第10章酶作用机制和酶活性调节

1、第第11章章酶作用机制和酶活性调节酶作用机制和酶活性调节 一、一、 酶的活性部位（酶的活性部位（active siteactive site） 1 1、活性部位的概念、活性部位的概念 酶酶分分子子非必需基团非必需基团必需基团必需基团活性中心活性中心必需基团必需基团活性中心外活性中心外必需基团必需基团结合基团结合基团催化基团催化基团非活性中非活性中心心活活性性中中心心2、酶活性中心的特点：酶活性中心的特点：1）活性部位在酶分子的总体中占很小一部分，通常只占整个）活性部位在酶分子的总体中占很小一部分，通常只占整个酶分子体积的酶分子体积的12。2）酶的活性部位是一个三维实体。）酶的活性部位是一个三维

2、实体。3）酶和底物在结合过程中构象（之一或同时）发生变化，促）酶和底物在结合过程中构象（之一或同时）发生变化，促进结合。进结合。4）底物通过次级键与酶结合。）底物通过次级键与酶结合。5）酶的活性部位位于酶分子的裂缝内（疏水区域）。）酶的活性部位位于酶分子的裂缝内（疏水区域）。二、二、酶促反应机制酶促反应机制n酶的催化作用可能来自7个方面：1 1、酸碱催化酸碱催化酶分子的一些功能基团起瞬时质子供体或质子受体酶分子的一些功能基团起瞬时质子供体或质子受体的作用。分为狭义的酸碱催化和广义的酸碱催化。的作用。分为狭义的酸碱催化和广义的酸碱催化。狭义的酸碱催化剂：即是狭义的酸碱催化剂：即是H+与与OH-。

3、广义的酸碱催化剂：是指能供给质子（广义的酸碱催化剂：是指能供给质子（H+）与接受）与接受质子的物质。质子的物质。酶分子中可作为广义酸碱的功能基团：氨基、羧基、酶分子中可作为广义酸碱的功能基团：氨基、羧基、巯基、酚羟基、咪唑基等。见表巯基、酚羟基、咪唑基等。见表31。其中，咪唑基是最常见、最有效的催化其中，咪唑基是最常见、最有效的催化基团：基团：组氨酸的咪唑基的解离常数为组氨酸的咪唑基的解离常数为6，在生理，在生理pH条件下，既可以作质子的供体，又可作质子条件下，既可以作质子的供体，又可作质子的受体。的受体。咪唑基供给或接受质子的速度几乎相等而且咪唑基供给或接受质子的速度几乎相等而且最快。最快。

4、2、共价催化共价催化酶提供亲核基团：酶提供亲核基团：Ser-OH，Cys-SH，His-N：等。：等。（见图（见图114）。）。底物提供亲电中心：磷酰基（底物提供亲电中心：磷酰基（-P=O），酰基（），酰基（-C=O），糖基），糖基（Glc-C-）酶的亲核基团，与底物共价结合形成一个反应活性很高的共酶的亲核基团，与底物共价结合形成一个反应活性很高的共价中间物（价中间物（ES复合物）。复合物）。3、活性中心金属离子的催化作用、活性中心金属离子的催化作用大多数酶含有金属离子。作为辅助因子的金属离子有大多数酶含有金属离子。作为辅助因子的金属离子有K+、Na+、Mg2+、Ca2+、Zn2+、Fe2+（

5、Fe3+）等。）等。按金属离子与酶分子结合紧密强度不同，可将含金属的酶分为按金属离子与酶分子结合紧密强度不同，可将含金属的酶分为金属酶和金属激活酶。金属酶和金属激活酶。金属酶（金属酶（metalloenzyme）是指金属离子与酶结合紧密，提取）是指金属离子与酶结合紧密，提取过程中不易丢失，如羧基肽酶（过程中不易丢失，如羧基肽酶（Zn2+）、谷胱甘肽过氧化物酶）、谷胱甘肽过氧化物酶(Se2-)、碱性磷酸酶、碱性磷酸酶(Mg2+)等。金属酶中金属离子与酶结合相等。金属酶中金属离子与酶结合相当牢固，而且加入游离金属离子后其活性不会增加。当牢固，而且加入游离金属离子后其活性不会增加。有的金属离子不与酶

