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(二)核酶
1982年,ThomasCech从四膜虫rRNA前体的加工研究中首先发现rRNA分子在没有任何蛋白质的存在下发生了自我催化的剪接反应,90年代H.F.Noller证明大肠杆菌的23SrRNA具有催化肽键形成的作用,此后更多的证据表明,某些RNA分子有固有的催化活性。
这种具有催化作用的RNA被称为核酶或催化性RNA(catalyticRNA)。
核酶的发现一方面推动了对于生命活动多样性的理解,另外在医学上也有其特殊的用途。
由于核酶结构的阐明,可以用人工合成的小片段RNA,使其结合在有害RNA(病毒RNA,癌基因mRNA等)上,将其特异性降解。
这一思路已经在实验中获得成功,针对HIV(人类免疫缺陷病毒)的核酶在美国和澳大利亚已进入临床试验。
理论上讲,核酶几乎可以被广泛用来尝试治疗所有基因产物有关的疾病。
(三)脱氧核酶
最初发现的核酶都是RNA分子,后来证实人工合成的具有类似结构的DNA分子也具有特异性降解RNA的作用。
相对应于催化性RNA,具有切割RNA作用的DNA分子称为脱氧核酶或催化性DNA(catalyticDNA)。
由于DNA分子较RNA稳定,而且合成成本低,因此在未来的治疗药物发展中可能具有更广泛的前景。
目前尚未发现天然存在的催化性DNA。
二、酶的催化作用特点
酶是生物催化剂,既有与一般催化剂相同的催化性质,又有一般催化剂所没有的生物大分子的特征。
酶与一般催化剂一样,只能催化热力学允许的化学反应,缩短达到化学平衡的时间,而不改变平衡点。
酶作为催化剂在化学反应的前后没有质和量的改变,微量的酶就能发挥较大的催化作用。
因为酶是蛋白质,所以又具有其独特的催化特点:
1.高度的催化效率
酶的催化效率比无催化剂的自发反应速度高108~1020倍,比一般催化剂的催化效率高107~1013倍。
这种高度加速的酶促反应机制,主要是因为大幅度降低了反应的活化能(activationenergy)。
2.高度的特异性
酶对其所催化的底物和催化的反应具有较严格的选择性,常将这种选择性称为酶的特异性或专一性(specificity)。
根据酶对底物选择的严格程度不同,酶的特异性通常分为以下三种:
(1)绝对特异性(absolutespecifictity):
有的酶只能催化一种底物发生一定的反应,称为绝对特异性。
如脲酶只能催化尿素水解成NH3和CO2,而不能催化甲基尿素水解。
(2)相对特异性(relativespecificity):
一种酶可作用于一类化合物或一种化学键,这种不太严格的特异性称为相对特异性。
如脂肪酶不仅水解脂肪,也能水解简单的酯类。
(3)立体异构特异性(stereopecificity):
酶对底物的立体构型的特异要求,称为立体异构特异性。
如L-乳酸脱氢酶的底物只能是L型乳酸,而不能是D型乳酸。
3.酶活性的可调节性
物质代谢在正常情况下处于错综复杂、有条不紊的动态平衡中。
酶活性的调节作用是维持这种平衡的重要环节。
通过各种调控方式,例如,酶的生物合成的诱导和阻遏、酶的化学修饰、酶的变构调节以及神经体液因素的调节等,改变酶的催化活性,以适应生理功能的需要,促进体内物质代谢的协调统一,保证生命活动的正常进行。
4.酶活性的不稳定性
酶是蛋白质,酶促反应要求一定的pH、温度等温和的条件,强酸、强碱、有机溶剂、重金属盐、高温、紫外线、剧烈震荡等任何使蛋白质变性的理化因素都可使酶变性而失去其催化活性。
三、酶的活性中心与催化作用机理
(一)酶的活性中心
