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2021-02-26 12:10:49
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生物化学
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生物化学主题

(英语:Enzyme),又称酵素,是一类大分子生物催化剂。酶能加快化学反应的速度(即具有催化作用)。由酶催化的反应中,反应物称为底物,生成的物质称为产物。几乎所有细胞内的代谢过程都离不开酶。酶能大大加快这些过程中各化学反应进行的速率,使代谢产生的物质和能量能满足生物体的需求。细胞中酶的类型对可在该细胞中发生的代谢途径的类型起决定作用。对酶进行研究的学科称为“酶学”(enzymology)。

目前已知酶可以催化超过5000种生化反应。大部分酶是蛋白质,有少部分酶是具有催化活性的RNA分子,这些酶被称为核酶。酶的特异性是由其独特的三级结构决定的。

和所有的催化剂一样,酶通过降低反应激活能加快化学反应的速率。一些酶可以将底物转化为产物的速率提高数百万倍。一个比较极端的例子是乳清苷-5'-磷酸脱羧酶英语Orotidine 5'-phosphate decarboxylase。该酶可以使在无催化剂条件下需要进行数百万年的化学反应在几毫秒内完成。从化学原理上讲,酶和其它所有催化剂一样,反应不会使其物质量发生变化。酶亦不能改变化学平衡,这一点和其它催化剂也是一样的。酶和其它催化剂的不同之处在于,它们的专一性要强得多。一些分子可以影响酶的活性。如酶抑制剂能降低酶的活性,酶激活剂能提高酶的活性。许多药物及毒物是酶的抑制剂。当超出或小于适宜的温度和pH值后,酶的活性会显著下降。

酶在工业和人们的日常生活中的应用也非常广泛。例如,药厂用特定的合成酶来合成抗生素;洗衣粉中添加酶能加速附着在衣物上的蛋白质淀粉脂肪渍的分解;嫩肉粉中加入木瓜蛋白酶能将蛋白质分解为稍小的分子,使肉的口感更嫩滑。

发现及研究史

资料专题:酶发现及研究史

命名规则

资料专题:酶命名规则

结构

酶大都是球蛋白,以单体或聚成复合物对反应进行催化。和其他的蛋白质一样,酶的三维结构是通过多肽链折叠形成的。氨基酸的序列(一级结构)能决定蛋白质的三维结构,进而影响酶的催化活性。尽管结构决定功能是一条具普适性的规则,一种新的酶的活性不能仅仅通过其结构预测。加热时或与化学变性剂接触时,酶结构会发生去折叠(即变性),原有的结构被打乱,活性也往往随之丧失。在温度超过正常水平时,酶就会变性。因此,不难推断生活在火山环境(比如热泉)中的细菌的酶具有很强的耐热性。这些酶使高温条件下酶促反应的发生成为可能,在工业上具有很高的利用价值。

酶通常比底物大得多。酶的肽链长度从62个氨基酸残基的4-草酰巴豆酸异构酶英语4-Oxalocrotonate tautomerase的单体到长度超过2,500个氨基酸残基的动物脂肪酸合酶。酶的结构只有一小部分(大约2-4个氨基酸)是直接与催化相关的。这部分称为催化位点(catalytic site)。催化位点通常与一个或多个与底物结合的结合位点(binding site)相连。催化位点与结合位点共同组成了酶的活性位点(active site)。酶的其余部分起维持活性位点准确的方向以及动力学特性的作用。

在一些酶中,催化与任何一个氨基酸都没有关系。这类酶另有与催化辅助因子结合的位点。一些酶亦可能包含别构位点。小分子与别构位点的结合可使酶发生构象改变,进而使酶的活性降低或升高。

一些具有生物催化活性的RNA分子称为核酶(ribozyme)。这类分子可能单独发挥催化作用,也可能在与蛋白质结合成复合物的条件下发挥催化作用。最常见的核酶应是核糖体。核糖体是蛋白质以及具有催化活性的RNA的复合物。核糖体的活性位点完全由RNA组成,而蛋白质仅起支架的作用。

机制

底物结合

资料专题:酶机制底物结合

催化机理

酶可以通过多种方式加快化学反应的进行速度,基本机理都是降低反应的激活能(ΔG,吉布斯自由能)。

  1. 稳定过度态:
    • 产生一个与过度态所带电荷互补的环境,以降低其能量。
  2. 提供不同的反应途径:
    • 先和底物发生初步反应,与底物形成共价键连接,产生一个能量较低的中间态。
  3. 降低底物基态的稳定性:
    • 结合底物后引起底物扭曲,从而降低底物基态与过渡态之间的能差。
    • 通过改变底物的排列方式,减少反应的变,此机制对催化的贡献较小。。

酶可以同时使用以上多种催化机制来催化反应。比如,胰蛋白酶先通过一个催化三联体进行共价催化产生中间态,再借助氧负离子洞英语oxyanion hole(oxyanion hole)稳定过渡态的电荷排布,水解过程的完成则依赖有序排列的水分子底物。

动态结构

酶的结构并不是刚性的、恒定不变的。酶的内部结构会发生复杂的动力学变化。酶的结构可能在反应过程中发生变化,单个氨基酸残基、一个转角英语turn(biochemistry)、一个二级结构单位,乃至整个结构域的位置都可能发生改变。酶内部结构的变化能使差异度不大、且能发生互变的多种构象体在热力学平衡状态下共存,从而形成所谓构象系综英语conformational ensemble(conformational ensemble)。在系综状态下,酶的每一结构状态或者构象体都可能与酶的功能的某一部分有关。举例来说,二氢叶酸还原酶的不同构象就分别和底物结合、催化、辅助因子释放、产物释放相关。