6、直接结合，但为酶活性所必需，这类酶称有的金属离子不与酶直接结合，但为酶活性所必需，这类酶称为金属激活酶（为金属激活酶（metalactivatedenzyme）。如丙酮酸羧化酶可）。如丙酮酸羧化酶可被被Mn2+激活，柠檬酸合酶可被激活，柠檬酸合酶可被K+激活等。激活等。 金属离子作为辅助因子的作用机理如下：金属离子作为辅助因子的作用机理如下：1、作为酶活性中心的催化基团参与催化反应、传递电子；、作为酶活性中心的催化基团参与催化反应、传递电子；2、作为连接酶与底物的桥梁，便于酶对底物起作用；、作为连接酶与底物的桥梁，便于酶对底物起作用；3、稳定酶的构象所必需；、稳定酶的构象所必需；4、中和阴离子

7、，降低反应中的静电斥力。、中和阴离子，降低反应中的静电斥力。金属离子在酶催化反应中的作用示意图4 4、底物和酶的邻近效应与定向效应、底物和酶的邻近效应与定向效应邻近效应：酶与底物形成中间复合物后使底物之间、酶的催化基邻近效应：酶与底物形成中间复合物后使底物之间、酶的催化基团与底物之间团与底物之间相互靠近相互靠近，提高了反应基团的有效浓度，从而增加，提高了反应基团的有效浓度，从而增加反应速率的一种效应。反应速率的一种效应。定向效应：由于酶的构象作用，底物的反应基团之间、酶与底物定向效应：由于酶的构象作用，底物的反应基团之间、酶与底物的反应基团之间的反应基团之间正确取向正确取向的效应。的效应。酶把

8、底物分子从溶液中富集出来，使它们固定在活性中心附近，酶把底物分子从溶液中富集出来，使它们固定在活性中心附近，反应基团相互邻近反应基团相互邻近，同时使，同时使反应基团的分子轨道以正确方位相互反应基团的分子轨道以正确方位相互交叠交叠，反应易于发生，大大提高了酶的催化效率。，反应易于发生，大大提高了酶的催化效率。 5 5、诱导契合和底物形变的催化效应、诱导契合和底物形变的催化效应酶中某些基团可使底物分子的敏感键中某些基团的电子云酶中某些基团可使底物分子的敏感键中某些基团的电子云密度变化，产生电子张力，底物分子发生形变。密度变化，产生电子张力，底物分子发生形变。酶从低活性形式转变为高活酶从低活性形式转

9、变为高活性形式，利于催化。性形式，利于催化。底物形变，利于形成底物形变，利于形成ESES复合复合物。物。底物构象变化，过渡态结构，底物构象变化，过渡态结构，大大降低活化能。大大降低活化能。7、活性部位疏水的微环境的影响活性部位疏水的微环境的影响疏水环境疏水环境介电常数低，加强了极性基团间的作用。介电常数低，加强了极性基团间的作用。6、多元协同催化、多元协同催化三、三、酶活性的别构调节酶活性的别构调节别构酶别构酶：一般都是寡聚酶，通过次级键由多亚基构：一般都是寡聚酶，通过次级键由多亚基构成，这种酶除了有活性中心外，还有一个别构中成，这种酶除了有活性中心外，还有一个别构中心，当调节物结合到别构中心

