酶与酶促反应

酶与酶促反应的思维导图，介绍了酶的分子结构与功能、酶的工作原理、酶的调节、酶在医学中的应用、酶的分类与命名、酶促反应动力学的知识。

酶与酶促反应

• 酶的分子结构与功能
  • 酶的分子组成中常含有辅因子
    • 1单体酶可以是单纯酶，结合酶。；单纯酶可以是单体酶，寡聚酶。 2多酶体系和多功能酶的相同点:可以催化多种化学反应。不同点:多酶体系是多个酶组成；多功能酶是在一个酶基础上有多种催化功能。
    • 单纯酶
      • 定义:水解后仅有氨基酸组分而无其他组分的酶。如:脲酶，淀粉酶，脂酶，核酸酶等。
    • 结合酶
      • 蛋白质部分(酶蛋白)
      • 非蛋白质部分(辅因子):根据其与酶蛋白结合的紧密程度与作用特点，可分为
        • 辅酶:通过非共价键与酶蛋白相连，这种结合比较疏松，可以用透析或超滤的方法除去。
        • 辅基:与蛋酶蛋白形成共价键结合较为紧密，不易通过透析或超滤将其除去。在酶处反应中，辅基不能离开酶蛋白。
        • 辅因子多为小分子的有机化合物:如:B族维生素的衍生物或卟啉化合物。 作用:主要参与传递电子，质子或起运载体作用。
        • 金属离子(最常见)
          • 作用:1作为酶活性中心的组成部分，参加催化反应。 2作为连接酶与底物的桥梁，形成三元复合物。 3中和电荷，减小静电斥力，有利于底物与酶的结合。 4可以稳定酶的空间构象。
          • 金属酶:有的金属离子与酶结合紧密，提取过程中不易丢失。
          • 金属激活酶:有的金属离子虽为酶的活性所必须，但与酶的结合是可逆结合。
      • 酶蛋白与辅因子之间的关系:酶蛋白主要决定酶处反应的特异性及其催化机制，辅因子主要决定酶处反应的类型。 酶蛋白和辅因子单独存在时，均无催化活性，只有两者结合起来才具有催化作用。
  • 酶的活性中心是酶分子执行其催化功能的部位
    • 活性中心定义:指必需基团在空间结构上彼此靠近，组成具有特定空间结构的区域，能与底物特异性结合并将底物转化为产物。
      • 酶的活性中心具有三维结构，往往形成裂缝或凹陷。
    • 必需基团:与酶的活性密切相关的基团。如:丝氨酸残基的羟基，组氨酸残基的咪唑基，半胱氨酸残基的疏基以及酸性氨基酸残基的羧基等。
      • 结合基团作用:识别与结合底物和辅酶形成酶-底物过渡态复合物。
      • 催化基团作用:影响底物中的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。
    • 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作为调节剂的结合部位所必需。
  • 同工酶催化相同的化学反应
    • 定义:指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。
    • 同工酶是长期进化过程中基因趋异的产物。
    • 举例:动物的乳酸脱氢酶(LDH) 24小时之内活性升高，24小时之后活性降低。
      • 骨骼肌型(M型)/心肌型(H型)=5种同工酶
      • 由于亚氨基酸序列和构象的差异，所以对于底物的亲和力也不同。
        • 如:红细胞(LDH1)，白细胞(LDH2)，血清(LDH2)，骨骼肌(LDH5)，心肌(LDH1)，肺(LDH3)，肾(LDH2)，肝(LDH5)，脾(LDH3)
    • 肌酸激酶中CK2仅见于心肌(作为临床早期诊断心肌梗死的指标之一。)
      • 心肌梗死后3~6小时血中CK2的活性升高，12~24小时达峰值。
    • 检测组织器官同工酶的变化有重要的临床意义:
      • 1在代谢调节上起着重要的作用。 2用于解释发育过程中阶段特有的代谢特征。 3同工酶谱的改变有助于对疾病的诊断。 4同工酶可以作为遗传标志，用于遗传研究分析。
  • 1酶的化学本质是蛋白质，酶由活细胞产生 2单体酶:由一条肽链构成的酶。如:牛胰核糖核酸酶A，溶菌酶 3寡聚酶:有多个相同或不同的肽链与以非共价键连接组成的酶。如:蛋白激酶A 4多酶复合物(多酶体系):按序催化完成一组连续反应的几种具有不同催化功能的酶，可彼此聚合形成一个结构和功能上的整体。 5多功能酶:一条肽链上同时具有多种不同的催化功能的酶。
• 酶的工作原理
  • 共同点:1化学反应前后没有质和量的改变 2只能催化热力学允许的化学反应。 3只能加速反应的进程，而不改变反应的平衡点，即不改变反应的平衡常数。
  • 酶具有不同于一般催化剂的显著特点
    • 酶对底物具有高度的特异性。
      • 定义: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。
