酶

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。若酶分子变性或亚基解聚均可导致酶活性丧失。酶属生物大分子，分子质量至少在1万以上，大的可达百万。 酶是一类极为重要的生物催化剂（biocatalyst）。由于酶的作用，生物体内的化学反应在极为温和的条件下也能高效和特异地进行。

酶

• 酶的分子结构与功能
  • 酶的概念
    • 生物体内一类具有催化活性和特定空间构象的生物大分子物质（包括蛋白质和核酸）
    • 酶的化学本质
      • 有催化能力的蛋白质，不包括核酶（有催化能力的RNA分子）
    • 酶和无机催化剂的共性
      • 加快反应速度，但不改变反应平衡
      • 只能催化热力学允许的反应，能量从高到低
      • 用量少，反应前后质量和性质不发生改变
      • 都能降低反应所需活化能
  • 酶的分子结构
    • （1）酶的分子结构是酶功能的物质基础，酶的专一性和高效性是由其分子结构的特殊性决定的酶 （2）具有完整的一、二、三级和四级结构，酶的催化活性不仅与酶分子的一级结构有关，而且与其空间构象有关
    • 必需基团(essential group)
      • 定义：酶分子中与酶活性相关的基团
      • 活性中心内必需基团——底物结合和催化
      • 活性中心外必需基团——维持酶构象
    • 活性中心(active center)
      • 定义：酶分子表面与底物结合并将底物转化为产物的空间结构区域
      • 酶作用的专一性主要取决于酶活性中心的结构特异性；保持活性中心的空间结构是维持酶活性所必须的。
      • 特点
        • 酶分子表面的一个凹六，有一定的大小和形状，但它们不是刚性的，在与底物接触时表现一定的柔性
        • 活性部位为非极性的微环境，这有利于与底物的结合。在活性中心内还含有少数极性基团直接与底物相作用
  • 酶原与酶原的激活
    • 酶原(Zymogen)：无活性的酶前身
    • 酶原激活：酶原转化为有活性的酶的过程
    • 激活机理：在酶的催化下，切去酶原多余的肽段，使之成为有活性的酶
    • 生物学意义：避免细胞的自身的消化；保证酶在特定部位或环境发挥作用；可视为酶的储存形式。
• 酶的工作原理
  • 酶具有不同于一般催化剂的显著特点
    • 酶对底物具有极高的催化效率
      • 机理
        • 底物的"趋近"和"定向"效应
          • 趋近
            • 使底物分子结合在酶分子表面的局部区域，增加了有效浓度
          • 定向
            • 反应物在酶表面对着特定的基团几何定向
        • 底物形变与"张力"作用
          • 中间产物学说
            • 酶与底物形成不稳定的酶：底物复合物，再分解成酶和产物，底物变形更接近手过渡态
        • 共价催化作用
          • 亲核催化作用和亲电子催化作用
          • 酶的亲核基团或者亲电子基团参与反应，加速反应进程
        • 酸碱催化作用
          • 酶分子中有名种供出质子或接受质子的基团，提供质子受体或质子供体
      • 注意：一种酶的催化反应常常是多种催化机制的综合作用，这是酶促反应高效率的重要原因
    • 酶的作用具有高度专一性
      • 一种酶仅作用于一种或一类化合物，或一定的化学键， 佳化一定的化学反应并生成一定的产物。又称酶的特异性
        • 受酶佳化的化合物称为该酶的底物(substrate）
          • 绝对专一性
            • 酶只作用于特定结构的底物，进行一种专- 的反应，生成一种特定结构的产物。
          • 相对专一性
            • 酶作用于一类化合物或一种化学键。包括键 专—性和基团专一性
          • 立体结构专一性
            • 只能催化一种立体异构体进行反应。
      • 解释
        • 锁钥学说：认为整个酶分子的天然构象是具有刚性结构的，酶表面具有特定的形状。酶与底物的结合如同一把钥匙对一把锁一样。
        • 诱导契合学说：认为酶表面并没有一种与底物互补的固定形状，而是当酶分子与底物分子接近时，酶蛋白妥底物分子的诱导，其构象发生有利于同底物结合的变化，互补契合，进行反应。
    • 酶的催化活性受调节控制
      • 调节酶的浓度
      • 通过滋素调节酶活性
      • 反馈抑制调节酶活性
      • 抑制利和激活荆对酶活性的调节
      • 其他调节方式
    • 酶的催化反应需要温和条件
      • 酶易失活
        • 酶是由生物细胞产生的生物大分子，凡能使生物大分子变性的因素均能使酶失去催化活性。如：高温、强酸、强碱和重金属盐等。
          • 酶促反应往往都是在常、温常压和接近中性的条件下进行
  • 酶通过促进底物形成过渡态而提高反应效率
