生化与分子生物学——生物大分子之酶与酶促反应

Rose

一、酶：生物体内活细胞产生的一种生物催化剂
二、酶的形式
1. 单体酶：仅具有三级结构
2. 寡聚酶：由多个相同或不同亚基以非共价键连接组成的酶
3. 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彼此借非共价键聚合形成结构和功能上的整体
4. 多功能酶/串联酶：一些多酶体系在进化过程中由于基因的融合，多种不同催化功能存在于一条多肽链中
三、酶的分类
（一）单纯酶：水解后只有aa
（二）缀合酶：酶蛋白和辅因子组成，结合在一起称全酶才有催化活性，单 独存在无催化活性
1、酶蛋白：pr部分，决定反应的特异性和催化机制
2、辅因子：非pr部分，决定反应的类型
（1）分类：按与酶蛋白结合的紧密程度
①辅酶：通过非共价键与酶蛋白相连，结合疏松，可用透析或超滤法除去。作用是作为底物接受质子或基团后离开酶蛋白，在另一酶促反应中传递所携带的质子或基团
②辅基：与酶蛋白形成共价键，结合紧密，不易用透析或超滤法除去。酶促反应中不能离开酶蛋白
（2）辅因子多为金属离子或小分子有机化合物
  1）金属离子最多见
①作为酶活性中心组成部分参加催化反应，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中和电荷，减小静电斥力，有利于底物与酶的结合
④稳定酶的空间构象
金属酶：金属离子与酶结合紧密，提取过程中不易丢失
金属激活酶：金属离子为酶活性必需，与酶的结合可逆，不甚紧密
四、酶的活性中心是酶分子中执行其催化功能的部位
1. 酶的活性中心：酶中能与底物特异结合并催化底物变为产物的有特定三维结构的区域
2. 必需基团：酶分子中氨基酸残基侧链中与酶活性密切相关的化学基团
（1）活性中心内的必需基团
   结合基团：结合底物、辅酶
   催化基团：催化底物反应变成产物
（2）活性中心外的必需基团：维持酶活性中心空间构象和（或）作为调节剂的结合部位所必需
五、同工酶
1、概念
催化相同化学反应，而酶结构、理化性质乃至免疫学性质不同的一组酶
一级结构不同，活性中心的三维结构相同或相似
2、来源
不同基因编码的多肽链，或同一基因转录生成的不同mRNA所翻译的不同多肽链组成的蛋白质
3、分布
同一种属或同一个体的不同组织
同一细胞的不同亚细胞结构中
4、意义
使不同的组织、器官和不同的亚细胞结构具有不同的代谢特征
临床上检测血清中同工酶活性、分析同工酶谱、疾病的诊断和预后
六、酶促反应特点
（一）酶对底物具有极高的效率
比一般催化剂更有效地降低反应的活化能
（二）酶对底物具有极高的特异性
绝对特异性：只能作用于特定结构的底物，进行一种专一的反应，生成一种特定结构的产物
如脲酶仅能催化尿素水解生成CO2和NH3
相对特异性：作用于一类基团或一种化学键
（三）酶具有可调节性
酶活性、含量受体内代谢物或激素的调节，使机体适应内外环境变化
（四）酶具有不稳定性
酶促反应往往都是在常温、常压和接近中性的条件下
七、酶-底物复合物的形成有利于底物转变成过渡态
1. 诱导契合使酶与底物密切结合：酶与底物相互接近时，其结构相互诱导、变形、适应，进而相互结合
2. 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，使它们相互接近并形成有利于反应的正确定向关系
3. 表面效应使底物分子去溶剂化：酶的活性中心多是酶内部的疏水“口袋”，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
八、酶的催化机制呈多元催化作用
1.一般酸-碱催化作用：酶活性中心上有些是质子供体/受体
2.共价催化作用：酶与底物形成瞬时共价键，降低反应活化能，然后把被转移基团传递给另外一个反应物的催化作用
（1）亲核催化：酶活性中心的亲核基团，可以提供电子给带有部分正电荷的底物，形成瞬间共价键，使底物上被转移基团传递给其辅酶或另一个底物
（2）亲电催化：酶活性中心的亲电基团与富含电子的底物形成共价键，使底物上被转移基团传递给其辅酶或另一个底物
九、其他因素不变，底物浓度对反应速率影响的作图呈矩形双曲线
1. 前提
（1）单底物反应
（2）测定初速率（反应刚开始时）
（3）当［S］远大于［E］时，在初速率范围内，底物消耗很少可忽略  
2.米－曼氏方程式揭示单底物反应的动力学特性
（1）中间产物学说：S底物 E酶 ES中间产物 P产物


