酶

生物化学原理之酶相关知识梳理，包括酶学的概论、酶动力学、酶的催化机制、酶活性的调节、维生素和辅酶等等。

酶

• 酶学的概论
  • 1、酶的化学本质
    • 酶:由细胞合成，在机体内行使催化功能的生物催化剂。
    • 化学本质:主要是蛋白质和少数的RNA（核酶）
    • 酶促反应与非酶促反应效率的比较:
      • 酶促反应的速度快
      • 酶促反应时出现饱和的动力学
      • 酶促反应有最适的条件:温度和ph
    • 酶促反应和非酶促反应效率的共同特征:
      • 只能催化热力学允许的反应
      • 反应完成后本身不被消耗或者变化，即可以重复使用。
      • 对正反应和逆反应的催化作用相同。
      • 不改变平衡常数，只加快到达平衡的速度和短到达平衡的时间。
  • 2、酶的催化性质
    • 高效性
      • 与无催化剂的反应相比酶促反应的速率为好几亿倍。
      • 过渡态理论：降低反应的活化能。
    • 酶在活性中心与底物结合
      • 活性中心（活性部分）：酶分子上与底物结合，并与催化的作用直接相关的区域。
      • 活性中心
        • 结合基团：负责与底物结合，决定酶的专一性。
        • 催化基团：叁与催化，负责底物旧键的断裂和产物新建的形成，决定酶的催化能力。
      • 活性中心的特征：
        • 是一个三维实体
        • 只占酶总体积很小的一部分。
        • 为酶分子表面的一个裂缝。
        • 与底物结合为多重次级键（氢键，疏水键，范德华力）
        • 底物结合的专一性在一定程度上，取决于活性中心和底物之间在结构上的互补性。
        • 构象不是固定不变的，而是具有一定的柔性
    • 专一性：
      • 酶对叁与反应的底物有严格的选择性，即一种酶仅能作用于一种底物或者是一类分子结构相似的底物，发生某种特定的类型的化学反应产生特定的产物。
      • 种类：
        • 绝对专一性：一种酶仅催化一个特定的反应。
        • 基团专一性：一种酶只作用于含有特定的官能基团。
        • 键专一性：一种酶只用于含有一种特定的化学键的分子，而不管底物分子其他部分的结构。
        • 立体专一性：包括旋光异构专一性和几何异构专一性。
      • 解释酶专一性的三种模型
        • 锁与钥匙学说：缺点：不能解释酶活性中心，为何也能与能产物结合并崔化逆反应不能解释酶催化机制。
        • 诱导契合学说：优点：很好的解释酶的专一性，还可以解释酶的催化机制。
        • 三点附着模型：解释没作用的立体专一性。
    • 反应条件温和
      • 除了发生在一些生活在极端环境下的微生物体内的反应以外，绝大多数酶促反应的条件是十分温和的。（37℃，ph=7）
    • 对反应条件敏感，容易失火
      • 与一般的化学催化剂相比，酶对反应条件极为敏感，这与酶的化学本质有关的。
      • 极端的ph，特定的抑制剂，过高的温度，压强等因素都会导致酶活性丧失。
    • 受到调控
    • 许多酶的活性还需要铺助因子的存在
      • 按照化学组分分为
        • 单纯酶：酶中只含有蛋白质，不含其他成分。
        • 结合酶：酶中除了蛋白质，还含有一些非蛋白质的组分。
      • 一些辅助因子相关的定义
        • 辅酶：是一类脱辅酶相结合并帮助其催化化学反应的有机小分子。
        • 辅基：与辅酶相似，但是与脱辅酶紧密结合
        • 脱辅酶：在没同辅酶和辅基结合时，酶的蛋白质活性部分。
        • 全酶：脱辅酶+辅酶/辅基。
  • 3、酶的分类和命名
    • 分类
      • 氧化还原酶：转移电子，催化氧化还原反应。
      • 转移酶：在分子间转移功能基团
      • 水解酶：通过加水断裂化学键
      • 裂合酶：催化消除反应，形成双键
      • 异构酶：分子内部的重排
      • 合成酶和连接酶：用新的化学键连接分子。
    • 命名
      • 系统名
      • 俗名
• 酶动力学
  • 定义：动力学有关于化学反应的速率，而酶动力学则研究酶促反应的速率。
  • 影响酶促反应的因素
    • 底物浓度
    • 酶浓度
    • ph，温度，离子强度
    • 抑制剂或激活剂的存在
  • 米氏动力学
    • 米氏方程：用一个简单的数学方程来描述一个米氏酶的反应速率和底物浓度之间的关系。
    • 满足米氏方程推导的三个条件
      • 假定测定的反应速率是初速率：此时的反应速率与酶浓度正比关系，避免了其他因素的干扰。