    • 酶比一般催化剂更有效地降低反应的活化能
    • 酶与底物结合形成中间产物
      • 诱导契合作用使酶和底物密切结合
      • 临近效应与定向排列使诸底物正确定位于酶的活性中心
      • 表面效应使底物分子去溶剂化
    • 酶的催化机制呈现多元催化
      • 普通酸-碱催化作用
      • 共价催化作用
        • 亲核催化
        • 亲电子催化
• 酶促反应动力学
  • 酶促反应速率的测量
    • 两种方法：测定单位时间内底物的消耗量或产物的生成量，通常以测定产物的生成量较为准确
  • 对酶作用的影响
    • 酶浓度
      • 在底物足够过量而其他条件固定的条件下，若反应系统中不含有抑制酶活性的物质及其他不利于酶发挥作用的因素是，酶促反应的速率与酶浓度成正比
    • 底物浓度
      • 在酶浓度和其他反应条件不变的情况下，反应速率（v）对底物浓度作图[S]呈矩形双曲线
      • 在一级阶段，底物浓度很小时，反应速率取决于底物浓度，中间是混合级反应，底物浓度增大后，反应速率取决于S和E-S浓度，最后阶段是零级反应，E全部被饱和，反应速率取决于E浓度，与底物浓度无关（零级反应）
      • 米氏方程/米-曼方程：1913年，德国化学家Mischaclis和Menten根据中间产物学说对酶促反应的动力学进行研究，推导除了表示整个反应中底物浓度和反应速度关系的著名公式。1925年，G.E.Briggs和J.B.S.Haldane又对基本原理加以补充和发展，提出“稳态假说”
      • V=(Vmax+[S])/Km+[S]
        • Km=（k2+k3）/k1 单位mol/L
      • Km等于酶促反应速率为最大反应速度一半时的底物浓度，酶的一个重要特征物理常数，表示酶与底物间的亲和程度，不同条件下具有不同值 测定Km和V的最常用方法就是双倒数作图法（即林-贝作图法）
      • Km与Vmax是重要的酶促反应动力学常数
        • Km
          • Km值是酶的特征常数
            • 与酶浓度无关
            • 与酶结构、底物结构、反应环境的pH、温度和离子强度有关
          • Km在一定条件下可表示酶对底物的亲和力
            • k3远小于k2时，Km≈k2/k1
              • Km越大，亲和力越小
              • Km越小，亲和力越大
          • Km有助于寻找代谢过程的限速步骤
          • 意义
            • 判断酶的专一性与天然底物
              • Km最小的底物，通常是该酶的最适底物，也是天然底物
            • 用于推断某一代谢物在体内可能的代谢途径
        • Vmax
          • Vmax是酶被底物完全饱和时的反应速率
            • 当所有的酶均与底物形成ES时（即[ES]=[Et]），反应速率达到最大，即Vmax=k3[Et]
        • 酶的转换数
          • 当酶被底物完全饱和时，单位时间内每个酶分子（或活性中心）催化底物转变成产物的分子数，即k3
            • 单位：1/s
    • pH
      • 原因：1）过酸过碱影响酶蛋白的构象，导致失活 2）影响底物的解离状态 3）影响酶分子的解离状态 4）影响酶分子集团的解离而影响酶活性中心构象
      • 过酸过碱影响酶蛋白的构象，导致失活
      • 影响底物的解离状态
      • 影响酶分子的解离状态
      • 影响酶分子集团的解离而影响酶活性中心构象
      • • 一般酶最适pH：4-8
        • 植物5-6.5 动物6.5-8
        • 最适pH与等电点不一定一致
    • 温度
      • 双重影响：温度升高，酶促反应升高；温度升高10摄氏度，反应速度增加一倍（Q10） 由于酶的本质是蛋白质，温度升高，可引起酶的变性，从而反应速度降低
      • 最适温度：酶促反应速度最快时的环境温度
      • 低温的作用：贮存生物制品、菌种等，临床上的低温麻醉
    • 抑制剂
      • 凡能使酶的催化活性下降而不引起酶蛋白变性的物质称为酶的抑制剂。抑制剂对酶有一定选择性，引起变性的因素对酶没有选择性。一般具有两个方面的特点：1）在化学结构上与被抑制的底物分子或底物的过渡状态相似 2）能够与酶的活性部位以非共价或共价的方式形成比较稳定的复合体或结合物
      • 不可逆性抑制剂
        • 共价结合
          • 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。以潜伏状态存在，当它与酶的活性中心结合时，就被激活成有抑制活性的抑制剂。酶激活后，自身活力完全丧失，抑制剂可以看作它的自杀性底物
      • 可逆性抑制剂
        • 非共价结合
          • 竞争性抑制剂