组成酶分子的氨基酸中有许多化学基团,如-NH2、-COOH、-SH、-OH等,但这些基团并不都是与酶活性有关。
其中那些与酶的活性密切相关的基团称为酶的必需基团(essentialgroup)。
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,形成一个能与底物特异地结合并将底物转变为产物的特定空间区域,这一区域称为酶的活性中心(activecenter)。
对结合酶来说,辅酶或辅基也参与酶活性中心的组成。
酶活性中心内的必需基团分两种:
能直接与底物结合的必需基团称为结合基团(bindinggroup),影响底物中某些化学键的稳定性,催化底物发生化学变化的必需基团称为催化基团(catalyticgroup)。
还有一些必需基团虽然不参加活性中心的组成,但却为维持酶活性中心应有的空间构象所必需,这些基团是酶活性中心外的必需基团(图4-1-1)
图4-1-1酶活性中心示意图
酶的活性中心往往位于酶分子表面或凹陷处,是酶催化作用的关键部位。
不同的酶有不同的活性中心,故对底物有高度的特异性。
形成或暴露酶的活性中心,可使无催化活性的酶原转变成具有催化活性的酶。
相反,酶的活性中心一旦被其它物质占据或某些理化因素使酶的空间结构破坏,酶则丧失催化活性。
(二)酶的催化作用机理
酶和化学催化剂都能降低反应的活化能,但酶比一般化学催化剂降低活化能作用要大得多,故表现为酶作用的高度催化效率(图4-1-2)。
例如,反应:
H2O2+H2O2→2H2O+O2
在无催化剂时,需活化能75.6KJ/mol;
胶体钯催化时,需活化能49KJ/mol;
过氧化氢酶催化时,仅需活化能8.4KJ/mol。
图4-1-2酶与一般化学催化剂降低反应活化能示意图
酶能大幅度降低反应活化能的原因是:
1.酶能与底物形成中间复合物
酶催化底物反应时,首先酶的活性中心与底物结合生成酶-底物复合物,此复合物再进行分解而释放出酶,同时生成一种或数种产物,此过程可用下式表示:
E+S—→ES—→E+P
上式中E代表酶,S代表底物,ES代表酶底复合物,P代表反应产物。
ES的形成,改变了原来反应的途径,大幅度降低了反应活化能,从而使反应加速。
2.趋近效应和定向效应
酶与底物形成复合物后,使底物与底物(如双分子反应)之间,酶的催化基团与底物之间结合于同一分子而使有效浓度得以极大地升高,从而使反应速度大大增加,这种效应称为趋近效应。
趋近效应使酶活性中心处的底物浓度急剧增高,从而增加底物分子的有效碰撞。
酶还能使靠近活性中心处的底物分子的反应基团与酶的催化基团取得正确定向,这就是定向作用。
定向作用提高了酶与底物反应的适宜时机,从而降低了反应活化能,加快了反应速度。
图4-1-3中,A、B分别代表两个底物,当它们进入活性中心后,从不易起反应的Ⅰ位,定向转位到最易起反应的Ⅲ位。
图4-1-3趋近效应与定向作用
3.“变形”与“契合”
酶与底物接触后,酶在底物的诱导下其空间构象发生变化,另一方面底物也因某些敏感键受力而发生“变形”,酶构象的改变与底物的变形,使两者彼此互补“契合”(图4-1-4),导致底物分子内部产生张力,受牵拉力影响底物化学键易断裂,容易反应。
图4-1-4酶-底物“变形”与“契合”示意图
4.酸碱催化作用
酶的活性中心具有某些氨基酸残基的R基团,这些基团有许多是酸碱功能基团(如氨基、羧基等)它们在体液条件下,往往是良好的质子供体或受体,极有利于进行酸碱催化作用,从而提高酶的催化效能。
5.共价催化作用
某些酶能与底物形成极不稳定的、共价结合的ES复合物,这些复合物极易变成过渡态,从而降低反应的活化能,加速化学反应速度。
