生化-酶与酶促反应

大学生化专业酶与酶促反应导图笔记整理。

酶与酶促反应

• 酶促反应动力学
  • 酶促反应动力学：
    • 研究酶促反应动力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-曼方程揭示单底物反应的动力学特征
      • 子主题
    • 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
        • 米氏方程
      • Km值时酶的特征性常数
        • Km值的大小并非固定不变，它与酶的结构、底物结构、反应的PH、温度和离子强度有关，而与酶浓度无关。
      • Km在一定条件下可表示酶对底物的亲和力
        • • 其中，Km值代表酶对底物的亲和力，两者成正比
          • 但当k3远远大于k2时Km不能代表对底物的亲和力
          • k3为限速步骤的速率常数
      • Vmax时酶被底物完全饱和时的反应速率
        • 当所有酶均与底物形成ES时([ES=[Et]])，反应速率达到最大，即Vmax=k3[Et]
      • 酶的转换数
        • 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
    • Km和Vmax常通过林-贝作图法求取
  • 底物足够时酶浓度对酶促反应的影响呈直线关系
  • 温度对酶促反应速率的影响具有双重性
  • 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
    • 不可逆性抑制剂与酶共价结合
      • 不可逆抑制剂与酶活性中心的必需基团共价结合，使酶失活，此类抑制剂不能使用透析、超滤等方法予以去除。
    • 可逆性抑制剂与酶非共价键结合
      • 可逆抑制剂与酶非共价结合，使酶的活性降低或消失，采用透析、超滤等方法可将抑制剂除去，使酶活性恢复，可逆抑制剂遵守米氏方程
      • 竞争性抑制剂与底物竞争结合酶的活性中心
        • 抑制剂与酶的底物在结构上相似，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
        • 表观Km值增大，即酶对底物的亲和力降低，但不影响Vmax
        • 由于抑制剂使可逆的，抑制程度取决于抑制剂与酶的相对亲和力与底物浓度的比例
          • 服用磺胺类药物时保持血液中足够高的底物浓度
      • 非竞争性抑制剂结合活性中心之外的调节位点
        • 抑制剂与酶的活性中心之外的结合位点相结合，不影响酶与底物的结合，底物也不影响酶与抑制剂的结合
        • 底物与抑制剂之间没有竞争关系，但抑制剂-酶-底物复合物（IES）不能进一步释放出产物
        • 非竞争抑制剂存在时，直线斜率增大，而Km值不变，即非竞争性抑制剂不影响酶对底物的亲和力，但使Vmax降低
      • 反竞争性抑制剂的结合位点由底物诱导产生
        • 抑制剂也与酶的活性中心之外的结合位点相结合，没有底物结合时，游离的酶不能与抑制剂相结合，当底物与酶结合后，抑制剂才能与酶结合
        • 抑制剂仅与酶-底物复合物结合，使中间产物ES的量下降
        • 反竞争性抑制剂不改变直线的斜率，但使酶促反应的Vmax降低，使表观Em值降低，增加了酶对底物的亲和力，从而增进底物与酶的结合作用
  • 激活剂可提高酶促反应速率
    • 使酶由无活性变为有活性或者增加酶的活性的物质
    • 必需激活剂：
      • 参加酶与底物或与酶-底物复合物结合反应，但激活剂本身不转化为产物
    • 非必需激活剂：
      • 与酶与底物或与酶-底物复合物结合提高酶的活性
• 酶在医学中的应用
  • 酶与疾病的发生、诊断及治疗密切相关
    • 许多疾病与酶的质和量的异常相关
      • 酶的先天性缺陷是先天性疾病的重要病因之一
      • 一些继斌可引起酶活性或量的异常
    • 体液中的酶活性的改变可作为疾病的诊断指标
    • 某些酶可作为药物用于自己并的治疗
      • 有些酶作为助消化的药物
      • 有些灭用于清洁伤口和抗炎
      • 有些酶具有溶解血栓的疗效
  • 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
• 酶的调节
  • 酶活性的调节时对酶促反应速率的快速调节
    • 别构效应剂通过改变酶的构象而调节酶活性
    • 酶化学修饰调节时通过某些化学基团与酶的共价可逆结合来实现
      • 酶的共价修饰有多种形式，其中最常见的是磷酸化和去磷酸化
    • 酶原需要通过激活过程才能转变为有活性的酶
      • 酶原
        • 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的酶
        • 经过蛋白酶的水解作用，去除一个或几个肽段后，导致分子构象发生改变，从而表现出分子活性
        • 酶原激活实际上是酶的活性中心形成或暴露的过程
      • 生理意义
        • 消化道蛋白酶以酶原的形式分泌可避免胰腺的自身消化和细胞外基质蛋白遭受蛋白酶的水解破坏
        • 血管中的凝血因子以酶原形式存在，不发生血液凝固，保证血液畅通，而一旦血管破损，凝血因子被激活，凝血酶原被激活生成凝血酶，防止大量失血，对机体起保护作用
  • 酶含量的调节时对酶促反应速率的缓慢调节
    • 酶蛋白合成可被诱导或阻遏
      • 诱导物
        • 诱导物诱发酶蛋白合成的作用称为诱导作用
      • 辅阻遏物
        • 辅阻遏物与无活性的阻遏蛋白结合而影响基因的转录成为阻遏作用
      • 一旦酶被诱导合成以后，即使去除诱导因素，酶的活性仍然持续存在，直到该酶被降解或抑制
        • 酶合成的诱导和足额是一种缓慢而长效的调节