      • 绝对特异性
        • 定义: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。
        • 区分:有些具有绝对特异性的酶只能催化底物的一种光学异构体或一种立体异构体进行反应。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。
      • 相对特异性
        • 有些酶对底物的特异性不是依据整个底物分子结构，而是依据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。
    • 酶对底物具有极高的催化效应。
      • 比非催化反应高10的8次方~10的20次方倍。
      • 比一般催化剂高10的7次方~10的13次方倍。
    • 酶具有可调节性。
      • 体内许多酶的酶活性和酶的含量受体内代谢物或激素的调节。
    • 酶具有不稳定性。(酶的化学本质是蛋白质。)
      • 在某些理化因素(如高温，强酸，强碱等)的作用下，酶会发生变性而失去催化活性。所以酶促反应，往往在常温常压和接近中性的条件下进行的。
  • 酶通过促进底物形成过渡态而提高反应速率
    • 酶比一般催化剂更有效地降低反应的活化能。
      • 活化分子:只有那些达到或超过一定能量水平的分子才有可能发生相互碰撞并进入化学反应过程。
      • 活化能:是指一定温度下一摩尔反应物从基态转变成过渡态。所需要的自由能及过度态中间物比基态反应物高出的那部分能量。(活化能是决定化学反应速率的内因，是化学反应的能障。)
    • 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化学反应活化能的主要能量来源。
      • 诱导契合作用是酶与底物密切结合。
        • 诱导契合:酶与底物相互接近时，两者在结构上相互诱导，相互变形和相互适应，进而结合并形成酶-底物复合物的过程。
      • 邻近效应与定向排列使诸底物正确定位于酶的活性中心。
        • 实际上:将分子间的反应变成类似于分子内的反应，从而提高反应速率。
        • 酶在反应中将诸底物结合到酶的活性中心，使他们相互接近，并形成有利于反应的正确定向关系。
      • 表面效应使底物分子去溶剂化。(酶的活性中心多形成输水"口袋"，因为疏水键)
        • 表面效应:酶促反应，在此疏水环境中进行，使底物分子去溶剂化，排除周围大量水分子对酶和底物分子中功能基团的干扰性吸引和排斥，防止水化膜的形成，利于底物与酶分子的密切接触和结合的现象。
    • 酶的催化机制呈现多元催化作用。
      • 酸-碱催化作用
        • 酶活性中心上有些基团是质子供体(酸)，有些基团是质子受体(碱)，这些基团参与质子的转移，可使反应速率提高10的2次方~10的5次方倍。
      • 亲核催化和亲电子催化作用。
        • 亲核催化作用
        • 共价催化作用
          • 指催化剂与反应物形成共价结合的中间物，降低反应活化能，然后把转移基团传递给另外一个反应物的催化作用。
        • 轻亲电催化
• 酶的调节
  • 酶活性的调节是对酶促反应速率的快速调节
    • 酶的别构调节(变构调节)
      • 定义:体内一些代谢物可与某些酶的活性中心外的某个部位非共价可逆结合，引起酶的构象改变，从而改变酶的活性。
      • 意义:酶的别构调节是体内代谢途径的重要快速调节方式之一。
      • 别构酶:受别构调节的酶。
        • 含有多个(偶数)亚基。 存在着协同效应，包括正协同效应和负协同效应。
      • 别构效应剂:引起别构效应的物质
        • 根据它对别构酶的调节效果分为别构激活剂和别构抑制剂。 别构效应剂可以是代替途径的中产物，中间产物，酶的底物或其他物质。
      • 别构部位(调节部位):酶分子与别构效应剂结合的部位。
      • 如果效应剂是底物本身正协同效应的反应速率，底物-浓度曲线呈S型。
    • 酶的化学修饰调节(酶的共价修饰)
      • 定义: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，同时又可在另一种酶的催化下，去掉已结合的化学基团，从而影响酶的活性。酶的这种调节方式称为酶的共价修饰。
      • 意义:酶的化学修饰是体内快速调节的另一种重要方式。
      • 形式:磷酸化和去磷酸化。乙酸化和脱乙酸化。腺苷化和脱腺苷化。甲基化和脱甲基化。-SH和-S-S互变。