四、辅酶与辅基
前已述及,结合酶由两部分构成:
酶蛋白+辅酶(或辅基)。
其中辅酶(基)通常结合于酶的活性中心,酶蛋白的活性中心形状决定了什么样的底物可以与之结合,而存在于活性中心的辅酶(基)则对底物进行电子、原子或基团转移。
即辅酶(基)决定了化学反应的性质和类型,因此,酶的辅助因子(辅酶、辅基)在酶促反应中起着非常重要的作用。
B族维生素是合成辅酶或辅基的基本原料,个别B族维生素可以直接作为辅助因子结合于酶蛋白上。
以下介绍生化反应中一些常见的辅酶和辅基。
(一)辅酶I和辅酶II:
NAD+、NADP+
NAD+(尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸)和NADP+(尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸)是生化反应中重要的电子和氢传递体,因此它们参与的是氧化还原反应(图4-1-5)。
图4-1-5辅酶I和辅酶II
NAD+和NADP+是各种不需氧脱氢酶的辅酶,可以接受底物分子上提供的氢负离子(H:
-)而还原为NADH和NADPH。
底物分子脱氢时,一次脱下一对氢(2H++2e-),NAD+或NADP+接受1个H+和2个e-,另一个H+游离存在于溶液中。
NADH在细胞内有两条去路,一是通过呼吸链最终将氢传递给氧生成水,释放能量用于ATP的合成;
一是作为还原剂为加氢反应(还原反应)提供氢。
NADPH一般不将氢传递给氧,通常只作为还原剂为加氢反应提供氢。
NADPH是细胞内重要的还原剂。
辅酶I和辅酶II是以维生素PP(尼克酸、尼克酰胺)、核糖、磷酸、腺嘌呤为原料合成的。
(二)黄素辅酶:
FMN、FAD
FMN(黄素单核苷酸)和FAD(黄素腺嘌呤二核苷酸)是另一类氢和电子的传递体,参与氧化还原反应(图4-1-6)。
图4-1-6FMN与FAD
FMN、FAD是黄酶(氧化还原酶)的辅基,参与体内多种氧化还原反应,它可以接受2个氢而还原为FMNH2或FADH2。
其中FMN是呼吸链的重要氢和电子传递体,FAD主要参与有机物如脂肪酸等的氧化脱氢。
FADH2可将氢通过呼吸链传递至氧生成水,释放能量用于ATP的合成;
在某些情况下,也可将氢直接传递给氧而生成过氧化氢(H2O2),H2O2可被过氧化氢酶催化分解成水和氧气。
黄素辅基是由维生素B2(核黄素)转化形成的。
(三)辅酶A:
CoA-SH
辅酶A是体内传递酰基的载体,为酰基移换酶之辅酶(图4-1-7)。
图4-1-7辅酶A
辅酶A由3-磷酸-ADP、泛酸、巯基乙胺三部分构成,其中泛酸为维生素,因此辅酶A是主要是以维生素泛酸为原料转化合成的。
巯基-SH是辅酶A的活性基团,因此辅酶A常写作CoA-SH。
当携带乙酰基时形成CH3CO-SCoA,称为乙酰辅酶A。
当交出乙酰基时又恢复为CoA-SH。
辅酶A在糖代谢、脂质分解代谢、氨基酸代谢及体内一些重要物质如乙酰胆碱、胆固醇的合成中均起重要作用。
(四)氨基酸分解代谢的重要辅酶:
磷酸吡哆醛与磷酸吡哆胺
磷酸吡哆醛与磷酸吡哆胺是氨基酸代谢中多种酶的辅酶,可以催化多种反应,常见的有α-氨基酸与α-酮酸的转氨基作用和α-氨基酸的脱羧基作用(图4-1-8)。
图4-1-8磷酸吡哆醛与磷酸吡哆胺
磷酸吡哆醛与磷酸吡哆胺是由维生素B6磷酸化形成的。
(五)羧化酶辅基:
生物素
生物素(维生素H,维生素B7)是各种羧化酶的辅基,在ATP作用下可与CO2结合形成N-羧基生物素,N-羧基生物素可将羧基转移给有机分子而发生羧化(图4-1-9)。
