生物化学总结：生化复习1_酶

1、学习资源交换计划酶1 概述l 绝大多数酶（enzyme）是蛋白质。l 一些酶需要辅因子（cofactor）的参与才能发挥作用。辅因子可以是无机金属离子，或称为辅酶（coenzyme）的有机分子与有机金属分子。l 有些辅因子与蛋白质结合非常紧密（共价或非共价结合），称为辅基（prosthetic group）。l 脱辅基酶（apoenzyme），又称脱辅基蛋白（apoprotein），结合上辅因子称为全酶（holoenzyme）。l 维生素（vitamin）可以作为辅酶的前体。l 根据酶所催化的反应类型，可以把酶分为6大类，分别为：氧化还原酶（转移电子）、转移酶（转移基团）、水解酶（水解）、裂解

2、酶（生成双键）、异构酶（生成异构体）、合成酶（成一些共价键）l 酶促反应的特点是：高效、专一、条件温和。2酶作用机制l 酶影响反应速率，不改变反应平衡。l 酶通过降低反应的活化能（activation energy）提高反应速率。l 酶与底物（substrate）的最佳相互作用发生在过渡态（transition state）而不是ES态。此时，酶与底物存在弱的相互作用，释放出结合能（binding energy）。结合能能够抵消部分过渡态的能量升高，即净降低了活化能，提高反应速率。l 酶与底物之间的弱的相互作用（包括离子键、氢键等）是酶催化的一个主要动力。弱的相互作用可以距离反应部位很远。由于

3、酶促反应需要多种弱的相互作用力来驱动，因此酶（以及一些辅酶）一般较大，才能提供足够的功能基团，并精确定向，提供结合能。l 结合能可以用于克服以下能障：熵降（entropy reduction）、去溶剂化（desolvation）、电子重排（electron redistribution）、诱导酶构象改变（conformation change）。l 酶和过渡态的最佳相互作用也是酶促反应专一性的体现。只有特定的结合才能产生足够的结合能。l 酶促反应的过渡态理论有理论依据，包括底物过渡态类似物对酶的结合力比正常底物高出102106倍。l 根据催化机制可以分为酸-碱催化（acid-base cata

4、lysis）、共价催化（covalent catalysis）和金属离子催化（metal ion catalysis）。l 酸-碱催化分为狭义（specific）酸-碱催化和广义（general）酸-碱催化两种。为稳定带电的中间体，必须有其它质子供体或受体。前者的质子供体/受体是水（H3O、OH），后者是其它类型的分子。酶活性中心的AAs作为质子供体或受体，使带电中间体电子转移的速度大于中间体分解为反应物，从而催化反应。l 共价催化是指酶的AAs侧链或辅因子作为一个亲核基团，进攻底物使其键断裂，并形成酶-底物共价复合物，再进一步反应得到产物。这个过程的活化能低于非酶促反应的活化能。l 金属离子

5、催化是指结合金属离子的酶与底物间的离子相互作用指导底物反应，或稳定带电荷的过渡态，还可以通过可逆的氧化态变化介导氧-还反应。3酶促反应动力学（enzyme kinetics）3.1酶动力方程l 酶与过量底物混合时，会有一个前稳态（pre-steady state），这个阶段ES浓度逐渐升高。然而前稳态是非常快且难以观察的一个过程，很快就进入稳态（steady state），此时ES及其它中间体的浓度近乎恒定（即ES生成速度与ES分解为EP的速率相当）。l 米氏方程（Michaelis-Menten equation）：。其中，Km（Michaelis常数）等于初速度达到最大速度一半时底物的浓度

6、。l 最大速度即所有酶均达到饱和状态时的速度。l 利用双倒数作图法可以求出Km。Vmax和Km可以通过实验测得，但并不能反映一个连续反应步骤的数目、速度和化学本质。l Km有时可以近似表示酶和底物的亲和力。l 对于多步反应来说，如果出现了一个明显的限速步骤，那么引入一个kcat来表示此步骤的速度常数。kcat也称为转换数（turnover number），它的定义是当酶被底物饱和时，单位时间内一个酶分子转化底物的分子数。l 专一性常数kcat/Km是一个二级速度常数，单位为M1s1。它有上限，取决于E和S在一定液体环境中的扩散速度。大多数酶在108109之间。l 前稳态中，许多反应步骤的速率可

