酵素

Article

January 26, 2022

酶是一种生物催化剂,即它具有影响化学反应速度的能力。酶是生命所必需的,因为身体细胞中发生的许多反应太慢,会导致不同的身体不需要或会伤害他的产品。缺陷、基因突变、单一酶的产量不足或增加可能是严重遗传疾病的主要原因。例如,苯丙酮尿症是缺乏苯丙氨酸羟化酶的结果,苯丙氨酸羟化酶催化氨基酸苯丙氨酸分解的第一步。如果这种酶不能正常发挥作用,并且不能分解氨基酸,无限量的苯丙氨酸产生会导致智力低下。除苯丙酮尿症外,还有许多其他疾病,通常称为酶病,其原因是基因突变,结果是缺乏酶。与所有催化剂一样,酶的作用是降低反应的活化能,从而加快反应速度。酶可以在数百万倍的水平上加速反应。酶,像任何催化剂一样,在它影响的反应中保持不变,这允许它在一个反应​​完成后并入另一个完全不变的反应。此外,酶不影响试剂和产物之间的相对能量,因此它们不影响反应的平衡。然而,酶与所有其他催化剂的区别在于它们在立体化学、化学选择性和特异性方面的特异性。酶的基本思想是将酶作用的反应分子与酶连接起来,形成由酶和分子组成的不长效的复合物,从那个复合体,也就是那个相互作用,我们得到了那个反应的产物,而酶在反应中保持完全不变。这以图形方式显示:酶也每天用于洗碗洗涤剂、洗衣和各种其他家用化学品等产品中。今天,已知有 5,000 多种酶。酶的命名法帮助我们命名了这大量的酶,根据它,酶被赋予一个以-za结尾的名称,前缀是一种会发生变化的化学物质,即受酶。例如,在DNA复制中起作用并进行DNA分子聚合反应的酶称为DNA聚合酶。和其他各种家用化学品。今天,已知有 5,000 多种酶。酶的命名法帮助我们命名了这大量的酶,根据它,酶被赋予一个以-za结尾的名称,前缀是一种会发生变化的化学物质,即受酶。例如,在DNA复制中起作用并进行DNA分子聚合反应的酶称为DNA聚合酶。和其他各种家用化学品。今天,已知有 5,000 多种酶。酶的命名法帮助我们命名了这大量的酶,根据它,酶被赋予一个以-za结尾的名称,前缀是一种会发生变化的化学物质,即受酶。例如,在DNA复制中起作用并进行DNA分子聚合反应的酶称为DNA聚合酶。

历史

酶一词源自希腊语 ένζυμο,意思是酸化。在 1700 年代末和 1800 年代初,科学家们注意到由胆汁酸消化肉类引起的反应以及伴随糊精转化为糖的反应。通过研究酵母将糖发酵成酒精,路易斯巴斯德得出结论,发酵是可能的,因为酵母中存在发酵物,他认为酵母只存在于生物体中。 1897 年,Hans 和 Eduard Buchner 使用酵母提取物在没有活酵母细胞的情况下发酵糖。他们对制作药用酵母提取物很感兴趣,其中一种储存方法是在提取物中添加大量糖分。令他们惊讶的是,他们发现糖被发酵了,尽管整个混合物中没有活酵母细胞。然后首次使用术语酶,它描述了酵母提取物中导致糖发酵的物质。

3D 结构

长期以来,人们一直认为所有酶在化学上都是蛋白质。然而,正如在生物化学中经常出现的情况,我们有几种类型的核糖核酸 (RNA) 的例外,它们被专门称为核酶。 RNA被认为是生命物质进化的第一个催化剂。至于蛋白质酶,它们构成了人体内绝大多数的酶,它们的功能与其他蛋白质一样,是由结构决定的。酶可以是: 单体的,这意味着它只包含一条多肽链,通常是一百个或更多的氨基酸 寡聚的,即它包含大量的多肽链,它们可以相同也可以不同,但​​它们共同发挥作用单位和每个蛋白质,单体是一个长的线性氨基酸链,以一定的方式弯曲弯曲,具有立体结构的产品。大多数酶通常是比它们作用的分子更大的分子,并且酶的只有十几个氨基酸与被转化的分子直接接触。发生酶和分子直接接触的区域称为活性区域。许多酶还具有催化反应所需的辅助因子的额外区域。被作用的分子与现有辅因子之间的接触根据需要加速或减慢酶的活性。许多酶还具有催化反应所需的辅助因子的额外区域。被作用的分子与现有辅因子之间的接触根据需要加速或减慢酶的活性。许多酶还具有催化反应所需的辅助因子的额外区域。被作用的分子与现有辅因子之间的接触根据需要加速或减慢酶的活性。

