生化第三章酶

第三章酶本章要点生物催化剂——酶：由活细胞产生的、对其底物具有高度特异性和高度催化效能的蛋白质。

一、酶的分子结构与功能1.单体酶：由单一亚基构成的酶。

（如溶菌酶）2.寡聚酶：由多个相同或不同的亚基以非共价键连接组成的酶。

（如磷酸果糖激酶-1）3.多酶复合物（多酶体系）：几种具有不同催化功能的酶可彼此聚合。

（如丙酮酸脱氢酶复合物）4.多功能酶（串联酶）：一些酶在一条肽链上同时具有多种不同的催化功能。

（如氨基甲酰磷酸合成酶Ⅱ）（一）、酶的分子组成中常含有辅助因子1.酶蛋白主要决定酶促反应的特异性及其催化机制；辅助因子主要决定酶促反应的性质和类型。

2.酶蛋白和辅助因子单独存在时均无催化活性，只有全酶才具有催化作用。

3.辅酶与酶蛋白的结合疏松，可以用透析和超滤的方法除去。

在酶促反应中，辅酶作为底物接受质子或基团后离开酶蛋白，参加另一酶促反应并将所携带的质子或基团转移出去，或者相反。

4.辅基则与酶蛋白结合紧密，不能通过透析或超滤将其除去。

在酶促反应中，辅基不能离开酶蛋白。

5.作为辅助因子的有机化合物多为B族维生素的衍生物或卟啉化合物，它们在酶促反应中主要参与传递电子、质子（或基团）或起运载体作用。

金属离子时最常见的辅助因子，约2/3的酶含有金属离子。

6.金属离子作为酶的辅助因子的主要作用①作为酶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金属离子还可以中和电荷，减小静电斥力，有利于底物与酶的结合；④金属离子与酶的结合还可以稳定酶的空间构象。

7.金属酶：有的金属离子与酶结合紧密，提取过程中不易丢失。

8.金属激活酶：有的金属离子虽为酶的活性所必需，但与酶的结合是可逆结合。

（二）、酶的活性中心是酶分子执行其催化功能的部位1.酶的活性中心（活性部位）：酶分子中能与底物特异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。

2.酶的必需基团：酶分子氨基酸残基的侧链中与酶活性密切相关的化学基团。

3.有的必需基团位于酶的活性中心内，有的必需基团位于酶的活性中心之外。

4.5.酶活性中心内的这些必需基团在一级结构上可能相距较远，但在空间结构上互相接近，共同组成酶的活性中心。

辅助因子常参与酶活性中心的组成。

6.酶活性中心具有三维结构，往往形成裂缝或凹陷。

这些裂缝或凹陷由酶的特定空间构象所维持，深入到酶分子内部，且多由氨基酸残基的疏水基团组成，形成疏水“口袋”。

7.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（或）作为调节剂的结合部位所必需。

（三）、同工酶催化相同的化学反应1.同工酶：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。

2.同工酶是长期进化过程中基因趋异的产物，因此从分子遗传学角度同工酶也可解释为“由不同基团或复等位基因编码，催化相同反应，但呈现不同功能的一组酶的多态型。

”3.由同一基因转录的mRNA前提经过不同的剪接过程，生成的多种不同mRNA的翻译产物（一系列酶）也属于同工酶。

4.同一个体不同发育阶段和不同组织器官中，编码不同亚基的基因开放程度不同，合成的亚基种类和数量也不同，这使得某种同工酶在同一个体的不同组织，以及同一细胞的不同亚细胞结构的分布也不同，形成不同的同工酶谱。

二、酶的工作原理酶与一般的催化剂一样，在化学反应前后都没有质和量的改变。

它们都只能催化热力学允许的化学反应；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。

（一）、酶促反应特点1.酶对底物具有极高的催化效率2.酶对底物具有高度的特异性①绝对专一性：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。

②相对专一性：有些酶对底物的专一性不是根据整个底物分子结构，而是根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的一类化合物。

3.酶的活性与酶量具有可调节性4.酶具有不稳定性（二）、酶通过促进底物形成过渡态而提高反应速率1.酶比一般催化剂更有效地降低反应的活化能①活化分子：只有那些达到或超过一定能量水平的分子，才有可能相互碰撞并进入化学反应过程。

②活化能：在一定温度下，1摩尔反应物从基态转变成过渡态所需要的自由能，即过渡态中间产物比基态反应物高出的那部分能量。

③活化能是决定化学反应速率的内因，是化学反应的能障。

2.酶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反应活化能的主要能量来源。

①诱导契合作用使酶与底物密切结合。

诱导契合作用使得具有相对特异性的酶能够结合一组结构并不完全相同的底物分子，酶构象的变化有利于其与底物结合，并使底物转变为不稳定的过渡态，易受酶的催化攻击而转化为产物。

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，这种邻近效应与定向排列实际上是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。

③表面效应使底物分子去溶剂化。

表面效应：酶的活性中心多形成疏水“口袋”，这样就造成一种有利于酶与其特定底物结合并催化其反应的环境。

酶促反应在此疏水环境中进行，使底物分子脱溶剂化，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收和排斥，防止水化膜的形成，利于底物与酶分子的密切接触和结合。