            • 某些抑制剂的化学结构与底物相似，因而能与底物竞争与酶活性中心结合。当抑制剂与活性中心结合后，底物被排斥在反应中心之外，其结果为酶促反应被抑制 竞争性抑制剂通常可以通过增大底物浓度，即提高底物的竞争能力来消除
            • eg
              • 丝氨酸酶抑制剂
                • 有机磷中毒
              • 巯基抑制剂
            • 竞争性抑制剂往往是酶的底物结构类似物，抑制剂和酶的活性部位与底物与酶的结合部位相同——酶的活性中心，Km值增大，Vm值不变
            • 特点
              • 抑制剂与底物结构相似
              • 抑制剂与底物相互竞争和酶活性中心结合
              • 抑制程度取决与[I]/[S]相对比例
              • 增加底物浓度，可减少或解除抑制作用
              • Km值增大，Vmax不变
          • 非竞争性抑制剂
            • 酶可同时与底物及抑制剂结合，引起酶分子构象变化，并导致酶活性下降。由于这类物质并不是与底物竞争与活性中心的结合，所以称为非竞争性抑制剂，不能通过增大底物浓度的方法来消除
            • 特点：不一定与底物分子结构相似，抑制剂与酶的活性中心外的位点结合；抑制剂与酶与底物的结合无影响，故底物浓度的改变对抑制剂无影响（抑制程度取决于抑制剂的浓度0，Km值不变Vm值降低
            • 特点
              • 抑制剂与底物结构不相似
              • 抑制剂与底物可同时和酶放入不同部位结合
              • 抑制程度只取决与[I]
              • 增加底物浓度，不能解除抑制作用
              • Km值不变，Vmax减小
          • 反竞争性抑制剂
            • 酶只有在与底物结合后，才能与抑制剂结合，引起酶活性下降
            • 特点：不一定与底物结构类似，抑制剂和底物可同时与酶的不同部位结合；必须有底物存在，抑制剂才能对酶产生抑制作用；抑制程度随底物浓度的增加而增加（抑制程度取决与抑制剂的浓度及底物的浓度，Km值减小,Vm值降低
            • 特点
              • 抑制剂只与中间产物结合
              • 抑制程度取决于抑制剂的浓度和底物的浓度
              • Km值与Vmax均减小
    • 激活剂
      • 激活剂使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加的物质
      • 分类
        • • 必需激活剂
            • 对酶促反应不可缺少
          • 非必需激活剂
            • 仅使酶活性提高
        • • 无机离子
            • 金属离子：钾离子、钠离子、镁离子等
            • 阴离子：动物唾液α-淀粉酶受氯负离子激活
          • 作为激活剂的有机小分子
            • 一些以巯基为活性集团的酶
            • EDTA等金属螯合剂
          • 生物大分子激活剂
      • • 这些离子可与酶分子上的氨基酸侧链基团结合，可能是酶活性部位的组成部分，也可能作为辅酶或辅基的一个组成部分起作用
        • 一般情况下，一种激活剂对某种酶是激活剂，而对另一种酶则起抑制作用
        • 对于同一种酶，不同激活剂浓度会产生不同的作用
• 酶的分类与命名
  • 分类
    • 按化学组成
      • 单纯酶
        • 不含有其他非蛋白成分
      • 结合酶
        • 酶蛋白：决定催化的特异性
        • 辅因子（决定反应的种类和性质）
          • 多为小分子有机化合物和金属离子
            • 最常见
              • 金属离子
                • 作用
                  • 参与组成活性中心，使底物与酶的活性中心的必需基团形成正确的空间排列，有利于酶促反应的发生
                  • 连接酶与底物的桥梁
                  • 中和电荷，减小静电斥力，有利于底物与酶的结合
                  • 稳定酶的空间结构
                • 金属酶
                  • 结合紧密，提取过程不易丢失
                • 金属激活酶
                  • 结合可逆
            • 有机化合物
              • 多为B族维生素的衍生物或卟啉化合物
          • 作用：传递电子、原子与某些集团
          • 辅酶与辅基