        • 方式:γ-磷酸基共价的结合在酶蛋白的Ser,Thr或Tyr的侧面羟基上。
    • 酶原需要通过激活过程才能转变为有活性的酶。
      • 酶原定义:有些酶在细胞内合成或初分泌，或在其发挥催化功能前处于无活性状态，这种无活性的酶的前体成为酶原。
      • 实际:酶的活性中心形成或暴露的过程。
      • 酶原激活:大多是经过蛋白酶的水解作用，去除一个或几个态太段后，导致分子构象改变，从而表现出催化活性。
      • 例如:胃蛋白酶原，以胰凝乳蛋白酶原，弹性蛋白酶原以及羧基肽酶原等。
      • 意义:1避免细胞产生的酶对细胞进行自身消化，并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，在需要时，酶原适时的转变成有活性的酶，发挥其催化作用。
  • 酶含量的调节是对酶促反应速率的缓慢调节
    • 酶蛋白合成可被诱导或阻遏
      • 影响因素:某些底物，产物，激素，生长因子及某些药物。
      • 诱导物:在转录水平上能促进酶合成的物质。 辅阻遏物:在转录水平上能减少酶蛋白合成的物质。 诱导作用:又的雾又发霉，蛋白合成的作用。 阻遏作用:辅阻遏物与无活性的阻遏蛋白结合而影响基因的转录。
    • 酶的降解与一般蛋白质降解途径相同。
      • 途径:1组织蛋白降解的溶酶体途径。(非ATP依赖性蛋白质降解途径)
      • 2组织蛋白降解的胞质途径(ATP依赖泛素介导的蛋白质降解途径)
        • 主要降解异常或损伤的蛋白质以及所有短半寿期的蛋白质。 泛素:短期，起一个标记作用。
• 酶在医学中的应用
  • 酶与疾病的发生，诊断及治疗密切相关
    • 酶的先天性缺陷是先天性疾病的重要病因之一。
      • 如:酪氨酸酶缺乏引起白化病。 苯丙氨酸羟化酶缺乏患苯丙酮尿症。
    • 一些疾病可引起酶活性或量的异常。
      • 如:胰蛋白酶原缺失患急性胰腺炎。
      • 酶活性受到抑制，多见于中毒性疾病。 有机磷中毒，乙酰胆减脂堆积
    • 某些酶可作为药物用于疾病的治疗。
      • 有些酶可作为助消化的药。
      • 有些酶用于清洁伤口和抗炎。
      • 有些酶具有溶解血栓的
        • 如:链激酶，尿激酶和纤溶酶。
      • 许多药物的作用机制是通过抑制体内的某些酶来达到治疗目的。
    • 体液中酶活性的改变可作为疾病的诊断指标。
      • 组织器官损伤可使其组织特异性的酶释放入血，有助于对组织器官疾病的诊断。
  • 酶可作为试剂用于临床检验和科学研究
    • 有些酶可作为酶偶联测定法中的指示酶或辅助酶
    • 有些酶可作为酶标记测定法中的标记酶。
    • 多种酶成为基因工程常用的工具酶。
• 酶的分类与命名
  • 酶可根据其催化的反应类型予以分类
    • 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
  • 每一种酶均有其系统名称和推荐名称
• 酶促反应动力学
  • 影响因素:酶浓度，底物浓度，ph，温度，抑制剂及激活剂等。
  • 底物浓度对酶促反应速率的影响呈矩形双曲线
    • 1当s很低时，v随s的增加而升高，呈一级反应(曲线的a段。) 2随着s的不断增加，v上升的幅度不断变化，呈现出一级反应与零级反应的混合级反应。 (曲线的b段) 3随着s的不断增加，以至于所有酶的活性中心均被底物所饱和，v便不再增加。此时v达 最大反应速率，此时的反应可视为零级反应。(曲线的c段)
    • 米-曼方程揭示单底物反应的动力学特性。 反应速率取决于慢反应:V=K3【ES】
      • 前提:1反应是单底物反应 2测定的反应速率为初速率。 3当s远远大于E时，在初速率范围内，底物的消耗很少，可以忽略不计。
      • V=Vmax[S]/Km+[S]
        • 1当s远远小于km 时，s可忽略不计，方程简化为:V=Vmax[S]/Km,相当于曲线的a段。 2当s远远大于km时，方程中的km可以忽略不计。V=Vmax。相当于曲线的c段。
        • 1当反应系统处于稳态时，ES的生成速率=ES的分解速率。K1([Et]–[ES])[S]=K2[ES]+K3[ES]——[ES]=[Et][S]/Km+[S] 2当所有酶均形成ES时，反应速率达到最大。Vmax=K3[Et]——V=Vmax[S]/Km+[S]
    • Km与Vmax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。
        • 当V等于Vmax的一半时 Vmax/2=Vmax[S]/Km+[S]
