生物化学-酶

生物化学-酶的思维导图，内容有酶通论、酶促反应动力学、酶的作用机制和酶的调节，一起来看。

酶

• 酶通论
  • 酶催化作用的特点
    • 酶与一般催化剂比较
      • - 酶能改变反应速度，但不改变反应平衡常数，酶本身前后不变 - 酶能够为稳定底物形成过渡状态，降低反应活化能，从而加速反应进行 活化能：使1mol底物进入活化状态所需的自用能
    • 酶作为生物催化剂的特点
      • - **高催化效率** 通过酶的转换系数（TN，等于催化常数kcat）表示酶的催化效率。 一定条件下每秒钟每个酶分子转换底物的分子数；或每秒每微摩尔酶分子转换底物的摩尔数 Kcat越大，酶的催化效率越高 - **高度专一性** 酶对催化反应的类型和反应物有严格选择性。酶通常只催化一种或一类反应，作用于一种或一类底物。 - **酶活性受调节和控制** - 调节酶浓度：诱导或抑制酶的合成；调节酶的降解 - 通过激素调节酶的活性 激素与受体结合引发生物学活性 - 反馈抑制调节酶活性 - 抑制剂或激活剂调节酶活性 - 其他调节方式：通过别构调节、酶原激活、酶的可逆性共价修饰和同工酶调节酶活性 - **酶易失活**
  • 酶的化学本质及其组成
    • 酶的化学本质
      • 除具有催化活性的RNA外都是蛋白质 依据
    • 酶的化学组成
      • **组成成分** - 单纯蛋白质：除了蛋白质不含其他物质 - 缀合蛋白质 除蛋白质外含有非蛋白质小分子物质或金属离子（辅因子）。 全酶=脱辅酶（蛋白质）+辅因子（辅基/辅酶） - 酶蛋白决定反应专一性；辅因子决定反应类型
    • 单体酶、寡聚酶、多酶复合体
      • - 单体酶：由单一亚基构成的酶 - 寡聚酶：由多个相同或不同亚基通过非共价键连接组成的酶 - 多酶复合体：几种具有不同催化功能的酶彼此聚合形成的体系 - 多功能酶：一条肽链上具有多种不同的催化功能称为多功能酶
  • 酶的命名和分类
    • 习惯命名法
      • - 根据酶作用的底物命名 - 根据酶的催化性质命名
    • 国际系统命名法
      • 6大类： - 氧化还原酶类 - 转移酶类 - 水解酶类 - 裂合酶类 - 异构酶类 - 连接酶类
  • 酶的专一性
    • 酶的专一性
      • - 结构专一性 - 绝对专一性 作用于一种底物 - 相对专一性 作用于一类结构相似的底物 - 立体异构专一性 - 旋光异构专一性 酶具有旋光异构体时，酶只作用其中一种 - 立体异构专一性 一种酶只作用几何异构体中的一种
    • 关于酶专一性假说
      • - 锁钥假说 酶活性部位刚性，形状刚好与底物相吻合 - 诱导契合假说 酶与底物在结构上相互诱导、相互变形、相互适应，结合形成酶-底物复合物
  • 酶的活力测定和分离纯化
    • 酶活力的测定
      • **酶活力** - 酶催化一定化学反应的能力，其大小可以用在一定条件下其催化的某一化学反应的反应速率表示 - 酶促反应速率：一定条件下所催化的化学反应的反应速度表示。即单位时间内底物的减少量或产物的增加量 - 随反应时间延长，酶反应速率降低 - **酶的活力单位** - 酶的活力单位U，表示酶含量，一定条件下一定时间内将一定量底物转化为产物所需的酶量（U/G或U/ml） - 国际单位IU，最适反应温度下，每分钟内转化1微摩尔底物为产物所需的酶量为一个酶活力单位。 1IU=1μmol/min - Kcat，每秒钟催化1mol底物为产物所需的酶量。 **酶的比活力** 表示酶的纯度。酶㎎酶蛋白所含的酶活力单位。同一种酶，比活力越高，纯度越高，催化能力越强。 **酶活力测定方法** - 分光光度法 - 荧光法 底物或产物荧光性质差异测定，灵敏度高，检测易受干扰 - 同位素测定法 - 电化学法
