生物化学酶的作用机制和酶的调节课件

1、生物化学酶的作用机制和酶的调节第10章 酶的作用机制和酶的调节一、酶的活性部位一、酶的活性部位二、二、酶催化反应的独特性质酶催化反应的独特性质三、影响酶催化效率的有关因素三、影响酶催化效率的有关因素四、酶催化反应机制的实例四、酶催化反应机制的实例五、酶活性的调节控制五、酶活性的调节控制六、同工酶六、同工酶(mechanisms of enzyme action and regulation of enzyme activity) 生物化学酶的作用机制和酶的调节一、酶的活性部位生物化学酶的作用机制和酶的调节酶活性部位的特点 在酶分子中，只有少数几个氨基酸残基直接在酶分子中，只有少数几个氨基酸残基

2、直接参与结合底物和催化反应，这些氨基酸残基在一参与结合底物和催化反应，这些氨基酸残基在一级结构上可以相距很远，但通过肽链的折叠、盘级结构上可以相距很远，但通过肽链的折叠、盘绕，使它们在空间上相互接近。这些残基在空间绕，使它们在空间上相互接近。这些残基在空间上所在的部位称为活性上所在的部位称为活性部位（部位（active site）或活性）或活性中心（中心（active center），），酶的活性部位往往有一个酶的活性部位往往有一个裂缝或口袋状的区域，其形状与底物相似。裂缝或口袋状的区域，其形状与底物相似。 生物化学酶的作用机制和酶的调节胰凝乳蛋白酶活性部位的结构57102195生物化学酶的作

3、用机制和酶的调节酶活性部位的特点 当底物与酶通过次级键结合时，底物和酶都当底物与酶通过次级键结合时，底物和酶都可能发生形变，诱导契合，使得底物与酶的活性可能发生形变，诱导契合，使得底物与酶的活性部位的形状恰好吻合，而且负责催化反应的残基部位的形状恰好吻合，而且负责催化反应的残基也正好接近将发生反应的基团或键。当酶蛋白变也正好接近将发生反应的基团或键。当酶蛋白变性时，构象发生变化，失去上述结构特点，同时性时，构象发生变化，失去上述结构特点，同时也失去了活性。也失去了活性。虽然酶蛋白中其它残基不直接参虽然酶蛋白中其它残基不直接参与活性部位的组成，但这些残基中的大多数为整与活性部位的组成，但这些残基

4、中的大多数为整个酶蛋白的构象作出了不可缺少的贡献。个酶蛋白的构象作出了不可缺少的贡献。 生物化学酶的作用机制和酶的调节研究酶活性部位的方法酶分子侧链基团的化学修饰法酶分子侧链基团的化学修饰法 （1）非特异性共价修饰）非特异性共价修饰 （2）特异性共价修饰）特异性共价修饰 （3 3）亲和标记法）亲和标记法2. 动力学参数测定法动力学参数测定法3. X射线晶体结构分析法射线晶体结构分析法4. 定点突变法定点突变法生物化学酶的作用机制和酶的调节酶分子侧链基团的化学修饰法 用一种小分子化合物与酶反应，这种化合物与用一种小分子化合物与酶反应，这种化合物与酶的某个或某种残基侧链反应，形成共价结合，这酶的某

5、个或某种残基侧链反应，形成共价结合，这叫化学修饰叫化学修饰（chemical modification）或共价修饰或共价修饰（covalent modification） ，这种化合物称为修饰剂。，这种化合物称为修饰剂。酶分子中可以被化学修饰的基团有：巯基、羟基、酶分子中可以被化学修饰的基团有：巯基、羟基、咪唑基、氨基、羧基和胍基等。当酶活性部位的残咪唑基、氨基、羧基和胍基等。当酶活性部位的残基侧链被修饰后，会使酶失去活力。将经修饰后失基侧链被修饰后，会使酶失去活力。将经修饰后失去活力的酶水解，鉴定出被修饰的氨基酸，可以得去活力的酶水解，鉴定出被修饰的氨基酸，可以得到哪些残基参与组成活性部位的

6、信息。到哪些残基参与组成活性部位的信息。生物化学酶的作用机制和酶的调节非特异性共价修饰 此此类修饰剂可以修饰活性部位类修饰剂可以修饰活性部位内内或或外外的残基的残基侧链基团。若修饰程度与酶活力丧失成正比，则侧链基团。若修饰程度与酶活力丧失成正比，则说明被修饰的基团位于活性部位。当发现修饰程说明被修饰的基团位于活性部位。当发现修饰程度与酶活力丧失成正比时，可在加入底物或竞争度与酶活力丧失成正比时，可在加入底物或竞争性抑制剂的条件下进行修饰，若加入底物或竞争性抑制剂的条件下进行修饰，若加入底物或竞争性抑制剂可阻遏修饰剂对酶活力的破坏作用，则性抑制剂可阻遏修饰剂对酶活力的破坏作用，则进一步证明被修饰

7、的基团位于活性部位。进一步证明被修饰的基团位于活性部位。 生物化学酶的作用机制和酶的调节特异性共价修饰 此类修饰剂特异性地修饰酶活性部位的残基，此类修饰剂特异性地修饰酶活性部位的残基，同时使酶失活。此类修饰剂与酶的活性部位特异同时使酶失活。此类修饰剂与酶的活性部位特异性结合，同时修饰酶活性部位的基团。例如二异性结合，同时修饰酶活性部位的基团。例如二异丙基氟丙基氟磷酸（磷酸（DFP）能特异性地与许多酶的活性）能特异性地与许多酶的活性部位的部位的Ser残基共价结合，使酶活力丧失，而不修残基共价结合，使酶活力丧失，而不修饰非活性部位的饰非活性部位的Ser残基。当用残基。当用DFP修饰酶后，部修饰酶后

8、，部分水解酶蛋白，得到含有二异丙基磷酰基的肽段，分水解酶蛋白，得到含有二异丙基磷酰基的肽段，分析此肽段的氨基酸序列，可得到活性部位分析此肽段的氨基酸序列，可得到活性部位Ser附附近近的肽链序列。的肽链序列。 生物化学酶的作用机制和酶的调节DFP修饰酶的Ser残基的反应 生物化学酶的作用机制和酶的调节几种丝氨酸蛋白酶活性部位的氨基酸序列酶酶氨基酸序列氨基酸序列牛胰蛋白酶牛胰蛋白酶 Ser-Cys-Gly- Gly- Asp-Ser-Gly- Gly- Pro-Val牛胰凝乳蛋白酶牛胰凝乳蛋白酶 Ser-Cys-Met- Gly- Asp-Ser-Gly- Gly- Pro-Leu猪弹性蛋白酶猪弹

