生物化学04.docx
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生物化学04
第三单元 酶
酶是生物催化剂,是一种具有生物活性的蛋白质,少数RNA分子也具有催化功能,称为核酶。
酶不改变反应的平衡,只是通过降低活化能加快反应的速度。
第一节 酶的催化作用
本节考点:
(1)酶的分子结构与催化作用
(2)酶促反应的特点
(3)酶-底物复合物
一、酶的分子结构与催化作用
绝大多数酶的本质是蛋白,根据酶的组成成分,分为单纯酶和结合酶两类。
1.单纯酶:
此类酶的结构组成除蛋白外;无其他成分,酶的活性决定于蛋白部分。
2.结合酶:
分子组成中除蛋白成分外,还有一些对热稳定的非蛋白小分子物质,把分子组成中的蛋白部分称酶蛋白,非蛋白小分子物质称辅助因子。
酶蛋白与辅助因子结合形成的复合物称全酶。
通常全酶才能起催化作用:
辅助因子+酶蛋白=全酶
3.在催化反应中:
酶蛋白与辅助因子所起的作用不同,酶反应的专一性及高效性取决于酶蛋白,而辅助因子则起电子、原子或某些化学基团的传递作用。
4.酶的活性中心:
酶的特殊催化能力只局限在它的大分子的一定区域,称为酶的活性中心。
酶的活性中心有两个功能部位:
(1)结合部位:
一定的底物靠此部位结合到酶分子上。
(2)催化部位:
底物的键在此处被打断或形成新的键,从而发生一定的化学变化。
5.必需基团
(1)活性中心内的必需基团:
活性中心内的一些化学基团,是酶发挥催化作用与底物直接作用的有效基团。
(2)活性中心外的必需基团:
在活性中心外的区域,还有一些不与底物直接作用的必需基团,这些基团与维持整个酶分子的空间构象有关,可使活性中心的各个有关基团保持于最适的空间位置,间接对酶的催化活性发挥其必不可少的作用。
二、酶促反应的特点
高度特异、高效、不稳定和可调节。
(一)高度特异性(专一性)指酶对所作用的底物有严格的选择性。
一种酶只能对一种底物或某一类物质起催化作用,而其他化学催化剂一般对底物要求不严格。
根据酶对底物的选择程度不同,将酶作用的专一性分为两种类型。
1.结构专一性:
根据酶对底物组成部分选择程度的不同又可分为:
(1)绝对专一性:
指酶对底物的要求非常严格,只作用于一种底物,而不作用于其他任何物质。
(2)相对专一性:
这些酶对底物的要求比上述绝对专一性要低一些,可作用一类结构相近的底物。
包括基团专一性和键专一性。
2.立体异构专一性:
当底物具有立体异构时,酶只能对底物的立体异构体中的一种起作用,而对另一种则无作用。
(1)旋光异构专一性:
如D-氨基酸氧化酶只能催化D-氨基酸氧化脱氨,而对L-氨基酸无作用。
(2)几何异构专一性:
如琥珀酸脱氢酶只能催化琥珀酸脱氢生成延胡索酸,而不能生成马来酸,称为几何异构专一性。
(二)高度催化效率
酶具有极高的催化效率。
要比一般催化剂高105~1013倍,这就是为什么生物体内酶含量少而又可催化大量的底物。
(三)高度不稳定性
绝大多数酶的本质是蛋白质,凡是能使蛋白质变性的因素,如高温、高压、强酸、强碱等都会使酶丧失活性。
(四)酶活力的调节控制
酶活力是受调节控制的,它的调节方式很多,包括抑制调节、共价修饰调节、反馈调节、酶原激活及激素的调节控制等。
三、酶-底物复合物
“诱导契合”学说:
当酶分子与底物分子接近时,酶蛋白受底物分子诱导,其构象发生有利底物结合的变化,酶与底物在此基础上互补契合进行反应。
近年来x射线晶体结构分析的实验结果也支持这一假说,证明了酶与底物结合时,确有显著的构象变化。
E+S←---->ES------->E+P
第二节 辅酶与酶辅助因子
本节考点:
(1)维生素与辅酶的关系
