生物化学003酶

生物化学与分子生物学 ，重点掌握 ①酶的催化作用：酶的分子结构与催化作用，酶促反应的特点，酶-底物复合物。 ②酶辅助因子：维生素与辅酶的关系，辅酶作用，金属离子作用。 ③酶促反应动力学：Km和Vm的概念，最适pH和最适温度。 ④抑制剂与激活剂：不可逆抑制，可逆抑制，激活剂。 ⑤酶活性的调节：别构调节，化学修饰调节，酶原激活，同工酶。 ⑥核酶：核酶的概念。

生物化学003酶

• 重点掌握
  • ①酶的催化作用：酶的分子结构与催化作用，酶促反应的特点，酶-底物复合物。
  • ②酶辅助因子：维生素与辅酶的关系，辅酶作用，金属离子作用。
  • ③酶促反应动力学：Km和Vm的概念，最适pH和最适温度。
  • ④抑制剂与激活剂：不可逆抑制，可逆抑制，激活剂。
  • ⑤酶活性的调节：别构调节，化学修饰调节，酶原激活，同工酶。
  • ⑥核酶：核酶的概念。
• 一、酶的催化作用
  • 1．酶的分子结构与催化作用
    • （1）酶的分子组成
      • 酶是由活细胞合成、对其特异性底物起高效催化作用的蛋白质，是机体催化各种代谢反应最主要的催化剂。
      • 按分子组成不同，酶可分为单纯酶和结合酶。
      • 体内大多数酶属于结合酶。
      • ①单纯酶
        • 是指仅含有蛋白质的酶，如脲酶、某些蛋白酶、淀粉酶、脂酶、核酸酶等。
      • ②结合酶
        • 是指由酶蛋白和辅助因子组成的酶。
    • （2）辅助因子的分类
      • 辅助因子按其与酶蛋白结合的紧密程度及作用特点不同，分为辅酶和辅基。
      • 记忆：
        • 辅基主要成分为金属离子＋小分子物质，不能离开酶蛋白独立存在-记忆为金鸡太小，还不能独立（金鸡独立）。
        • 辅酶则与之相反。
    • （3）酶的活性中心
      • 总述
        • 是酶分子中能与底物特异地结合并催化底物转变为产物的具有特定三维结构的区域。
        • 酶的活性中心是酶分子执行其催化功能的部位。
        • 辅酶和辅基往往是酶活性中心的组成成分。
        • 酶分子中有许多化学基团，但它们并非都与酶的活性有关，其中一些与酶活性密切相关的基团，称为酶的必需基团。
        • 常见的必需基团有丝氨酸残基的羟基、组氨酸残基的咪唑基、半胱氨酸残基的巯基、酸性氨基酸残基的羧基等。
        • 有的必需基团位于酶的活性中心内，有的必需基团位于酶的活性中心之外。
        • 酶的活性中心示意图
      • ①酶活性中心内的必需基团
        • 有结合基团和催化基团之分。
        • A.结合基团
          • 其作用是识别和结合底物和辅酶，形成酶-底物复合物。
        • B.催化基团
          • 其作用是影响底物中某些化学键的稳定性，催化底物发生化学反应，进而转变成产物。
      • ②酶活性中心外的必需基团
        • 虽然不直接参与催化作用，却为维持酶活性中心的空间构象和（或）作为调节剂的结合部位所必需。
  • 2．酶促反应的特点
    • 酶是一类生物催化剂，遵守一般催化剂的共同规律，但酶也有与一般催化剂不同的特点：
    • （1）极高的催化效率
      • 酶的催化效率通常比非催化反应高10^8~10^20倍，比一般催化剂高10^7~10^13倍。
      • 酶的高效催化性是通过降低反应所需的活化能实现的。
      • 这是因为，即使是热力学上允许进行的反应，也只有那些能量较高的活泼分子才有可能进行化学反应。
      • 这些能量较高的分子称为活化分子，它们在反应体系中通过分子-分子相互作用从其他分子获能。
      • 使分子从基础状态达到活化分子所需要的能量，称为活化能。
      • 活化能的高低决定反应体系活化分子的多少，即决定反应速度。
      • 欲提高反应速度，可外加能量（如加热），或降低反应所需的活化能。
      • 酶可通过降低反应的活化能而加速化学反应速度。
      • 酶促反应活化能的变化
    • （2）高度的特异性
      • 与一般催化剂不同，酶对所催化的底物具有较严格的选择性，即一种酶仅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