特异性

当涉及到它们与它们作用的分子发生反应时,酶通常是非常具体的。酶以及分子的形状、形式、结构、电荷、亲水性和疏水性特征影响这种特异性。

钥匙和锁假说

酶最显着的特征是它们的特异性。 1890 年,埃米尔·费舍尔 (Emil Fischer) 表示,由于酶的特定形状及其作用的分子,这一假设是正确的。每个受特定酶影响的分子都有特定的形状,分子通过这种形状与特定的酶结合。例如,如果受酶影响的分子是立方体的形状,而酶本身有一个三角形区域,分子应该连接到该区域,则连接不会发生,因为在这种情况下,酶不是对那个分子是正确的。因此,这个假设被称为钥匙和锁假设,因为每个钥匙都特定于它解锁的每个锁。由于该模型对酶和底物的观察过于僵化,以及无法解释变构化和酶促合作,该模型今天在很大程度上已被放弃。

诱导调整假说

1958 年,丹尼尔·科斯兰 (Daniel Cosland) 提出了 Key and Lock 假设的修改,称为 Induced-Fit-Model 假设。酶是非常灵活的结​​构。可以修饰酶的活性区域以允许分子和酶相互作用。氨基酸链可以以与酶相对应的方式重叠,以便发生相互作用,从而酶可以执行其催化功能。在极少数情况下,活性区入口处的分子可以适应酶,以便与酶和分子相互作用。与此类似的类比是,例如,当我们戴上手套时,手套如何适应我们的手,以完美贴合手。

辅因子

一些酶作为独立的单位,可以自给自足以完全活跃,即。他们不需要额外的因素来实现这一活动。然而,一些酶需要分子来帮助激活酶,这些分子被称为辅因子。辅因子可以是无机来源的,例如金属离子,或者它们可以是有机来源的,因此被称为辅酶。需要辅因子但目前没有辅因子的酶称为脱辅基酶。与其辅因子相关的酶称为全酶,这种形式是酶的活性形式。大多数辅因子不与酶共价连接,但也有与酶共价连接的辅因子,因此,辅因子称为辅基,例如辅因子血红素与血红蛋白共价连接。大多数辅因子在它们参与的反应过程中和反应后会再生或在化学上保持不变。大量的辅因子是维生素的衍生物,作为电子、原子或官能团从​​酶到分子的传输体。最常见的例子是 NAD 和 NADP,它们是电子的传输体,以及辅酶 A,它是乙酰基的传输体。

热力学

与所有催化剂一样,所有反应都受酶影响,即。催化剂类型的,必须是自发的,即吉布斯自由能的值必须是负的。在没有酶的情况下,反应像有酶一样沿口腔方向移动,但速度要低得多,酶的作用来了,这就是反应速度的加速。然而,未催化的自发反应会导致催化反应产生不同的产物,即。来自存在酶的反应。此外,酶可以同时影响多个反应,因此从热力学的角度来看,反应更好,即。它有更高的实现机会,它可以带来一个没有实现的反应,这样两个反应都实现了。例如,从热力学的角度来看,具有非常高 ATP 能量的化合物(三磷酸腺苷)的裂解是一个成功的反应,它反过来又有助于那些不是的反应,并且同时受到与裂解相同的酶的影响三磷酸腺苷反应。酶同等地催化两个方向的反应。酶永远不会改变反应的平衡,而只会改变导致平衡产生的速度,即。平衡。

动力学

1913 年,Leonor Mikelis 和 Maud Menten 介绍了酶动力学的定量理论,今天称为 Mikelis-Mentenin 动力学理论。他们的工作得到了先生的进一步完善。 E.布里格斯和 J。 B. S。哈尔登等人开发了大量至今仍在使用的动力学方程,酶可以在一秒钟内进行多达数百万次的反应。为了确定最大反应速率,增加酶作用的分子浓度直到达到恒定的生产速率,即化学产物的形成。这是酶Vmax的最大速率。在该步骤中,酶的所有区域与分子相互作用,即酶作用于其上的大量相同分子。 Vmax 是生物化学家感兴趣的动力学参数之一。同样令人感兴趣的是战争,即反应速度,这是由酶作用的分子数量决定的。这个参数,即分子浓度,用 Mikelis-Menten 常数 Km 表示,这个常数代表分子浓度,使酶达到其最大速度的一半。对于给定的或特定的分子,每种酶都有一个特征常数 Km。酶效率可以用kcat/Km表示。 kcat 参数也称为生产数,它考虑了所有反应步骤,商是 Vmax 以及最终的总酶浓度。 kcat / Km 在比较时是一个有用的参数,即将一种酶与另一种酶进行比较,或将一种酶与它的分子进行比较,因为作为催化能力的亲和力也被考虑在内。 kcat / Km 的理论最大值称为扩散极限,即。限制流行,它介于 108 和 109 (M − 1 s − 1) 之间。在这一步,即。此时,每次碰撞,即。酶与其分子的每次接触都会产生催化作用,产物形成的速率不受反应速度的限制,而是受分布的限制,即。扩散极限。达到 kcat/Km 值的酶称为催化完美或动力学完美。这种酶的例子是三磷酸异构酶、碳酸酐酶、延胡索酸酶、乙酰胆碱酯酶。酶促反应的速率取决于溶液条件和底物浓度。为了确定酶促反应的最大速率,增加底物浓度直到达到恒定的产物形成速率。这由饱和曲线显示。发生饱和是因为随着底物浓度的增加,越来越多的游离酶转化为ES(酶-底物)复合物。在最大酶促反应速率(Vmax)下,酶的所有活性位点都与底物结合,ES复合物的量等于酶的总量。