(2)辅酶作用
(3)金属离子作用
全酶中有蛋白质部分和辅助因子。
辅助因子又分为辅基与辅酶。
辅酶与酶蛋白结合疏松,可用透析或超滤的方法除去。
一、维生素与辅酶的关系
水溶性维生素可以形成辅酶。
1.维生素B1又名硫胺素,体内活性形式为焦磷酸硫胺素(TPP)。
TPP是α-酮酸氧化脱羧酶的辅酶,也是转酮醇酶的辅酶。
2.维生素B2又名核黄素,体内活性形式为黄素单核苷酸(FMN)和黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)。
FMN及FAD是体内氧化还原酶的辅基,主要起氢传递体的作用。
3.维生素PP:
包括尼克酸和尼克酰胺,体内活性形式是:
尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)和尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP+)。
NAD+及NADP+是体内多种脱氢酶(如苹果酸脱氢酶、乳酸脱氢酶)的辅酶,起传递氢的作用。
4.维生素B6:
包括吡哆醇,吡哆醛及吡哆胺。
体内活性形式为磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺。
磷酸吡哆醛是氨基酸转氨酶及脱羧酶的辅酶,也是δ-氨基γ-酮戊酸合酶(ALA合酶)的辅酶。
5.泛酸:
又名遍多酸,体内活性形式为辅酶A(CoA)、酰基载体蛋白(ACP)。
CoA及ACP是酰基转移酶的辅酶,参与酰基的转移作用。
6.生物素:
是多种羧化酶(如丙酮酸羧化酶)的辅酶,参与C02的羧化过程。
7.叶酸:
又称蝶酰谷氨酸,体内活性形式为四氢叶酸(FH4)。
FH4是一碳单位转移酶的辅酶,参与一碳单位的转移。
8.维生素B12:
又称钴胺素,体内活性形式为甲基钴胺素、5’-脱氧腺苷钴胺素。
生化作用:
参与体内甲基转移作用。
9.维生素C:
又称L-抗坏血酸。
参与氧化还原反应,参与体内羟化反应,促进胶原蛋白的合成,促进铁的吸收。
二、辅酶作用
在反应中起运载体的作用,传递电子、质子或其他基团。
三、金属离子作用
1.稳定酶的构象。
2.参与催化反应,传递电子。
3.在酶与底物间起桥梁作用。
4.中和阴离子,降低反应中的静电斥力等。
第三节 酶促反应动力学
本节考点:
(1)Km和Vmax的概念
(2)最适pH值和最适温度
一、底物浓度的影响
(一)米氏方程Km和Vmax的概念
底物浓度与反应速度的关系可以用米氏方程描述:
v=Vmax·[S]/Km+[S]
v:
反应速度;[S]:
底物浓度;Vmax:
反应的最大速度;Km:
米氏常数
1.米氏常数:
Km就是酶促反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度,单位是mol/L。
2.米氏常数的意义
(1)米氏常数是酶的特征常数之一,每一种酶都有它的Km值,Km值只与酶的结构和所催化的底物有关,与酶浓度无关。
(2)判断酶与底物亲和力的大小。
Km值小,表示用很低的底物浓度即可达到最大反应速度的一半,说明酶与底物亲和力大。
可用1/Km近似地表示亲和力,1/Km愈大,酶与底物的亲和力愈大,酶促反应愈易进行。
(3)判断哪些底物是酶的天然底物或最适底物(即Km值最小的底物)。
(4)判断正逆两向反应的催化效率。
如一个反应的正逆方向由同一个酶催化,则Km值较小的那向反应催化效率较高。
(5)求出要达到规定反应速度的底物浓度,或根据已知底物浓度求出反应速度。
例如:
已知Km值,求使反应达到95%Vmax时的底物浓度为多少?