      • ①绝对专一性
        • 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。
        • 这种特异性称为绝对专一性。
        • 如脲酶仅能催化尿素水解生成CO2和NH3。
        • 有些具有绝对专一性的酶可以区分光学异构体和立体异构体，只能催化一种光学异构体或立体异构体进行反应。
        • 例如，乳酸脱氢酶仅催化L-乳酸脱氢生成丙酮酸，而对D-乳酸无作用。
      • ②相对专一性
        • 有些酶对底物的专一性不是根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，因而可以作用于含有相同化学键或化学基团的一类化合物，这种选择性称为相对专一性。
        • 如磷酸酶对一般的磷酸酯键都有水解作用，可水解甘油或酚与磷酸形成的酯键。
    • （3）酶促反应具有可调节性
      • 许多酶的活性和酶量受体内代谢物或激素的调节。
      • 例如，磷酸果糖激酶-1的活性受AMP的别构激活，而受ATP的别构抑制。
      • 机体通过对酶的活性与酶量的调节使得体内代谢过程受到精确调控，以使机体适应内外环境的不断变化。
  • 3．酶-底物复合物
    • 酶在发挥催化作用之前，必须先和底物密切结合。
    • 这种结合不是锁与钥匙式的机械关系，而是在酶和底物相互接近时，其结构相互诱导、相互变形和相互适应，进而相互结合。
    • 这一过程称为酶-底物结合的诱导契合。
    • 酶的构象改变有利于酶与底物结合，形成酶-底物中间复合物；
    • 底物在酶的诱导下也发生变形，处于不稳定的过渡态，易受酶的催化攻击。
    • 过渡态分子和酶活性中心的结构相互吻合。
• 二、酶辅助因子
  • 1．维生素与辅酶的关系
    • 注意：
      • ①维生素B包括维生素B1（硫胺素）、B2（核黄素）、B3(烟酸）、B5(泛酸、B6(吡哆醇、吡哆醛、吡哆胺）、B7（生物素）、B11(叶酸、四氢叶酸）、B12(（钴胺素）等。
      • ②抗坏血酸为维生素C。
  • 2．辅酶的作用
    • 辅酶在酶促反应中主要是作为电子、质子、基团传递的运载体。
    • 如四氢叶酸是一碳单位的载体，辅酶I可传递氢和电子。
  • 3．金属离子的作用
    • （1）金属离子
      • 金属离子是最常见的辅助因子，约2／3的酶含有金属离子。
      • ①金属酶
        • 金属离子与酶结合紧密，提取过程中不易丢失，如羧基肽酶、黄嘌呤氧化酶等。
      • ②金属激活酶
        • 金属离子与酶结合不甚紧密，为可逆性结合，如己糖激酶、肌酸激酶等。
    • （2）金属离子作为酶的辅助因子的主要作用
      • ①作为酶活性中心的组成部分参与催化反应，使底物与酶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；
      • ②作为连接酶与底物的桥梁，形成三元复合物；
      • ③金属离子还可以中和电荷，减小静电斥力，有利于底物与酶的结合；
      • ④金属离子与酶的结合还可以稳定酶的空间构象。
• 三、酶促反应动力学
  • 1.Km和Vmax的概念
    • （1）米-曼方程（Michaelis equation）
      • 酶促反应动力学是研究酶促反应速率及其影响因素的科学。
      • 米-曼方程是解释酶促反应速率(v)与底物浓度［S］之间关系的方程式：
      • 其中，Vmax为最大反应速度，［S］为底物浓度，Km为米氏常数。
    • （2）米氏方程推导过程中的几种特例
      • ①当［S］远大于Km时，v=Vmax即零级反应。
      • ②当［S］远小于Km时，v=Vmax/Km[S]。
      • ③当v=1/2Vmax时，Km=[S]。即Km定义，Km等于酶促反应速度为最大速度一半时的底物浓度。
      • 底物浓度对酶促反应速率的影响
    • (3))Km的特点
      • ①Km是酶的特征性常数之一，只与酶的结构、底物、温度、pH、离子强度有关，而与酶浓度无关。
      • ②一种酶有多种底物时，每种底物的Km值各不相同，所以Km与底物pH等有关。