（2）米氏方程式


[S]：底物浓度 V：不同[S]时的反应速率     Vmax：最大反应速率     Ｋm：米氏常数
（3）假设：E与S形成ES复合物的反应是快速平衡反应，而ES分解为E及P的反应为慢反应，反应速率取决于慢反应V = k3[ES]
S的总浓度远远大于E的总浓度，反应初始阶段，S的浓度可认为不变即[S] =[St]
（4）Km=酶促反应速率为最大反应速率一半时的底物浓度，单位是mol/L
  ① Km是酶的特征性常数之一，只与酶的结构、底物和反应环境有关，与酶的浓度无关
  ②Km一定条件下（k3远小于k2）可近似表示酶对底物亲和力，越大亲和力越小
      Km=(k2+k3)/k1，k3远小于k2时km≈k2/k1即ES分解为E+S的解离常数
（5）Vmax是酶完全被底物饱和时的反应速率，与酶浓度成正比 Vmax=k3 [Et]
（6）酶的转换数：酶被底物完全饱和时(Vmax)，单位时间内每个酶分子（或活性中心）催化底物转变成产物的分子数称为酶的转换数，单位是s-1 ，用来表示酶的催化效率（[Et]为酶总浓度）
k3=V max/ [Et]，k3为酶的转换常数
（7）Km、Vmax值可通过林-贝作图法求取


十一.底物足够时反应速率与酶浓度呈正比V= k3[E]
十二.温度对反应速率的影响具有双重性
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
十二、pH通过改变酶和底物分子解离状态影响反应速率
最适pH不是酶的特征性常数，它受底物浓度等因素的影响
十四.抑制剂可逆地或不可逆地降低酶促反应速率
1. 酶的抑制剂：凡能使酶的催化活性下降而不引起酶蛋白变性的物质称为酶的抑制剂，对酶有一定选择性（引起变性的因素对酶没有选择性）
（1）不可逆性抑制剂与酶活性中心的必需基团共价结合，使酶失活
有机磷农药特异地与胆碱酯酶活性中心丝氨酸残基的羟基结合，使之失活，导致Ach堆积，引起胆碱能神经兴奋解救有机磷农药中毒时，可给予乙酰胆碱拮抗剂阿托品和胆碱酯酶复活剂解磷定
  低浓度的重金属离子（Hg、Ag+、Pb2+等）及As3+等可与统基酶分子中的硫基结合使酶失活。例如，路易士气（一种化学毒气）能不可逆地抑制体内巯基酶的活性，从而引起神经系统、皮肤、黏膜、毛细血管等病变和代谢功能紊乱
（2）可逆性抑制作用：抑制剂通常以非共价键与酶或酶-底物复合物可逆性结合，使酶的活性降低或丧失；抑制剂可用透析、超滤等方法除去
①竞争性抑制剂与底物竞争酶的活性中心，阻碍酶-底物复合物形成
*抑制程度取决于抑制剂与酶的相对亲和力及底物浓度
*Vmax不变，表观Km增大(酶对底物亲和力↓)
磺胺类药物的抑菌机制属于对酶的竞争性抑制作用。细菌利用GTP从头合成FH4，其中二氢蝶酸合酶催化对氨基苯甲酸转化的反应。磺胺类药物与对氨基苯甲酸的化学结构相似，竞争性地与二氢蝶酸合酶结合，抑制 FH2以至于 FH4合成，干扰一碳单位代谢，进而干扰核酸合成，使细菌的生长受到抑制
需要注意的是，人类可直接利用食物中的叶酸，体内核酸合成不受磺胺类药物的干扰
②非竞争性抑制剂与酶活性中心外的必需基团结合。酶和底物的结合、酶与抑制剂的结合互不干扰，底物和抑制剂之间无竞争关系。酶-底物-抑制剂复合物(ESI)不能进一步释放出产物
*抑制程度取决于抑制剂的浓度
*Vmax降低，表观Km不变
   ③反竞争性抑制剂与酶和底物形成的中间产物(ES)结合，降低ES的量。这样，既减少从中间产物转化为产物的量，也同时减少从中间产物解离出游离酶和底物的量。没有底物结合时，抑制剂并不能与游离的酶结合，只与ES结合
*抑制程度取决与抑制剂的浓度及底物的浓度
*Vmax降低，表观Km降低


十五.激活剂：使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加的物质
十六.酶的调节
调节对象：关键酶
调节方式：酶活性的调节（快速调节）、酶含量的调节（缓慢调节）
（一）快速调节
1. 别构调节：一些代谢物可与酶活性中心外某部分非共价可逆结合改变酶构象，从而改变酶的催化活性
受别构剂调节的酶为别构酶，常为偶数亚基构成的寡聚体，亚基间有协同效应
引起别构效应的为别构效应剂（别构抑制/激活）
酶与别构效应剂结合部位为别构部位
2.  共价修饰：在其他酶的催化作用下，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，改变酶的活性
3. 酶原的激活使无活性的酶原转变成有催化活性的酶
酶原：有些酶在胞内合成初分泌或未发挥催化功能时只是无活性酶前体
酶原激活的机理：酶原在蛋白酶作用下水解一或几个短肽，分子构象发生改变，形成或暴露出酶的活性中心
酶原激活的生理意义：使酶在特定的部位和环境中发挥作用
（二）酶含量的调节包括对酶合成与分解速率的调节
1. 酶蛋白合成可被诱导或阻遏：对编码基因表达的调节，缓慢而长效
2. 酶降解的调控与一般蛋白质降解途径相同
十七.酶的命名与分类
1. 酶可根据其催化的反应类型分类
氧化还原酶类、转移酶类、水解酶类、裂合酶类（催化从底物移去一个基团并形成双键的反应或其逆反应）、异构酶类、合成酶类

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