解:
95%Vmax=Vmax·[s]/Km+[s]
移项解出[s]=19Km
二、最适pH值和最适温度
(一)温度对酶促反应有双重的影响
1.酶促反应与一般化学反应一样,升高温度能加速化学反应的进行。
2.绝大多数酶是蛋白质,升高温度能加速酶的变性而使酶失活。
(二)最适温度:
在某一温度范围时酶促反应速度最大,此温度称为酶作用的最适温度。
人体内酶最适温度多在37℃左右。
(三)最适pH:
溶液的PH对酶活性影响很大。
在一定的PH范围内酶表现催化活性。
在一定pH时酶的催化活性最大,此pH称酶作用的最适pH。
偏离酶最适PH值愈远,酶的活性愈小,过酸或过碱则可使酶完全失去活性。
各种酶的最适pH不同,人体内大多数酶的最适pH在7.35—7.45之间,pH活性曲线近似于钟形。
但并非所有的酶都是如此,胃蛋白酶最适pH为1.5—2.5,其活性曲线只有钟型的一半;胆碱酯酶在pH大于7.0时有最大活性。
第四节 抑制剂对酶促反应的抑制作用
本节考点:
(1)不可逆抑制
(2)可逆性抑制
一、不可逆抑制
这类抑制剂通常比较牢固的共价键与酶蛋白中的基团结合,而使酶失活,不能用透析、超滤等物理方法除去抑制剂来恢复酶活性
按照不可逆抑制作用的选择性不同,又可分为专一性的不可逆抑制与非专一性的不可逆抑制两类。
1.非专一性不可逆抑制:
抑制剂可与酶分子中的一类或几类基团反应,抑制酶的活性或使酶失活。
一些重金属离子(铅、铜、汞)、有机砷化物及对氯汞苯甲酸等,能与酶分子的巯基进行不可逆结合,许多以巯基为必需基团的酶,因此会被抑制,可用二巯丙醇(BAL)解毒:
除去抑制作用。
2.专一性不可逆抑制剂:
抑制剂仅仅和酶活性部位的有关基团反应从而抑制酶的活性。
有机磷杀虫剂(敌百虫、敌敌畏等)能特异性地与酶活性中心上的羟基结合,使酶的活性受到抑制,而且有机磷杀虫剂的结构与底物愈接近,其抑制愈快。
二、可逆性抑制
抑制剂与酶非共价结合,可以用透析、超滤等简单物理方法除去抑制剂来恢复酶的活性,因此是可逆的。
根据抑制剂在酶分子上结合位置的不同,又可分为三类:
1.竞争性抑制:
抑制剂I与底物S的化学结构相似,在酶促反应中,抑制剂与底物相互竞争酶的活性中心,当抑制剂与酶形成EI复合物后,酶才不能再与底物结合,从而抑制了酶的活性,这种抑制称为竞争性抑制。
Km增高,Vm不变。
2.非竞争性抑制剂:
抑制剂与底物结构并不相似。
也不与底物抢占酶的活性中心,而是通过与活性中心以外的必需基团结合抑制酶的活性,这种抑制称非竞争性抑制。
非竞争性抑制与底物并无竞争关系。
Km不变,Vm降低。
3.反竞争催抑制:
酶只有在与底物结合后,才能与抑制剂结合,即ES+I→ESI,ESl一×→P。
比较起来,这种抑制剂作用最不重要。
第五节 酶活性的调节
本节考点:
(1)别构调节
(2)共价修饰
(3)酶原激活
(4)同工酶概念
一、别构调节
一些代谢物可以与某些酶分子活性中心外的某一部位可逆的结合,使酶发生变构并改变其催化活性。
此结合部位称为别构部位或调节部位。
对酶催化活性的这种调节称为别构调节。
受别构调节的酶称为别构酶。
导致别构效应的代谢物称为别构效应剂。
二、共价修饰
酶蛋白肽链上一些基团可以与某种化学基团发生可遂的共价结合,从而改变酶活性。