10、上时，会引起酶分心，当调节物结合到别构中心上时，会引起酶分子构象发生变化而导致酶活性的变化。子构象发生变化而导致酶活性的变化。别构调节：调节物（效应物）与别构酶分子中的别构调节：调节物（效应物）与别构酶分子中的别构中心（调节中心）非共价结合后，酶分子构别构中心（调节中心）非共价结合后，酶分子构象发生改变，从而调节酶的活性，即别构调节。象发生改变，从而调节酶的活性，即别构调节。别构调节举例：1.天冬氨酸转氨甲酰酶（ATCase）。它催化下列反应： 此酶是合成CTP的多酶体系反应序列中的第一个酶，系列反应的终产物CTP是该酶的别构抑制剂，而ATP则是它的别构激活剂。 ATCase由12条多肽链组成

11、，其中6条形成2个三聚体称催化亚基（每个三聚体有3个结合天冬氨酸的底物结合部位），6条形成3个二聚体称调节亚基（ 每个二聚体有2 个别构效应剂CTP或ATP的结合部位）。见下图解：底物结合位点别构剂结合位点 底物、CTP和ATP都可使 ATCase产生别构效应。同促效应：底物氨甲酰磷酸和天冬氨酸对同促效应：底物氨甲酰磷酸和天冬氨酸对ATCase呈呈S形正协形正协同速率曲线，这种底物分子本身对别构酶的调节作用称为同速率曲线，这种底物分子本身对别构酶的调节作用称为同促效应；同促效应；异促效应：非底物分子作为调节物对别构酶的调节作用称为异促效应：非底物分子作为调节物对别构酶的调节作用称为异促效应异促

12、效应CTP终产物反馈抑制：通过降低酶与底物的亲和力来抑制终产物反馈抑制：通过降低酶与底物的亲和力来抑制ATCase。ATP激活：增加酶与底物的亲和力，是激活：增加酶与底物的亲和力，是ATCase的激活剂。CTP和和ATP对对ATCase调节的生物学意义调节的生物学意义p188：，它们既受底物分子的调节，又受底物以外的其它代谢物分子的调节。2、3-磷酸甘油醛脱氢酶磷酸甘油醛脱氢酶负协同效应的别构酶负协同效应的别构酶反应式反应式4个亚基，理论上可以结合个亚基，理论上可以结合4个个NAD+，但从第三个亚基开，但从第三个亚基开始，解离常数迅速增大，因此，酶再要结合第三、第四始，解离常数迅速增大，因此，

13、酶再要结合第三、第四个难度就加大，每个酶只能结合个难度就加大，每个酶只能结合2分子的分子的NAD+，即此酶，即此酶结合结合NAD+的位点，只有一半能与的位点，只有一半能与NAD+起反应起反应叫半叫半部位反应性部位反应性极端的负协同效应极端的负协同效应意义：意义：n别构效应有下面几种类型：别构效应有下面几种类型：1.同促效应同促效应：调节物就是底物，所有的别构：调节物就是底物，所有的别构酶都有此效应。酶都有此效应。 正协同效应正协同效应：提高了酶的催化活性。：提高了酶的催化活性。负协同效应负协同效应：降低了酶的催化活性。（此：降低了酶的催化活性。（此种酶极少。）种酶极少。）2.异促效应异促效应：

14、调节物是其它物质。：调节物是其它物质。3、别构酶的结构特点和性质别构酶的结构特点和性质 （1）已知的别构酶都是已知的别构酶都是寡聚酶寡聚酶，通过，通过次级键次级键结合；结合；（2）具有活性中心和别构中心（调节中心），活性中心和）具有活性中心和别构中心（调节中心），活性中心和别构中心处在不同的亚基上或同一亚基的不同部位上。别构中心处在不同的亚基上或同一亚基的不同部位上。（3）多数别构酶不止一个活性中心，活性中心间有同位效）多数别构酶不止一个活性中心，活性中心间有同位效应，底物就是调节物：有的别构酶不止一个别构中心，可应，底物就是调节物：有的别构酶不止一个别构中心，可以接受不同的代谢物的调节。以接

