生化复习总结(经典大题)：酶

第六章酶复习总结

酶的特点

酶和一般催化剂的共性

加快反应的速度，但不改变反应的平衡。

酶作为生物催化剂的特点

（1）易失活

（2）具有很高的催化效率

酶的催化效率可以用转换数（turnover number，TN）来表示，它的定义是在一定条件下，每个酶分子单位时间内（通常为1秒钟）转换底物的分子数。转换数高的可到四千万（如过氧化氢酶），低的不足1（如溶菌酶）。

（3）具有很高的专一性

（4）酶的活性受到调节控制

①调节酶的浓度；②通过激素调节酶的活性；③反馈抑制调节酶的活性；④抑制剂和激活剂调节酶的活性；⑤其他调节方式如别构调节。

6.5.1 酶的活性部位

在整个酶分子中，只有一小部分区域的氨基酸残基参与对底物的结合与催化作用，这些特异的氨基酸残基比较集中的区域称为酶的活性部位（active site），或称为酶的活性中心（active center）。酶的活性部位是酶结合和催化底物的场所，是与酶活力直接相关的区域。酶活性部位的结构是酶作用机理的结构基础。

酶分子中与结合底物有关的部位称为结合部位，每一种酶具有一个或一个以上的结合部位，每一个结合部位至少结合一种底物，结合部位决定酶的专一性；酶分子中促使底物发生化学变化的部位称为催化部位，催化部位决定酶的催化能力以及酶促反应的性质。酶的结合部位与催化部位共同构成酶的活性部位，在功能上，二者缺一不可，在空间构成上，二者也是紧密连接在一起。

不同酶有不同的活性部位，活性部位的共同特点是：

①活性部位在酶分子整体结构中只占很小的部分，通常由数个氨基酸残基组成，活性部位体积虽小，却是酶最重要的部分。

②酶的活性部位具有三维立体结构，酶活性部位的立体结构在形状、大小、电荷性质等方面与底物分子具有较好的互补性。参与组成酶活性部位的氨基酸残基在一级结构上可能相距很远，但是通过肽链的折叠，它们最终在酶的高级结构中相互靠近。

③酶的活性部位的催化基团主要包括氨基酸侧链的化学功能团以及辅因子的化学功能团，某些酶的辅因子也可作为酶的催化基团，辅因子与酶协同作用，为催化过程提供了更多种类的功能基团。除催化基团外，酶的活性部位还有参与底物结合的结合基团。在活性部位之外，也可能具有某些对于维持酶活性部位的结构和功能必不可少的基团。这些对酶的催化功能来说必不可少的基团，称为必需基团，若必需基团被改变，酶的活力会严重下降，甚至完全丧失。

④酶的活性部位具有柔性。在酶和底物结合的过程中，酶分子和底物分子的构象均发生一定的变化才形成互补结构。诱导契合假说被诸多实验结果证实，此外，酶的活性部位相比于整个酶分子更具柔性或称可运动性，容易在蛋白变性

剂或底物的诱导作用下发生构象的变化。

⑤酶的活性部位通常是酶分子上的一个裂隙，它将底物分子包围起来，从而给即将发生的反应提供了一个局部微环境。这种微环境通常是疏水的环境，比较有利于酶与底物的结合以及底物分子与酶催化基团之间的相互作用。

酶的活性部位对酶的整体结构具有较高的依赖性，没有酶的整体空间结构，就没有酶的活性部位，一旦酶的整体空间结构被破坏，酶的活性部位也就被破坏，酶就会失活。酶的其它部位除了提供酶分子结构的完整性外，还在酶活性的调节中起到重要作用。酶的活性部位与酶蛋白的整体结构之间，酶的活性部位和酶分子其它部位之间具有协调统一的关系。

研究酶活性部位的方法

（1）侧链基团的化学修饰法:

非特异性共价修饰（作用于酶分子中某一基团），酶活力丧失与修饰剂浓度成比例，底物或竞争性抑制剂可降低修饰作用。特异性共价修饰（作用于特定酶的特定基团），；亲和标记试剂可以与活性部位的特定基团共价定量结合，如对甲苯磺酰-L-苯丙氨酰氯甲基酮（TPCK）与胰凝乳蛋白酶活性部位丝氨酸羟。

