临床执医-生物化学与分子生物学-003酶与酶促反应

生物化学与分子生物学的思维导图，包括酶的分子结构与功能、酶的工作原理、酶促反应动力学、酶的调节等内容。

三、酶与酶促反应

• 《生物化学》- 1.酶的分子结构与功能
  • 酶是由活细胞产生的、对其底物具有高度特异性和高度催化效能的蛋白质。
  • 一、酶的分子组成中常含有辅助因子
    • (一)单纯酶：仅由蛋白质组成的酶称为单纯酶
    • (二)结合酶：由酶蛋白和辅助因子共同构成的酶
      • 1.酶蛋白：决定酶的特异性
      • 2.辅助因子
        • 按与酶蛋白结合的紧密程度分为辅酶和辅基，主要有小分子有机化合物和金属离子。可决定酶促反应类型；在维持分子构象，参与活性中心组成及在传递电子、原子中起重要作用。
        • (1)辅酶：结合疏松、透析/超滤可除去，在反应中辅酶接受质子或基团后离开酶蛋白。
        • (2)辅基：结合紧密、透析/超滤不能除去，反应中辅基不能离开酶蛋白。
  • 二、酶的活性中心
    • 1.酶的活性中心：酶分子中能与底物特异结合，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。
    • 2.必需基团：酶分子中氨基酸残基的侧链由不同的化学基团组成，其中一些与酶的活性中心密切相关的化学基团称为酶的必需基团，依存在部位不同又可分为活性中心内必需基团与活性中心外必需基团。
    • 3.活性中心内的必需基团
      • 结合基团：与底物相结合的基团
      • 催化基团：催化底物转变成产物的基团。
    • 4.活性中心外的必需基团
      • 位于活性中心以外，不直接参与催化作用，是维持酶活性中心的空间构象、作为调节剂的结合部位所必需。
  • 三、同工酶
    • 指催化相同的化学反应，而酶蛋白的分子结构、理化性质乃至免疫学性质不同的一组酶。
• 《生物化学》- 2.酶的工作原理
  • 一、酶促反应的特点
    • (一)酶对底物具有极高的催化效率
      • 酶的催化机理是降低反应的活化能；酶的催化效率通常比非催化反应高1亿~ 10万亿亿倍，比一般催化剂高0.1亿~10万亿倍。
    • (二)酶对底物具有高度的特异性
      • 1.绝对专一性：一种酶只能催化一种底物，催化一种反应。
      • 2.相对专一性：一种酶可作用于一类化合物或一种化学键，例如：消化道中各种蛋白酶对肽键的专一性。
  • 二、酶通过促进底物形成过渡态而提高反应速率
    • (一)酶比一般催化剂更有效地降低反应的活化能
      • 酶与一般催化剂一样，通过降低反应的活化能，从而提高反应速率，但酶能使其底物分子获得更少的能量便可进入过渡态。
    • (二)酶与底物结合形成中间产物
      • 酶催化底物反应时，必须首先与底物结合形成中间产物。酶与底物结合的过程是释能反应，释放的结合能是降低反应活化能的主要能量来源。酶活性部位的结合基团能否有效地与底物结合，并将底物转化为过渡态，是酶能否发挥其催化作用的关键。
• 《生物化学》- 3.酶促反应动力学
  • 酶促反应动力学是指，研究各种因素对酶促反应速度V的影响，并加以定量的阐述；其影响因素有：酶浓度[E]、底物浓度[S]、pH、温度T、抑制剂及激活剂等。
  • 一、底物浓度对酶促反应速率的影响
    • [S]对V的影响呈矩形双曲线关系，此矩形双曲线可用米-曼氏方程表示。
    • 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，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。Km越大酶对底物的亲和力越小，Km越小酶对底物的亲和力越大。
  • 二、酶浓度对酶促反应速率的影响
    • 当底物浓度远远大于酶浓度，酶可被底物饱和的情况下，酶浓度和酶促反应速率呈正比关系。
  • 三、温度对酶促反应速率的影响具有双重性
    • 最适温度不是酶的特征常数，它与反应进行的时间有关
  • 四、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
    • 最适pH不是酶的特征性常数，它受底物浓度，缓冲液的浓度和种类及酶的纯度等影响。
  • 五、抑制剂可降低酶促反应速率