    • 酶的分离纯化
      • - 选材 - 破碎 - 抽提 - 分离纯化 - 结晶 - 保存
  • 核酶
    • **概念 **核酶是具有催化能力的RNA，化学本质是核糖核酸，具有酶的催化功能，其底物通常是核酸 **功能** - 参与DNA的合成与修复、参与RNA合成后的剪接等重要基因复制和基因表达的过程 - 清除多余、结构或功能异常的核酸以及侵入细胞的外源核酸 **意义及应用前景** 
  • 抗体酶
    • 具有催化能力的蛋白质，本质是免疫球蛋白，其可变区被赋予酶的属性 **意义** 
  • 酶工程
    • **化学酶工程** - 天然酶 微生物发酵获取的粗酶，价格低、应用方式简单，产品种类少、适用范围窄。 - 化学修饰酶 对酶分子化学修饰改善酶的性能 - 固定化酶 将水溶性酶用物理或化学方法处理，使之成为不溶于水的，但仍具有酶活性的状态。具有高的催化效率和高度专一性，提高了对酸碱和温度的稳定性，增加了酶的使用寿命。酶的固定化方法包括： - 物理法：吸附、包埋 - 化学法：共价偶联法、交联法 **生物酶工程** - 生物酶工程是以酶学和DNA重组技术为主的现代分子生物学技术相结合的产物 - 研究对象：用基因工程大量生产酶（克隆酶）；对酶基因进行修饰，产生遗传修饰酶（突变酶）；设计新酶基因，合成自然界不存在的新酶
• 酶促反应动力学
  • 化学动力学基础
    • 反应速率
      • 单位时间内反应物或生成物的浓度的改变
    • 反应分子数和反应级数
      • - 零级反应 反应速率与反应浓度无关而受其他因素影响而改变的反应。其反应速率为一常数 - 一级反应 反应速率与反应物浓度的一次方成正比的反应 - 二级反应 反应速率与反应物浓度的二次方成正比的反应
  • 底物浓度对酶反应速率的影响
    • 酶反应与底物的关系
      • - 低底物浓度时，反应速率与底物浓度成正比，一级反应 - 随底物浓度增加，反应速率与底物浓度不再呈比例增加，表现为混合级反应 - 当底物浓度增加到一定值，反应速度达到最大值，再增加底物浓度，反应速度不再增加，表现为零级反应
    • 中间络合物学说
      • 酶催化某一化学反应时，酶和底物结合生成中间产物ES，然后生成产物P，释放出酶E
    • 酶促反应的动力学方程式
      • <strong>米氏方程的推导</strong>！！！
        • 假定底物浓度远远大于酶浓度，中间产物ES分解为产物的逆反应忽略不计
      • 动力学常数的意义
        • **米氏常数** - Km值是酶促反应速率达到最大反应速率一半时的底物浓度，单位时mol/L 意义： - Km值是酶的特征常数，只与酶的性质有关，与酶的浓度无关 - Km值可用于判断酶的专一性和天然底物，酶作用于几种底物就有几个Km值。酶的天然底物的Km值最小 - Km值越小，表示酶对底物的亲和力越大 - v=vmax时，此时反应速率与底物浓度无关，反应达到最大 - Km可以帮助推断某一代谢反应的方向和途径 **kcat** kcat表示当酶被底物饱和时，每秒钟每个酶分子转换底物的分子数（转换数TN），通常称为催化常数。kcat值越大，催化效率越高 在一定酶浓度下，酶对底物的Vmax是一个常数，当\[S\]很大时，Vmax=kat\[E\]
      • kcat/Km
        • - 表示酶的催化速率，越大，催化效率越高 - \[S\]<<Km时，酶反应速率取决于kcat/Km的值和\[S\] - 上限为1，即\[ES\]复合物的生成速率
      • 作图法确定Km和Vmax的值