图4-1-9生物素
生物素是B族维生素中唯一不需变化就可直接作为酶蛋白辅基的维生素。
(六)脱羧酶辅酶:
焦磷酸硫胺素TPP+
焦磷酸硫胺素TPP+是涉及糖代谢中羰基碳(醛、酮)合成与裂解反应的辅酶,特别是α-酮酸的脱羧基作用,焦磷酸硫胺素通过N=C活性部位的碳原子与α-碳原子(羰基碳原子)结合而促使羧基裂解释放二氧化碳(图4-1-10)。
图4-1-10焦磷酸硫胺素
焦磷酸硫胺素是由维生素B1(硫胺素)磷酸化形成。
(七)一碳单位转移酶辅酶:
四氢叶酸FH4
FH4由叶酸经二氢叶酸还原酶两次还原形成,叶酸是B族维生素,由于广泛存在于绿叶中而得名(图4-1-11)。
图4-1-11四氢叶酸
四氢叶酸是体内氧化态碳原子的重要受体和供体(CO2除外),3种不同氧化态的一碳单位(表4-1-1)可以连接到四氢叶酸的N5或N10上。
嘌呤和胸腺嘧啶的合成需要一碳单位为原料,因此FH4的一个重要作用就是传递一碳单位合成嘌呤和胸腺嘧啶。
表4-1-1由四氢叶酸携带的一碳单位中碳的氧化态
氧化数目
氧化水平
一碳单位形式
四氢叶酸形式
-2
甲醇(最还原的)
-CH3
N4-甲基-FH4
甲醛
-CH2-
N5,N10-亚甲基-FH4
2
甲醇(最氧化的)
-CH=O
-CH=NH
-CH=
N4-甲酰基-FH4
N10-甲酰基-FH4
N4-亚胺甲基-FH4
N5,N10-次甲基-FH4
二氢叶酸还原酶是将叶酸加氢还原为四氢叶酸的酶,因此如果该酶被抑制,DNA和RNA的合成将受阻,临床上用氨甲蝶呤及其类似物作为竞争性抑制剂来抑制二氢叶酸还原酶,以阻断肿瘤的生长,但这些药物并非是肿瘤的特效药物,它们同样对正常细胞具有抑制作用,因此它们对正常细胞是有毒性。
由于叶酸与核酸的合成有关,当叶酸缺乏时,DNA合成受阻骨髓幼红细胞中DNA合成减少,细胞分裂速度降低,细胞体积继续增长,细胞核内染色质疏松,形成巨幼红细胞。
由于幼红细胞不具有携带运送氧气的功能,因此,病人体内成熟红细胞减少而导致贫血,称为巨幼红细胞贫血。
治疗方法是给予病人叶酸和维生素B12。
(八)转甲基酶辅酶:
甲基B12
甲基B12是有维生素B12转化形成,维生素B12是体内唯一含有金属元素钴的维生素,又称钴胺素。
甲基B12是甲基转移酶(蛋氨酸即甲硫氨酸合成酶)的辅酶,它参与图4-1-12所示的反应,生成S-腺苷蛋氨酸(S-腺苷甲硫氨酸),S-腺苷甲硫氨酸是体内重要的甲基供体,参与大约50多种物质的甲基化反应,包括DNA和RNA的甲基化。
由图4-1-12可以看出,S-腺苷甲硫氨酸的甲基是由N4-甲基-FH4提供的,因此,N4-甲基-FH4可以看成是体内甲基的间接供体。
图4-1-12甲硫氨酸循环
维生素B12缺乏时,S-腺苷甲硫氨酸的甲基供体体不能合成,影响体内甲基化反应;
同时,甲硫氨酸合成酶由于缺乏辅酶而导致N5-甲基-FH4的甲基无法转移,致使四氢叶酸的再生减少,不能有效地转运一碳单位,影响嘌呤、嘧啶的合成,最终导致核酸合成障碍,影响细胞分裂。
因此B12的缺乏同样会导致巨幼红细胞贫血。
(九)转酰基酶辅基:
硫辛酸(图4-1-13)
图4-1-13硫辛酸
硫辛酸存在于α-酮酸脱氢酶复合体中,该酶复合体由三种酶复合而成:
α-酮酸脱氢酶、二氢硫辛酸转酰基酶和二氢硫辛酸脱氢酶。
其中二氢硫辛酸转酰基酶促使酰基转移给辅酶A生成酰基辅酶A。
图4-1-14显示α-酮丙酸(丙酮酸)的乙酰基转移过程。
图4-1-14丙酮酸脱氢酶复合体反应机制
1丙酮酸脱羧与TPP+形成羟乙基TPP②羟乙基转移给硫辛酸并氧化为乙酰二氢硫辛酸
