生命的基本特征之一是新陈代谢

生命的基本特征之一是新陈代谢 酶Enzyme 生命的基本特征之一是新陈代谢它由成千上万个化学反应组成。这些化学反应几乎都是在特异的生物催化剂催化下进行的。迄今已发现两类化学本质不同的生物催化剂酶与核酶。酶enzymeE是由活细胞合成的具有催化作用的蛋白质是生物体内催化各种代谢反应最主要的催化剂核酶ribozyme是有高效、特异催化作用的核酸是近年来发现的一类新的生物催化剂。本章主要讨论化学本质为蛋白质的生物催化剂。 酶所催化的反应称为酶促反应。在酶促反应中受酶催化的物质称为底物substrateS反应的生成物称为产物productP酶所具有的催化能力称为酶活性如果酶丧失催化能力称为酶失活。 生命活动与酶的催化作用密切相关。人体的许多疾病与酶的异常有关许多药物也通过酶的作用来达到治疗的目的可以说没有酶就没有生命。 第一节 概述 酶是蛋白质具有蛋白质的分子组成和各级结构。只由一条多肽链组成的酶称为单体酶由多个相同或不同亚基经非共价键连接组成的酶称为寡聚酶由几种不同功能的酶彼此聚合形成的复合体称多酶体系还有一些多酶体系由于进化过程中基因的融合使得一条多肽链具有多种不同的催化功能这类酶称为多功能酶或串联酶。 一、酶的分子组成 酶按其化学组成不同可分为单纯酶和结合酶。 1.单纯酶 为单纯蛋白质只由氨基酸组成。催化水解反应的酶属于此类酶如蛋白酶、脂肪酶、核糖核酸酶和淀粉酶等。 2.结合酶 为结合蛋白质由蛋白质部分和非蛋白质部分组成。前者称为酶蛋白后者称为辅助因子。酶蛋白与辅助因子结合形成的复合物称为全酶。酶蛋白与辅助因子单独存在时均无催化活性只有结合在一起构成全酶后才有催化活性。 辅助因子包括金属离子或小分子有机化合物。金属离子最多见体内约2/3的酶含有金属离子。有的金属离子与酶蛋白结合紧密提取时不易丢失这类酶称金属酶。有的金属离子虽为酶活性所必需却不与酶直接结合而是通过底物相连接这类酶称金属激活酶。金属离子的作用是多方面的或为稳定酶分子构象所必需或作为连接酶与底物的桥梁或中和阴离子降低反应中的静电斥力或作为酶活性中心的催化基团参与催化反应、传递电子等。 小分子有机化合物是一些化学稳定的小分子物质其分子结构中常含有维生素或维生素类物质主要是B族维生素。其主要作用是参与酶的催化过程在反应中传递电子、质子或基团等。 辅助因子根据其与酶蛋白结合的紧密程度及作用特点不同可分为辅酶与辅基。与酶蛋白结合疏松用透析或超滤的方法能够将其与酶蛋白分离的称为辅酶反之与酶蛋白结合紧密用透析或超滤的方法不能将其与酶蛋白分离的称为辅基。金属离子多为酶的辅基小分子有机化合物有的属于辅酶NAD、NADP等有的属于辅基FAD、FMN等。 体内酶的种类很多辅助因子种类相对较少。一种酶蛋白只能与一种辅助因子结合构成一种特异性酶而一种辅助因子却能和多种酶蛋白结合构成多种不同的特异性酶。其中酶蛋白决定酶的特异性辅助因子决定酶促反应的类型。 二、酶的分类与命名 一酶的命名 1.习惯命名法 根据酶催化的底物、反应性质以及酶的来源命名。习惯命名法简单使用时间长但缺乏系统性。 2. 系统命名法 国际酶学委员会以酶的分类为依据于1961年提出了系统命名法。规定每一种酶均有一个系统名称。它标明了酶的所有底物与反应性质底物名称之间用“”分隔。系统命名法虽然合理但名称过长过于复杂。为了应用方便国际酶学委员会又从每种酶的数个习惯名称中选定一个简便实用的推荐名称。 二酶的分类 根据国际酶学委员会IEC的规定按照酶促反应性质酶可分为6大类 1氧化还原酶类 2转移酶类 3水解酶类 4裂解酶类 5异构酶类 6合成酶类或连接酶类 国际酶学委员会还根据酶所催化的化学键的特点和参加反应的基团的不同将上述每一大类又进一 步分为亚类、亚亚类。每种酶的分类编号均由4个数字组成数字前冠以EC。编号中第1个数字表示该酶属于哪一大类酶第2个数字表示该酶属于哪一亚类第3个数字表示亚-亚类第四个数字是此酶在亚-亚类中的排序。