别构调节

别构中心是酶结构上的结合口袋,远离活性中心,可以与细胞环境中的一些分子结合。和别构中心结合的分子往往可以改变酶的构象或是酶的动态结构,从而影响酶活性中心的反应速率。因此,别构反应可以使酶被激活或被抑制。别构调节对代谢通路非常重要,代谢酶往往可以和通路上游或是下游的代谢物发生别构效应,而产生反馈调控,即根据通路其他部分上的代谢通量英语Flux(metabolism)来调整酶的活性。

辅助因子

资料专题:酶辅助因子

热力学

与其他催化剂一样,酶并不改变反应的平衡常数,而是通过降低反应的激活能来加快反应速率(见右图)。通常情况下,反应在酶存在或不存在的两种条件下,其反应方向是相同的,只是前者的反应速度更快一些。但必须指出的是,在酶不存在的情况下,底物可以通过其他不受催化的“自由”反应生成不同的产物,原因是这些不同产物的形成速度更快。

酶可以连接两个或多个反应,因此可以用一个热力学上更容易发生的反应去“驱动”另一个热力学上不容易发生的反应。例如,细胞常常通过ATP被酶水解所产生的能量来驱动其他化学反应。

酶可以同等地催化正向反应和逆向反应,而并不改变反应自身的化学平衡。例如,碳酸酐酶可以催化如下两个互逆反应,催化哪一种反应则是依赖于反应物浓度。

CO2+H2O∗→H2CO3{\displaystyle \mathrm{CO_{2}+H_{2}O{}^{\mathrm{\quad *}}\!\!\!\!\!\!\!\!{\overrightarrow{\qquad}}H_{2}CO_{3}}}(组织内;高CO2浓度下)H2CO3∗→CO2+H2O{\displaystyle \mathrm{H_{2}CO_{3}{}^{\mathrm{\quad *}}\!\!\!\!\!\!\!\!{\overrightarrow{\qquad}}CO_{2}+H_{2}O}}(中;低CO2浓度下)

  反应式中“*”表示“碳酸酐酶”

当然,如果反应平衡极大地趋向于某一方向,比如释放高能量的反应,而逆反应不可能有效的发生,则此时酶实际上只催化热力学上允许的方向,而不催化其逆反应。

动力学

资料专题:酶动力学

抑制作用

酶的催化活性可以被多种抑制剂所降低。

可逆抑制作用

可逆抑制作用的类型有多种,它们的共同特点在于抑制剂对酶活性的抑制反应具有可逆性。

竞争性抑制作用

抑制剂与底物竞争结合酶的活性位点(抑制剂和底物不能同时结合到活性位点),也就意味着它们不能同时结合到酶上。对于竞争性抑制作用,催化反应的最大反应速率值没有变,但是需要更高的底物浓度,反映在表观Km值的增加。

非竞争性抑制作用

非竞争性抑制抑制剂可以与底物同时结合到酶上,即抑制剂不结合到活性位点。酶-抑制剂复合物(EI)或酶-抑制剂-底物复合物(EIS)都没有催化活性。与竞争性抑制作用相比,非竞争性抑制作用不能通过提高底物浓度来达到所需反应速度,即表观最大反应速率Vmax的值变小;而同时,由于抑制剂不影响底物与酶的结合,因此Km值保持不变。

反竞争性抑制作用

反竞争性抑制作用比较少见:抑制剂不能与处于自由状态下的酶结合,而只能和酶-底物复合物(ES)结合,在酶反应动力学上表现为Vmax和Km值都变小。这种抑制作用可能发生在多亚基酶中。

复合抑制作用

这种抑制作用与非竞争性抑制作用比较相似,区别在于EIS复合物残留有部分酶的活性。在许多生物体中,这类抑制剂可以作为负反馈机制的组成部分。若一个酶体系生产了过多的产物,那么产物就会抑制合成该产物的酶体系中第一个酶的活性,这就可以保证一旦合成足够多的产物后,该产物的合成速率会下降或停止。受这种抑制作用调控的酶通常为多亚基酶,并具有与调控产物结合的别构结合位点。这种抑制作用的反应速率与底物浓度的关系图不再是双曲线形而是S形。

不可逆抑制作用

不可逆抑制剂可以与酶结合形成共价连接,而其他抑制作用中酶与抑制剂之间都是非共价结合。这种抑制作用是不可逆的,酶一旦被抑制后就无法再恢复活性状态。这类抑制剂包括二氟甲基鸟氨酸(一种可用于治疗寄生虫导致的昏睡症的药物)、苯甲基磺酰氟(PMSF)、青霉素和阿司匹林。这些药物都是与酶活性位点结合并被激活,然后与活性位点处的一个或多个氨基酸残基发生不可逆的反应形成共价连接。

抑制剂的用途

酶抑制剂常被用作药物,同样也可以被作为毒药使用。而药物和毒药之间的差别通常非常小,大多数的药物都有一定程度的毒性,正如帕拉塞尔苏斯所言:“所有东西都有毒,没有什么是无毒的”(“In all things there is a poison, and there is nothing without a poison”)。相同的,抗生素和其他抗感染药物只是特异性地对病原体而不是对宿主有毒性。

一个获得广泛应用的抑制剂药物是阿司匹林,它可以抑制环加氧酶的活性,而环加氧酶可以生产炎症反应信使前列腺素,因此,阿司匹林可以起到抑制疼痛与炎症的作用。而剧毒毒药氰化物可以通过结合细胞色素氧化酶位点处的铜和铁原子不可逆地抑制酶活性,从而抑制细胞的呼吸作用

生物学功能

资料专题:酶生物学功能

工业应用

资料专题:酶工业应用

参见

  • 生物主题
  • 分子与细胞生物学主题

参考

资料专题:酶参考

拓展阅读