      • 酶底物复合物处于稳态：浓度不发生变化
      • 反应符合质量作用定律：反应速率与底物浓度正比关系。
    • 推导，解读，双重性，线性转换
  • 米氏酶的抑制剂作用的动力学
    • 酶的抑制剂：能够与酶结合并抑制酶活性的化学物质
    • 抑制剂的类型：
      • 可逆性抑制剂
        • 定义：以次级键与酶可逆结合，使用透析或超滤就可以取它们，让酶恢复活性。
        • 种类
          • 竞争性抑制剂：
            • 性质：有两类，一类与底物在结构和化学上具有很强的相似性；第二类，与底物无结构和化学性质的相似性。
            • 动力学：Km值提高 Vmax不变。
          • 非竞争性抑制剂
            • 性质：能与底物浓度结合，又能与游离的酶结合，而一旦它们与E结合将导致酶活性收到抑制。
            • 动力学：Km不变，Vmax降低
          • 反竞争性抑制剂：
            • 性质：只能与底物浓度结合，但不能游离的酶结合，一旦它们酶浓度结合，将导致与活性中心结合的底物不再能够转变为产物。
            • 动力学：Km降低，Vmax降低
      • 不可逆性抑制剂
        • 定义：也可以称为酶灭火剂，以强的化学键（共价键），与酶不可逆结合，可导致有效浓度降低。
        • 种类：
          • 基团特异性抑制剂（Ks型抑制剂）
            • 不像底物
            • 共价修饰酶活性中心必须氨基酸的R基团，而导致酶不可逆失火。
          • 底物类似物抑制剂（Ks型抑制剂）
            • 与底物相似，结合在酶活性中心
            • 带有反应性基团，一旦进入活性中心，可供价修饰活性中心导致酶不可逆的失火。
          • 过渡态类似物抑制剂
            • 与酶促反应的过渡态相似，在化学结构和分子形状上与酶的活性中心十分般配，能够以极高的亲和力与活性中心结合，从而导致底物无法进入而使得酶活性受到不可逆性抑制。
          • 自杀性抑制剂：
            • 与底物相似，带有潜在的反应性基团，结合在酶活性中心。
  • 别构酶的动力学
    • 别构酶：含有别构中心的酶
    • 别构效应：与别构中心的各种小分子物质统称为。
      • 别构激活剂（正别构效应物）
      • 别构抑制剂（负别构效应物）
    • 别构酶的一般性质
      • 含有别构中心，判断别构酶的唯一标准。
      • 别构效应物与被调控的酶的结合是可逆的。
      • 别构酶一般是寡聚酶。
      • 动力学曲线是S型（是因为与底物的结合具有正协同效应。
      • 竞争性抑制剂在非常低的浓度下可激活别构酶。
      • 别构酶占少数。
• 酶的催化机制
  • 酶催化机制研究的主要方法
    • 测出酶的一级结构，找出保守型的氨基酸残疾。
    • 确定酶的三维结构的研究
    • 定点突出
    • 动力学分析
    • 化学修饰
    • 计算机模拟
  • 过渡态稳定学说
    • 过渡态：在任何化学反应体系中，反应物需要到达一个特定的高能状态以后才能发生反应，这种不稳定的高能状态。
    • 达到过渡态要求的反应物，必须含有足够的活化能。
    • 支持过渡态稳定学说的证据：
      • 根据过渡态的结构设计的过渡态类似物可以为酶的强制抑制剂，抑制剂效果远高于竞争性抑制剂。
      • 利用过渡态类似物作为抗原和半抗原，去免疫动物，由此产生抗体可能有关类似酶的催化作用。
  • 过渡态稳定的化学机制
    • 邻近定向效应
      • 两种和两种以上的底物同时结合在酶活性中心上相互靠近（邻近），并采取正确空间取向（定向）这种大大的提高了底物的有效浓度。
    • 广义的酸碱催化
      • 定义：是分子外的分子作为质子供体受体叁与催化。
      • 失去质子是广义的酸催化
      • 得到质子是广义的碱催化
      • His残基的咪唑基就是这样的基团，因此它作为很多酶的催化残基。
    • 静电催化
      • 活性中心电荷的分布可用来稳定酶促反应的过渡态。
      • 酶使用自身带电基团去中和一个反应过渡态形成时产生的相反电荷而进行的催化。
      • 酶分子经常提供带电基团的有Lys,Arg,Asp,和Glu。
    • 金属催化
      • 近1/3酶的活性需要金属离子的存在。
      • 这些酶分为：
        • 金属酶：含有紧密结合的金属离子，多数为过渡金属。（铁2，铁3）