9、性蛋白酶 Gly-Cys-Gln- Gly- Asp-Ser-Gly- Gly- Pro-Leu猪凝血酶猪凝血酶Asp-Ala-Cys-Glu- Gly- Asp-Ser-Gly- Gly- Pro生物化学酶的作用机制和酶的调节亲和标记法 能特异性地修饰酶的活性部位的修饰剂很少，能特异性地修饰酶的活性部位的修饰剂很少，并且专一性差，经常出现也修饰活性部位之外的并且专一性差，经常出现也修饰活性部位之外的残基的情况。为了解决此问题，人们合成了一些残基的情况。为了解决此问题，人们合成了一些底物类似物，其上带有高反应性基团，它们特异底物类似物，其上带有高反应性基团，它们特异地与相应的酶的活性部位结合，

10、然后与活性部位地与相应的酶的活性部位结合，然后与活性部位的残基反应，这样就大大提高了修饰的专一性，的残基反应，这样就大大提高了修饰的专一性，这种方法叫亲和标记法。这种方法叫亲和标记法。 生物化学酶的作用机制和酶的调节TPCK对胰凝乳蛋白酶的亲和标记 最典型的例子就是用来修饰胰凝乳蛋白酶的亲最典型的例子就是用来修饰胰凝乳蛋白酶的亲和 标 记 物 对 甲 苯 磺 酰和 标 记 物 对 甲 苯 磺 酰 - L - 苯 丙 氨 酰 氯 甲 基 酮苯 丙 氨 酰 氯 甲 基 酮（TPCK），胰凝乳蛋白酶的人工底物是对甲苯磺），胰凝乳蛋白酶的人工底物是对甲苯磺酰酰-L-苯丙氨酸乙酯（苯丙氨酸乙酯（TPE）

11、。当将）。当将TPDK与胰凝乳与胰凝乳蛋白酶一起保温后，酶失去活性，氨基酸分析表明，蛋白酶一起保温后，酶失去活性，氨基酸分析表明，TPDK修饰了修饰了His57。TPCK不与胰凝乳蛋白酶原、不与胰凝乳蛋白酶原、变性的胰凝乳蛋白酶、变性的胰凝乳蛋白酶、DIP-胰凝乳蛋白酶反应。这胰凝乳蛋白酶反应。这些证据说明些证据说明His57是组成酶活性部位的残基之一。是组成酶活性部位的残基之一。 生物化学酶的作用机制和酶的调节TPE和TPCK的结构亲和标记物亲和标记物人工底物人工底物生物化学酶的作用机制和酶的调节动力学参数测定法 在不同在不同pH下测定酶活力，可以得到与酶下测定酶活力，可以得到与酶活力直接相

12、关的可解离基团的活力直接相关的可解离基团的pKa值，从而推值，从而推测出是些什么残基。测出是些什么残基。 生物化学酶的作用机制和酶的调节X射线晶体结构分析法 使底物与酶结合，制成晶体，再进行使底物与酶结合，制成晶体，再进行X光光晶体衍射分析，可得到底物附近有哪些残基。晶体衍射分析，可得到底物附近有哪些残基。生物化学酶的作用机制和酶的调节定点突变法 从基因的水平上对蛋白质编码序列中特定位点从基因的水平上对蛋白质编码序列中特定位点的核苷酸进行突变，使得蛋白质特定的氨基酸残基的核苷酸进行突变，使得蛋白质特定的氨基酸残基转变成另一种氨基酸残基，观察突变对酶活力的影转变成另一种氨基酸残基，观察突变对酶活

13、力的影响。例如响。例如，1987年年Claik将胰蛋白酶将胰蛋白酶Asp102突变成突变成Asn102，突变的胰蛋白酶的，突变的胰蛋白酶的kcat只有野生型酶的五只有野生型酶的五千分之一，突变酶水解酯底物的活力仅是野生型酶千分之一，突变酶水解酯底物的活力仅是野生型酶的万分之一，可见的万分之一，可见Asp102对胰蛋白酶的活力是必需对胰蛋白酶的活力是必需的。的。 生物化学酶的作用机制和酶的调节三、影响酶催化效率的有关因素 生物化学酶的作用机制和酶的调节底物和酶的邻近效应与定向效应（proximity and orientation） 对于双底物反应或三底物反应来说，由于酶对于双底物反应或三底物反

14、应来说，由于酶活性部位对底物有高亲和力，增加了参与反应的活性部位对底物有高亲和力，增加了参与反应的底物碰撞的几率，这就是邻近效应。在酶活性部底物碰撞的几率，这就是邻近效应。在酶活性部位，底物之间参与反应的基团或键靠近，使反应位，底物之间参与反应的基团或键靠近，使反应易于进行，这就是定向效应。易于进行，这就是定向效应。 生物化学酶的作用机制和酶的调节底物的形变和诱导契合 底物与酶结合后，发生构象变化，相应的底物与酶结合后，发生构象变化，相应的键变得对反应更敏感，降低了反应的活化能。键变得对反应更敏感，降低了反应的活化能。 （distortion and induced-fit） 生物化学酶的作用

15、机制和酶的调节酸碱催化 酶活性部位的催化基团可以通过向底物提酶活性部位的催化基团可以通过向底物提供质子或从底物上夺取质子，而催化反应。若供质子或从底物上夺取质子，而催化反应。若提供质子和夺取质子的是反应液中的提供质子和夺取质子的是反应液中的H +和和OH ，称为专一酸碱催化或狭义酸碱催化；若提供质称为专一酸碱催化或狭义酸碱催化；若提供质子和夺取质子的是酶活性部位的残基，称为总子和夺取质子的是酶活性部位的残基，称为总酸碱催化或广义酸碱催化。酸碱催化或广义酸碱催化。 （acid-base catalysis）生物化学酶的作用机制和酶的调节一些氨基酸残基的广义酸碱形式生物化学酶的作用机制和酶的调节共