      • ③如有几种底物时，Km最小的一种底物叫天然底物。
      • ④对于同一底物，不同的酶有不同的Km值。
      • ⑤Km在一定条件下可表示酶对底物的亲和力，Km值越小，表示亲和力越大。
    • (4)Vmax
      • Vmax是酶完全被底物饱和时的反应速度，与酶浓度成正比。
  • 2．最适pH和最适温度
    • （1）最适pH
      • 酶活性受其所在环境pH的影响而有显著差异。
      • 通常将酶催化活性最高时反应体系的pH称为酶促反应的最适pH。
      • 溶液pH偏离最适pH时，无论偏酸还是偏碱，都将使酶的活性降低。
      • 远离最适pH还会使酶变性失活。
      • 动物体内多数酶的最适pH接近中性，但也有例外，如胃蛋白酶的最适pH为1.8，肝精氨酸酶为9.8，胰蛋白酶为7.8。
      • 最适pH不是酶的特征性常数，它受底物浓度、缓冲液种类与浓度、酶纯度等因素的影响。
      • pH对酶促反应速率的影响
      • 温度对酶促反应速率的影响
      • 酶浓度对酶促反应速率的影响
    • （2）最适温度
      • 酶对温度的变化极为敏感，温度对酶促反应速率有双重影响。
      • 若自低温开始，逐渐升高温度，则酶促反应速度随之加快；但达到某一温度后，继续升高温度，则酶促反应速度反而下降。
      • 这是因为升高温度一方面可加快反应速度，同时也增加酶变性的机会。
      • 通常将酶促反应速率最快时反应体系的温度称为酶促反应的最适温度。
      • 人体组织中酶的最适温度多为35～40℃之间。
      • 能在较高温度生存的生物，细胞内酶的最适反应温度也较高，如Taq DNA聚合酶的最适温度为72℃。
      • 酶的最适温度不是酶的特征性常数，它与反应进行的时间有关。
      • 酶可以在短时间内耐受较高的温度。
      • 相反，延长反应时间，最适温度便降低。
  • 3．酶浓度对酶促反应速率的影响
    • 当底物足够时，酶浓度对酶促反应速率的影响呈直线关系。
    • 若［S］远大于［E］，则反应中［S］浓度的变化量可以忽略不计。
    • 此时，随着酶浓度的增加，酶促反应速率增大，两者呈现正比关系。
• 四、抑制剂与激活剂
  • 1．不可逆抑制
    • （1）抑制剂
      • 凡能使酶催化活性下降而不引起酶蛋白变性的物质统称为酶的抑制剂。
      • 根据抑制剂与酶结合的紧密程度不同，酶的抑制作用分为不可逆抑制和可逆性抑制。
    • （2）不可逆抑制
      • 抑制剂与酶活性中心上的必需基团形成共价结合，不能用简单透析、超滤等方法予以去除，这一类抑制剂称为不可逆抑制剂，所引起的抑制作用称为不可逆抑制作用。
  • 2．可逆性抑制
    • 抑制剂以非共价键与酶或中间复合物发生可逆性结合，使酶活性降低或消失，应用简单透析、超滤等方法可以去除，这种抑制称为可逆性抑制。
    • 可逆性抑制分为竞争性抑制、非竞争性抑制和反竞争性抑制。
  • 3．激活剂
    • 使酶由无活性变为有活性或使酶活性增高的物质，称为酶的激活剂。
    • 激活剂多为金属离子，如Mg2+、K+、Mn2＋等；少数为阴离子，如Cl-等；也有许多有机化合物激活剂，如胆汁酸盐等。
    • 大多数金属离子激活剂对酶促反应是不可缺少的，这类激活剂称为必需激活剂，它们与酶、底物或酶-底物复合物结合参加反应，但不转化为产物。
    • 有些激活剂不存在时，酶仍有一定的催化活性，这类激活剂称为非必需激活剂。
    • 例如，Cl-是唾液淀粉酶的非必需激活剂。
• 五、酶活性的调节
  • 1．别构调节（变构调节）
    • 别构酶是指一些效应剂与关键酶分子活性中心外的某个部位可逆性结合，使酶发生变构而改变其催化活性的一组酶。
    • 使酶活性增加的效应剂称别构激活剂，使酶活性减弱的效应剂称别构抑制剂。
    • 别构酶（曾称变构酶）有如下特点：
      • ①其速度方程不符合米氏方程，反应速度与底物浓度的曲线为“S”形（米-曼方程为矩形双曲线）。
        • 其速度方程式为：
        • 其中n为每个酶分子能结合作用物分子的数目，K为常数。
      • ②别构酶多是关键酶，催化的反应常是不可逆反应。别构酶在细胞内控制着代谢通路的闸门。
