      • Km是酶的特征性常数
        • 不是固定不变
        • 与酶的结构、PH, 温度，底物结构、离子强度有关
        • 与酶浓度无关
      • 可表示酶对底物的亲和力
        • k3<<k2时：Km越大，亲和力越小；反之越大
      • Vmax是酶被底物完全饱和时的反应速率
        • =k3[E]
      • 酶的转换数（了解即可）
        • 单位时间内每个酶分子（或活性中心）催化底物转变为产物的分子数
        • 表示酶的催化效率
        • 就是k3，单位（/s)
    • Km 和Vmax通过林-贝作图法求取
      • 双倒数作图法，将米-曼方程的坐标变成相应导数，不能用米-曼求，最大速率只是无限接近
  • 抑制剂
    • 定义
      • 使酶活性下降又不引起酶蛋白变性的物质
    • 分类
      • 不可逆性抑制剂
        • 特点
          • 共价结合，使酶失活
          • 不能用透析、超滤去除
      • 可逆性抑制剂
        • 特点
          • 非共价结合，使酶活性降低或消失
          • 可用透析，超滤或稀释等物理方法除去，使酶活性恢复
          • 遵守米氏方程
        • 分类
          • 竞争性抑制作用
            • 特点与酶底物在结构上相似，竞争酶的活性中心，阻碍中间产物的形成
            • 抑制程度取决于抑制剂与酶的相对亲和力，与底物浓度的比例
            • Vmax 不变（底物浓度很大，抑制剂影响趋于0）
            • Km变大，亲和力下降
            • 例子
              • 丙二酸对琥珀酸脱氢酶的抑制作用使竞争性抑制
              • 磺胺类药物的抑菌机制
                • 与对氨基苯甲酸的化学结构相似，竞争性的与二氢蝶酸合酶结合
                • 必须保持血液内足够高的药物浓度
          • 非竞争性抑制作用
            • 结合活性中心之外的必须基团结合，不影响酶与底物结合，底物与酶没有竞争关系
            • 抑制程度取决于抑制剂浓度
            • Km不变，酶对底物的活性不变
            • Vmax减小
          • 反竞争性抑制作用
            • 结合位点由底物诱导产生
            • 抑制剂与酶和底物产生的中间产物（ES)结合，使中间产物的量下降
            • 抑制程度取决于抑制剂浓度与底物的浓度
            • Km减小，亲和力增大；Vmax减小 林贝图像斜率不变
            • 苯丙氨酸对胎盘型碱性磷酸酶的抑制
  • 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
    • 大多金属离子，少数阴离子；化合物激活剂
• 酶的调节
  • 调节对象
    • 关键酶一般位于代谢途径的起始或分支处
    • 催化活性最低的关键酶又称为限速酶
  • 酶活性的调节（快速调节）
    • 别构调节（改变酶的构象）
      • 定义
        • 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
      • 相关概念
        • 别构酶
          • 受别构调节的酶
        • 别构效应剂
          • 引起别构效应的物质，可为底物，终产物和其他小分子代谢物
      • 分类
        • 别构激活剂
          • 一般底物是别构效应剂的，是激活剂。糖代谢中ATP除外
        • 别构抑制剂
          • 结合物是别构效应剂的
      • 若底物是别构效应剂，正协同效应的反应速率-底物浓度曲线呈S型
      • 别构酶多是代谢途径的关键酶，催化的反应一般是单向不可逆的
      • 酶存在由有（高）活性无（低）活性两种形式
      • 生理意义
        • 代谢终产物反馈抑制反应途径中的酶，使代谢物不致生成太多
        • 使能量有效利用，不致浪费
        • 使不同代谢途径相互协调
    • 化学修饰调节（某些化学基团与酶的共价可逆结合）
      • 定义
        • 酶蛋白肽链上的一些基团可在其他酶的催化下，与某化学基团共价结合；从而影响酶的活性
      • 例子
        • 磷酸化——去磷酸化（常见）
        • 腺苷化——去腺苷化
        • 乙酰化——去乙酰化
        • 甲基化——去甲基化
        • 尿苷化——去尿苷化
        • 巯基与二硫键的互变
      • 特点
        • 这类酶大都具有无活性和有活性两种形式
        • 酶蛋白磷酸化需ATP提供磷酸，耗能反应
        • 共价修饰是酶促反应，一分子酶可催化许多其他酶蛋白发生磷酸化，有放大效应（级联效应）
        • 有些酶具有别构和化学双重调节
    • 酶原激活
      • 酶原
        • 有些酶在细胞内合成和分泌、或在其发挥催化功能之前处于无活性状态；无活性的酶的前体
      • 定义
        • 酶原向有催化活性的酶的转变过程
      • 例子
        • 胰蛋白酶原进入小肠后再钙离子存在下受肠激酶的作用
      • 意义
        • 避免酶对细胞进行自身消化，使酶再特定部位和环境发生作用，保证体内代谢正常进行
        • 有的酶原可以视为酶的储存形式
  • 酶含量的调节（缓慢调节）
    • 酶蛋白合成可被诱导和阻遏
      • 阻遏作用
      • 诱导作用
    • 酶的降解与一般蛋白质降解途径相同
      • 溶酶体蛋白酶降解途径
        • 不依赖ATP的降解途径
      • 胞质降解途径
        • 依赖ATP和泛素的降解途径