            • 辅酶(coenzyme)：与酶蛋白结合疏松（非共价结合），可以用透析或超滤方法除去的辅助因子
            • 辅基(prostheticgroup)：与酶蛋白结合紧密（共价结合），不易用透析或超滤方法除去的辅助因子
            • 辅基和辅酶实际上没有本质的区别，只是辅基与酶结合的作用力强，而辅酶与酶的结合力弱，实际上，辅酶只有在参与催化时才与酶结合。
            • 类别
              • 无机金属离子
              • 维生素与辅助因子
                • 分类
                • 维生素与辅酶
              • 蛋白质类辅助因子
                • 某些蛋白质也可作为辅助因子，它们自身不起催化作用，但是为某些酶所必须
    • 按酶蛋白结构的特点
      • 单体酶
        • 只有一条多肽链，这一类酶很少，一般为水解酶类
      • 寡聚酶
        • 由几个或几十个亚基组成，亚基相同或不同，亚基间以非共价键结合
      • 多酶复合物
        • 由几个酶聚合而成的复合体，一般在系列反应中2-6个功能相关的酶组成
    • 其他酶
      • 金属酶
        • 金属酶：金属离子与酶结合紧密，提取过程中不易丢失
        • 金属激活酶：金属离子为酶的活性所必需，但与酶的结合不甚紧密
        • 金属离子的作用：参与催化反应，传递电子；在酶和底物之间起桥梁作用；稳定酶的构象；中和阴离子，降低反应中的静电斥力等
      • 核酶 对RNA具有催化活性的RNA 水解反应磷酸转移反应等
      • 抗体酶
        • 是指通过一系列化学反应与生物技术方法制备出的具有催化活性的抗体，它除了具有相应免疫学性质，还类似酶能够催化某种化学反应
        • 制备策略
          • 诱导筛选法：以过渡态类似物为半抗原诱导机体产生针对半抗原的多种不同抗体，并运用单克隆抗体技术制备不同抗体并从当中筛选出具有高催化活性的抗体酶
          • 修饰改造法：利用化学修饰和基因工程技术在抗体的结合部位引入催化基因或辅因子，从而使抗体转化为具有催化活性抗体酶
    • 按催化反应
      • 氧化还原酶类
        • 催化氧化还原反应的酶，包括催化传递电子、氢以及需氧参加反应的酶
        • 主要包括氧化酶和脱氢酶
      • 转移酶类
        • 催化底物之间基团转移或交换的酶
      • 水解酶类
        • 催化底物发生水解反应的酶
        • 分类
          • 按水解底物
            • 蛋白酶
              • 作用部位
                • 内肽酶
                • 外肽酶
            • 核酸酶
              • 作用部位
                • 外切核酸酶
                • 内切核酸酶
            • 脂肪酶
            • 脲酶
            • 等
      • 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
      • 异构酶类
        • 催化分子内部基团位置互变，几何或光学异构体互变，以及醛酮互变的酶
      • 连接酶类
        • 催化两种底物形成一种产物并同时偶联有高能水解键的酶
          • • 合酶
              • 催化反应时不需要供能
                • 裂合酶
            • 合成酶
              • 催化反应时需要供能
                • 属于连接酶
      • 根据酶所催化的化学键的特点和参加反应的基团进一步分类
        • 每种酶的的分类编号均有四组数字组成，数字前冠以EC（enzyme commission）
          • 第一个数字：该酶属六大类的哪一种
          • 第二个数字：该酶属于哪一亚类
          • 第三个数字：该酶属于哪一亚-亚类
          • 第四个数字：该酶在亚-亚类中的排序
  • 重要的酶类
    • 寡聚酶
    • 同工酶
      • 定义：催化相同的化学反应，但酶蛋白的分子组成、结构、理化性质乃至电泳行为和免疫学性质不同的一组酶
      • 一级结构上存在差异，但其活性中心的三维结构相同或相似
      • eg：动物的乳酸脱氢酶（lactate dehydrogenase，LDH）
    • 诱导酶
      • 概念：当细胞中加入特定诱导物质时诱导产生的酶，常见于微生物中
      • eg：大肠杆菌体内的半乳糖苷酶
      • 研究药物代谢酶的诱导产生对于阐明许多药物的耐药性是重要的
    • 调节酶