3.酶的催化机制呈现多元催化作用△酶分子所含有的多种功能基团具有不同的解离常数，即使同一种功能基团处于不同的微环境时，解离程度也有差异。

①酸-碱催化作用：酶活性中心上有些基团时质子供体（酸），有些基团时质子受体（碱）。

这些基团参与质子的转移，可使反应速率提高10^2-10^5倍。

②亲核催化：酶活性中心亲核基团（如丝氨酸蛋白酶的Ser—OH等）释放出的电子攻击过渡态底物上具有部分正电性的原子或基团，形成瞬时共价键。

③共价催化：瞬时共价键形成后，底物被激活，并很容易进一步水解形成产物和游离的酶。

④亲电催化：酶活性中心内亲电子基团与富含电子的底物形成共价键。

由于酶分子的氨基酸侧链缺乏有效的亲电子基团，常常需要缺乏电子的辅助因子的参加。

★实际上许多酶促反应常常涉及多种催化机制的参与，共同完成催化反应。

三、酶促反应动力学1．底物浓度对酶促反应速率的影响呈现矩形双曲线。

⑴米-曼氏方程（米氏方程）：ν= Vmax|S|/(Km+|S|)①|S|<<Km时，一级反应；|S|>>Km时，零级反应。

②米氏方程的前提a.反应时单底物反应b.测定的反应速率为初速率（即指反应刚刚开始，各种影响因素尚未发挥作用时的酶促反应速率）c.当|S|<<Km时，在初速率范围内，底物的消耗很少（<5%），可以忽略不计。

⑵Km与Vmax是重要的酶促反应动力学参数①Km值等于酶促反应速率为最大速率一半时的底物浓度②Km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、反应环境的pH、温度和离子强度有关，而与酶浓度无关。

③Km在一定条件下可表示酶对底物的亲和力a.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。

b.并非所有的酶反应都是K3<<K2，有时甚至K3>>K2，这时的Km不能表示酶对底物的亲和力。

④Vmax是酶被底物完全饱和时的反应速度⑤酶的转换数（单位s^-1）：当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。

⑶Km和Vmax常通过林-贝作图法（双倒数作图法）求取2．底物足够时酶浓度对酶促反应速率的影响呈直线关系3．温度对酶促反应速率的影响具有双重性①酶的最适温度：酶促反应速率达最大时的反应系统的温度。

②酶的最适温度不是酶的特征性常数，它与反应时间有关。

4．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①原因：酶分子中的许多极性基团，在不同的pH条件下解离状态不同，酶活性中心的某些必需基团往往仅在某一解离状态时才最容易同底物结合或具有最大的催化活性。

许多具有可解离基团的底物和辅酶的荷电状态也受pH改变的影响，从而影响酶对它们的亲和力。

此外，pH还可影响酶活性中心的空间构象，从而影响酶的活性。

②酶促反应的最适Ph：酶催化活性最高时反应体系的pH。

③酶的最适Ph也不是酶的特征性常数，它受底物浓度、缓冲剂种类与浓度以及酶的纯度等因素的影响。

5．抑制剂可降低酶促反应速率△酶的抑制剂：凡能使酶活性下降而不引起蛋白质变性的物质。

⑴不可逆性抑制剂与酶共价结合：不可逆抑制剂和酶的活性中心的必需基团共价结合，使酶失活。

⑵可逆性抑制剂与酶非共价结合：遵守米氏方程。

①竞争性抑制剂与底物竞争结合酶的活性中心②非竞争性抑制剂结合活性中心之外的调节位点Vmax 不变降低降低6．激活剂可提高酶促反应速率（1）酶的激活剂：使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加的物质。

a.必需激活剂：大多数金属离子激活剂对酶促反应是必不可少的，否则将测不到酶的活性。

b.非必需激活剂：有些酶即使激活剂不存在时，仍有一定的催化活性，激活剂则可使其活性增加。

★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；非必需激活剂通过与酶或底物或酶-底物复合物结合，提高酶的活性。

四、酶的调节（一）、酶活性的调节是对酶促反应速率的快速调节1.别构效应剂通过改变酶的构象二调节酶活性（如血红蛋白）2.酶的化学修饰调节是通过某些化学基团与酶的共价可逆结合来实现的（如磷酸化和去磷酸化）3.酶原需要通过激活过程才能产生有活性的酶a.酶原（一种无活性的酶前体）：有些酶在细胞内合成或初分泌、或在其发挥功能前处于无活性状态。

b.酶原的激活：酶原向酶的转变过程。

c.酶原激活的实质:酶的活性中心形成或暴露。

（二）、酶含量的调节是对酶促反应速率的缓慢调节1．酶蛋白的合成可被诱导或阻遏a.诱导物：在转录水平上能促进酶合成的物质。

b.诱导作用：诱导物诱发酶蛋白合成的作用。

c.辅阻遏物：在转录水平上能减少酶蛋白合成的物质。

d.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。

e.一旦酶被诱导合成后，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。

f.与酶活性的调节相比，酶合成的诱导与阻遏是一种缓慢而长效的调节。

2．酶的降解与一般蛋白质降解途径相同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）：由溶酶体内的组织蛋白酶非选择性催化分解一些膜结合蛋白、长半寿期蛋白质和细胞外的蛋白。

②组织蛋白降解的胞质途径（ATP依赖性蛋白质降解途径）：主要降解异常或损伤的蛋白质，以及几乎所有短半寿期（10min-2h）的蛋白质。