生物化学 第二篇 酶的结构与功能.

第二篇酶的结构与功能

(第五~十章小结

第五章酶学概论

酶是由细胞合成的,在机体内行使催化功能的生物催化剂,其化学本质主要是蛋白质,极少数是RNA。具有催化活性的RNA被称为核酶。酶可分为单纯酶和缀合酶。缀合酶除了蛋白质以外,还结合某些对热稳定的非蛋白质小分子或金属离子。这些非蛋白质成分统称为辅助因子。丧失辅助因子的酶被称为脱辅酶,与辅助因子结合在一起的酶被称为全酶。辅助因子包括辅酶、辅基和金属离子。许多辅酶和辅基为水溶性维生素的衍生物。最常见的充当辅助因子的金属离子有铜、镁和锰。

根据酶蛋白本身结构的特征,酶可分为单体酶、寡聚酶和多酶复合物。单体酶中有一类多功能酶,只由一条肽链组成,但同时具有多个酶的活性。

受酶催化的化学反应被称为酶促反应,其中的反应物被称为底物。酶只能催化热力学允许的反应,反应完成后本身不被消耗或变化,对正反应和逆反应的催化作用相同,不改变平衡常数,只加快到达平衡的速度或缩短到达平衡的时间,这些性质与非酶催化剂相似。酶特有的性质包括:高效性、酶在活性中心与底物结合、专一性、反应条件温和、对反应条件敏感、受到调控和许多酶的活性还需要辅助因子的存在。

酶的活性中心是指酶分子上直接与底物结合,并与催化作用直接相关的区域。活性中心由结合基团和催化基团组成。活性中心具有以下特征:是一个三维实体,通常由在一级结构上并不相邻的氨基酸残基组成;为酶分子表面的一个裂缝、空隙或口袋,中心内多为疏水氨基酸残基,但也有少量极性氨基酸残基。有65%以上的酶活性中心的催化基团由His、Cys、Asp、Arg、Glu提供;与底物结合为多重次级键;底物结合的特异性取决于与底物之间在结构上一定程度的互补性;构象具有一定的柔性。

酶的专一性是指酶对反应的底物有严格的选择性。专一性可分为绝对专一性、基团专一性、键专一性和立体专一性。立体专一性又分为旋光异构专一性和几何异构专一性

两类。酶的立体异构专一性还表现在能够区分假手性C上的两个等同的基团,只催化其中的一个,而不催化另一个。可使用“锁与钥匙”学说和“诱导契合”学说解释酶作用的专一性。“锁与钥匙”学说把酶比作锁,底物比作钥匙,锁眼比作活性中心,认为酶活性中心的构象是固定不变的,底物的结构必须与酶活性中心的结构非常吻合才能结合。“诱导契合”学说认为酶活性中心不是僵硬不变的结构,而是具有一定的柔性。当底物与酶接近时,酶受到底物分子的诱导,其构象发生适合于与底物结合的变化,最终导致酶与底物之间的契合。可使用“三点附着”模型和“四点定位”模型解释酶为什么能够区分对映异构体以及一个假手性C上两个一样的基团。“三点附着”模型认为,底物在活性中心的结合有三个结合点,只有当在这三个结合点都匹配的时候,酶才会催化相应的反应;“四点定位”模型认为,仅仅三点附着还不足以让一个蛋白质区分进入的对映异构体,活性中心存在第四个相互作用位点。

酶的分类是按照NC-IUBMB的建议,根据反应的性质,可分为氧化还原酶、转移酶、水解酶、裂合酶、异构酶、连接酶6大类。在每一大类酶中,又可根据不同的标准,分为几个亚类,每一个亚类再分为几个亚亚类。酶的命名也是根据NC-IUBMB 的建议,每一个酶都给一个系统名和一个惯用名。

第六章酶动力学

酶反应速率一般以单位时间内,底物或产物浓度的变化值来表示。酶动力学研究的是酶促反应速率、变化规律及其影响因素。影响酶促反应速率的主要因素有酶浓度、底物浓度、反应温度、pH和离子强度以及有无抑制剂或激活剂的存在等。在研究某一种因素对酶促反应速率的影响时,应该只改变需要研究的因素。

在一定的温度和pH条件下,当底物浓度过量时,酶的浓度与反应速率呈正相关。但温度升高如果导致酶变性,酶活性会急剧下降。反应速率最大时的温度称为酶的最适温度。酶的最适温度不是酶的特征性常数,这是因为它与反应时间有关;pH

不仅可影响酶的稳定性,还可影响酶分子或底物和辅酶/辅基的解离程度,从而影响酶与底物的结合。酶也有最适pH,最适pH也不是酶的特征性常数,它受底物浓度、缓冲液的种类和浓度以及酶的纯度等因素的影响。

酶动力学研究的核心内容是底物浓度对酶促反应速率的影响以及为解释这种影响

而推导出来的数学方程。常假定反应为单底物和单产物反应。很多酶促反应如果以反应速率对底物浓度作图,得到的是双曲线。解释这一类反应可使用M-M模型,根据此模型推导出的方程为米氏方程。米氏反应动力学假定反应速率为初速率、酶底物复合物处于稳态和符合质量作用定律。

米氏方程中的K m即是米氏常数,它是酶反应初速率为V max一半时底物的浓度,为酶的特征常数,在一定条件下,可表示酶与底物的亲和力。一个酶的K m越大,意味着该酶与底物的亲和力越低;V max也是酶的特征常数,但在现实的条件下,一个酶促反应很难达到或者根本就达不到此值。k cat给出了酶被底物饱和以后,酶催化产物的生成情况,有时被称为酶的转化数,具体是指在单位时间内,一个酶分子将底物转变成产物的分子总数;k cat/K m通常被用来衡量酶的催化效率,可以反映一个酶的完美程度。

直接使用米氏方程中的v对[S]作图得到的是曲线,需要将米氏方程进行线性化处理。米氏方程的线性转换方法有:Lineweaver-Burk作图、Eadie-Hofstee作图、Hanes-Wolff作图和直接线性化作图。Lineweaver-Burk作图以1/[S]为横坐标和1/v 为纵坐标作图,因此又称为双倒数作图。此作图法得到的斜率是K m/V max,横截距是-1/K m,纵截距为1/V max;以v对v/[S]作图即是Eadie-Hofstee作图。此作图法得到的斜率是-K m,横截距是V max/K m,纵截距为V max;以[S]为横坐标,[S]/v为纵坐标的作图方式即是Hanes-Wolff作图。此作图法得到的斜率是1/V max,横截距是-K m,纵截距为K m/V max。相比双倒数法和Eadie-Hofstee 作图法,Hanes-Wolff作图为最佳的确定酶动力学常数的方法。