16、价催化 共价催化分为亲电催化和亲核催化两种类型。共价催化分为亲电催化和亲核催化两种类型。亲电催化指的是酶活性部位的催化基团在催化反应亲电催化指的是酶活性部位的催化基团在催化反应过程中汲取底物的电子，产生底物与酶共价结合的过程中汲取底物的电子，产生底物与酶共价结合的过渡态中间物；亲核催化是酶活性部位的催化基团过渡态中间物；亲核催化是酶活性部位的催化基团在反应过程中向底物供给电子，产生底物与酶共价在反应过程中向底物供给电子，产生底物与酶共价结合的过渡态中间物。结合的过渡态中间物。 （covalent catalysis） 生物化学酶的作用机制和酶的调节金属离子催化 金属离子带正电荷，它可以稳定底物

17、过渡态金属离子带正电荷，它可以稳定底物过渡态中间物中的负电荷，还可以通过吸引电子，造成中间物中的负电荷，还可以通过吸引电子，造成电子畸变，使得反应容易进行。电子畸变，使得反应容易进行。 （metal ion catalysis） 生物化学酶的作用机制和酶的调节活性部位微环境的影响在实际催化中，上述多种因素可以协调起作用。在实际催化中，上述多种因素可以协调起作用。 多元催化和协同效应 活性部位是一个疏水环境，介电常数较低，活性部位是一个疏水环境，介电常数较低，带电基团之间的作用力较强，有助于催化基团与带电基团之间的作用力较强，有助于催化基团与底物的作用。底物的作用。 生物化学酶的作用机制和酶的调

18、节四、酶催化反应机制的实例 生物化学酶的作用机制和酶的调节溶菌酶 溶菌酶能够水解细菌细胞壁的多糖，从而溶菌酶能够水解细菌细胞壁的多糖，从而溶解这些细菌的细胞壁。细胞壁多糖是溶解这些细菌的细胞壁。细胞壁多糖是N-乙酰乙酰氨基葡糖（氨基葡糖（NAG）-N-乙酰氨基葡糖乳酸乙酰氨基葡糖乳酸（NAM）的共聚物，其中的）的共聚物，其中的NAG和和NAM通过通过1,4-糖苷键交替排列。糖苷键交替排列。 （lysozyme）生物化学酶的作用机制和酶的调节细菌细胞壁多糖生物化学酶的作用机制和酶的调节溶菌酶的一级结构红箭头所红箭头所指为活性指为活性部位残基部位残基分子量为分子量为14.6103生物化学酶的作用机

19、制和酶的调节溶菌酶催化反应的特异性 溶菌酶能够水解溶菌酶能够水解NAM的的C1与与NAG的的C4之间之间的糖苷键，但不能水解的糖苷键，但不能水解NAG的的C1与与NAM的的C4之之间的糖苷键。几丁质是甲壳类动物甲壳中所含的间的糖苷键。几丁质是甲壳类动物甲壳中所含的多糖，仅由多糖，仅由NAG残基通过残基通过1,4-糖苷键相连，溶糖苷键相连，溶菌酶也可以水解几丁质。菌酶也可以水解几丁质。生物化学酶的作用机制和酶的调节溶菌酶催化水解的糖苷键生物化学酶的作用机制和酶的调节溶菌酶的有效底物 酶的活性部位有一条沟，正好能容纳酶的活性部位有一条沟，正好能容纳6个多个多糖残基形成的链。当用含不同残基数的寡聚糖

20、残基形成的链。当用含不同残基数的寡聚NAG作实验，发现当残基数达到作实验，发现当残基数达到6个时就可以作为有个时就可以作为有效的底物。效的底物。 底物（浓度为底物（浓度为10 4 mol/L）相对水解速率相对水解速率(NAG)20(NAG)31(NAG)48(NAG)54000(NAG)630000(NAG)830000生物化学酶的作用机制和酶的调节溶菌酶活性部位的催化位点 通过研究通过研究发现，若将发现，若将6残基寡聚糖作为溶残基寡聚糖作为溶菌酶的底物，将这菌酶的底物，将这6个残基分别称为个残基分别称为A，B，C，D，E和和F，则水解发生在，则水解发生在D和和E之间的糖苷键上。之间的糖苷键上

21、。其中其中D糖的吡喃环因空间构象的原因，必须由糖的吡喃环因空间构象的原因，必须由正常的椅式构象转变成能量较高的半椅式构象，正常的椅式构象转变成能量较高的半椅式构象，其其C1参与的糖苷键稳定性降低，参与的糖苷键稳定性降低，易于断裂。易于断裂。 生物化学酶的作用机制和酶的调节吡喃糖环的椅式和船式构象生物化学酶的作用机制和酶的调节溶菌酶底物的半椅式构象半椅式构象半椅式构象椅式构象椅式构象生物化学酶的作用机制和酶的调节溶菌酶活性部位的催化位点生物化学酶的作用机制和酶的调节糖苷键的断裂位点 在在H 218O中反应，可以发现中反应，可以发现D糖的糖的C1上含有上含有18O，而，而E糖的糖的C4羟基只含普通

22、羟基只含普通O。由此可知这个。由此可知这个键断裂在键断裂在D糖的糖的C1和糖苷键的和糖苷键的O之间。之间。 生物化学酶的作用机制和酶的调节溶菌酶的催化基团 分析分析D-E键周围的微环境，最活泼的基团是键周围的微环境，最活泼的基团是Asp52和和Glu35，它们分别位于被断裂的糖苷键，它们分别位于被断裂的糖苷键的两侧。的两侧。Asp52在一个极性环境中，而在一个极性环境中，而Glu35位位于非极性区。在溶菌酶水解几丁质的最适于非极性区。在溶菌酶水解几丁质的最适pH下下（pH5），），Asp52的侧链羧基为解离状态的侧链羧基为解离状态COO，而而Glu的侧链羧基为质子化的的侧链羧基为质子化的COO