    • 酶的降解与一般蛋白质降解途径相同
      • 组织蛋白降解溶酶体途径（非ATP依赖性）
      • 组织蛋白降解的胞质途径（ATP依赖性泛素介导的蛋白降解途径）
• 酶的工作原理
  • 酶具有不同与一般催化剂的显著特点
    • 酶对底物具有极高的催化效率
    • 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：
        • 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
        • 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的反应
      • 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
    • 酶具有可调节性
    • 酶具有不稳定性
      • 酶的化学本质是蛋白质
  • 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
      • 酶通过降低反应的活化能提高反应速率
      • 酶与底物的结合过程是释能反应，释放的结合能是降低反应活化能的主要能量来源
    • 酶与底物结合形成中间产物
      • 诱导契合作用使酶和底物密切结合
        • 酶与底物互相接近时，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
      • 邻近效应与定向排列使诸底物正确定位于酶的活性中心
        • 酶在反应中将诸底物结合到酶的活性中心，是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
        • 酶促反应在疏水环境中进行，是底物分子去溶剂化，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
    • 酶的催化机制呈现多元催化作用
• 酶的分子结构与功能
  • 酶的分子组成中常含有辅因子
    • 单纯酶
      • 水解后仅有氨基酸的组成部分而无其他组分的酶
    • 结合酶（缀合酶）
      • 由蛋白质部分和非蛋白质部分组成
        • 蛋白质部分:酶蛋白
          • 决定酶促反应的特异性及其催化机制
        • 非蛋白质部分：辅因子
          • 决定酶促反应的类型
            • 辅酶
              • 通过非共价键与酶蛋白相连，结合比较疏松
                • 可通过透析、超滤除去
                  • 酶促反应中、辅酶作为底物接受质子或集团后离开酶蛋白，参加另一酶促反应并将所携带的之子或基团转移出去，或者相反
            • 辅基
              • 通过共价键与酶蛋白结合，结合较为紧密
                • 不可通过透析、超滤除去
                  • 辅基不能离开酶蛋白
          • 多为小分子的有机化合物或金属离子
            • 主要参与传递电子、质子或起运载体的作用
          • 金属离子是最常见的辅因子，约2/3的酶含有金属离子
            • 作用：
              • 作为酶的活性中心的组成部分参加催化反应，使底物与酶活性中心的必须基团形成正确的空间排列，有利于酶促反应的发生
              • 作为连接酶与底物的桥梁，形成三元复合物
              • 中和电荷，减小静电斥力，有利于底物与酶的结合
              • 与酶结合，稳定酶的空间构象
            • 金属酶：
              • 与酶紧密结合，提取过程中不易丢失
            • 金属激活酶：
              • 虽是酶的必须，但是结合过程可逆
          • 有些酶可以同时含有多种不同类型的辅因子
      • 全酶：酶蛋白和辅因子结合
        • 酶蛋白和辅因子单独存在时均无催化活性
  • 酶的活性中心是酶分子执行其催化功能的部位
    • 酶的活性中心：
      • 酶分子中能与底物特异性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
      • 辅酶和辅基往往是酶的活性中心的组成部分
      • 酶的活性中心具有三维结构，往往形成裂缝或凹陷
        • 由酶的特定空间构想所谓吃，深入到酶分子内部，且多由氨基酸残基的疏水基团组成，组成疏水“口袋”
    • 必需基团
      • 与酶的活性密切相关的基团
      • 有些必须基团位于酶的活性中心内，有些位于活性中心之外
        • 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想和作为调节剂的结合部位所需
      • 结合集团：
        • 识别和结合底物和辅酶，形成酶-底物过渡态复合物
      • 催化集团：
        • 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，进而转变为产物
  • 同工酶催化相同的化学反应
    • 同工酶：
      • 催化作用相同的化学反应，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
      • 在一级结构上存在差异，但其活性中心的三维结构相同或相似
        • 可以催化同相同的化学反应的原因
      • 长期进化过程中基因趋异的产物
      • 由同一基因转录的mRNA前提经过不同的简介过程，生成的多种不同mRNA的翻译产物也属于同工酶
• 运载氢原子或电子或反应基团