抑制

酶促反应的速率可以通过不同类型酶抑制剂的作用来降低。

抑制类型

竞争性抑制剂和底物不能同时与酶结合。竞争性抑制剂通常与实际的酶底物非常相似。例如,药物甲氨蝶呤是二氢叶酸还原酶的竞争性抑制剂,该酶催化二氢叶酸还原为四氢叶酸。二氢叶酸与该药物的结构相似性如图所示。这种类型的抑制可以通过应用高浓度的底物来克服。在某些情况下,抑制剂可以结合与底物结合位点不同的位点,从而发挥变构效应,改变通常结合位点的形状。底物仍与其通常的亲和力结合,因此 Km 保持不变。然而,抑制剂降低了酶的催化效率,从而降低了 Vmax。与竞争性抑制相反,非竞争性抑制不能被高浓度的底物克服。出于这个原因,这种类型的抑制剂在高底物浓度下最有效。在没有抑制剂的情况下,酶-底物复合物是无活性的。这种类型的抑制很少见,Mixed Mixed 抑制剂与变构位点结合,底物与抑制剂的结合相互影响。酶的功能会降低,但不会因抑制剂结合而消除。这种类型的抑制剂不遵循 Michaelis-Mentenin 方程 不可逆 不可逆抑制剂使酶永久失活,通常通过与蛋白质形成共价键。青霉素和阿司匹林是广泛使用的以这种方式起作用的药物。

抑制剂功能

在许多生物体中,抑制剂可以作为反馈机制的一个组成部分。如果一种酶在体内产生过量的某种物质,该物质会在其形成之初就作为该酶的抑制剂,导致该物质的生成减慢,或在该物质形成时停止该过程。物质以足够的量存在。这是一种负面反馈。主要的代谢途径,如柠檬酸循环,都使用这种机制。由于抑制剂调节酶的功能,它们经常被用作药物。许多此类药物是可逆的竞争性抑制剂,其结构类似于天然酶底物,例如甲氨蝶呤。其他众所周知的例子是他汀类药物,用于治疗高胆固醇水平,和蛋白酶抑制剂用于治疗逆转录病毒感染,如 HIV。用作药物的不可逆抑制剂的一个众所周知的例子是阿司匹林,它抑制产生炎症信使前列腺素的酶 COX-1 和 COX-2。酶抑制剂可能是毒药。例如,毒氰化物是一种不可逆的酶抑制剂,它与细胞色素c氧化酶活性部位的铜和铁结合,阻断细胞呼吸。氰化物毒物是一种不可逆的酶抑制剂,在细胞色素c氧化酶的活性位点与铜和铁结合,阻断细胞呼吸。氰化物毒物是一种不可逆的酶抑制剂,在细胞色素c氧化酶的活性位点与铜和铁结合,阻断细胞呼吸。

酶命名法

根据惯例,酶的名称由它执行的动作的名称和后缀 - aza 组成。例如,我们有一种叫做 DNA 聚合酶的酶。由此我们可以得出结论,该酶聚合了 DNA 分子,并且该酶以后缀 -ase 结尾。另一个例子,我们有酒精脱氢酶,我们可以得出结论,使酒精脱氢,该酶再次以 - aza 结束。激酶是参与磷酸基团转移的酶。在这种情况下,有很多这样的酶,这会导致混淆,因为很多酶会出现相同的功能。在这种情况下,除了上述命名示例外,它们还添加了特定酶的特性,例如最佳 pH 值(这种酶的一个例子是碱性磷酸酶)。国际生物化学和分子生物学联盟制定了酶的命名法。每种酶都包含在名称(拉丁文 ES 编号)中的 EC 编号(Enzyme Commission number,或英文 Enzyme Commission number)和一排四个数字。为便于说明,以下所有酶命名术语将按照命名规则用拉丁语书写。因此,第一个(四个数字中的)根据机制对酶进行了广泛的分类: 有关根据上述命名法的酶的完整列表,请参见下一页 [1]第一个(四个数字中的)根据机制对酶进行了广泛的分类:有关根据上述命名法的酶的完整列表,请参见下一页 [1]第一个(四个数字中的)根据机制对酶进行了广泛的分类:有关根据上述命名法的酶的完整列表,请参见下一页 [1]

酶的使用

酶在日常生活中是必需的,从生物体的功能到日常家务。蛋白酶 Protease 来源于细菌,用于洗涤剂等物质中。这种酶有助于去除织物和衣服上的污渍。淀粉葡萄糖苷酶用于啤酒的生产,因为这种酶用于生产低热量啤酒。脂肪酶已在食品工业中得到应用,并大量用于制作发霉的奶酪。

参考

文学

外部链接

已知 3D 酶结构的 PDBsum 文件 BRAND,所有已知酶的信息和文献汇编 通过酶工程扩展细胞色素 P450 的工具箱 存档在网站 Wayback Machine(2014 年 2 月 26 日)