23、H形式形式。 生物化学酶的作用机制和酶的调节溶菌酶的催化机制Glu35酸催化酸催化Asp52的的负电荷稳负电荷稳定正碳离定正碳离子子生物化学酶的作用机制和酶的调节丝氨酸蛋白酶 丝氨酸蛋白酶是一个蛋白酶家族，这个家族丝氨酸蛋白酶是一个蛋白酶家族，这个家族包括胰蛋白酶（包括胰蛋白酶（trypsin）、胰凝乳蛋白酶）、胰凝乳蛋白酶（chymotrypsin）、弹性蛋白酶（）、弹性蛋白酶（elastase）、凝）、凝血 酶 （血 酶 （ t h r o m b i n ） 、 枯 草 杆 菌 蛋 白 酶） 、 枯 草 杆 菌 蛋 白 酶（subtilisin）、纤溶酶（）、纤溶酶（plasmin）、组

24、织纤溶）、组织纤溶酶原激活剂（酶原激活剂（tissue plasminogen activator，tPA）等。它们的共同特征是活性部位有一个必需的丝等。它们的共同特征是活性部位有一个必需的丝氨酸残基。氨酸残基。 生物化学酶的作用机制和酶的调节消化作用的丝氨酸蛋白酶 胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶和弹性蛋白酶虽然胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶和弹性蛋白酶虽然都是裂解肽键的，但它们的专一性明显不同。胰都是裂解肽键的，但它们的专一性明显不同。胰蛋白酶裂解碱性氨基酸的羧基形成的肽键，胰凝蛋白酶裂解碱性氨基酸的羧基形成的肽键，胰凝乳蛋白酶裂解芳香氨基酸的羧基形成的肽键，弹乳蛋白酶裂解芳香氨基酸的羧基形成的肽键，弹性蛋

25、白酶专一性较弱，它主要裂解小的中性氨基性蛋白酶专一性较弱，它主要裂解小的中性氨基酸的羧基侧肽键。这酸的羧基侧肽键。这3种蛋白酶有相似的一级结种蛋白酶有相似的一级结构和三级结构。构和三级结构。 生物化学酶的作用机制和酶的调节三种消化蛋白酶的一级结构比较生物化学酶的作用机制和酶的调节胰凝乳蛋白酶的三维结构 胰凝乳蛋白酶分子是一个紧密的椭球体，大胰凝乳蛋白酶分子是一个紧密的椭球体，大小为小为5.14.04.0nm。多数芳香和疏水残基包埋。多数芳香和疏水残基包埋在蛋白质内部，而多数带电的或亲水的残基分布在蛋白质内部，而多数带电的或亲水的残基分布在分子表面。在分子表面。3个极性残基个极性残基His57、

26、Asp102和和Ser195在活性部位形成催化三联体（在活性部位形成催化三联体（catalytic triad）。这三个残基在胰蛋白酶和弹性蛋白酶中）。这三个残基在胰蛋白酶和弹性蛋白酶中也存在，但这三种蛋白酶的底物结合部位形状不也存在，但这三种蛋白酶的底物结合部位形状不同，导致它们裂解不同氨基酸羧基侧的肽键。同，导致它们裂解不同氨基酸羧基侧的肽键。 生物化学酶的作用机制和酶的调节胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、弹性蛋白酶的底物结合口袋 Trypsin Chymotrypsin Elastase生物化学酶的作用机制和酶的调节胰凝乳蛋白酶与eglin Ceglin C的结合 蓝色带状物蓝色带状物为为egl

27、in C ( ( 水 蛭 蛋 白水 蛭 蛋 白酶抑制剂酶抑制剂) )蓝色蓝色His57His57红色红色Asp102Asp102黄色黄色Ser195Ser195生物化学酶的作用机制和酶的调节人工底物 对一些底物是大分子聚合物的酶，在研究对一些底物是大分子聚合物的酶，在研究其动力学时，一般使用小分子的人工底物其动力学时，一般使用小分子的人工底物。乙。乙酸酸-p-硝基苯酯是一种特别有用的模式底物，因硝基苯酯是一种特别有用的模式底物，因为其水解产物对硝基苯酚在为其水解产物对硝基苯酚在400nm有强的光吸有强的光吸收收，便于监测其变化。，便于监测其变化。 生物化学酶的作用机制和酶的调节研究胰凝乳蛋白酶

28、的人工底物乙酰苯丙氨酸甲酯乙酰苯丙氨酸甲酯苯甲酰丙氨酸甲酯苯甲酰丙氨酸甲酯甲酰苯丙氨酸甲酯甲酰苯丙氨酸甲酯乙酸乙酸-p-硝基苯酯硝基苯酯生物化学酶的作用机制和酶的调节胰凝乳蛋白酶催化机制的动力学研究 当大量胰凝乳蛋白酶用乙酸当大量胰凝乳蛋白酶用乙酸-p-硝基苯酯为底物硝基苯酯为底物进行动力学研究时，反应分两个不同的阶段，反应进行动力学研究时，反应分两个不同的阶段，反应开始时以突发的速率开始时以突发的速率生成生成p-硝基苯酚，随后出现一个硝基苯酚，随后出现一个较慢的稳态速率。这是因为反应的第一步是底物与较慢的稳态速率。这是因为反应的第一步是底物与酶结合后，反应释放出酶结合后，反应释放出p-硝基苯

29、酚，另一个产物乙酸硝基苯酚，另一个产物乙酸以乙酰基的形式结合在酶活性部位的以乙酰基的形式结合在酶活性部位的Ser195上。第二上。第二步是水分子攻击乙酰步是水分子攻击乙酰酶复合物，释放出乙酸根离酶复合物，释放出乙酸根离子。第二步较缓慢，是限速步骤。子。第二步较缓慢，是限速步骤。 生物化学酶的作用机制和酶的调节胰凝乳蛋白酶同底物反应的动力学曲线 生物化学酶的作用机制和酶的调节酰基酶中间物的迅速形成后缓慢释放产物生物化学酶的作用机制和酶的调节胰凝乳蛋白酶的催化三联体 生物化学酶的作用机制和酶的调节胰凝乳蛋白酶中催化三联体的作用 在没有底在没有底物时，物时，His57是未质子化的，当是未质子化的，当