        • 双倒数作图法  
  • 酶的抑制作用
    • 定义
      • - 失活作用 使酶蛋白变性使酶丧失酶活性的作用 - 抑制作用 酶的必需化学基团性质改变，但酶未变性，而引起的酶活力降低。引起抑制作用的物质称为抑制剂 - 变性剂对酶无选择性，抑制剂有（作用于一种或一类酶）
    • 抑制程度的表示方法
      • vi 加抑制剂后反应速率； v0 不加抑制剂时的反应速率 - 相对活力分数（残留活力分数） a=vi/v0 - 相对活力百分数 a% - 抑制分数(被抑制而失去活力的分数) i=1-a=1-vi/v0 - 抑制百分数 i%
    • 抑制作用的类型
      • 不可逆抑制作用
        • **定义** 与酶的必需基团共价结合引起酶活力丧失的抑制剂，不能通过透析、超滤等物理方法去除去污剂而使酶恢复活性。由于被抑制的酶分子受到不同程度的化学修饰，故不可逆抑制剂也为酶的修饰抑制剂。 **分类** - 非专一性不可逆抑制剂 - 有机磷化合物（敌敌畏、敌百虫、对硫磷） 抑制某些蛋白酶及脂酶活力，与酶分子活性部位的丝氨酸羟基共价结合，从而使酶失活 - 有机汞、有机砷 与半胱氨酸残基的巯基作用，抑制含巯基的酶 - 重金属盐 高浓度失活，低浓度抑制 - 烷化试剂 - 氰化物、硫化物、一氧化碳 - 青霉素 与糖肽转肽酶活性部位丝氨酸羟基共价结合，使酶失活。一旦酶失活，细菌细胞壁合成受阻，细菌生长被损害 - 专一性不可逆抑制剂 - Ks型不可逆抑制剂 与底物具有相似的结构，同时带有一个活泼的化学基团，与酶的活性部位结合后，修饰活性部位的基团使酶失活，从而抑制酶活性 - kcat型不可逆抑制剂 根据酶催化过程设计的，kcat型抑制剂具有天然底物类似的结构，且本身就是酶的底物，能结合酶发生类似底物的变化。这类抑制剂是专一性极高的不可逆抑制剂，也称为自杀性底物
      • 可逆抑制作用
        • 定义 抑制剂与酶分子以非共价键可逆性结合，抑制酶活性，可通过透析等物理方法除去抑制剂从而恢复酶活性的抑制作用 - 竞争性抑制剂 - 抑制剂与底物竞争酶的同一活性中心，从而干扰酶与底物的结合，降低酶的催化活性。例如丙二酸对琥珀酸脱氢酶的抑制作用；5-氟尿嘧啶结构与尿嘧啶相似，能抑制胸腺嘧啶合成酶的活性，从而抑制胸腺嘧啶的合成 - 特点 - 竞争性抑制剂往往是酶的底物类似物或反应产物 - 抑制剂和酶的结合部位与底物与酶的结合部位相同 - 抑制剂浓度越大，抑制作用越大 - 动力学参数：Km增大，Vmax不变 - 非竞争性抑制剂 - 抑制剂**既可以与游离酶结合，也可与ES复合物结合**，使酶的催化效率降低的抑制剂，称为非竞争性抑制剂 - 特点 - 非竞争性抑制剂的化学结构不一定与底物分子结构类似 - 底物和抑制剂分别与酶的不同部位结合 - 抑制剂对酶和底物的结合无影响，故底物浓度的改变对抑制程度无影响 - 动力学参数：**Km不变**，Vmax降低 - 反竞争性抑制剂 - 抑制剂不能与游离酶结合，但能**与ES复合物结合**并**阻止产物生成**，从而降低酶的催化活性，称为反竞争性抑制剂 - 特点 - 反竞争性的抑制剂的化学结构不一定与底物的分子结构类似 - 抑制剂与底物与酶的不同部位结合 - 必须有底物存在，抑制剂才能与酶产生作用。抑制程度随抑制剂浓度增大而增大 - 动力学参数：Km减小，Vmax降低
  • 温度对酶反应的影响
    • - 最适温度 酶促反应速度随温度升高而达到一最大值时的温度 - 酶促反应速度随温度升高而加快，当温度达到最适温度后，因酶蛋白的热变性作用，反应速度迅速下降，直至完全失活 - 低温时活化分子数目减少，反应速度降低，温度升高后酶活性恢复 - 最适温度不是酶的特征物理常数
  • pH对酶反应的影响