7、以单独测得出来。3.2酶抑制（inhibition）机制l 酶的抑制分为可逆（reversible）抑制和不可逆（irreversible）抑制两种。可逆抑制又分为竞争性（competitive）抑制、反竞争（uncompetitive）抑制和混合性（mixed）抑制。l 竞争性抑制是抑制剂与底物竞争酶的活性部位，形成EI。竞争性抑制剂通常是一些与底物类似的化合物。即使这种结合是短暂的，也会降低效率。正因为竞争性抑制剂是与酶可逆结合的，因此通过增大底物浓度，可以降低抑制效果。（底物与酶结合的几率大大提高）。竞争性抑制的Km增大而Vmax不变，它只影响V0（使降低，抑制剂浓度越高，V0越小，1/

8、V0越大，直线越陡）而不影响Vmax。l 反竞争抑制是抑制剂与酶活性部位以外的部位结合，且只与ES态的结合。反竞争抑制剂浓度越高，Vmax越小（此时表观Km也越小），1/Vmax越大，则截距越大，直线越向左平行移动。l 混合性抑制剂也是与酶活性部位以外的部位结合，不过它既与E结合，也与ES结合。通常既影响Km又影响Vmax。抑制剂的浓度越大，曲线越陡，截距越大。l 混合性抑制的特例是非竞争性（noncompetitive）抑制。它只影响Vmax不影响Km。l 反竞争抑制和混合性抑制只发生在双底物或多底物酶上。l 不可逆抑制剂（又称inactivator，意为灭活剂、钝化剂）结合或破坏酶催化所必

9、需的功能基团，或与之形成紧密的非共价结合。常见的类型是与酶形成共价连接。l 基团特异性（group-specific）灭活剂与特异性地与AAs的R基结合影响酶的活性。亲和（affinity）灭活剂和底物的结构相似，能够共价修饰酶活性部位。自杀性（suicide）灭活剂（又称基于机制的抑制剂，mechanism-based inactivator）能完成正常酶促反应的前几步但不转化为产物，而是形成一种活泼化合物不可逆地与酶结合。l 酶有各自的最适pH、温度。3.3双底物动力学l 每一个底物都有其特征Km。反应机制有形成三元复合物（ternary complex）和不形成三元复合物两种。l 在形成

10、三元复合物的酶促反应中，酶和两种底物一起形成三元复合物，分为有随机型（random order）和有序型（orderd）两种。随机型是指两种底物与酶的结合不分先后顺序，有序型的则是有先后顺序的。作出来的曲线就像是混合性抑制的曲线。（把S1看成是抑制剂，它既结合E又结合ES2，不过增大S1，速度是越快，曲线越平，截距越小，刚好是倒过来的）l 不形成三元复合物的酶促反应又称乒乓机制或双置换机制（double displacement mechanism）。S1先与E结合，生成P1并使酶变性成E，然后E再与S2结合，生成P2，E恢复为E。作出来的曲线就像是反竞争抑制的曲线。（不过增加S2会提高速度，

11、刚好相反）4酶促反应的例子l 胰凝乳蛋白酶（chymotrypsin）特异地切割与芳香性AAs（Trp、Tyr、Phe，有时会切Met）相邻的肽键。属于丝氨酸蛋白酶家族（serine protease family）。该家族还有胰蛋白酶、弹性蛋白酶、凝血酶、枯草杆菌蛋白酶、血纤维蛋白溶酶等。该家族都拥有一个催化三分子（catalytic triad），Ser是一个强的亲核试剂。它们的专一性是由底物结合袋（substrate binding pocket）决定的。l 其它的蛋白水解酶家族还有天冬氨酸蛋白水解酶家族、胱氨酸蛋白水解酶家族、金属蛋白水解酶家族等。l 胰凝乳蛋白酶的催化反应支持了过渡态

12、稳定的原理（Gly193和Ser195的氨基N通过形成氢键的方式稳定了中间体负电荷），也是一个广义酸碱催化和共价催化的例子。5调节酶（regulatory enzyme）l 酶活性的调节可以通过变构调节（可逆、非共价）、共价调节（可逆）、水解（不可逆）、基因调节（改变特定酶的数量）实现。l 调节酶（连锁反应的第一个酶往往是调节酶，限速的步骤）有一类是别构酶（allosteric enzyme），它可逆地与别构调节剂（allosteric modulator，通常是小分子代谢物或辅助因子）非共价结合，触发构象变化并转导到活性部位（分子内的信号转导）。l 别构调节剂可以是正调节物（激活剂；往往是酶的底物，此时调节酶称为同促酶）也可以是负调节物（此时酶称为异促酶）。l 别构酶除了活性部位之外，还有一个或更多的调节物结合部位或者别构部位，专一性地与调节物结合。对于同促酶，催化部位和调节部位是相同的。l 别构酶通常比非别构酶大，为多亚基蛋白。l 反馈抑制（feedback inhibition）属于异促别构调节。l 别构酶的动力学特征有别与米氏行为。l 磷酸化是目前已知的最主要的可逆共价（covalent）调节。蛋白质的磷