30、Ser195羟基氧原子对底物进行亲核攻击时，羟基氧原子对底物进行亲核攻击时，His57从从Ser195接受一个质子。接受一个质子。Asp102的的COO的作用是稳定过渡的作用是稳定过渡态中态中His57的正电荷形式。此外，的正电荷形式。此外，Asp定向定向His57，保证从保证从Ser195接受一个质子后的接受一个质子后的His57处于适当的互处于适当的互变异构形式变异构形式。 生物化学酶的作用机制和酶的调节His57的互变异构生物化学酶的作用机制和酶的调节胰凝乳蛋白酶的催化机制生物化学酶的作用机制和酶的调节胰凝乳蛋白酶的催化机制生物化学酶的作用机制和酶的调节五、酶活性的调节控制生物化学酶的作

31、用机制和酶的调节别构调控（allosteric regulation） 酶分子的非催化部位与某些化合物可逆地非共酶分子的非催化部位与某些化合物可逆地非共价结合后价结合后, ,酶发生构象改变，进而改变酶活性状态，酶发生构象改变，进而改变酶活性状态，称为酶的别构调节。具有这种调节作用的酶称为别称为酶的别构调节。具有这种调节作用的酶称为别构酶（构酶（allosteric enzyme）。凡能使酶分子发生别构）。凡能使酶分子发生别构作用的物质称为效应剂或别构剂，能增加酶活性的作用的物质称为效应剂或别构剂，能增加酶活性的别构剂为别构激活剂，能抑制酶活性的别构剂为别别构剂为别构激活剂，能抑制酶活性的别构剂

32、为别构抑制剂。构抑制剂。 生物化学酶的作用机制和酶的调节天冬氨酸转氨甲酰酶（aspartate transcarbamylase，ATCase） ATCase是嘧啶生物合成途径的第一个酶，底是嘧啶生物合成途径的第一个酶，底物对酶的结合有正协同性。该反应途径的终物对酶的结合有正协同性。该反应途径的终产物产物CTP是是ATCase的反馈抑制剂，抑制程度可达的反馈抑制剂，抑制程度可达90%，这种抑制是降低酶对底物的亲和力，但不影响最这种抑制是降低酶对底物的亲和力，但不影响最大反应速度。而大反应速度。而ATP是是ATCase的激活剂的激活剂，可增加，可增加酶对底物的亲和力，也不影响最大反应速度。酶对底

33、物的亲和力，也不影响最大反应速度。 生物化学酶的作用机制和酶的调节ATCase催化的反应式生物化学酶的作用机制和酶的调节ATP和和CTP对ATCase活性的影响曲线ATP可阻可阻遏遏CTP的的抑制作用，抑制作用，它们它们竞争竞争同一结合同一结合位点。位点。生物化学酶的作用机制和酶的调节脱敏反应 ATCase由催化亚由催化亚基（基（catalytic subunit）和）和调节亚基（调节亚基（regulatory subunit）组成）组成。当用汞。当用汞化物处理该酶时，化物处理该酶时，则则ATCase失去调节活性。用失去调节活性。用汞化物处理过的汞化物处理过的ATCase，ATP和和CTP不再

34、影响不再影响其催化活性，而且底物结合其催化活性，而且底物结合变为无协同性。但变为无协同性。但并不影响酶的最大反应速率。并不影响酶的最大反应速率。 生物化学酶的作用机制和酶的调节p-羟汞苯甲酸对巯基的修饰生物化学酶的作用机制和酶的调节ATCase的亚基分离 当用汞化物当用汞化物p-羟汞苯甲酸处理羟汞苯甲酸处理ATCase时，时，p-羟汞苯甲酸与巯基反应，使酶失去了受羟汞苯甲酸与巯基反应，使酶失去了受ATP或或CTP调节的能力。利用超离心分析，天然酶的沉调节的能力。利用超离心分析，天然酶的沉降系数为降系数为11.6S，分子量为，分子量为310103，而受，而受p-羟汞羟汞苯甲酸处理后的酶出现两条带

35、，一个是苯甲酸处理后的酶出现两条带，一个是2.8S，分，分子量子量34103，另一个是，另一个是5.8S，分子量，分子量100103。这是两种不同的亚基，这两种亚基也可以利用离这是两种不同的亚基，这两种亚基也可以利用离子交换层析或蔗糖密度梯度离心分开。子交换层析或蔗糖密度梯度离心分开。 生物化学酶的作用机制和酶的调节ATCase的沉降速率模式天然天然 ATCase通过汞化物解离成调节通过汞化物解离成调节亚基和催化亚基的酶亚基和催化亚基的酶生物化学酶的作用机制和酶的调节ATCase的亚基组成 大的亚基叫催化亚基，单独的大亚基有催化大的亚基叫催化亚基，单独的大亚基有催化反应的能力，但不与反应的能力

36、，但不与ATP或或CTP结合。小亚基叫结合。小亚基叫调节亚基，单独的小亚基可以与调节亚基，单独的小亚基可以与ATP或或CTP结合，结合，但无催化能力。催化亚基（但无催化能力。催化亚基（c3）含）含3条条c链，每条链，每条链的分子量为链的分子量为34103，所以催化亚基的分子量是，所以催化亚基的分子量是102103；调节亚基（；调节亚基（r2）含）含2条条r链，每条链的链，每条链的分子量为分子量为17103，所以调节亚基的分子量是，所以调节亚基的分子量是34103。全酶含有。全酶含有2个催化亚基和个催化亚基和3个调节亚基，个调节亚基，记为记为c6r6，即，即2c33 r2 c6 r6。 生物化学

37、酶的作用机制和酶的调节ATCase是别构酶的模式对象 用过量的巯基乙醇可除去汞苯甲酸基。将除用过量的巯基乙醇可除去汞苯甲酸基。将除去汞苯甲酸基的催化亚基和调节亚基混合，可重去汞苯甲酸基的催化亚基和调节亚基混合，可重组得到天然酶。因组得到天然酶。因ATCase的催化亚基和调节亚基的催化亚基和调节亚基容易分开，又容易重组，所以它成为研究别构酶容易分开，又容易重组，所以它成为研究别构酶的模式对象。的模式对象。 生物化学酶的作用机制和酶的调节ATCase的三维结构 利用利用X光衍射，得出了光衍射，得出了ATCase的三维结构。通的三维结构。通过使酶与竞争性抑制剂过使酶与竞争性抑制剂N-（膦乙酰基）（膦

