酶化学

概念：是研究酶促反应机制、反应速度及其影响因素的科学。酶促反应速度通常用单位时间内产物的增加值来表示，单位mol/（L•s）等等

酶

• 概念
  • 酶是有活细胞合成的生物催化剂，绝大多数是蛋白质。
  • 1982年，T.Cech发现了化学本质是RNA的酶，称核酶。
• 酶的分子结构
  • 几个有关名词
    • 酶促反应：由酶催化发生的化学反应称为酶促反应。
    • 底物：酶促反应的反应物称为酶的底物。
    • 产物：酶促反应生成的物质。
    • 酶活性：酶催化化学反应的能力。
  • 酶的必需基团
    • 酶的活性中心
      • 概念：是酶分子结构中的一个特定部位，该部位可以选择性结合底物并催化其发生专一反应生成特定产物。
      • 特征
        • 1. 活性部位存在于酶分子的表面，呈裂缝状或凹陷，占酶分子体积的小部分。
        • 2. 活性部位不是一个点，也不是一个面，而是一个错综复杂的三维结构（空间区域）。
        • 3. 活性部位决定了酶的专一性和催化反应的性质。
        • 4. 活性部位的构象并非固定不变，因底物的诱导可发生一定的改变。
        • 5. 活性部位的多为疏水性R基形成，具有显著的极性、疏水性、酸性。
    • 活性中心内的必需基团
      • 结合基团：作用是识别与结合底物，形成酶-底物复合物。
      • 催化基团：作用是降低底物分子中特定化学键的稳定性，进而发生旧键断裂和新键形成，转化为产物。
    • 活性中心外的必需基团：参与维持酶活性构象（如二硫键结构）或参与酶活性调节（如羟基）。
  • 酶的辅助因子
    • 概念
      • 是某些酶在催化反应时所需的有机分子或离子（通常是金属离子），它们与无活性的酶蛋白（牢固或松散）结合成有活性的全酶。
      • 绝大多数辅助因子直接参与催化反应，起传递电子、原子或基团的作用。
    • 分类
      • 化学本质
        • 小分子有机化合物（包括金属有机化合物）：多数是维生素（特别是B族维生素）及其活性形式。
        • 无机离子：主要是金属离子
          • 特性：带正电荷，能形成很强但不稳定的化学键，有的金属离子由不止一种稳定的氧化态。
          • 在酶促反应中金属离子可促进底物结合和定向，或与中间产物形成共价键，或作为Lewis酸碱增强底物亲电性或亲核性。
      • 与酶蛋白结合牢固程度和作用特点
        • 辅酶：与蛋白质松散结合甚至只在催化反应时才结合，可用透析或超滤法去除。
          • 以金属离子为辅酶的酶称为金属激活酶
        • 辅基：与蛋白质牢固结合甚至共价结合，不能用透析或超滤法去除，在催化反应时也不会离开活性中心。
          • 以金属离子为辅基的酶称为金属酶
  • 单纯酶和结合酶
    • 单纯酶
      • 催化反应不需要辅助因子的参与。如：蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶和核糖核酸酶。
    • 结合酶
      • 由酶蛋白和辅助因子构成，活性中心内的部分必需基团来自辅助因子。如：L-乳酸脱氢酶和L-苹果酸脱氢酶。
  • 具有不同结构特征的几类酶
    • 1. 单体酶：仅具有三级结构，只有一个活性中心。
    • 2. 寡聚酶：多个亚基，多个活性中心，催化相同的化学反应。
    • 3. 多酶复合体;如丙酮酸脱氢酶复合体。
    • 4. 多功能酶：一条肽链构成，有多个活性中心，催化不同的反应。
    • 5. 多酶体系：在生物体内，一组连续的酶促反应形成一条代谢途径。
  • 同工酶
    • 概念：是指能催化相同化学反应，但由不同基因编码的一组酶，其组成、结构、理化性质、免疫学性质、酶动力学、活性调节各有差异，其辅助因子也可以不同。
    • 存在：同一个体的不同组织或同种细胞的不同亚细胞结构中，或表达于生长发育的特定阶段。
    • 例子
      • 乳酸脱氢酶（LDH）:最早发现有同工酶的酶，主要有5种，均为四聚体，由H（心肌型亚基）亚基和M（骨骼肌型亚基）亚基构成。
        • 心肌细胞含LDH1最多
        • 肝细胞含LDH5最多，其活性不受丙酮酸变构抑制
        • LDH1
          • 亚基：H4
        • LDH2
          • 亚基：H3M
        • LDH3
          • 亚基：H2M2
        • LDH4
          • 亚基：HM3
        • LDH5
          • 亚基：M4
      • 肌酸激酶（CK)：有3种同工酶，均为二聚体，由B亚基（脑型亚基）和M亚基（肌型亚基）构成。