每个数字之间用“??”分隔。如乳酸脱氢酶的编号为1??1??1??27。 第二节 酶催化作用的特点 酶与一般催化剂有相同之处微量即能加速化学反应进行且在反应前后不发生质与量的改变只能催化热力学允许进行的化学反应只能缩短反应到达平衡所需的时间而不能改变平衡点等。然而酶是生物催化剂酶促反应又有其特点。 一、高度的催化效率 酶具有极高的催化效率通常比非催化反应高1081020倍比一般催化剂高1071013倍。例如脲酶催化尿素的水解速度是H的7×1012倍。 二、高度的特异性 酶对其作用底物的选择性称为酶的特异性或酶的专一性specificity。即一种酶只能作用于一种或一类化合物或一定的化学键催化一定的化学反应并产生一定的产物。根据酶对底物选择的严格程度不同可将酶的特异性分为三种类型 1绝对特异性 一种酶只催化一种底物进行一种专一的反应生成一种特定结构的产物这种特异性称为绝对特异性。 2相对特异性 有的酶能作用于一类化合物或一种化学键这种不太严格的选择性称为相对特异性。如脂肪酶既能水解脂肪也能水解简单的酯。 3立体异构特异性 一种酶仅作用于底物立体异构体中的一种这种选择性称为立体异构特异性。如L-氨基酸氧化酶只对L-氨基酸起作用对D-氨基酸不起作用。 三、酶催化活性的可调节性 生物体内的物质代谢错综复杂但却能适应内外环境的变化蜕 疃 男枰 ,馐且蛭 锾逶诔て诮 讨兄鸩叫纬闪硕酶促反应精确的调控。主要是通过对酶结构和酶含量的改变来调节酶的活性使体内各种代谢途径能适应生理功能的需要有条不紊地进行。如果体内酶活性的调控异常物质代谢将会发生紊乱则会产生疾病甚至死亡。 四、酶活性的不稳定性 酶的化学本质是蛋白质具有蛋白质的理化性质。凡能使蛋白质变性的理化因素都能使酶蛋白变性失活。因此酶对环境因素的变化非常敏感如温度、pH和抑制剂等表现出高度的不稳定性。 第三节 酶的结构与功能 一、酶的活性中心 酶分子中存在有许多化学基团但并不都与酶活性有关其中与酶活性密切相关的基团称为酶的必需基团。常见的必需基团有丝氨酸和苏氨酸残基上的羟基、组氨酸残基上的咪唑基、半胱氨酸残基上的巯基、酸性氨基酸残基上的羧基和碱性氨基酸残基上的氨基等。这些必需基团在一级结构上可能相距很远但在空间结构上彼此靠近形成具有特定空间结构的区域。这个存在酶分子表面由必需基团集中构成的具有特定空间结构的区域是酶与底物特异性结合并催化底物转化为产物的部位称为酶的活性中心。结合酶的辅酶或辅基参与构成活性中心。 酶活性中心内的必需基团可分为结合基团与催化基团。结合基团直接与底物结合催化基团催化底物发生化学反应并将其转变为产物。有些必需基团可同时具有这两方面的功能。还有一些必需基团位于活性中心以外但却是维持酶活性中心特定的空间结构所必需的这些基团称为酶活性中心外的必需基团。活性中心是酶发挥特异催化作用的关键部位如果酶的活性中心破坏或被某些物质占据酶则丧失催化活性。 二、酶原与酶原的激活 有些酶在细胞内合成或初分泌时无催化活性必须在一定的条件下才能转变为有活性的酶。这种无活性的酶的前身物称酶原zymogen。酶原转变成有活性的酶的过程称为酶原的激活。 酶原激活的实质就是酶的活性中心形成或暴露的过程。如胰蛋白酶原在胰腺内合成和初分泌时以无活性的酶原形式存在当其随胰液进入小肠后在Ca2存在下受肠激酶的作用从N端水解掉一个六肽分子构象发生了改变形成了活性中心胰蛋白酶原转变成有催 化活性的胰蛋白酶。 酶原的激活具有重要的生理意义避免细胞产生的蛋白酶对自身进行消化使酶在特定部位和环境中发挥催化作用。如消化腺的蛋白水解酶以酶原的形式分泌。临床上急性胰腺炎就是因为某些原因引起胰蛋白酶原等在胰腺组织被激活所致。此外酶原可视为酶的贮存形式。如参与凝血和纤维蛋白溶解的酶类以酶原形式存在血液中从而保证血流畅通。一旦需要便迅速转化为有活性的酶发挥其对机体的保护作用。 