临床助理医师考试答疑:酶的概述、结构与功能

2015年02月28日 11:27

  知识点 概述

  1.概述

  生物体内的新陈代谢是由一系列复杂的化学反应完成的,这些化学反应几乎都是由生物催化剂所催化。酶是最主要的催化剂,其研究历史已超过100年。生物体内的许多生物大分子物质,欲在体外人工合成极其困难。许多代谢反应放在体外自发进行,速度极慢,或几乎不能完成。但在生物体内,在酶的催化下,得以顺利快速的实现。生物体内新陈代谢的一系列复杂的化学反应,几乎均是由酶所促进的,生命活动离不开酶。许多先天性遗传性疾病就是由于体内某种酶的缺失所造成。微量的氰化物即可致死,就是因为它抑制了细胞内呼吸的一个关键酶(细胞色素氧化酶)。氯霉素治疗细菌性痢疾的机制,在于它能特异性地抑制肠道细菌蛋白质生物合成中的转肽酶活性,而使细菌的生存和繁殖停止。因此,酶的存在及其活性的调节,是生物体能够进行物质代谢和生命活动的必要条件,也是许多疾病的发病机制和治疗的药理学基础。

  2. 酶促反应的特点

  酶是一类生物催化剂,遵守一般催化剂的共同规律。例如,它只能催化热力学上允许进行的反应,而不能催化热力学上不能进行的反应,即不能新生反应;酶的作用只能使反应加速达到平衡点,而不能改变平衡点;反应前后酶的质量不变。这些都是酶与一般催化剂相同之处。但是,酶也具有与一般催化剂不同的特点。

  (1)极高的催化效率 酶的催化效率通常比一般催化剂高106~1012倍。碳酸酐酶可催化H2CO3→H2O+CO2,其加速反应的数量级可达107 倍,每分子酶每秒钟可转化40万分子的作用物(H2CO3)。酶的高效催化是通过降低反应所需的活化能实现的。这是因为,即使在热力学上允许进行的反应中,也只有那些能量较高的活泼分子才有可能进行化学反应。这些能量较高的分子称为活化分子,它们是在反应体系中通过分子-分子相互作用(碰撞)从其他分子获能的。使分子从基础状态达到活化分子所需要的能量称为活化能。活化能高低决定反应体系活化分子多少,即决定反应速度。欲加速反应进行,或外加能量(如加热),或降低反应所需的活化能。酶就是通过降低活化能加速化学反应的。

  由作用物的起始态转变成产物的终止态的过程中,非酶促反应所需活化能较高,反应较难实现。在酶促反应中,作用物首先与酶结合成中间产物,过渡态的中间产物再分解生成产物,并释出酶。此两步所需的活化能均低于非酶促反应所需的活化能,因而反应易于进行。据计算,在25℃时,活化能每减少4.184kJ/mol(1kcal/mol),反应速度可增加5.4倍。酶正是通过大幅度降低活化能加速反应的。

  (2)高度的特异性 一般催化剂常可催化同一类型的多种化学反应。如H+ 可催化蛋白质、脂肪、淀粉等多种不同物质的水解,对作用物的结构要求不甚严格,甚至很不严格;同时其反应产物也常多种多样。但酶促反应则不然,如淀粉酶只能水解淀粉,而不能水解蛋白质和脂肪。蛋白酶只能水解蛋白质,而且通常也只能水解由特定氨基酸构成的肽键。所以,酶促反应对作用物有一定的选择性,所催化的反应通常也只限于一种特定类型,生成特定的产物。换句话说,一种酶只能作用于一种或一类化合物,催化进行一种类型的化学反应,得到一定的产物,这种现象称为酶的特异性。各种酶所要求的特异性严格程度不一,有的酶只能作用于一种特定结构的作用物,进行一种专一的反应,生成一种特定结构的产物,称之为绝对特异性,如脲酶只能催化尿素水解为CO2和NH3,但不能催化甲基尿素水解。另一类酶则特异性较差,可作用于结构类同的一类化合物或化学键,如磷酸酶对一般的磷酸酯都能水解,不论是甘油磷酸酯、葡萄糖磷酸酯或酚磷酸酯,这类酶属于相对特异性。还有一类酶则系立体异构特异性,即它只能催化一种立体异构体进行反应,或其催化的结果只能生成一种立体异构体。如体内合成蛋白质的氨基酸均为L-型,所以体内参与氨基酸代谢的酶绝大多数均只能作用于L-型氨基酸,而不能作用于D-型氨基酸。