15、受不同的代谢物的调节。（4）不遵循米氏方程，动力学曲线是）不遵循米氏方程，动力学曲线是S型（正协同效应）或型（正协同效应）或表观双曲线（负协同效应）。表观双曲线（负协同效应）。4、别构酶的动力学曲线别构酶的动力学曲线大多数别构酶具有大多数别构酶具有（酶分子结合一分子底物或效（酶分子结合一分子底物或效应物后，酶的构象发生变化，这种新的构象有利于后续分子应物后，酶的构象发生变化，这种新的构象有利于后续分子与酶的结合，大大促进后续分子与酶的亲合性），与酶的结合，大大促进后续分子与酶的亲合性），正协同效正协同效应的别构酶是应的别构酶是S型曲线型曲线：当底物浓度发生较小变化时，别构酶：当底物浓度发生较小

16、变化时，别构酶可以极大程度地控制反应速度。可以极大程度地控制反应速度。负协同效应的别构酶是表观双曲负协同效应的别构酶是表观双曲线线：在底物浓度较低的范围内酶活：在底物浓度较低的范围内酶活力上升快，但再继续下去，底物浓力上升快，但再继续下去，底物浓度虽有较大的提高，但反应速度的度虽有较大的提高，但反应速度的升高却较小。使得酶反应速度对底升高却较小。使得酶反应速度对底物浓度的变化不敏感物浓度的变化不敏感1.非别构酶非别构酶2.正协同性正协同性3.负协同性负协同性5、别构酶的鉴定别构酶的鉴定双倒数作图不是直线双倒数作图不是直线（一）（一）酶的可逆共价修饰酶的可逆共价修饰1.1. 酶的共价修饰（酶的共

17、价修饰（covalent modificationcovalent modification）：）：指在专一性指在专一性酶的催化下，某些小分子基团共价地结合到被修饰的酶酶的催化下，某些小分子基团共价地结合到被修饰的酶分子上，使被修饰酶的活性发生改变，从而调节酶活性。分子上，使被修饰酶的活性发生改变，从而调节酶活性。2.2.共价修饰的类型：共价修饰的类型： 磷酸化磷酸化/ /去磷酸化去磷酸化（主要存在于高等动、植物细胞中）（主要存在于高等动、植物细胞中） 腺苷酰化腺苷酰化/ /去腺苷酰化；去腺苷酰化；（主要存在细菌中）（主要存在细菌中） 乙酰化乙酰化/ /去乙酰化；去乙酰化； 甲基化甲基化/ /

18、去甲基化；去甲基化；四、酶活性的共价调节3.蛋白质的磷酸化与去磷酸化修饰蛋白质的磷酸化与去磷酸化修饰分别由蛋白激酶和蛋白磷酸酶催化。分别由蛋白激酶和蛋白磷酸酶催化。激酶：将激酶：将ATP上的上的Pi转移到底物上的转移酶类（蛋转移到底物上的转移酶类（蛋白激酶、己糖激酶、丙酮酸激酶等）。白激酶、己糖激酶、丙酮酸激酶等）。 例如： 糖原磷酸化酶糖原磷酸化酶b b ( (无活性无活性) )糖原磷酸化酶糖原磷酸化酶a a（有活性）（有活性）ATPADPPiH2O糖原的分解糖原的分解磷酸化酶激酶磷酸化酶激酶磷酸化酶磷酸酶磷酸化酶磷酸酶 4.级联系统（级联系统（cascadesystem）：）： 在在连锁代

19、谢反应中一个酶被激活后，连续地连锁代谢反应中一个酶被激活后，连续地发生其它酶被激活，导致原始调节信号的逐级放发生其它酶被激活，导致原始调节信号的逐级放大。这样的连锁代谢反应系统称为级联系统。大。这样的连锁代谢反应系统称为级联系统。 （二）酶原的激活（二）酶原的激活-不可逆共价调节不可逆共价调节某些酶先以无活性的酶原形式合成和分泌，然后在到达作用部位某些酶先以无活性的酶原形式合成和分泌，然后在到达作用部位时由另外的物质作用，使其失去部分肽段从而暴露活性中心形成有时由另外的物质作用，使其失去部分肽段从而暴露活性中心形成有活性的酶分子的过程。活性的酶分子的过程。其实质是酶原被修饰时形成了正确的分子构