三、同工酶 同工酶isoenzyme是指催化相同的化学反应而酶蛋白的分子结构、理化性质及免疫学性质不同的一组酶。同工酶存在于同一种属或同一个体的不同组织中甚至存在于同一细胞的不同亚细胞结构中在代谢调节中起重要作用。同工酶是由不同基因或等位基因编码的多肽链或由同一基因转录生成的不同mRNA翻译的不同多肽链组成。现已发现500多种酶具有同工酶如乳酸脱氢酶LDH、已糖激酶、肌酸激酶等。 同工酶多为寡聚酶。如乳酸脱氢酶是4聚体酶由骨骼肌型M型和心肌型H型2种亚基构成。其亚基按不同比例组成了五种同工酶即LDH1、LDH2、LDH3、LDH4和LDH5其在电场中电泳速度依次递减。 LDH分布广泛但在不同组织器官中的含量与分布比例不同使得不同的组织与细胞具有不同的代谢特点及同功酶谱。如LDH1在心肌细胞中含量最高主要催化乳酸脱氢生成丙酮酸有利于心肌细胞利用乳酸氧化供能而LDH5在骨骼肌细胞中含量丰富主要催化丙酮酸还原为乳酸有利于骨骼肌进行糖酵解。 同工酶测定已成为临床诊断的一个重要组成部分。当某组织病变时存在这些组织中的某种特殊的同工酶就会释放出来使同工酶谱发生改变测定血清中相应同工酶谱能较准确地反映病变的部位和损伤程度有助于疾病诊断。如正常血清LDH2活性高于LDH1心肌梗死时细胞内LDH1大量释放到血液使血清中LDH1活性高于LDH2而肝病时LDH5活性升高。 四、酶活性的调节 物质代谢由许许多多代谢途径组成。代谢途径就是一系列连续的酶促反应过程。正常情况下代谢途径的速度和方向受到精细地调控能适应内外环境的变化有条不紊地进行。体内各种代谢途径的主要是对代谢途径中关键酶key enzymes的调节。关键酶催化的反应速度最慢又称为限速酶limiting velocity enzymes。限速酶催化单向反应或不平衡反应其活性控制着整个代谢途径的速度和方向。酶的调节包括酶活性和酶含量的调节其中酶活性的调节有变构调节和化学修饰调节2种。 一变构调节 体内一些代谢物质可与酶的活性中心以外的某一部位可逆地结合使酶的空间构象发生改变进而改变酶的活性。这种调节方式称为变构调节又称为别位调节。受变构调节的酶称为变构酶或别位酶导致变构调节的代谢物称为变构效应剂其中使酶活性增强的称变构激活剂使酶活性降低的称变构抑制剂。体内代谢途径的关键酶大多属于变构酶受代谢物的变构调节。 变构酶通常是由多个亚基组成的寡聚酶。其中与底物结合起催化作用的亚基称为催化亚基与变构效应剂结合起调节作用的亚基称为调节亚基有的效应剂与底物可结合在同一亚基的不同部位分别称为调节部位与催化部位。变构效应剂通过非共价键与调节亚基结合引起酶的构象改变如亚基的聚合或解聚、亚基间结合变得疏松或紧密从而使酶的活性受到激活或抑制从而改变物质代谢的速度和方向。 二共价修饰调节 酶蛋白肽链上的某些基团可在酶的催化下发生可逆的共价修饰从而引起酶活性改变这种调节称为酶的共价修饰或化学修饰。共价修饰调节的方式有磷酸化与脱磷酸、乙酰化与脱乙酰、腺苷化与脱腺苷、甲基化与脱甲基以及-SH与-S-S-的互变等。其中最常见的是磷酸化与脱磷酸化。酶的磷酸化与脱磷酸化反应是不可逆反应分别由蛋白激酶和磷蛋白磷酸酶催化。作用快、效率高使体内快速调 节的另一种重要方式。 五、酶催化作用机制 一活化分子与活化能 酶和一般催化剂能加速化学反应进行是因为它们都能降低反应的活化能。在任何一个热力学允许的反应体系里底物分子所含能量的平均水平较低。在反应的每一瞬间并非所有分子都能发生反应只有那些所含能量较高达到或超过一定能量水平的分子才能发生反应这种分子称为活化分子。底物分子转变为活化分子所需的能量称为活化能activation energy。化学反应速度取决于反应体系中活化分子的数目活化分子越多反应越快。酶能通过其特有的机制比一般催化剂更大幅度地降低反应所需活化能使底物分子只需较少的能量便可转变为活化分子表现出极高的催化效率。 