  (3)酶催化活性的可调节性 酶促反应受多种因素的调控,以适应机体对不断变化的内外环境和生命活动的需要。例如,酶与代谢物在细胞内的区域化分布和进化过程中基因分化形成的各种同工酶使各组织器官、各亚细胞结构具有各自的代谢特点。酶原的激活使酶在合适的环境被激活和发挥作用。代谢物通过对代谢途径中关键酶、变构酶的抑制与激活和对酶的共价修饰,对酶活性进行快速调节。酶生物合成的诱导与阻遏、酶降解速率的调节可发挥对酶活性的长期调节作用。

  (4)酶活性的不稳定性 酶是蛋白质,一切可使蛋白质变性的因素都可使酶变性失活。

  知识点酶的结构与功能

  1. 分子组成

  与其他蛋白质一样,化学本质为蛋白质的天然酶,可分为单纯蛋白质的酶、结合蛋白质的两类。单纯蛋白质的酶完全由α-氨基酸按一定的排列顺序组成,如脲酶、一些消化蛋白酶、淀粉酶、脂酶和核糖核酸酶等。牛胰核糖核酸酶就是一条由124个氨基酸残基组成的多肽链。体内大多数酶属于结合蛋白质的酶类。结合蛋白质的酶类除由氨基酸构成的蛋白质部分外,还含有其他小分子有机化合物或金属离子构成的辅助因子。根据辅助因子与酶蛋白结合的牢固程度不同,又分为辅基或辅酶。酶的蛋白质部分称为酶蛋白。酶蛋白与辅助因子组合成全酶。辅基与酶蛋白结合牢固,不能用透析、超滤等简单的物理化学方法使之分开。辅酶与酶蛋白以非共价键结合,可用上述方法使之与酶蛋白分离。体内酶的种类很多,而辅酶的种类却很少。一般来说,一种酶蛋白只能与一种辅助因子结合,形成一种特异性的酶,而一种辅助因子则可与不同的酶蛋白结合,形成多种特异性的酶,催化各种特异的化学反应。例如,辅酶Ⅰ(NAD+ )为传递氢原子和电子的辅酶,参与氧化还原反应。NAD+ 可作为多种脱氢酶的辅酶,如L-乳酸脱氢酶、丙酮酸脱氢酶、L-谷氨酸脱氢酶等数十种脱氢酶均以NAD+ 为其辅酶。

  绝大多数辅酶成分中均含有不同的B族维生素。辅基大多为金属离子,如Zn2+ 为糜蛋白酶的辅基,K+ 为丙酮酸激酶的辅基,但也有以其他有机化合物,如卟啉类为辅基的。

  对结合(蛋白质的)酶类而言,决定酶反应特异性的是酶蛋白部分,辅助因子参与酶蛋白催化的反应,直接与电子、原子或某些化学基团的传递或连接有关。

  2. 活性中心与必需基团

  酶是具有一定空间结构的蛋白质或多肽链。虽然酶分子表面有许多由氨基酸提供的化学基团,但其中只有一小部分基团与酶的催化作用直接有关。酶分子中与酶活性有关的化学基团称为必需基团。这些必需基团与维持酶分子的空间构象有关。酶分子中必需基团在空间位置上相对集中所形成的特定空间结构区域,是酶发挥催化作用的关键部位,称为酶的活性中心。活性中心可与作用物(底物)特异结合,将作用物转化为产物。组成活性中心的必需基团称为活性中心内的必需基团,大多由肽链上远离的氨基酸残基提供,经肽链折叠,使之在空间位置上互相接近,构成活性中心。在结合酶类中,辅基、辅酶也多参与活性中心的组成。还有些必需基团不参与活性中心组成,为维持活性中心空间构象所必需,是活性中心外的必需基团。常见的必需基团有组氨酸的咪唑基,丝氨酸的羟基,半胱氨酸的巯基,以及谷氨酸的γ-羧基。当酶蛋白变性时,肽链展开,活性中心被拆散,酶的活性也因而丧失。

  3. 酶原与酶原的激活

  多数酶合成后即具活性,但有少部分酶在细胞内合成后并无活性,这类无活性的酶的前体,称为酶原。当酶原被分泌出细胞,在蛋白酶等的作用下,经过一定的加工剪切,使肽链重新折叠形成活性中心,或暴露出活性中心。由无活性的酶原变成有活性酶的过程称为酶原激活。例,胰腺合成的糜蛋白酶原无蛋白水解酶活性;当它分泌流入肠中后,受胰蛋白酶的激活,中间切除两段二肽,形成三条肽段,重新折叠,将必需基团集中形成活性中心,糜蛋白酶原从而被激活。