    • - pH过高或过低均可导致酶的催化活性下降 - 酶催化活性最高时的溶液pH值为酶的最适pH - pH影响酶活力的原因： - 过酸过碱破坏酶的空间结构，引起酶构象的改变，酶活性丧失 - pH改变不强烈时，酶虽然未变性，但活力受到影响。pH影响底物的解离状态，使底物不能和酶结合，或结合后不能生成产物；pH影响酶分子上有关活性基团的解离，从而影响与底物的结合催化，降低酶活性 - pH影响维持酶分子空间结构有关的基团的解离，从而影响酶活性部位的构象，进而影响酶活性
  • 激活剂对酶反应的影响
    • - 能促使酶促反应速度加快的物质称为酶的激活剂 - 酶的激活剂大多是无机离子，如钾离子、锰离子、镁离子、锌离子、钙离子、氯离子、磷酸根等 - Mg2+是多数激酶及合成酶的激活剂，Cl-是唾液淀粉酶的激活剂
• 酶的作用机制和酶的调节
  • 酶的活性部位
    • 概述
      • - 酶的活性中心/活性部位：酶分子中能特异性结合底物并催化底物转变为产物的具有特定三维结构的区域 - 结合基团 酶分子中与底物结合的部位或区域，决定酶的专一性 - 催化集团 促使底物发生化学变化的部位，决定酶所催化反应的性质 - 必需基团 酶分子中氨基酸残基侧链的化学基团中一些与酶活性密切相关的化学基团 - 活性中心内的必需基团 - 活性中心外的必需基团 维持酶活性中性的特定空间结构；作为调节剂的结合部位所必需
    • 酶活性部位的特点
      • - 活性部位在酶分子中只占一小部分，由几个氨基酸组成 - 酶的活性部位是一个三维实体 - 酶的活性部位与底物通过诱导契合结合 - 酶的活性部位位于酶分子表面的一个裂缝内，内部非极性基团较多，为疏水区域 - 酶的活性部位具有柔性和可运动性 - 底物通过非共价键与酶的活性部位结合
    • 研究酶活性部位的方法
      • - 酶分子侧链基团的化学修饰法 - 非特异性修饰法 - 特异性修饰法 - 亲和标记法 - 动力学参数测定法 - X射线晶体结构分析法 - 定点诱变法 改变编码蛋白质基因中DNA顺序，研究酶活性部位的必需氨基酸
  • 酶催化反应的独特性质
    • - 酶反应分为两类：1.仅涉及电子的转移；2.涉及电子和质子两者或其他基团的转移（大多数） - 酶的催化作用是由氨基酸侧链功能基团和辅酶为媒介的 - 酶催化反应的pH值狭小 - 与底物相比酶分子很大，酶的活性部位通常只比底物大一点
  • 影响酶催化效率的有关因素
    • 底物的邻近效应与定位作用
      • - 邻近效应 酶与底物结合形成中间复合物后，使底物/底物之间、酶的催化集团/底物之间结合于同一分子而使**有效浓度得到极大的升高**，而使反应速率大大增加的效应 - 定向效应 反应物反应基团之间、酶的催化集团/底物的反应基团之间的正确取位产生的效应
    • 底物的形变与诱导契合
      • 酶与底物结合后，底物分子构象发生变化，不稳定的化学键受到牵拉或变形而容易断裂，降低了反应活化能而加速反应
    • 酸碱催化
      • 质子酸提供部分质子或质子碱接受部分质子的作用，达到稳定过渡态、降低反应活化能的过程
    • 共价催化
      • 共价催化又称为亲核催化或亲电子催化。在催化时，亲核催化剂或亲电子催化剂能分别放出电子或汲取电子并作用于底物缺电子中心或负电子中心，迅速形成不稳定的共价中间复合物，降低反应活化能，使反应加速
    • 金属离子催化
      • - 金属酶 金属离子与酶紧密结合，提取过程中不易丢失，称为金属酶；含紧密结合的金属离子，多为过渡态金属离子 - 金属激活酶 金属离子与酶的结合是可逆的，这类酶称为金属激活酶；含松散结合的金属离子，如钠钾镁钙 - 金属离子的主要作用途径