③乙酰基转移给CoA④二氢硫辛酰胺重氧化
E1丙酮酸脱氢酶E2二氢硫辛酰转乙酰酶E3二氢硫辛酰脱氢酶
(十)金属离子辅基
动物和人体需要的无机化学元素分为两大类:
大量元素和微量元素。
大量元素包括钙、镁、钠、钾、磷、硫和氯,相对需要大的量,每天接近克,它们常有一种以上的功能。
例如,钙是骨矿物或者羟磷灰石的结构成分,而游离钙在细胞液中作为重要的调节剂。
磷以磷酸盐形式是细胞内能量传递ATP系统的活性成分。
已知15种微量元素在动物营养中是必须的,它们是铁、碘、铜、锰、锌、钴、钼、硒、钒、镍、铬、锡、氟、硅、砷,它们大多作为酶的辅助因子或辅基起作用。
估计有1/3的酶在催化过程中的一个阶段或几个阶段中需要金属离子。
依据金属离子与酶结合的牢固程度把酶分为结合牢固的金属酶和不牢固的金属活化酶。
五、酶的种类
按酶促反应的性质,酶可分为六大类:
(一)氧化还原酶类(oxidoreductases)
催化底物进行氧化还原反应的酶类。
例如:
乳酸脱氢酶、细胞色素氧化酶、过氧化氢酶等。
(二)转移酶类(transferases)
催化底物之间进行某些基团的转移或交换的酶类。
氨基转移酶、己糖激酶、磷酸化酶等。
(三)水解酶类(hydrolases)
催化底物发生水解反应的酶类。
淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶等。
(四)裂解酶类(或裂合酶类,lyases)
催化一种化合物分解为两种化合物或两种化合物合成为一种化合物的酶类。
如醛缩酶、碳酸酐酶、柠檬酸合成酶。
(五)异构酶类(isometases)
催化各种同分异构体间相互转变的酶类,如磷酸丙糖异构酶、磷酸己糖异构酶等。
(六)合成酶类(ligases)
催化两分子底物合成一分子化合物,同时偶联有ATP的磷酸键断裂的酶类。
如谷氨酰胺合成酶、谷胱甘肽合成酶等。
第二节 酶促反应的动力学
酶促反应动力学是研究酶促反应速度及其影响因素的科学。
这些因素主要包括底物浓度、酶浓度、温度、PH、激活剂和抑制剂等。
在研究某一因素对酶促反应速度的影响时,应该维持反应中其它因素不变,而只改变要研究的因素。
一、酶与底物浓度
在酶的浓度不变的情况下,底物浓度对反应速度影响的作用呈现矩形双曲线(图4-2-1)。
图4-2-1底物浓度对酶促反应速度的影响
在底物浓度很低时,反应速度随底物浓度的增加而急骤加快,两者呈正比关系;
当底物浓度较高时,反应速度虽然随着底物浓度的升高而加快,但不再呈正比例加快;
当底物浓度增高到一定程度时,如果继续加大底物浓度,反应速度不再增加,说明酶已被底物所饱和。
酶促反应速度与底物浓度之间的变化关系,反映了[ES]的形成与生成产物[P]的过程。
在[S]很低时,酶的活性中心没有全部与底物结合,增加[S],[ES]的形成与[P]的生成均呈正比关系增加;
当[S]增高至一定浓度时,酶全部形成了[ES],此时再增加[S]也不会增加[ES],反应速度趋于恒定。
(一)米氏方程
为了解释底物浓度与酶促反应速度的关系,1913年Michaelis和Menten把图4-2-1归纳为酶促反应动力学最基本的数学表达式---米氏方程:
V=Vmax[S]/(Km+[S])
Vmax为反应的最大速度,[S]为底物浓度,Km是米氏常数,V是在某一底物浓度时相应的反应速度。
(二)米氏常数(Km)的意义:
1.当反应速度为最大速度一半时,米氏方程可以变换如下:
1/2Vmax=Vmax[S]/(Km+[S])
所以Km=[S]。
因此,Km值等于酶促反应最大速度一半时的底物浓度。