  酶原激活具有重要的生理意义。一方面保护细胞本身的蛋白质不受蛋白酶的水解破坏,另一方面保证合成的酶在特定部位和环境中发挥生理作用。例如,胰腺合成糜蛋白酶是为帮助肠中食物蛋白质的消化。设想在胰腺中一旦合成的糜蛋白酶即具活性,就可使胰腺本身的组织蛋白质水解。急性胰腺炎就是因为胰腺中的糜蛋白酶原、胰蛋白酶原就地被激活所致。

  血液中通常存在的凝血酶原不会在血管中引起凝血。只有当出血时,血管内皮损伤暴露的胶原纤维所含的负电荷活化了凝血因子Ⅻ,进而将凝血酶原激活成凝血酶,使血液凝固,以防止大量出血。

  4. 同工酶

  在体内并非所有具有相同催化作用的酶,都是同一种蛋白质。在不同器官中,甚至在同一细胞内,常常含有几种分子结构不同、理化性质迥异、但却可催化相同化学反应的酶。这类催化相同反应,但酶蛋白的分子结构、理化性质和免疫学性质各不相同的一组酶称为同工酶。乳酸脱氢酶(LDH)是由4个亚基组成的蛋白质。组成LDH 的亚基有两种类型,一种是主要分布在心肌的H 型亚基,另一种是分布于骨骼肌、肝的M 型亚基。存在于心肌中的主要LDH由4个H 亚基构成(LDH1),存在于骨骼肌、肝中的主要LDH 由4个M 亚基构成(LDH5)。

  在其他不同组织中所存在的LDH 中,H 亚基与M 亚基组成比例各有不同,可组成H4(LDH1)、H3M(LDH2)、H2M2(LDH3)、HM3(LDH4)及M4(LDH5)这5种LDH 同工酶。这一次序也是它们向正极电泳速度递减的顺序,可借以鉴别这5种同工酶。这5种同工酶在各器官中的分布和含量不同,各器官组织都有其各自特定的分布酶谱。心肌富含H4,故当急性心肌梗死时或心肌细胞损伤时,细胞内的LDH 释入血中,同工酶谱分析表现为H4增高,可辅助该病的诊断。

  相关习题:

  1.胰蛋白酶在刚被胰腺细胞合成时,以无活性的胰蛋白酶原形式存在。可以在十二指肠激活胰蛋白酶原的物质是

  A.H+

  B. 氨基肽酶

  C. 肠激酶

  D. 羧基肽酶E.K+

   答案:C

  【解析】本试题考核酶原的激活,胰腺合成的胰蛋白酶原无蛋白水解酶活性;当它分泌流入肠中后,受肠激酶的激活,切除小分子六肽,重新折叠,将必需基团集中形成活性中心,胰蛋白酶原从而被激活。

  2.下列关于辅酶或辅基的叙述,错误的是

  A. 属于结合酶类的酶分子组成中才含有辅酶或辅基

  B. 维生素B族多参与辅酶或辅基的组成

  C. 辅酶或辅基直接参加酶促反应

  D. 一种辅酶或辅基只能与一种结合成一种全酶

  E. 辅酶或辅基的种类比酶蛋白的种类少

   答案:D

  【解析】在结合酶类中,辅酶或辅基参与酶活性中心的组成,但单纯酶中没有辅基或辅酶。辅酶主要作用是参与酶的催化过程。辅酶决定反应的种类与性质。辅酶中与酶蛋白共价结合的辅酶又称为辅基。每种酶都有自己特定的酶蛋白,故种类很多,但辅基或辅酶的种类却不多,因此一种辅酶或辅基可与几种不同的酶蛋白结合成不同的酶,如NAD+ 与乳酸脱氢酶的酶蛋白结合成为乳酸脱氢酶,它与异柠檬酸脱氢酶的酶蛋白结合成为异柠檬酸脱氢酶,所以D是错误的。

  3.酶促反应中决定酶特异性的是

  A. 作用物的类别

  B. 酶蛋白

  C. 辅基或辅酶

  D. 催化基团

  E. 金属离子

   答案:B

  【解析】酶促反应中,酶蛋白决定反应的特异性;②作用物的类别是酶选择的对象;③辅基、辅酶及金属离子等在酶促反应中可直接参加反应或起到稳定酶活性中心构象等作用。

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