概述
- 酶是由生物活细胞产生的，具有高效的催化活性和高度特异性（专一性）的蛋白质
- 酶的化学本质上是蛋白质
- 几乎参与所有的生命活动
- 没有酶，生化反应将无法进行
- 非蛋白质酶（核酶：催化性RNA和DNA）
酶的反应特点（对比普通催化剂）
- 相同点
- 改变化学反应速率，本身不被消耗；
- 只催化已存在的化学反应 ；
- 加快化学反应速率，缩短达到平衡时间，但不改变平衡点
- 降低活化能，使化学反应速率加快
- 不同点
- 高效性；
- 专一性；
- 多样性；
- 温和性；
酶的分子组成
单纯酶
- 酶蛋白决定反应的特异性
辅助因子决定反应的种类与性质（是小分子，如核苷酸） | 辅助因子类型 | 特点 | | —- | —- | | 辅基 | 与酶蛋白共价结合，牢而不易分离。与酶蛋白结合紧密，不能用透析或超滤的方法除去。 | | 辅酶 | 与酶蛋白非共价结合，易分离。与酶蛋白结合疏松，可用透析或超滤的方法除去。 |
单纯酶的蛋白质本身即具有催化活性
- 结合酶蛋白必须与特异的辅酶（或辅基）互相结合才具有活性，若酶蛋白和辅酶（或辅基）单独存在，则均无催化活性
- 一种辅酶可以和多种酶蛋白结合组成功能不同的多种全酶（例如：辅酶¡+酶蛋白）
一种酶蛋白只能与某一特定的辅酶（或辅基）结合形成一种全酶，如果该辅酶被另外一种辅酶替换，就不会表现出催化活性了
金属酶
金属酶(metalloenzyme)金属离子与酶结合紧密，提取过程中不易丢失。羧肽酶（Zn2＋），黄嘌呤氧化酶
- 金属激活酶(metal-activated enzyme)
金属离子为酶的活性所必需，但与酶的结合不紧密。如己糖激酶
- 金属离子的作用
- 稳定酶的构象，或参与活性中心；
- 参与催化反应，传递电子；
- 在酶与底物间起桥梁作用，如Mg2＋；
- 中和阴离子，降低反应中的静电斥力等。
维生素与辅酶的关系
- Vitamin: 是一类维持细胞正常功能所必须的小分子化合物，动物体内不能合成或者合成不足，需要从食物中补充。
- 水溶性：Vc, VB族（B1, B2, PP, B6, B12, 生物素, 泛酸和叶酸）
- 脂溶性：A，D，E，K。
维生素B1（硫胺素）
- 来源：豆类、种子外皮（如米糠）和瘦肉中。
- 活性形式：焦磷酸硫胺素(TPP)是脱羧酶的辅酶，催化丙酮酸或α–酮戊二酸的氧化脱羧反应，所以又称为羧化辅酶。
- VB1在神经传导中起一定作用
- 可作为胆碱酯酶的抑制剂，参与乙酰胆碱的代谢调控。
- 缺乏症
- 脚气病(beriberi)，神经末梢炎
维生素B2（核黄素）
- 来源：奶与奶制品、肝、蛋类和肉类等
- 活性形式
- 黄素单核苷酸(FMN)
- 黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)
- 生物学功能
- 为氧化还原酶的辅基，起递氢体的作用
脂酰CoA脱氢酶、琥珀酸脱氢酶等
- 参与烟酸和维生素B6的代谢
作为辅酶参与色氨酸转变为烟酸和VitB6转变为磷酸吡哆醛的反应。
- FAD作为谷胱甘肽还原酶的辅酶，参与体内抗氧化防御系统
- FAD与CytP450结合，参与药物代谢
- 缺乏症：口角炎、唇炎、眼睑炎等
维生素PP（尼克酸、尼克酰胺、抗癞皮病维生素）
- 来源：广泛存在于自然界
- 活性形式
- 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+），CoI
- 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP+），CoII
- 生物学功能
- NAD+和NADP+是多种不需氧脱氢酶的辅酶，发挥递氢体的作用。
- 糖酵解的3-磷酸甘油醛脱氢酶、苹果酸脱氢等以NAD+为辅酶
- 磷酸戊糖途径的G6PD以NADP+为辅酶，其产物R-5-P是核糖生成的主要途径
- 缺乏导致癞皮病（pellagra）：主要表现有皮炎、腹泻及痴呆
泛酸（遍多酸、维生素B5）
- 泛酸磷酸化+cys, 变成 4-磷酸泛酰巯基乙胺。
- 活性方式：CoA； 酰基载体蛋白（ACP）的组成成分。
- CoA是生物体内代谢反应中乙酰化酶的辅酶，起传递酰基作用。
- 参与糖、脂类、蛋白质代谢及肝的生物转化作用。
生物素（维生素H、维生素B7、辅酶R）
- 来源： 肝、肾、酵母、蛋类、花生、牛乳、鱼类、啤酒等， 肠道细菌也可合成
- 人较少缺乏生物素
- 活性形式：生物素，是多种羧化酶的辅酶。
- 生物素的功能是作为CO2的递体，
- 在生物合成中起传递和固定CO2的作用。
维生素B6（吡哆醇、吡哆醛、吡哆胺）
- 活性形式：磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺。磷酸吡哆醛是氨基酸转氨作用、脱羧作用和消旋作用的辅酶。
- 缺乏症
- 低血色素小细胞性贫血（又称维生素B6反应性贫血）和血清铁增高。
- 脂溢性皮炎，故VitB6又称抗皮炎维生素
- 摄入量超过200mg/d,可引起神经损伤
叶酸
- 维生素B11又称叶酸，作为辅酶的是5,6,7,8-四氢叶酸（FH4）。
- FH4的主要作用是作为一碳基团，如-CH3, -CH2-, -CHO 等的载体，与嘌呤、嘧啶核苷酸合成有关。