38、乙酰基）-L-天冬氨天冬氨酸（酸（PALA）结合，找到了底物的结合位点，它位）结合，找到了底物的结合位点，它位于两条催化链的界面处，由两条于两条催化链的界面处，由两条c链的残基共同组链的残基共同组成。每条成。每条r链分两个结构域，外侧的结构域是链分两个结构域，外侧的结构域是CTP的结合位点，里侧的结构域与催化亚基相互作用。的结合位点，里侧的结构域与催化亚基相互作用。每条每条c链也分为两个结构域，链也分为两个结构域，N端为氨甲酰磷酸结端为氨甲酰磷酸结合结构域，合结构域，C端为天冬氨酸结合结构域。端为天冬氨酸结合结构域。 生物化学酶的作用机制和酶的调节ATCase的亚基结合方式rrcc生物化学酶的

39、作用机制和酶的调节ATCase的亚基结合方式生物化学酶的作用机制和酶的调节ATCaseATCase半分子的三维结构生物化学酶的作用机制和酶的调节ATCaseATCase的过渡态底物及竞争性抑制剂生物化学酶的作用机制和酶的调节PALA结合在ATCase催化部位上的方式由邻近由邻近C链提供链提供生物化学酶的作用机制和酶的调节酶与底物结合后的构象变化 底物与酶结合后，导致酶的沉降系数降低底物与酶结合后，导致酶的沉降系数降低3%，说明酶与底物结合后膨胀了。伴随着酶与，说明酶与底物结合后膨胀了。伴随着酶与PALA的结合，酶的四级结构发生了大的变化，的结合，酶的四级结构发生了大的变化，两个催化三聚体分开了

40、两个催化三聚体分开了1.2nm，并转动了，并转动了10。此外，每一调节亚基也绕其对称轴旋转了此外，每一调节亚基也绕其对称轴旋转了15。c链上的两个底物结合结构域靠近了链上的两个底物结合结构域靠近了0.2nm，酶，酶由由T型变成了型变成了R型。型。 生物化学酶的作用机制和酶的调节酶与底物结合后的构象变化生物化学酶的作用机制和酶的调节硝基甲烷修饰ATCase 酶与硝基甲烷反应，在酶的每个催化链中生酶与硝基甲烷反应，在酶的每个催化链中生成一种有颜色的硝基酪氨酸残基（成一种有颜色的硝基酪氨酸残基（max = 430nm），在每个催化链上一个必需的），在每个催化链上一个必需的Lys也被也被修饰，这样就人

41、工引进了报告基团。这种被修饰修饰，这样就人工引进了报告基团。这种被修饰的催化亚基不能与底物结合。的催化亚基不能与底物结合。 生物化学酶的作用机制和酶的调节底物结合到ATCase上引起高度协同的别构转变 用被修饰的催化亚基与正常的催化亚基及正用被修饰的催化亚基与正常的催化亚基及正常的调节亚基重组成全酶（杂交酶），当加入天常的调节亚基重组成全酶（杂交酶），当加入天冬氨酸的类似物琥珀酸时，琥珀酸结合到正常的冬氨酸的类似物琥珀酸时，琥珀酸结合到正常的催化亚基上，改变了被修饰催化亚基上硝基酪氨催化亚基上，改变了被修饰催化亚基上硝基酪氨酸的吸收光谱。说明一个催化亚基与底物结合能酸的吸收光谱。说明一个催化亚

42、基与底物结合能引起另一个催化亚基构象发生变化。引起另一个催化亚基构象发生变化。 生物化学酶的作用机制和酶的调节琥珀酸与杂交酶结合后硝基Tyr吸收光谱的变化标记三聚体标记三聚体天然三聚体天然三聚体NT：硝基酪氨酸：硝基酪氨酸 S：底物：底物生物化学酶的作用机制和酶的调节别构剂对酶构象的影响 给杂交酶加给杂交酶加ATP，硝基酪氨酸，硝基酪氨酸430nm的光吸的光吸收增加，与加琥珀酸情况相同；而给杂交酶加收增加，与加琥珀酸情况相同；而给杂交酶加CTP，430nm的光吸收减少。此实验说明别构激的光吸收减少。此实验说明别构激活剂和别构抑制剂都能引起构象变化，但变化的活剂和别构抑制剂都能引起构象变化，但变

43、化的结果不同。结果不同。ATP的结合使酶的构象平衡向的结合使酶的构象平衡向R型转型转变，而变，而CTP的结合使酶的构象平衡向的结合使酶的构象平衡向T型转变。型转变。 生物化学酶的作用机制和酶的调节ATP和CTP与酶结合后酶的构象及硝基Tyr吸收光谱的变化标记三聚体标记三聚体标记三聚体标记三聚体生物化学酶的作用机制和酶的调节酶原的激活 有些酶在刚合成出来时没有活性，称为酶原有些酶在刚合成出来时没有活性，称为酶原（zymogen或或proenzyme）。酶原经蛋白水解酶）。酶原经蛋白水解酶在特定位点切割后，产生有活性的酶，这种方式在特定位点切割后，产生有活性的酶，这种方式称为酶原的激活。有一些不是

44、酶的蛋白质，也需称为酶原的激活。有一些不是酶的蛋白质，也需要经特定的蛋白酶水解才有功能，这些蛋白质在要经特定的蛋白酶水解才有功能，这些蛋白质在没有活化之前称为前体（没有活化之前称为前体（precursor）。）。 生物化学酶的作用机制和酶的调节酶原或蛋白质前体激活举例使蛋白质水解的消化酶，在胃和胰脏中刚合成时是使蛋白质水解的消化酶，在胃和胰脏中刚合成时是以酶原的形式存在，分泌到肠胃中被切割后才成为有以酶原的形式存在，分泌到肠胃中被切割后才成为有活性的酶。活性的酶。血液凝固系统中许多酶都是以酶原的形式存在，到血液凝固系统中许多酶都是以酶原的形式存在，到需要血液凝固时才被激活。需要血液凝固时才被激