（2）动力学参数测定法

（3）X-射线晶体结构分析法

（4）定点诱变法

6.5.3 酶具有高催化效率的分子机理

酶促反应形成过渡态所需要的活化能远小于非酶促反应，分子机理有以下几种：

（1）邻近效应与定向效应

邻近（approximation）效应指酶与底物结合以后，使底物集中于酶的活性部位，酶活性部位的底物浓度远远超过整个溶液体系中底物的平均浓度，从而增加反应速率的效应。

定向（orientation）效应指底物的反应基团之间、酶的催化基团与底物的反应基团之间的正确定位与取向所产生的增进反应速率的效应。两个发生作用的化学基团的正确定位与取向通过限制化学基团的自由度，拉近化学基团之间的距离，调整化学基团之间的角度，使化学基团能够更有效地相互作用，从而提高了反应速率。

邻近效应与定向效应在酶促反应中所起的促进作用可以累积，两者共同作用可使反应速率升高108倍左右。

（2）促进底物过渡态形成的非共价作用

酶与底物之间的非共价作用（如氢键、疏水作用等）可以使底物分子围绕其敏感键发生形变，从而促进底物过渡态的形成，反应活化能被降低，反应速率得以加快。过渡态互补学说认为，与经诱导契合调整构象后的酶最匹配的是底物经形变产生的过渡态，而不是底物的原始状态，同样，经调整后酶活性部位的理想构象应该是一种与底物的过渡态互补的构象，如此才能产生最适宜的非共价作用。酶与底物过渡态的亲和力要远大于酶与底物或产物的亲和力。

（3）酸碱催化

酸碱催化（acid-base catalysis）指催化剂通过向反应物提供质子或从反应物接受质子，从而稳定过渡态，降低反应活化能，加速反应的一类催化机制。

狭义的酸碱催化指水溶液中通过质子和氢氧离子进行的催化；广义的酸碱催化指通过质子、氢氧离子以及其他能提供质子或接受质子的物质进行的催化，广义的酸碱催化可提高反应速率102到105倍。

在生理条件下，因质子和氢氧离子的浓度太低，因此生物体内的反应以广义的酸碱催化为主，由酶活性部位的一些功能基团来提供质子或接受质子。咪唑基即可作为质子供体，又可作为质子受体在酶促反应中发挥催化作用，同时咪唑基接受质子和供出质子的速率相当大，因此组氨酸残基虽然在酶分子中含量很少，但在酶的催化功能中占据重要地位。

（4）共价催化

共价催化（covalent catalysis）指催化剂通过与底物形成相对不稳定的共价中间复合物，改变了反应历程，由于新历程所需活化能更低，因此反应速率得以提高。其具体机制分亲核催化与亲电催化两种，亲核催化指催化剂作为提供电子的亲核试剂攻击反应物的缺电子中心，与反应物形成共价中间复合物；亲电催化指催化剂作为吸取电子的亲电试剂攻击反应物的负电中心，与之形成共价中间复合物。

酶中参与共价催化的基团主要包括组氨酸残基侧链的咪唑基、半胱氨酸残基侧链的巯基、丝氨酸残基侧链的羟基等，它们一般作为亲核试剂攻击底物的缺电子中心，形成共价中间复合物。

（5）金属离子催化

金属离子可通过多种途径参加催化过程，例如金属离子可提高水的亲核性能；金属离子可通过静电作用屏蔽负电荷；金属离子可通过结合底物为反应定向；金属离子可在氧化还原反应中起传递电子的作用等。

金属离子的作用主要有：

①与底物结合为反应定向；

②参与氧化还原反应；

③稳定或屏蔽负电荷；

④活化水分子；

⑤与过渡态底物形成螯合物。

酶的活性部位一般都含有多个起催化作用的基团，这些基团在空间上有特殊的排列和取向，可以通过协同的方式作用于底物，从而提高底物的反应速率。一种酶的催化作用常常是多种催化机制的综合作用，这种多元催化和协同效应是酶具有高效性的重要原因。

6.7.1 抑制剂

不可逆抑制剂与酶的必需基团以共价键结合，引起酶的永久性失活，其抑制作用不能够用透析、超滤等温和物理手段解除。

可逆抑制剂与酶蛋白以非共价键结合，其抑制作用可以通过透析、超滤等手段解除。可逆抑制剂又可分为竞争性抑制剂、非竞争性抑制剂和反竞争性抑制剂等。

①竞争性抑制剂（competitive inhibitor）抑制剂的化学结构与底物相似，因而能与底物竞争与酶活性部位的结合，当抑制剂结合于酶的活性部位后，底物被排斥在酶活性部位之外，导致酶促反应被抑制。