二诱导契合学说 1.酶-底物复合物的形成与诱导契合假说 该学说认为酶在发挥催化作用前必须先与底物结合生成酶-底物复合物即中间产物ES然后底物在酶分子某些基团的作用下发生变形处于不稳定的过渡态易受酶的攻击只需较少的能量便可进入活化状态底物迅速转变为产物并释放出酶此为中间产物学说。可用反应式表示 E S ? ES ? E P 酶 底物 中间产物 酶 产物 酶与底物的结合并不是简单的锁与匙的机械关系。酶在与底物结合前它们的结构并不一定完全吻合但当它们相互接近时其结构相互诱导相互变形和相互适应进而相互结合形成ES从而催化底物转变为产物。这一过程称为诱导契合假说。 2酶降低活化能的机制 ?临近效应与定向排列:底物在进行化学反应时必须以正确的方向相互碰撞才有可能发生反应。酶在反应中将各种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将分子间的反应变成分 多元催化: 一般催化剂通常只有一种解离状态或酸催子内的反应加速反应进行。 ? 化或碱催化。酶是两性电解质并含有多种具有不同解离常数的功能基团因此一种酶常常兼有酸、碱等多元催化作用。这种多功能基团的协同作用使酶的催化效率大大的提高。 ?表面效应: 酶的活性中心内部有许多疏水性基团常形成疏水性“口袋”。这种疏水的环境可排除水分子对酶和底物之间相互作用的干扰或排斥防止在底物和酶之间形成水化膜有利于酶与底物的密切接触。 第四节 影响酶催化作用的因素 影响酶促反应速度的因素主要有底物浓度、酶浓度、pH、温度、激活剂和抑制剂等。当研究某一因素对酶促反应速度的影响时应保持反应体系中的其他因素不变单独变动待研究的因素。酶促反应速度通常是指酶促反应的初速度此时反应近乎单向进行。 一、底物浓度对反应速度的影响 底物浓度对酶促反应的影响呈矩形双曲线关系。当底物较低时增加底物浓度反应速度随底物浓度的增加而增加两者呈正比关系随着底物浓度进一步增加反应速度随之增加但不再呈正比系随着底物浓度进一步增加反应速度随之增加但不再呈正比关系增加的幅度逐渐变小当底物浓度增加到一定程度时继续增加底物浓度反应速度不再增加此反应速度称为最大反应速度。 这种现象可用中间产物学说解释。在酶促反应中产物的生成量与中间产物的浓度呈正比。当底物浓度很低时酶的活性中心没有全部与底物结合增加底物浓度由于中间产物生成增多产物的生成也增加故反应速度加快。当底物浓度增高到一定浓度时酶的活性中心已被底物饱和此时再增 加底物浓度由于中间产物生成增多产物的生成也增加故反应速度加快。当底物浓度增高到一定浓度时酶的活性中心已被底物饱和此时再增加底物浓度中间产物不再增加反应速度趋于恒定。所有的酶均有饱和现象只是达到饱和时所需的底物浓度不同而已。 一米-曼氏方程式 1913年L.Michaelis和M.L.Menten提出了反应速度与底物浓度关系的数学方程式即著名的米-曼氏方程式简称米氏方程式Michaelis equation VmaxSKmSV 二Km与Vmax的意义 1Km值等于酶促反应速度 为最大反应速度一半时的底物浓度其单位为mol/L。当V1/2Vmax时代入米氏方程得 12VmaxVmaxSKmSKmS 2Km值是酶的特征性常数之一Km只与酶的结构、酶催化的底物和反应环境如pH、温度等有关与酶的浓度无关。 3Km可用来表示酶对底物的亲和力。Km值愈小表示达到最大反应速度时所需的底物浓度愈低酶与底物的亲和力愈大。反之Km值愈大酶与底物的亲和力则愈小。4. Km值可用来判断酶的天然底物或最适底物。如果一种酶同时有几种底物时对每一种底物都有特定的Km其中Km最小的底物则是该酶的天然底物或最适底物。 5. Vmax是酶完全被底物饱和时的反应速度与酶浓度呈正比。 二、酶浓度的影响 在酶促反应体系中当底物浓度大大超过酶浓度足以使酶饱和时反应速度与酶浓度呈正比关系。