        • 金属激活酶：溶液中的金属离子松散的结合，通常是碱金属或碱土金属。（钠离子，锰离子，钙离子）
    • 供价催化
      • 酶在催化过程中，必须与底物上的某些基团暂时形成不稳定的供价中间物的一种催化方式。
    • 底物形变
      • 当酶与底物相遇时，酶分子诱导底物分子内敏感键更加敏感，产生“电子张力”发生形变，比较接近它的过渡态。
  • 几种常见酶的结构与功能
    • 蛋白质的催化机制：肽键水解在热力学上十分有利的，但若无蛋白酶的催化，一个肽键在标准条件下约需300到600年的时间才能完成水解。
    • 酶活性中心催化基团的性质，蛋白酶可以分为
      • 丝氨酸蛋白酶
      • 金属蛋白酶
      • 天冬氨酸蛋白酶
      • 巯基蛋白酶
    • 蛋白酶的共同性质：
      • 所有蛋白酶在催化中，都经历碳四面体过渡态。
      • 四面体过渡态形成的原因是反应涉及一个亲核基团进攻肽键的羰基碳。
      • 若是丝氨酸蛋白酶和巯基蛋白酶，进攻的亲核基团分别是ser残基的羟基和cys残基的巯基，否则就是水分子。
    • 丝氨酸蛋白酶的催化机制
      • 这类蛋白酶以一个特定的ser残基作为必须的催化基团。
      • 家族成员：胰蛋白酶，胰凝乳蛋白酶，弹性蛋白酶，凝血酶，纤溶酶……等。
      • 催化机制：属于供价催化和广义的酸碱催化的混合体，还有氧阴离子穴对过渡态的稳定。有三个不变的ser ,his,Asp残基构成的催化三元体起主导作用。
      • 构成三元催化体的三个氨基酸在催化中的具体功能
        • ser：充当进攻底物的亲和基团，作为广义酸催化。
        • his：作为广义的碱催化。
        • Asp：仅仅定向his,影响his的PKa，改变酸碱性质。
• 酶活性的调节
  • 种类
    • 酶的量变：即酶浓度发生变化。
    • 酶的质变：在不改变酶浓度的前提下对已有的酶活性进行调控。
  • 酶的量变
    • 量变的方式
      • 同工酶：为催化相同的反应，但组成或者结构不同的酶形成。
        • 同工酶之间的差别，可能是源于编码的基团相同，但不同的转录后加工或不同的翻译后加工，也可能四级结构上不同的组合。
        • 同工酶可能存在于不同的细胞，也可能存在于同一个细胞内不同的细胞器。
      • 酶的合成和降低：通过酶基因的表达产生，通过泛素等参与的降解。
        • 反应时间慢
        • 高耗能
        • 最大活性取决于酶的合成和降解的相对速率
        • 一般适合长时间酶活性的改变。
  • 酶的质变
    • 质变的手段：
      • 别构调节：
        • 能够进行别构调节的酶称为别构酶。
        • 与别构中心结合调节酶活性的配体分子称为别构效应物。
        • 别构调节可以通过反馈抑制和前馈激活来实现。
      • 共价修饰：
        • 共价修饰氨基酸改变酶的构象而调节酶的活性
        • 过程是可逆的，需要修饰酶和去修饰酶的作用。
      • 水解激活：
        • 通过水解改变酶的一级结构而激活酶活性。
        • 不可逆的，即一旦激活，就永远激活，除非用其他手段对已激活的酶进行灭活。
      • 调节蛋白：
        • 与其他蛋白质的结合或解离可以控制酶活性。
        • 调节蛋白可能是激活蛋白，也可能是抑制蛋白。
      • 单体和多聚体之间的互变
    • 特征：
      • 反应快，对刺激立刻做出反应
      • 低耗能，除非是用抑制蛋白这种手段
      • 最大的活性由已有的酶量决定。
• 维生素和辅酶
  • 1、定义
    • 维生素是:维持生物体正常生命活动必不可少的一类小分子有机化合物
  • 2、分类
    • 亲水的:溶于水( B族维生素和维生素C)
      • B族维生素
        • 特点：
          • .在自然界经常共同存在，最丰富的来源是酵母，蔬菜和动物肝脏。
          • .从低等的微生物到高等动物和人类都需要它们作为营养要素。
          • 在体内主要作为辅酶或辅基参与物质代谢和能量代谢
          • 从化学结构上看，大都含有N。
          • 从性质上看此类维生素易溶于水，对酸稳定，易被碱或热破坏
        • 功能：
          • 多数水溶性维生素在生物体内能够直接作为或转变为辅酶或辅基参与能量代谢和血细胞形成
        • 种类
          • 维生素B1 (硫胺素)
            • 辅酶:焦磷酸硫胺素 (TPP)