- 缺乏症
- 巨幼红细胞性贫血（megaloblastic anemia）
- 高同型半胱氨酸血症
- 孕妇如果叶酸缺乏，可能造成胎儿脊柱裂和神经管缺陷
维生素B12（钴胺素、抗恶性贫血维生素）
- 活性形式
- 甲钴胺素、5′-脱氧腺苷钴胺素
- 作为变位酶的辅酶，催化催化琥珀酰CoA的生成。
- 作为N5-甲基四氢叶酸转甲基酶（甲硫氨酸合成酶）的辅酶。催化同型半胱氨酸甲基化生成甲硫氨酸
- 缺乏症：
- 巨幼红细胞贫血
- 高同型半胱氨酸血症
- 萎缩性胃炎
酶蛋白结构
活性中心(active center)
- 或称活性部位(active site)，指必需基团在空间结构上彼此靠近，组成具有特定空间结构的区域，能与底物特异结合并将底物转化为产物。
分为必须基团和非必须基团
必须基团（essential group）
直接或间接参与化学键形成与断裂的，与酶催化活性密切相关的不可缺少的基因，称为酶的必须基团
必须基团在一级结构上不一定靠近，辅酶或辅基参与活性中心组成
常见：His-咪唑基、Cys-巯基、Glu-γ羧基
同工酶
(isoenzyme)
- 指催化相同的化学反应，而酶蛋白的分子结构、理化性质乃至免疫学性质不同的一组酶。
- 同工酶是长期进化过程中基因分化的产物。
- 特点：两个以上亚基构成
酶的工作原理
酶和底物具有极高的催化效率（高效性）
- 酶能显著降低反应的活化能
- 中间产物学说
根据中间产物学说，酶促反应分两步进行，而每一步反应的活化能均很低
酶和底物具有高度的特异性
- 酶对底物专一性(specificity)通常分为
- 结构专一性
- 绝对专一性：只作用于一种底物
- 相对专一性：作用于一类化合物或一种化学键
- 立体异构专一性
- 旋光异构专一性
- 几何异构专一性
- 结构专一性
- 三点接合催化理论
认为酶和底物结合点至少有三个，而且只有一种情况是完美结合的，只有在完美结合的情况下才能发生催化反应
- 底物-酶的诱导契合——诱导契合假说
酶与底物结合后，使底物的某些敏感键发生变性——诱导契合(induced-fit model)，使底物分子接近过渡态，降低反应的活化能
- 邻近效应与定向排列
邻近效应与定向排列使诸底物正确定位于酶的活性质红心
通过趋进效应和定向效应使一种分子间的反应变成类似于分子内的反应，使得反应得以高速运行
- 酸碱催化（多元催化）
广义酸碱催化是指通过质子酸提供部分质子,或是通过质子碱接受部分质子的作用，达到降低反应活化能的过程。
酸碱强度：在中性条件下His的咪唑基既可作为质子供体又可作为质子受体，且释放或接受质子的速度都很快。
- 表面效应使底物分子去溶剂化
某些酶活性中心孔洞为疏水性，可以排除水分子对酶和底物功能基团的干扰性吸引或排斥，使得底物分子的敏感键和酶的催化基团之间就会有很大的反应力，有助于加速酶促反应。
酶促反应动力学
- 因为酶的本质为蛋白质，所以酶促反应过程势必容易受到环境因素对它的制约和影响
这些因素主要包括
底物对反应速度的影响分为三个阶段
一级反应（反应速度和底物浓度成正比）——混合反应——零级反应（基本不变）
- 中间产物学说
米-曼方程
揭示单底物反应的动力学特征
其中 Km=(K3+K2)/K1
- 当Km>>[S]，则v=Vmax*[s]\Km，呈一级动力学反应
- 当Km<<[S]，则呈复杂反应
Km与Vmax是重要的酶促反应动力学参数
双重影响
- 最适温度不是特征常数，与反应时间有关
- 最适温度：酶促反应速度最快时的温度
pH对反应的影响
- 最适pH(optimum pH)：酶催化活性最大的环境pH
- 酶蛋白活性中心、底物、辅酶都可受到pH影响
- 最适pH不是特征常数
抑制剂对反应速度的影响
- 酶的抑制剂
凡是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
可逆性抑制作用
抑制剂与酶蛋白以非共价方式结合，引起酶活性的暂时性丧失，抑制剂可以通过透析、超析的方式除去，分为三类
- 竞争性抑制
与底物相似的，结合同一个位点（酶的活性中心）
例子：磺氨类药物与二氢叶酸
- 非竞争性抑制
结合活性中心之外的调节位点
- 反竞争性抑制
结合对象是酶-底物复合物中间产物，增大底物浓度反而增加抑制作用
激活剂可提高酶促反应速率
使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加的物质称为酶的激活剂
- 必需激活剂：为酶活性所必需
- 非必需激活剂：不是酶的活性所必需
- Activator：提高酶活性的物质，一般为金属离子Mg2+
- 无机离子：如Cl-为唾液淀粉酶最强的激活剂，RNA酶需要Mg2+
- 小分子物质：如Vc，GSH
- 能除去抑制剂的物质：如EDTA
酶的调节
酶的调节是对酶促反应速率的快速调节
诱导酶(induced enzyme)
由诱导物（通常是酶的底物）诱导而生成的酶，诱导剂的合成取决于内因和外因的两个方面
调节酶
- 调节对象：关键酶
- 调节方式
- 酶活性的调节：快速调节
- 酶数量的调节：缓慢调节
- 酶位置的调节：缓慢调节
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