即酶浓度越大反应速度越大。 三、温度反应速度的影响 温度对酶促反应速度具有双重影响。升高温度一方面使酶促反应速度加快同时也使酶蛋白变性加速使反应速度减慢。综合这两方面因素使酶促反应速度最快时的环境温度称为酶的最适温度。温血动物体内酶的最适温度多在3540?之间。 环境温度低于最适温度时升高温度加快反应速度这一效应起主导作 反应速度可加快12倍。环境温度高于最适温度时升高温度反应用。温度每升高10? 速度则因酶蛋白变性而减慢。温度升高到60?以上时大多数酶开始变性80?时多数酶的变性不可逆转。 低温使酶的活性降低但并不使酶破坏。温度回升后酶又能恢复活性。临床上低温麻醉就是利用酶的这一特性来降低组织细胞的代谢速度提高患者在手术期间对营养物质和氧缺乏的耐受力。此外酶、疫苗等生物制剂则需要低温保存以防止酶变性失活。 酶的最适温度不是酶的特征性常数可随反应时间的缩短而提高。 四、pH反应速度的影响 酶促反应速度受环境pH的影响。在不同的pH条件下酶分子中特别是酶活性中心内的必需基团解离状态不同因此会影响到活性中心的空间构象进而影响酶的活性。此外底物和辅酶的解离状态也受环境pH的影响从而影响酶与底物的结合影响酶发挥催化作用。只有在某一pH条件下酶、底物和辅酶处于最佳的解离状态最适宜它们互相结合酶催化活性最大此环境pH称为酶的最适pH 。 最适pH不是酶的特征性常数它受底物浓度、缓冲液的种类与浓度及酶的纯度等因素影响。溶液的pH高于或低于最适pH酶活性均降低偏离越远酶活性降低越明显过酸或过碱都会使酶变性失活。因此测定酶活性时常应用缓冲液以维持溶液pH的稳定。 不同的酶最适pH不同体内大多数酶的最适pH接近中性。但也有例外如胃蛋白酶的最适pH约为1.8肝精氨酸酶最适pH为9.8。 五、激活剂的影响 使酶从无活性变为有活性或使酶活性增加的物质称酶的激活剂activator。激活剂包括金属离子Mg2、K等和小分子有机物胆汁酸盐等。有的激活剂是酶促反应必不可少的如果缺乏酶将没有活性此类激活剂称为必需激活剂。大多数金属离子属此类。有些激活剂当它们不存在时酶仍有催化活性但活性较低加入激活剂后酶的催化活性显著提高此类激活剂称为非必需激活剂。如胆汁酸盐对胰脂肪酶的激活。Cl-是唾液淀粉酶的非必需激活剂。 六、抑制剂的影响 凡能使酶活性降低而不引起酶蛋白变性的物质统称为酶的抑制剂inhibitorI。其抑制作用可分为不可逆性抑制与可逆性抑制两类。 一不可逆性抑制 此类抑制剂与酶活性中心上的必需基团以共价键结合使酶失去活性用透析、超滤等方法不能将其去除酶活性难以恢复。这种抑制作用称为不可逆抑制。例如农药1059、敌百虫、敌敌畏等有机磷化合物能特异地与胆碱酯酶活性中心丝氨酸残基的羟基结合使酶失活。造成乙酰胆碱在体内积蓄出现胆碱能神经过度兴奋而出现一系列中毒症状。解磷定能与有机磷杀虫剂结合使胆碱酯酶游离而恢复活性。 有机磷化合物羟 基酶XOEHX失活的羟基酶酸HO-EPOOORRPOOORR CH3CHNOHNRRPOOOCH3CHNON复活的羟基酶HO-E失活的羟基酶解磷定OEPOOORR 低浓度的重金属离子Hg2、Ag等及As3能与酶分子的巯基共价结合使酶失活。化学毒气——路易士气是一种含砷的化合物能抑制体内巯基酶而引起人蓄中毒。 路易士气CIHCI2CICIAsCHCH巯基酶失活的酶SHESHAsCHCHSESCI 二巯基丙醇或二巯基丁二酸分子中含有2个巯基可与毒剂结合使巯基酶的活性恢复而进行解毒。 巯基酶失活的酶二巯基丙醇二巯基丙醇与砷剂结合物 AsCHCHCISESCHOHCH2CH2-SH-SHSHESHAsCHCHCI-S-SCHOHCH2CH2 二可逆性抑制 此类抑制剂以非共价键与酶或酶-底物结合可逆性结合使酶活性降低或丧失用透析或超滤等方法能去除以直接使酶恢复活性。可逆性抑制可分为3类。 1.竞争性抑制 抑制剂和底物的结构相似可与底物竞争.