45、活。胰岛素刚合成出来是前胰岛素原（胰岛素刚合成出来是前胰岛素原（preproinsulin），），经蛋白酶切割后成为有活性的胰岛素。经蛋白酶切割后成为有活性的胰岛素。不溶性的胶原，是由可溶性的前胶原激活而成的。不溶性的胶原，是由可溶性的前胶原激活而成的。在需要时，前胶原酶转变成活性的胶原酶，降解胶在需要时，前胶原酶转变成活性的胶原酶，降解胶原。如蝌蚪尾巴的消失。原。如蝌蚪尾巴的消失。 生物化学酶的作用机制和酶的调节胰凝乳蛋白酶原的激活 胰凝乳蛋白酶原是胰腺分泌的、由胰凝乳蛋白酶原是胰腺分泌的、由245个氨基酸个氨基酸残基组成的单链肽，有残基组成的单链肽，有5对二硫键。经胰蛋白酶作用，对二硫键。

46、经胰蛋白酶作用，Arg15与与Ile16之间的肽键断裂，才具有酶活性，这种之间的肽键断裂，才具有酶活性，这种酶称为酶称为胰凝乳蛋白酶。胰凝乳蛋白酶。型酶活性最高，但不稳定，型酶活性最高，但不稳定，它再作用于其它它再作用于其它型酶分子上，使之失去两个二肽型酶分子上，使之失去两个二肽（Ser14-Arg15和和Thr147-Asn148）后成为稳定形式）后成为稳定形式胰凝乳蛋白酶。胰凝乳蛋白酶。型酶有型酶有3条肽链，条肽链，A链和链和B链之间链之间以及以及B链和链和C链之间各有一对二硫键连接。链之间各有一对二硫键连接。 生物化学酶的作用机制和酶的调节胰凝乳蛋白酶原的激活生物化学酶的作用机制和酶的调

47、节胃蛋白酶原的激活 胃蛋白酶原是由胃壁细胞分泌的，分子量为胃蛋白酶原是由胃壁细胞分泌的，分子量为38.9103，由，由392个氨基酸残基组成。在胃酸个氨基酸残基组成。在胃酸H+的的作用下，低于作用下，低于pH5时，酶原自动激活，从氨基端失时，酶原自动激活，从氨基端失去去44个氨基酸残基的碱性片段，成为有活性的胃个氨基酸残基的碱性片段，成为有活性的胃蛋白酶。胃蛋白酶的最适反应蛋白酶。胃蛋白酶的最适反应pH为为2，其活性部位，其活性部位含有含有2个天冬氨酸残基，一个处于解离状态，一个个天冬氨酸残基，一个处于解离状态，一个处于质子化状态。酶原碱性片段中的处于质子化状态。酶原碱性片段中的Lys与活性部

48、与活性部位的天冬氨酸残基有静电相互作用，使酶不能表位的天冬氨酸残基有静电相互作用，使酶不能表现出活性。去除碱性片段后，暴露出催化基团，现出活性。去除碱性片段后，暴露出催化基团，酶才表现出活性。胃蛋白酶还可以催化其它胃蛋酶才表现出活性。胃蛋白酶还可以催化其它胃蛋白酶原分子活化。白酶原分子活化。 生物化学酶的作用机制和酶的调节胰蛋白酶原的激活 胰蛋白酶原由胰脏分泌，进入小肠后，在有胰蛋白酶原由胰脏分泌，进入小肠后，在有Ca2+的环境中受到肠激酶的激活，的环境中受到肠激酶的激活，Lys6Ile7之之间的肽键被裂解，从氨基端去除一个间的肽键被裂解，从氨基端去除一个6肽，成为肽，成为有活性的胰蛋白酶。活

49、性的胰蛋白酶还可以激活有活性的胰蛋白酶。活性的胰蛋白酶还可以激活其它胰蛋白酶原、胰凝乳蛋白酶原、弹性蛋白酶其它胰蛋白酶原、胰凝乳蛋白酶原、弹性蛋白酶原及羧肽酶原等。原及羧肽酶原等。 生物化学酶的作用机制和酶的调节胰蛋白酶原的激活 生物化学酶的作用机制和酶的调节胰蛋白酶对各种胰脏蛋白酶原的激活作用生物化学酶的作用机制和酶的调节生理止血过程 生理止血过程包括三部分功能活动。首先生理止血过程包括三部分功能活动。首先是小血管受伤后立即收缩，若破损不大即可使是小血管受伤后立即收缩，若破损不大即可使血管封闭。其次，更重要的是血管内膜损伤，血管封闭。其次，更重要的是血管内膜损伤，内膜下组织暴露，可以激活血小

50、板和血浆中的内膜下组织暴露，可以激活血小板和血浆中的凝血系统；由于血管收缩使血流暂停或减缓，凝血系统；由于血管收缩使血流暂停或减缓，有利于激活的血小板粘附于内膜下组织并聚集有利于激活的血小板粘附于内膜下组织并聚集成团，成为一个松软的止血栓以堵塞伤口。成团，成为一个松软的止血栓以堵塞伤口。 生物化学酶的作用机制和酶的调节生理止血过程 接着，在局部又迅速出现血凝块，即血浆中可接着，在局部又迅速出现血凝块，即血浆中可溶的纤维蛋白原转变成不溶的纤维蛋白分子多聚体，溶的纤维蛋白原转变成不溶的纤维蛋白分子多聚体，并形成了由血纤维与血小板一道构成的牢固的止血并形成了由血纤维与血小板一道构成的牢固的止血栓，有

51、效地制止了出血。与此同时，血浆中也出现栓，有效地制止了出血。与此同时，血浆中也出现了生理的抗凝血活动与纤维蛋白溶解活性，以防止了生理的抗凝血活动与纤维蛋白溶解活性，以防止血凝块不断增大和凝血过程漫延到这一局部以外。血凝块不断增大和凝血过程漫延到这一局部以外。显然，生理止血主要由血小板和某些血浆成分共同显然，生理止血主要由血小板和某些血浆成分共同完成。完成。 生物化学酶的作用机制和酶的调节凝血机制生物化学酶的作用机制和酶的调节凝血因子（blood clotting factors）编号同义名因子因子纤维蛋白原（纤维蛋白原（fibrinogen） 因子因子 凝血酶原凝血酶原(prothrombin