    • 抑制剂是指能使酶的活性下降而不引起酶蛋白变性的物质。抑制剂可与酶的活性中心或活性中心之外的调节位点结合，从而抑制酶的活性。根据其作用的方式不同，可将抑制作用分为不可逆抑制、可逆抑制两大类。
    • 1.不可逆抑制剂作用
      • 不可逆抑制作用是指抑制剂以共价键与酶分子的必需基团结合，使酶活性丧失，而抑制剂不能用透析、超滤等方法去除。
    • 2.可逆性抑制剂作用
      • 可逆性抑制是指抑制剂与酶以非共价键可逆性结合使酶活性降低或消失。采用透析、超滤或稀释等物理方法可将抑制剂除去，使酶活性恢复。
      • 根据抑制剂与酶的结合方式不同，可逆性抑制主要分为竞争性抑制作用、非竟争性抑制作用、反竞争性抑制作用。
      • (1)竞争性抑制作用
        • 抑制剂与底物结构相似，可与底物竞争酶的活性中心，从而阻碍酶与底物形成中间产物，这种抑制作用称为竞争性抑制作用。其抑制作用的强弱取决于抑制剂与酶的相对亲和力及与底物浓度的相对比例，加大底物浓度可减轻甚至解除抑制作用。因动力学特点，表观Km增大但Vmax不变。
      • (2)非竞争性抑制作用
        • ①抑制剂与底物结构不相似与酶活性中心外的调节位点可逆性结合，使酶失去活性，抑制剂不影响酶与底物结合，底物也不影响酶与抑制剂结合，底物与抑制剂之间无竞争关系，但抑制剂-酶-底物复合物不能进一步释放产物。这种抑制作用称为非竞争性抑制作用。其抑制作用的强弱取决于抑制剂的浓度及其与酶的亲和力，与底物的浓度无关。
        • ②动力学特点：表观Km不变；但Vmax降低。
      • (3)反竞争性抑制剂作用
        • ①此类抑制剂与非竞争性抑制剂一样，也是与酶的活性中心外的调节位点结合，但产生此种抑制作用的抑制剂仅与酶和底物形成的中间复合物结合，使中间复合物的量下降。这种抑制作用称为反竞争性抑制作用
        • ②动力学特点：表观Km降低；Vmax降低。
  • 六、激活剂可提高酶促反应速率
    • 使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加的物质称为酶的激活剂，激活剂大多数为金属离子。
• 《生物化学》- 4.酶的调节
  • 概述
    • 酶调节对象：代谢途径的关键酶
    • 关键酶催化的反应具有以下特点
      • (1)速度最慢：它的速度决定整个代谢途径的总速度，故又称其为限速酶。
      • (2)催化单向不可逆反应：它的活性决定整个代谢途径的方向。
  • 一、酶活性的调节是对酶促反应速率的快速调节
    • (一)别构效应剂通过改变酶的构象而调节酶活性
      • 1.别构调节：代谢物与酶分子活性中心外的某个部位非共价可逆地结合，使酶构象改变，从而改变酶的催化活性。
      • 2.别构效应剂：根据效应剂是否可以使酶与底物的亲和力增强，能否加快反应速率，分为变构激活剂和变构抑制剂。
    • (二)酶的化学/共价修饰调节
      • 1.共价修饰
        • 某些酶蛋白肽链上的一些基团可与某种化学基团发生可逆的共价结合，从而改变酶的活性，此过程称为共价修饰或化学修饰。酶的共价修饰有多种形式，其中最常见的形式是磷酸化和去磷酸化。
      • 2.共价修饰的特点
        • (1)酶有高活性或低活性两种形式，共价修饰可使两种形式互变。
        • (2)共价修饰是酶促反应，一分子酶可催化许多其它酶蛋白发生磷酸化。
    • (三)酶原需要通过激活过程才能转变为有活性的酶
      • 1.酶原：无活性的酶的前体
      • 2.酶原激活：使酶原转变为有活性的酶
      • 3.激活的本质：使酶活性中心形成或暴露
      • 4.酶原存在的意义：避免酶对细胞进行自身消化，保护机体。
      • 5.酶原激活的意义
        • (1)使酶在特定的部位和环境中发挥作用，保证体内代谢正常进行。
        • (2)有的酶原可以视为酶的储存形式。需要时，酶原转变成有活性的酶，发挥催化作用。
  • 二、酶含量的调节是对酶促反应速率的缓慢调节
    • 1.酶含量的调节：是对酶生成量与降解量的调节，即对酶合成与分解速率的调节。
    • 2.诱导剂或阻遏剂：诱导剂是在转录水平上促进酶生物合成的化合物；阻遏剂是在转录水平上减少酶生物合成的物质。酶的诱导与阻遏作用是对代谢的缓慢而长效的调节。
• 临床执医 生物化学与分子生物学 003 酶促反应