2.Km值可判断酶与底物的亲和力(Km值愈大,酶与底物的亲和力愈小;
反之亦然)。
3.Km值是酶的特征性常数,只与酶的结构、酶所催化的底物和酶促反应条件有关,与酶的浓度无关。
酶的种类不同,Km值不同,同一种酶与不同底物作用时,Km值也不同。
二、酶浓度、温度、PH的影响
(一)酶浓度对酶促反应速度的影响
在一定的温度和pH条件下,当底物浓度足以使酶饱和的情况下,酶的浓度与酶促反应速度呈正比关系(图4-2-2)。
图4-2-2酶浓度对酶促反应速度的影响
(二)温度对酶促反应速度的影响
化学反应的速度随温度增高而加快,但酶是蛋白质,可随温度的升高而变性。
在温度较低时,前一影响较大,反应速度随温度升高而加快。
但温度超过一定范围后,酶受热变性的因素占优势,反应速度反而随温度上升而减慢。
常将酶促反应速度最大的某一温度范围,称为酶的最适温度(图4-2-3)。
图4-2-3温度对酶促反应速度的影响
人体内酶的最适温度接近体温,一般为37℃~40℃之间,若将酶加热到60℃即开始变性,超过80℃,酶的变性不可逆。
温度对酶促反应速度的影响在临床实践中具有指导意义。
低温条件下,酶的活性下降,但低温一般不破坏酶,温度回升后,酶又恢复活性。
所以在护理技术操作中对酶制剂和酶检测标本(如血清等)应放在冰箱中低温保存,需要时从冰箱取出,在室温条件下等温度回升后再使用或检测。
临床上低温麻醉就是利用酶的这一性质以减慢组织细胞代谢速度,提高机体对氧和营养物质缺乏的耐受力,有利于进行手术治疗。
温度超过80℃后,多数酶变性失活,临床应用这一原理进行高温灭菌。
酶的最适温度与反应所需时间有关,酶可以在短时间内耐受较高的温度,相反,延长反应时间,最适温度便降低。
据此,在生化检验中,可以采取适当提高温度,缩短时间的方法,进行酶的快速检测。
(三)pH对酶促反应速度的影响
酶反应介质的pH可影响酶分子,特别是活性中心上必需基团的解离程度和催化基团中质子供体或质子受体所需的离子化状态,也可影响底物和辅酶的解离程度,从而影响酶与底物的结合。
只有在特定的pH条件下,酶、底物和辅酶的解离情况,最适宜于它们互相结合,并发生催化作用,使酶促反应速度达最大值,这种pH值称为酶的最适pH。
图4-2-4pH变化与酶促反应速度的关系
体内多数酶的最适pH值接近中性,但也有例外,如胃蛋白酶的最适pH约1.8,肝精氨酸酶最适pH约为9.8。
溶液的pH值高于和低于最适pH时都会使酶的活性降低,远离最适pH值时甚至导致酶的变性失活(图4-2-4)。
所以测定酶的活性时,应选用适宜的缓冲液,以保持酶活性的相对恒定。
临床上根据胃蛋白酶的最适PH偏酸这一特点,配制助消化的胃蛋白酶合剂时加入一定量的稀盐酸,使其发挥更好的疗效。
三、激活剂与抑制剂
(一)激活剂对酶促反应速度的影响
凡能提高酶的活性或使酶原转变成酶的物质均称做酶的激活剂。
从化学本质看,激活剂包括无机离子和小分子有机物。
例如Mg2+是多种激酶和合成酶的激活剂,Cl-是淀粉酶的激活剂;
胆汁酸盐是胰脂肪酶的激活剂。
大多数金属离子激活剂对酶促反应不可缺少,称必需激活剂,如Mg2+;
有些激活剂不存在时,酶仍有一定活性,这类激活剂称非必需激活剂,如Cl-。
(二)抑制剂对酶促反应速度的影响
凡能使酶的活性降低或丧失而不引起酶蛋白变性的物质称酶的抑制剂。
通常将抑制作用分为不可逆性抑制和可逆性抑制两类。
1.不可逆性抑制(irreversibleinhibition)
这类抑制剂与酶分
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- 生物 催化剂