生物化学 话题 03：酶

#生物化学 #酶 #催化 #酶促反应动力学 #抑制剂 #调节 #核酶

1 酶的催化作用

1.1 分子结构与催化作用

• 活性中心: 酶分子中与底物特异性结合并催化其转化的三维结构区域。
  • 必需基团:
    • 位于活性中心内: 结合基团（识别底物）、催化基团（催化反应）。
    • 位于活性中心外: 维持构象或作为调节位点。
    • 常见基团: 丝氨酸羟基、组氨酸咪唑基、半胱氨酸巯基、酸性氨基酸羧基。
• 催化机制:
  • 诱导契合、邻近效应、表面效应：促进底物结合和去溶剂化。
  • 过渡态稳定化：降低活化能。
  • 酸碱催化、亲核催化、共价催化。

[!NOTE]
酶的高效催化依赖于活性中心的精确结构，诱导契合模型解释了酶与底物的动态结合过程。

1.2 酶促反应特点

• 高效性和专一性。
• 对环境敏感（常温、常压、中性 pH）。
• 可调节性（受抑制剂和激活剂影响）。

1.3 酶-底物复合物

• 定义: 酶与底物通过非共价键形成的临时复合物（ES 复合物）。
• 特征: 可逆结合，稳定过渡态。
• 模型:
  • 锁钥模型: 活性位点与底物完全匹配。
  • 诱导契合模型: 酶构象适应底物。

2 酶的辅助因子

2.1 维生素与辅酶

• 许多维生素转化为辅酶：
  • 烟酰胺（VB3）→ NAD⁺
  • 硫胺素（VB1）→ TPP
  • 核黄素（VB2）→ FMN/FAD
  • 维生素 B6 → PLP

2.2 辅酶作用

• 电子传递：NAD⁺、FAD。
• 质子转移：辅酶 A（CoA）。
• 分子转移：SAM（甲基转移）。
• 底物稳定：辅助催化。

2.3 金属离子作用

• 作为辅助因子（如 Zn²⁺、Fe²⁺、Mg²⁺、Cu²⁺），参与结构稳定、催化活性、电子转移。

[!TIP]
辅酶和金属离子通过与酶协同作用，增强催化效率或特异性，广泛参与代谢反应。

3 酶促反应动力学

3.1 Km 和 Vmax

• Vmax: 最大反应速率，所有活性位点饱和。
• Km（米氏常数）: 反应速率达 Vma x一半时的底物浓度。
  • 特征常数: 与酶和底物亲和力相关（Km 越小，亲和力越高）。
  • 影响因素: 酶结构、底物结构、温度、pH、离子强度。

3.2 最适 pH 和温度

• 最适 pH: 酶活性最高的 pH，受氨基酸残基电离状态影响。
• 最适温度: 酶活性最高的温度，受分子运动和结构稳定性影响。

4 抑制剂与激活剂

4.1 不可逆抑制

• 通过共价结合抑制酶活性，如有机磷农药抑制胆碱酯酶。

4.2 可逆抑制

• 竞争性抑制: 抑制剂竞争活性位点，Km 增加，Vmax 不变。
• 非竞争性抑制: 结合别构位点，Km 不变，Vmax 降低。
• 反竞争性抑制: 同时改变 Km 和 Vmax。

4.3 激活剂

• 分子激活剂: 如 ATP、乙酰辅酶 A。
• 离子激活剂: 如 Mg²⁺、Ca²⁺。

5 酶活性的调节

5.1 别构调节

• 别构效应剂通过改变酶构象调节活性，呈现 S 型动力学曲线。

5.2 化学修饰调节

• 包括磷酸化、乙酰化、甲基化等共价修饰。

5.3 酶原激活

• 酶原通过激活暴露活性中心，如胰蛋白酶原。

5.4 同工酶

• 催化相同反应但结构不同的酶，如乳酸脱氢酶（LDH1-5）。

[!NOTE]
同工酶在不同组织中表达差异，反映了代谢需求的多样性，临床上可用于疾病诊断。

6 核酶

• 化学本质: RNA，具有催化活性，如核糖核酸酶P。

7 临床酶应用

• 示例: 洛伐他汀抑制 HMG-CoA 还原酶，减少胆固醇合成。