酶与酶促反应

关于酶与酶促反应，主要内容有酶的分子结构与功能、酶的工作原理、酶促反应动力学、酶在医学重点运营等部分。

酶与酶促反应

• 酶的分子结构与功能
  • 单纯酶
    • 水解后仅有氨基酸组分而无其他组分
    • 如脲酶、某些蛋白酶、淀粉酶、脂酶、核酸酶等
  • 缀合酶
    • 由蛋白质部分和非蛋白质部分组成，其中蛋白质部分是酶蛋白，非蛋白质部分是辅因子
    • 也称全酶，只有全酶才具有催化作用
  • 分子组成中常含有辅因子
    • 辅酶
      • 通过非共价键与酶蛋白结合，结合疏松，可用透析或超滤方法除去
    • 辅基
      • 与酶蛋白形成共价键，结合紧密，不易被透析与超滤除去，酶促反应中辅基不能离开酶蛋白
    • 辅因子多为小分子有机化合物或金属离子
      • 有机化合物多为B族维生素的衍生物，在酶促反应中主要参与传递电子、质子或起运载体作用
      • 金属离子是最常见的辅因子
        • 作为酶活性中心组成部分参与反应
        • 作为连接酶与底物的桥梁
        • 可以中和电荷，减小静电斥力，有利于酶与底物的结合
        • 稳定酶的空间构象
    • 金属激活酶
      • 有的金属离子虽为酶的活性必需，但与酶的结合是可逆过程，该酶为金属激活酶
    • 金属酶
      • 金属离子与酶结合紧密，提取过程不易丢失的酶
    • 有些酶可以同时含有多种不同类型的辅因子，如细胞色素酶既含有细胞色素氧化酶，又含有铜离子
  • 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的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
    • 与酶活性密切相关的基团称为酶的必需基团
      • 常见的有：丝氨酸残基的羟基、半胱氨基酸残基的巯基等
    • 酶活性中心的必需基团可以分
      • 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
        • 影响底物中某些化学键的稳定性，催化底物发生化学反应
    • 具有三维结构，往往形成裂缝或凹陷（至少有一个活性中心
  • 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称为同工酶
• 酶的工作原理
  • 酶不同于一般催化剂的显著特点
    • 对底物具有极高的催化效率
      • 比非催化反应高10的八次方到10的二十次方倍，比一般催化剂高10的七次方到10的十三次方倍
    • 酶对底物具有高度的特异性
      • 既一种酶只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
      • 绝对特异性
        • 有的酶只作用于特定结构的底物分子，进行一种专一的反应，生成一种特定结构的产物
      • 相对特异性
        • 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，既可作用于含有相同化学键或化学基团的一类化合物
    • 酶具有可调节性
      • 许多酶的酶活性和酶含量受体内代谢物或激素的调节
    • 酶具有不稳定性
      • 某些理化因素（高温，强酸，强碱等）会让酶失去催化活性
  • 酶通过促进底物形成过渡态而提高反应速率
  • 酶与底物形成中间产物
    • 释能反应，是酶能否发生催化反应的关键
      • 诱导契合作用使酶与底物密切结合
      • 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作用
• 酶促反应动力学
  • 研究酶促反应速率以及各种因素对酶促反应速率影响机制的科学
  • 底物浓度对酶促反应速率的影响呈矩形双曲线
    • 米-曼方程
      • 认为酶（E）与底物（S）生成酶-底物中间复合物（ES），然后ES分解生成产物（P）和游离的酶E+S®（k1）ES，ES®（k2）E+S,ES®(k3）E+P，k1、k2、k3分别是各反应的速率，后来提出米氏方程：v=Vmax*<S>/(Km+<S>),Km为米氏常数，Vmax是最大反应速率
    • Km与Vmax值是重要的酶促反应动力学参数
      • 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
      • Km值是酶的特征性常数
      • Km值在一定条件下可表示酶对底物的亲和力
      • Vmax值是酶被底物完全饱和时的反应速率
  • 底物足够时酶浓度对酶促反应速率的影响呈直线关系
  • 温度对酶促反应具有双重性
    • 温度刚开始升高时，提高酶促反应速率
    • 到达一定临界值时，温度的升高让酶变性，使酶促反应速率下降，多数酶在60℃时变性，80℃时多数酶变性已经无法挽回，哺乳类动物组织中酶最适温度多在35~40℃之间
  • 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
  • 抑制剂可降低酶促反应速率
    • 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
    • 可逆抑制剂与酶非共价结合
    • 竞争抑制剂与底物竞争结合酶的活性中心
    • 非竞争性抑制剂结合活性中心之外的调节位点
  • 激活酶可提高酶促反应速率
• 酶含量的调节是对酶促反应速率的缓慢调节
  • 酶蛋白合成可以被诱导或阻遏
  • 酶的降解与一般蛋白质降解途径相同
• 酶的调节
  • 别构调节
    • 通过改变酶的构象来改变酶的活性
  • 化学修饰调节
    • 通过某些化学基团与酶的共价可逆来影响酶的活性
  • 酶原需要通过激活过程才能转变为有活性的酶
• 酶的分类与命名
  • 根据其催化反应类型来分类
    • 氧化还原酶类，催化氧化还原反应
    • 转移酶类，催化底物之间基团转移或交换
    • 水解酶类，催化水解反应
    • 裂合酶类，催化从底物移去一个基团并形成双键的反应及其逆反应
    • 异构酶类，催化内部基团的位置互换等
    • 连接酶类，催化两种底物形成一种产物并同时有高能键水解和释能的酶
• 酶在医学中的应用
  • 酶与疾病的发生，诊断以及治疗密切相关
    • 许多疾病与酶的质和量的异常相关
  • 可作为试剂用于临床检验和科学研究
• 酶的化学本质是蛋白质，是生物体内重要的生物催化剂