      • 概念：对代谢途径的反应速度起调节作用的酶
      • 位于一个或多个代谢途径内的一个关键酶
        • 共价调节酶：调节剂通过共价键与酶分子结合，以增减酶分子上的基团从而调节酶的活性状态与非活性状态相互转化
        • 变构酶：具有别构效应的酶
          • 别构效应：当某些化合物与酶分子中的变构中心结合后，酶分子的构象发生改变，使酶活性部位对底物的结合与催化作用受到影响，从而调节酶促反应速度的效应
    • 核酶
      • 又称RNA酶、核糖酶
      • 具有生物催化活性的RNA，催化RNA的切割和剪接
      • 无处不在
    • 抗体酶
      • 又称催化抗体酶
      • 同时具有酶活性和抗体活性的模拟酶
      • 具有较高的活力和较好的专一性
  • 命名
    • 系统命名法
      • 系统名称包括底物名称、构型、反应性质，最后加一个酶字
      • eg 习惯名称：谷丙转氨酶 系统名称：丙氨酸：α-酮戊二酸氨基转移酶
    • 习惯命名法
      • 根据其催化底物来命名：蛋白酶、淀粉酶
      • 根据所催化反应的性质来命名：脱氢酶、转氨酶
      • 结合上述两个原则来命名：乳酸脱氢酶
      • 有时在这些命名基础上加上酶的来源或其它特点：胃蛋白酶、胰蛋白酶等
• 酶在医药学上的应用
  • 酶与疾病的发生、诊断和治疗
    • 许多疾病与酶的质和量的异常相关
      • 酶的先天性缺陷是先天性疾病的重要病因之一
        • 现已发现的140多种先天性代谢缺陷中，多由酶的先天性或遗传性缺损导致
      • 一些疾病可引起酶活性或量的异常
        • 许多疾病引起酶的异常，这种异常又使病情加重
        • 激素代谢障碍或维生素缺乏可引起某些酶的异常
        • 酶活性受到抑制多见于中毒性疾病
    • 体液中酶活性的改变可作为疾病的诊断治疗
      • 组织器官损伤可使其组织特异性的的酶释放入血，有助于对组织器官疾病的诊断
    • 某些酶可以作为药物用于治疗
      • 作为助消化的药物
        • 酶作为药物最早用于助消化
      • 用于清洁伤口和消炎
      • 具有溶解血栓的疗效
      • 注：许多药物的作用机制是通过抑制体内某些酶来达到治疗效果
  • 酶与临床检验和科学研究
    • 有些酶可作为酶偶联测定法中的指示酶或辅助酶
    • 有些酶可作为酶标记测定法中的标记酶
      • 过去多采用放射性核素标记法，但因为其不便利，现今多以酶标记代替核素标记
    • 多种酶成为基因工程的常用酶
      • • 酶工程简介
          • 概念：酶工程是围绕着酶所特有的生物催化性能使其在工业、农业、医学及其他方面发挥作用的一门应用技术，是酶学基本原理与化学工程技术及DNA重组技术有机结合的产物。广义的讲，它还包括酶的生产、分离和纯化
          • 四大生物工程
            • 基因工程
            • 细胞工程
            • 酶工程
            • 发酵工程
          • 研究内容分类
            • 化学酶工程
              • 化学修饰酶常用于酶学研究和临床医学
              • 天然酶粗制剂常用于食品、制药等方面
              • 固定化酶:固定在载体上，并在一定范围内进行催化反应的酶。 优点：不溶于水，易于产物分离；可反复使用，可连续化生产；稳定性好 缺点：固定化过程中往往会引起酶的失活
              • 化学人工酶是模拟酶的催化功能，用化学半合成法（小分子加无活性蛋白）或全合成法（不是蛋白质，而是小分子有机物）合成的具有催化活性的人工酶
            • 生物酶工程
              • 用DNA重组技术大量生产酶
              • 对酶基因进行修饰，生产遗传修饰酶
              • 设计新的酶基因，合成自然界不曾有过的、性能稳定、催化效率更高的新酶
• 酶活性的测定及分离提纯
  • 酶活性测定
    • 酶活力是指酶催化化学反应的能力，其衡量的标准是酶促反应速度
    • 酶促反应速度可在适宜的反应条件下，用单位时间内底物的消耗或产物的生成量来表示
    • 比活力：每单位（一般为mg）蛋白质中的酶活力单位数（酶蛋白/mg蛋白）。对同一种酶来讲，比活力越高则表示酶的纯度越高，所以比活力是评价酶纯度高低的一个指标
    • IU：在特定的条件下，每分钟催化1umol底物转化为产物所需的酶量为一个国际单位 katal(kat)：1催量是指在特定条件下，每秒钟使1mol底物转化为产物所需的酶量 1IU=16.67*10-9kat
  • 酶的分离提纯
    • 基本原则：提取过程中避免酶变性而失去活性；防止强酸、强碱、高温和剧烈搅拌等；要求在低温下操作，加入的化学试剂不使酶变性，操作中加入缓冲溶液
    • 基本操作程序：选材、抽提、分离与纯化