20、其实质是酶原被修饰时形成了正确的分子构象和活性中心。酶分子的特定结构和酶的活性中心的形成是酶分子象和活性中心。酶分子的特定结构和酶的活性中心的形成是酶分子具有催化活性的基本保证。具有催化活性的基本保证。1.1.消化系统中的酶原激活消化系统中的酶原激活如胃蛋白酶原是无活性的，它在胃液中经胃酸（如胃蛋白酶原是无活性的，它在胃液中经胃酸（PH5）的作用或有活）的作用或有活性的胃蛋白酶的作用时，酶原会被激活，失去性的胃蛋白酶的作用时，酶原会被激活，失去44个氨基酸残基后转个氨基酸残基后转变为有活性的胃蛋白酶。变为有活性的胃蛋白酶。 血液凝固的机理血液凝固的机理 凝血因子（凝血因子（1212种，凝血酶原

21、致活因子）种，凝血酶原致活因子） 凝血酶原凝血酶原 凝血酶凝血酶 血纤蛋白原血纤蛋白原 血纤蛋白血纤蛋白 交联，形成血纤蛋白凝块交联，形成血纤蛋白凝块2. 2. 凝血系统中的酶原的激活凝血系统中的酶原的激活（1 1）凝血酶原在血凝中的作用）凝血酶原在血凝中的作用在凝血酶原致活因子催化下，凝血在凝血酶原致活因子催化下，凝血酶原分子中的两个肽键酶原分子中的两个肽键Arg274Thr275、Arg323Ile324断裂，释放断裂，释放出出N端的端的274个个a.a后，后，由肽由肽A和肽和肽B组装成有活性的凝血酶形式。组装成有活性的凝血酶形式。凝血酶：两条多肽链（凝血酶：两条多肽链（A、B）二）二硫键

22、相联，硫键相联，A链含链含49个个a.a；B链含链含259个个a.a。其作用位点只断裂。其作用位点只断裂ArgGly键。键。（2 2）血纤蛋白原在血凝中的作用）血纤蛋白原在血凝中的作用 从从血纤蛋白原血纤蛋白原的的二条二条链和二条链和二条链的链的N N端各断裂一个端各断裂一个特定的肽键特定的肽键 ArgArgGlyGly，释放出二个血纤肽，释放出二个血纤肽A A（1919个氨基酸）个氨基酸）和二个血纤肽和二个血纤肽B B（2121个氨基酸）后，形成有活性的个氨基酸）后，形成有活性的血纤血纤蛋白。蛋白。在凝血因子在凝血因子XIIIaXIIIa（纤维蛋白稳定因子）作用（纤维蛋白稳定因子）作用下，血

23、纤蛋白单体间形成共价健（下，血纤蛋白单体间形成共价健（Gln-LysGln-Lys结结合），生成交联的血纤蛋白凝块。合），生成交联的血纤蛋白凝块。五、五、同工酶同工酶 同工酶同工酶：能催化相同的化学反应，但其酶蛋白本身的分子能催化相同的化学反应，但其酶蛋白本身的分子结构理化性质和免疫性能等方面存在明显差异的一组酶。结构理化性质和免疫性能等方面存在明显差异的一组酶。存在于生物的同一种属或同一个体的不同组织中，甚至同存在于生物的同一种属或同一个体的不同组织中，甚至同一组织、同一细胞中。一组织、同一细胞中。研究意义研究意义：作为遗传的标志；作为临床诊断指标；研究某些：作为遗传的标志；作为临床诊断指标；研究某些代谢调节机制。代谢调节机制。乳酸脱氢酶同工酶形成示意图乳酸脱氢酶同工酶形成示意图多肽多肽亚基亚基mRNA四聚体四聚体结构基因结构基因ab实例：乳酸脱氢酶实例：乳酸脱氢酶哺乳动物乳酸脱氢酶有哺乳动物乳酸脱氢酶