52、) 因子因子 组织凝血激素组织凝血激素(tissue thromboplastin) 因子因子 Ca2+ 因子因子前加速素前加速素(proaccelerin)因子因子 前转变素前转变素(proconvertin) 因子因子 抗血友病因子抗血友病因子(antihemophilic factor,AHF) 因子因子 血浆凝血激酶血浆凝血激酶(plasma thromboplastin component,PTC) 因子因子 Stuart-Prower因子因子 因子因子 血浆凝血激酶前质血浆凝血激酶前质(plasma thromboplastin antecedent,PTA) 因子因子接触因子接触

53、因子(contact factor)因子因子 纤维蛋白稳定因子纤维蛋白稳定因子(fibrin-stabilizing factor) 生物化学酶的作用机制和酶的调节因子X激活的两种途径 因子因子（Stuart-Prower因子）因子）的激活可以通的激活可以通过两种途径。如果只是损伤血管内膜或抽出血液过两种途径。如果只是损伤血管内膜或抽出血液置于玻璃管内，完全依靠血浆内的凝血因子逐步置于玻璃管内，完全依靠血浆内的凝血因子逐步使因子使因子激活从而发生凝血的，称为内源性激活激活从而发生凝血的，称为内源性激活途径（途径（intrinsic route）；如果是依靠血管外组织）；如果是依靠血管外组织释放

54、的因子释放的因子（组织凝血激素）组织凝血激素）来参与因子来参与因子的的激活的，称为外源性激活途径（激活的，称为外源性激活途径（extrinxic route），），如创伤出血后发生凝血的情况。如创伤出血后发生凝血的情况。 生物化学酶的作用机制和酶的调节内源性途径 从因子从因子（接触因子）（接触因子）的激活开始。血管的激活开始。血管内膜下组织，特别是胶原纤维，与因子内膜下组织，特别是胶原纤维，与因子接触，接触，可使因子可使因子激活成激活成a。a可激活激肽释放酶可激活激肽释放酶原使之成为激肽释放酶；后者反过来又能激活原使之成为激肽释放酶；后者反过来又能激活因子因子，这是一种正反馈，可使因子，这是一

55、种正反馈，可使因子a大量生大量生成。成。a又激活因子又激活因子成为成为a。 生物化学酶的作用机制和酶的调节外源性途径 由因子由因子与因子与因子组成复合物，在有组成复合物，在有Ca2+存存在的情况下，激活因子在的情况下，激活因子生成生成a。因子。因子，原名，原名组织凝血激酶，广泛存在于血管外组织中，但在组织凝血激酶，广泛存在于血管外组织中，但在脑、肺和胎盘组织中特别丰富。因子脑、肺和胎盘组织中特别丰富。因子为磷脂蛋为磷脂蛋白质。白质。Ca2+的作用就是将因子的作用就是将因子与因子与因子都结合都结合于因子于因子所提供的磷脂上，以便因子所提供的磷脂上，以便因子催化因子催化因子的有限水解，形成的有限水

56、解，形成a。 生物化学酶的作用机制和酶的调节可逆的共价修饰 有一些酶属于有一些酶属于共价调节酶共价调节酶（covalently modulated enzyme），通过其它酶对它进行可逆的共价修饰而在），通过其它酶对它进行可逆的共价修饰而在活性与非活性之间互变。这种酶常是一些对代谢流量活性与非活性之间互变。这种酶常是一些对代谢流量起调节作用的关键酶，或是需要迅速产生酶活性的酶，起调节作用的关键酶，或是需要迅速产生酶活性的酶，并且可以级联放大，对输入的信息产生迅速的反应。并且可以级联放大，对输入的信息产生迅速的反应。 有些酶以修饰状态为活性形式，有些酶以脱修饰有些酶以修饰状态为活性形式，有些酶以

57、脱修饰状态为活性形式。状态为活性形式。 生物化学酶的作用机制和酶的调节酶修饰反应的例子Tyr、Ser、Thr、HisTyrTyr生物化学酶的作用机制和酶的调节酶修饰反应的例子GluArg、Gln、Cys、白喉酰胺（一种修白喉酰胺（一种修饰的饰的His）生物化学酶的作用机制和酶的调节蛋白质的磷酸化 蛋白质磷酸化是最主要的共价修饰方式。通蛋白质磷酸化是最主要的共价修饰方式。通过蛋白激酶的催化作用消耗过蛋白激酶的催化作用消耗NTP使共价调节酶磷使共价调节酶磷酸化，磷酸化的共价调节酶也可以通过蛋白磷酸酸化，磷酸化的共价调节酶也可以通过蛋白磷酸酶的水解作用脱磷酸化。共价调节酶上被磷酸化酶的水解作用脱磷酸

58、化。共价调节酶上被磷酸化的基团有的基团有Thr、Ser、Tyr、Asp、Glu的羟基或羧的羟基或羧基，或基，或Lys、Arg、His上的氨基或亚氨基，其中上的氨基或亚氨基，其中主要的被磷酸化基团是主要的被磷酸化基团是Ser和和Thr的羟基。的羟基。 生物化学酶的作用机制和酶的调节蛋白质的可逆磷酸化反应生物化学酶的作用机制和酶的调节蛋白激酶对底物序列的要求生物化学酶的作用机制和酶的调节蛋白激酶 蛋白激酶种类繁多，是一个庞大的家族。各种蛋白激酶种类繁多，是一个庞大的家族。各种蛋白激酶在结构上有很大的相似性，很可能有共同蛋白激酶在结构上有很大的相似性，很可能有共同的祖先基因。根据底物被磷酸化的基团可以分为的祖先基因。根据底物被磷酸化的基团可以分为Ser/Thr型，目前发现的蛋白激酶多属于这一类；型，目前发现的蛋白激酶多属于这一类；Tyr型，数目相对较少。还可以根据它们是否有调节型，数目相对较少。还可以根据它们是否有调节物来分，一类叫做信使依赖性蛋白激酶，另一类为物来分，一类叫做信使依赖性蛋白激酶，另一类为非信使性依赖蛋白激酶。非信使性依赖蛋白激酶。 生物化学酶的作用机制和酶的调节蛋白激酶的分类蛋白激酶蛋白激酶信使依赖性信使依赖性蛋白激酶蛋白激酶非信使依赖非信使依赖性蛋白激酶性蛋白激酶胞内信使依赖胞内信使依赖性蛋白激酶性蛋白