      • Km值是酶的特征性常数。
        • Km值的大小并非固定不变，它与酶的结构，底物结构，反应环境的ph，温度和离子强度有关，而与酶浓度无关。 酶的Km值多在10的–6次~10的-2次。
      • Km在一定条件下可表示酶对底物的亲和力
        • Km越大，表示酶对底物的亲和力越小，km越小，酶对底物的亲和力越大。 Km最小，亲和力最大。
      • V max是没酶被底物完全饱和时的反应速率。
      • 酶的转换数
        • 定义:当酶被底物完全饱和时，单位时间内每个酶分子催化底物转变成产物的分子数称为酶的转换数。 酶的转换数可用来表示酶的催化效率。
    • Km和Vmax常通过作图法求取。
      • 林–贝作图法(双导数作图法)
        • 1/V=Km/Vmax*[S]+1/Vmax
  • 底物足够时酶浓度对酶促反应速率的影响呈直线关系
    • 酶被底物饱和时，随着酶浓度的增加，酶促反应速率增大，两者呈现正比关系。
  • 温度对酶促反应速率的影响具有双重性
    • 最适温度:酶促反应速率达最大时的反应系统的温度。
    • 酶的最适温度不是酶的特征性常数，它与反应时间有关。
    • 酶在低温下活性降低，随着温度的回升，酶活性逐渐恢复。低温一般不破坏酶，但是高温会使酶失活。
  • 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
    • 酶催化活性最高时反应体系的ph称为酶促反应的最适ph。
    • 酶的最适ph也不是酶的特征性常数，它受底物浓度，缓冲液种类与浓度以及酶的纯度等因素的影响
    • 胃蛋白酶的最适ph在2；胰蛋白酶的最适ph在8。
  • 抑制剂可降低酶促反应速率
    • 定义:凡能使酶活性下降而又不引起酶蛋白变性的物质，
      • 酶的抑制区别于酶的变性。 1抑制剂对酶有一定选择性。 2引起变性的因素对酶没有选择性。
    • 不可逆性抑制剂与酶共价结合。
      • 不可逆性抑制剂和酶活性中心的必需基团共价结合。 此类抑制剂不能用透析，超滤等方法予以去除。
      • 有机磷农药
        • 机制:与胆碱酯酶活性中心丝氨酸残基的羟基结合，使胆碱酯酶失活。导致乙酰胆碱堆积。
        • 救品:乙酰胆碱拮抗剂阿托品和胆碱酯酶复活剂。
      • 低浓度的重金属离子和砷化物（砒霜）
        • 机制:与疏基酶分子中的疏基结合，使酶失活。 含有疏基的氨基酸和蛋白质:谷胱甘肽，半胱氨酸，谷氨酸
        • 救品:二叔疏基丙醇
    • 可逆性抑制剂与酶非共价结合。
      • 竞交y，非交x，反平行。
      • 可逆性抑制剂与酶非共价可逆性结合，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，使酶的活性恢复。
      • 竞争性抑制剂与底物竞争结合酶的活性中心。
        • 定义:抑制剂和酶的底物在结构上相似，可与底物竞争结合酶的活性中心，从而阻碍酶与底物形成中间产物。
        • 抑制程度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。
        • 动力学特点:V max不变，表观km增大。
        • 如:磺胺类药物的抑菌机制:和对氨基苯甲酸的化学结构相似。竞争性的与二氢蝶酸合酶结合，抑制FH2以至于FH4的合成。
      • 非竞争性抑制剂结合活性中心之外的调节位点。
        • 定义:底物和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出产物。
        • 抑制程度取决于抑制剂的浓度。
        • 动力学特点:V max增大，km不变。
      • 反竞争性抑制剂的结合位点由底物诱导产生。
        • 定义:与酶活性中心外的调节位点结合，但是在没有底物结合时，游离的酶并不能与抑制剂结合。当底物与酶结合后，酶才能与抑制剂结合。 抑制剂与酶–底物复合物结合，使中间产物的量下降。
        • 动力学特点:V max减小，km减小。
        • 抑制程度取决于抑制剂的浓度及底物的浓度。
  • 激活剂可提高酶促反应速率
    • 定义:使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加的物质。
    • 必需激活剂
      • 定义:大多数金属离子激活剂对酶促反应是不可缺少的，否则将测不到酶的活性
    • 非必需激活剂