        • CK1为BB型，主要位于脑细胞内。
        • CK2为MB型，位于心肌细胞内占心肌肌酸激酶的25%-30%。
        • CK3为MM型，主要位于骨骼肌和心肌细胞内。
      • 心肌肌钙蛋白：有Tn-C,Tn-I,Tn-T三种
        • 通过检测血清Tn-I,Tn-T评价心肌损伤既灵敏又特异。
        • Tn-I,Tn-T水平在心肌梗死发病2-6小时开始升高，高水平可维持4-10天。
        • 增高2倍有意义
• 酶促反应的特点和机制
  • 酶促反应特点
    • 具有一般催化剂的共性
      • 1. 只催化热力学允许的反应。
      • 2. 可以提高反应速度，但不改变可逆反应的平衡。
      • 3. 在催化反应前后没有质和量的变化，并且极少量就可以有效地催化反应。
    • 特性
      • 高效性：酶能使化学速度提高10⁵-10¹⁷倍。
      • 专一性
        • 结构专一性
          • 绝对专一性
            • 概念：这类酶只能催化一种底物发生一种化学反应。
            • eg：尿素酶只能催化尿素水解。
          • 相对专一性
            • 概念：这类酶可催化一类底物或一类化学键发生一种化学反应
            • eg：胰脂肪酶既能水解甘油三酯，又能水解棕榈酸视黄酯。
        • 立体专一性
          • 几何专一性
            • 延胡索酸酶能催化延胡索酸（反丁烯二酸）水化生成苹果酸，不能催化马来酸（反丁烯二酸）水化。
          • 光学专一性
            • L-乳酸脱氢酶只能催化L-乳酸脱氢生成丙酮酸，不能催化D-乳酸脱氢。
      • 反应条件温和
        • 可在常温常压下进行。
        • 高温、强酸、强碱会使酶变性失活。
      • 可调节性
        • 活性调节
        • 含量调节
  • 酶促反应机制
    • 酶促反应高效性的机制：酶降低反应活化能，提高反应速度机制。
      • 酶-底物复合物学说
        • 1. 邻近效应
        • 2. 表面效应
        • 3. 酸碱催化
        • 4. 张力催化
        • 5. 共价催化
    • 酶促反应专一性的机制
      • 1. 锁钥学说
      • 2. 诱导契合学说
      • 3. 三点附着学说
• 酶与医学的关系
  • 酶与疾病发生的关系
    • 酶导致疾病：先天性或遗传性酶异常：酪氨酸酶缺乏导致白 化病，葡萄糖-6-磷酸脱氢酶（G6PD）缺乏导致的 蚕豆病等。
    • 疾病导致酶异常：AMI导致CK2升高，肝炎导致谷丙转氨酶升高，胆道梗阻导致ALP升高。
  • 酶在疾病诊断中的应用
    • 酶作为诊断指标
      • 血浆功能酶：如凝血因子，纤溶系统，肾素等。
      • 外分泌酶：如胃蛋白酶、胰腺蛋白酶，淀粉酶等。
    • 酶作为诊断工具
      • 细胞酶：如谷丙转氨酶，碱性磷酸酶，谷草转氨酶等。
  • 酶在疾病治疗中的应用
• 酶的命名和分类
  • 习惯命名法：底物名称+反应类型+酶 如乳酸脱氢酶
  • 系统命名法：包含所有底物和反应性质信息，多底物时，名称较长， 有时选定一渐变推荐名称。 如L-天冬氨酸：α-酮戊二酸转氨酶，推荐命名为天冬氨酸转移酶。
  • 酶的国际系统分类法
• 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
    • 催化单向不可逆反应
    • 活性较低，活性最低者又称为限速酶
    • 是可调节酶
  • 调节方式
    • 酶的结构调节（活性调节）
      • 变构调节
        • 概念：特定分子（小分子代谢物、金属离子、调节蛋白等）与酶活性中心以外的部位可逆地结合，使酶构象改变，从而改变酶的催化活性，此种调节方式称变构调节。
        • 变构酶 ：能通过变构调节的改变活性的酶
        • 变构部位 ：变构酶活性中心外与特定分子结合的部位。
        • 变构调节剂
          • 变构激活剂：提高酶活性。
          • 变构抑制剂：降低酶活性。
          • 变构调节剂可以是酶的底物或产物，其他小分子代谢物、金属离子或第二信使，也可以是调节蛋白，包括激活蛋白和抑制蛋白。
      • 化学修饰调节
        • 概念：又称共价修饰，在其他酶的催化下，通过酶促反应，使酶蛋白肽链上的一些基团与特定修饰基团发 生可逆的共价结合，从而改变酶的活性，此过程称为化学修饰。