            • TPP是体内催化a-酮酸氧化脱羧的辅酶，也是磷酸戊糖途径中转酮酶的辅酶
            • 缺乏症:脚气病，因此又称维生素B1为抗脚气病维生素。
          • 维生素B2(核黄素)
            • 由核糖醇与7，78二甲基异咯嗪结合而成。由于氧化型的维生素B2呈现黄色，故又名为核黄素。
            • 辅基:黄素单核苷酸(FMN)和黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD),它们分别构成各种黄酶或黄素蛋白的辅基参与体内生物氧化。
            • 缺乏症:主要症状为口角炎，舌炎，阴囊炎，皮疹及角膜血管增生和巩膜充血等。
          • 维生素PP/维生素B3
            • 即维生素B3，包括烟酸和烟酰胺两种物质，两者均为吡啶衍生物，在体内可以相互转变，烟酸在人体内从色氨酸代谢产生。
            • 辅酶:辅酶Ⅰ(NAD)和辅酶Ⅱ(NADP)的成分，在生物氧化过程中起氢传递体的作用。
            • 缺乏症:主要表现为癞皮病(烟酸缺乏症
          • 泛酸(维生素B5)
            • 辅酶——CoA,三羧酸循环里运输二氧化碳。
          • 维生素B6
            • 包括吡哆醇，吡哆醛和吡哆胺三种形式，在体内可以相互转变。
            • 辅酶——主要是磷酸吡哆醛(PLP)和磷酸吡哆胺，它们在体内参与氨基酸的转氨基酸的脱羧，半胱氨酸的脱巯基作用以及糖原的分解。
            • 缺乏症:分布极光，同时，肠道细菌也能够合成它，因此在人类尚未发现单纯的维生素B6缺乏症。动物缺乏维生素B6可发生与癞皮病相似的皮炎。
          • 叶酸(维生素B9)
            • 由蝶酸和谷氨酸缩合构成，因绿叶中含量丰富而得名
            • 辅酶——5，6，7，8-四氢叶酸( FH4或THF)。其作用是参与体内“一碳单位”的转移，充当甲基，亚甲基，甲酰基，甲川基和亚胺甲基等基团的载体，在体内很多重要物质的合成中起重要作用。
            • 缺乏症:巨红细胞性贫血。
          • 生物素/维生素B7
            • 又名维生素H,为带有戊酸的噻吩与尿酸结合的骈环。
            • 辅酶——作为多种羧化酶的辅基参与CO2的固定。在细胞内，生物素通过其戊酸侧链与羧化酶的赖氨酸残疾上的 ε-NH2形成的酰胺键相连。
            • 缺乏症:鳞状皮炎，精神忧郁，脱发和无食欲。
          • 维生素B12(钴胺素）
            • 辅酶——甲基钴胺素和5‘-脱氧腺苷钴胺素。
            • 缺乏症:恶性贫血和神经系统受损。
      • 维生素C
        • 参与体内的羧基化反应
          • 胶原的合成
          • 胆酸的形成
          • 酪氨酸的降解
          • 有机药物或毒物的羧基化
          • 肾上腺素的合成
        • 抗氧化作用
          • 保护水溶性化合物巯基和使巯基再生。
          • 防止铁的氧化，促进铁的吸收
    • 疏水的:溶于脂类(维生素D,A,E和,K)
      • 维生素A
        • 维生素A是由β-白芷酮环和两分子异戊二烯单位缩合二成的不饱和一元醇，有A1和A2两种
        • 维生素A的生理功能
          • 生理功能有视黄醇，视黄醛和视黄酸来完成
          • 视黄醇和视黄酸作为脂溶性激素促进生长与发育，抗癌以及维持上皮结构的完整与健全。
          • 视黄醛构成视网膜的感光物质，作为视蛋白的辅基参与视觉的形成。缺乏它可导致夜盲症。
          • 铁的转运
          • 抗氧化作用
      • 维生素D
        • 维生素D在体内与甲状旁腺素协同作用，促进小肠对食物中钙和磷的吸收，维持血中钙和磷的正常含量，促进骨和 齿的钙化作用。维生素D具有抗佝偻病作用，故又名抗佝偻病维生素。
      • 维生素E(生育酚)
        • 有α，β，γ和δ四种，其中α-生育酚的生理效用最强。
        • 主要生理功能:强抗氧化起；与维生素A,β-胡萝卜素和维生素C一起防止脂类或脂溶性物质氧化，保护细胞膜免受氧 化损伤以及维护红细胞的完整。
      • 维生素K
        • 维生素K在体内主要作为依赖于维生素K的羧化酶的辅酶参与某些蛋白质的后加工，使这些蛋白质分子上的特定谷 氨酸残疾经历γ-羧基修饰最终激活它们的活性。需要进行γ-羧基化修饰的蛋白质有凝血因子和X以及骨钙蛋白。