这一过程称为酶的共价调节或化学修饰。
在共价调节过程中,酶发生无(低)活性与有(高)活性的互变。
三、酶原激活
1.酶原:
有些酶(大多数为水解酶)在细胞内初合成或初分泌时是无活性的,这些酶的前身称为酶原。
2.酶原的激活:
在某些物质作用下,无活性的酶原转变为有活性的酶的过程。
3.酶原激活的本质:
酶原激活的实质是活性中心的形成和暴露的过程。
首先是酶蛋白的一部分肽段被水解,去掉其对必需基团的掩盖和空间阻隔作用,然后三维构象发生改变,必需基团相对集中,形成活性中心。
4.酶原激活的生理意义:
酶原的存在形式对机体来说是一种保护作用。
例如胰腺分泌的胰蛋白酶原和胰凝乳蛋白酶原。
需在肠道内经激活才能催化蛋白质水解,这样也保护了胰腺不受酶的破坏。
四、同工酶概念
指能催化相同的化学反应,但酶蛋白的分子结构、理化性质和免疫学性质不同的一组酶。
第六节 核酶
本节考点:
核酶
核酶主要指一类具有催化功能的RNA。
大多数核酶通过催化转磷酸酯和磷酸二酯键水解反应参与RNA自身剪切、加工过程。
与蛋白质酶相比,核酶的催化效率较低,是一种较为原始的催化酶。
核酶的发现对于“所有酶都是蛋白质”的传统观念提出了挑战。
核酶的具体作用主要有:
1.核苷酸转移作用。
2.水解反应,即磷酸二酯酶作用。
3.磷酸转移反应,类似磷酸转移酶作用。
4.脱磷酸作用,即酸性磷酸酶作用。
5.RNA内切反应,即RNA限制性内切酶作用。
习题
1.下列辅酶中含有维生素B2的是
A.NAD+B.FADC.FH4D.CoAE.FH3
【答疑编号911030201】
答案:
B
2.酶的特异性是指
A.酶与辅酶特异的结合B.酶对所催化的底物有特异的选择
C.酶在细胞内的定位是特异的D.酶催化的反应机制各不相同
E.酶催化的反应机制相同
【答疑编号911030202】
答案:
B
3关于酶原和酶原激活
A.体内所有酶初分泌时均以酶原形式存在B.酶原的激活过程是酶被完全水解的过程
C.酶原激活的实质是酶活性中心形成或暴露的过程D.酶原的激活是酶的共价修饰过程
E.酶原的激活是酶的别构调节的过程
【答疑编号911030203】
答案:
C
4.影响酶促反应速度的因素不包括
A.底物浓度B.反应环境的pHC.酶原的浓度D.反应温度
【答疑编号911030204】
答案:
C
5.关于Km的意义不正确的是
A.Km是酶的特征性常数B.Km等于反应速度为最大速度一半时的底物浓度
C.Km增高酶与底物亲和力降低D.Km等于反应速度为最大速度一半时的酶浓度
【答疑编号911030205】
答案:
D
6.有关竞争性抑制错误的是
A.结构与底物相似B.与酶的活性中心结合
C.与酶的结合是可逆的D.抑制程度只与抑制剂浓度有关
【答疑编号911030206】
答案:
D
7.(B1型题)
A.pHB.底物浓度C.酶浓度D.最适温度E.抑制剂
(1)当底物浓度足够大时,酶促反应速度与之成正比
【答疑编号911030207】
答案:
C
(2)影响酶和底物的解离状态
【答疑编号911030208】
答案:
A
(3)不是酶的特征性常数,但是在该条件下酶促反应速度最快
【答疑编号911030209】
答案:
D