    • 多元催化和协同效应
      • - 酶催化反应过程中，常常是几个基元催化反应配合在一起共同作用 - 这种多元协同催化的结果，是使酶反应加速的一个因素
    • 活性部位微环境的影响
      • - 酶分子表面有一个裂缝，活性部位位于疏水环境的裂缝中 - 化学集团的反应活性和化学反应速率在非极性介质和水性介质有显著差异（非极性介质中介电常数低） - 非极性环境中，两个带电基团之间的静电作用比在极性环境中显著增高 - 活性部位疏水环境比极性环境作用力强很多
  • 酶催化反应机制实例
    • 
  • 酶活性的调节控制
    • 别构调节
      • 定义
        • 别构调节：酶分子非催化部位与某些化合物可逆得非共价结合后发生构象改变，进而改变酶活性状态，称为酶的别构调节 效应物/别构剂：能使酶分子发生别构作用的物质，通常为小分子代谢物或辅因子。 正效应物/负效应物：导致酶活性增加/降低
      • 别构调节的方式
        • 变构剂一般以反馈方式对代谢途径的关键起始酶进行调节，最常见的是负反馈调节
      • 别构调节的特点
        • - 别构酶一般是寡聚酶，通过次级键和多亚基构成 - 在别构酶上有和底物结合及催化底物的**活性部位**，也有与调节物、效应物结合的**调节部位**；这两种部位可能位于同一亚基，也可位于不同亚基 - 异促效应中，调节部位与活性部位虽然在空间上是分开的，但相互影响，通过构象变化，产生协同效应 - 别构酶动力曲线是S形曲线 - 酶活性的改变通过酶构象的改变实现，酶构象的改变只涉及非共价键的变化 - 调节酶活性的因素多为代谢物及其类似物 - 非耗能过程 - 无放大效应
      • 别构酶的动力学特征
        • 别构酶有协同效应，其\[S\]对v的动力学曲线不是双曲线，而是S型曲线（正协同）或双曲线（负协同），不符合米氏方程 - 正协同：酶结合底物后，酶的构象发生了改变，新的构象对底物的亲和力增加，促进后续分子与酶的结合 - 负协同：底物浓度较低的范围内，酶活力上升很快，但随后底物浓度较大提高，反应速率升高很少，具有这种效应的酶称为负协同效应的别构酶
      • K型效应物和V型效应物
        • - K型效应物：改变底物的K0.5而不改变Vmax的效应物 - V型效应物：改变Vmax而不改变底物的K0.5的效应物 - 
      • 别构模型
        • - 协同模型 - 序变模型
    • 酶原激活
      • 体内合成的酶，有时不具有生物活性，经蛋白水解酶转移作用后，构象发生变化，形成活性中心，成为有活性的酶。不具有活性的蛋白质称为酶原，获得活性的过程为酶原激活 机制：酶原分子一级结构的改变导致了酶原分子空间结构的改变，使活性中心得以形成。蛋白质由无活性状态到活性状态的转变是不可逆的。 生理意义：保护自身细胞不被酶水解消化
    • 可逆的共价修饰（酶修饰结合基团）
      • 共价修饰=化学修饰：酶蛋白肽链上的一些基团可在其他酶的催化下，与某些化学基团共价结合；或在另一种酶的催化下，去掉已经结合的化学基团，从而影响酶的活性。酶的这种调节方式称为酶的共价修饰。常见的有磷酸化和去磷酸化。 机制 
  • 同工酶
    • 同工酶：催化同一反应，但酶蛋白的分子结构、理化性质及免疫学性质不同的一组酶称为同工酶 **同工酶的意义**（生物学功能）： - 是遗传标志，反映基因的变异 - 是研究基因表达的良好指标 - 与个体发育与组织分化密切相关 - 在代谢上适应不同组织、不同细胞器的不同需要
    • 乳酸脱氢酶同工酶
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