      • ③别构调节可引起酶的构象变化。
      • ④别构酶常由多亚基组成，但并非都有催化亚基和调节亚基，S状曲线反映了多个亚基间具有协同作用。
      • ⑤别构调节剂可能是，也可能不是参与反应的辅酶、底物或产物。
      • ⑥别构酶有两个中心，即催化中心和调节中心（并非催化亚基和调节亚基）。
      • ⑦别构调节是酶的快速调节方式之一。
  • 2．化学修饰调节
    • 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，这一过程称为酶的化学修饰（共价修饰）。
    • 酶的化学修饰特点包括：
      • ①调节酶所发生的化学修饰有多种形式，如磷酸化和脱磷酸化、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和-S-S-的互变等，其中以磷酸化修饰最常见。
      • ②化学修饰的酶促反应进行较快，因此是体内酶的快速调节方式之一。
      • ③调节酶在酶催化下所发生的化学修饰是不可逆反应。如果逆行，需在另一种酶催化下方可进行。
      • ④酶分子发生化学修饰后或引起亚基（亚单位）的聚合或解聚，或改变酶分子与其他相互作用分子的识别、结合能力，可影响代谢信号通路功能。
      • ⑤此类酶所催化的反应较别构酶广泛，可以是限速反应，也可以是限速反应以外的反应。
      • ⑥因为这类酶发生的化学修饰属于酶促反应，催化效率高，此外一种化学修饰调节的酶常与其他化学修饰酶组合在一起，形成级联反应，所以有放大效应，也使代谢调节变得更加精细、准确。
    • 注意：
      • ①别构调节和化学修饰（共价修饰）都是酶的快速调节。酶的诱导和阻遏是酶的缓慢调节。
      • ②化学修饰调节以调节代谢强度为主，别构调节主要通过影响关键酶而调节代谢变化方向。
  • 3．酶原激活
    • （1）概念
      • 有些酶在细胞内合成或分泌时，是无活性的前体，必须在一定条件下，水解一个或几个特定的肽键，致使构象发生变化，表现出酶的活性，这个过程称为酶原的激活。
      • 酶原的激活大多是经过蛋白酶的水解作用，去除一个或几个肽段后，导致分子构象改变，从而表现出催化活性。
      • 酶原的激活实际上是酶的活性中心形成或暴露的过程。
      • 例如，胰蛋白酶原进入小肠后，受肠激酶的作用，第6位赖氨酸残基与第7位异亮氨酸残基之间的肽键断裂，水解掉一个六肽，分子构象发生改变，形成酶的活性中心，从而成为有催化活性的胰蛋白酶。
      • 胰蛋白酶原的激活
    • （2）生理意义
      • 酶原激活具有重要的生理意义：
      • 一方面保护细胞本身的蛋白质不受蛋白酶的水解破坏，另一方面保证合成的酶在特定部位和环境中发挥生理作用。
      • 如血液中通常存在的凝血酶原不会在血管中引起凝血，只有当出血时，血管内皮损伤暴露的胶原纤维所含的负电荷活化了FXII，进而将凝血酶原激活成凝血酶，才能发挥凝血作用，使血液凝固。
  • 4．同工酶
    • （1）定义
      • 同工酶是指催化相同化学反应，但酶蛋白的分子结构、理化性质及免疫学性质均不相同的一组酶。
    • （2）同工酶的测定
      • 同工酶的测定已应用于临床疾病的诊断。
      • 如乳酸脱氢酶有5种同工酶，其中LDH1的含量以心肌最高，LDH3在骨骼肌含量高，LDH5在肝脏含量较高。
      • 肌酸激酶CK1在脑组织、CK在心肌、在骨骼肌含量高。
      • 利用这些特性可帮助疾病的诊断。
• 六、核酶
  • 核酶是具有催化活性的RNA，又称催化性RNA。
  • 如蛋白质生物合成过程中的肽基转移酶就属于核酶。
  • 核酶的发现在理论上和实际应用上均有重大意义。
  • 在生命起源理论上，能较好地解释自然界中先有核酸，还是先有蛋白质的问题，对于生命起源和生命进化的研究有着重要的启示；
  • 在实践上，由于核酶有内切酶活性，切割位点高度特异，因此，可以用来切割特定的基因转录产物。
  • 只要设计时使核酶的配对区碱基与要被其降解的mRNA有合适的配对，就能进行特异切割，从而破坏mRNA，抑制基因表达。
  • 这为基因功能研究、病毒感染、肿瘤的治疗提供了一个可行的途径和非常有希望的前景。
• 生物化学 003 酶