        • 常见类型：磷酸化与脱磷酸化（最常见） 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与－S－S互变
      • 酶原激活
        • 有些酶在细胞内合成或初分泌时只是酶的无活 性前体，此前体物质称为酶原。
        • 酶原的激活 在一定条件下，酶原向有活性酶转化的过程。
        • 酶原和酶原激活具有重要的生理意义
          • (1) 酶原是酶的安全运输形式
          • (2) 酶原是酶的安全储存形式
          • (3) 酶原激活参与发育控制
          • (4) 酶原激活参与细胞凋亡
    • 酶的水平调节（含量调节）
      • 酶蛋白合成调节
        • 组成酶：酶含量较恒定，不受组织、代谢物水平和生长条件的影响
        • 诱导酶：代谢底物增加酶蛋白的合成，如半乳糖苷能诱导半乳糖苷酶的 合成，使半乳糖苷分解。
        • 阻遏酶：代谢产物减少酶蛋白的合成，胆固醇能减少HMG-COA还原酶 （胆固醇的合成酶）的合成，使胆固醇合成减少。
      • 酶蛋白降解调节
        • 泛素-蛋白酶体途径：酶蛋白被多聚泛素化后被蛋白酶体降解，该途径消耗ATP，故又称依赖ATP的泛素-蛋白酶体降解途径。
        • 溶酶体途径：酶蛋白在溶酶体内被组织蛋白酶降解，该途径不消耗ATP，故又称不依赖ATP的溶酶体降解途径。
• 酶动力学
  • 概念：是研究酶促反应机制、反应速度及其影响因素的科学。
  • 注意
    • 1. 酶促反应速度通常用单位时间内产物的增加值来表示，单位mol/（L•s）
    • 2. 研究反应刚开始（60秒内，底物消耗不到5%）的速度，称为初速度V。
    • 3. 底物浓度》酶浓度
    • 4. 控制变量法
  • 酶浓度对酶促反应速度的影响
    • 底物浓度>>酶浓度，使酶全部形成酶-底物复合物，则酶促反应速度V₀与酶浓度E成正比。
  • 底物浓度对酶促反应速度的影响
    • 单底物反应的米氏动力学
      • V₀=Vmax[S]/Km+[S]
    • Km和Vmax的意义
      • Km是反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度
      • Km是酶的特征常数：Km只与酶的结构、底物的种类和反应体系的条件有关，与酶浓度、底物浓度无关。
      • Km反应酶与底物的亲和力：Km越小，亲和力越强
      • 从Vmax可以计算出酶的转换数
    • Km和Vmax的测定
      • 林-贝氏方程：
  • 温度对酶促反应速度的影响
    • 温度过高时会改变酶活性构象，进而导致酶蛋白变性失活，使酶促反应速度减慢。
    • 降低温度不会引起酶蛋白变性失活，但会使活化分子数减少，从而使酶促反应速度减慢。
  • PH对酶促反应速度的影响
    • 过酸过碱会导致酶蛋白变性失活。
  • 抑制剂对酶促反应速度的影响
    • 不可逆抑制剂
      • 巯基酶抑制剂
      • 丝氨酸酶抑制剂
        • 概念：丝氨酸酶是以丝氨酸羟基为必需基团的一类酶。
        • eg：敌百虫、敌敌畏、对硫磷、甲胺磷、乐果等杀虫剂。
    • 可逆抑制剂
      • 抑制剂与酶或酶-底物复合物非共价结合
      • 竞争性抑制剂
        • 概念：可逆抑制剂（I）能与酶（E）的活性中心结合，进而抑制底物（S）与酶的活性中心结合，从而抑制酶促反应。
        • 特点：Km增大，Vmax不变。
        • eg：丙二酸对琥珀酸脱氢酶的抑制作用。
        • 增加底物浓度理论上可以削弱甚至消除竞争性抑制剂的抑制作用。
      • 反竞争性抑制剂
        • 概念：所抑制的酶在与底物结合后才暴露出抑制剂结合位点，因此抑制剂I只与酶-底物复合物ES结合，使酶E失去催化活性。抑制效应不能通过增加底物浓度消除。
        • 特点：Km和Vmax都减小。
      • 非竞争性抑制剂
        • 概念：抑制剂I和底物S可以同时结合酶E的不同部位，进而不影响底物与酶的结合，但妨碍酶活性构象的形成，从而抑制酶促反应，不能通过增加底物浓度消除。
        • 特点：Km不变，Vmax减小。
  • 激活剂对酶促反应速度的影响
    • 概念：激活剂是指通过与酶或底物非共价结合使酶促反应速度加快的物质。
    • 多数是金属离子，少数是阴离子，也有些是有机化合物。
    • eg：Cl¯是唾液ɑ淀粉酶的激活剂，牛磺胆酸是脂肪酶BAL的激活剂