王镜岩高级生物化学 酶作用机制和酶调节

1、第十章第十章 酶的酶的催化作用催化作用机制和酶的调节机制和酶的调节 n1 1结合部位结合部位 Binding siteBinding siten酶分子中与底物结合酶分子中与底物结合的部位或区域一般称的部位或区域一般称为结合部位。为结合部位。一、酶的活性部位：与酶活一、酶的活性部位：与酶活性直接相关的氨基酸残基构性直接相关的氨基酸残基构成的部位。包括：成的部位。包括：n酶分子中促使底物发生化学酶分子中促使底物发生化学变化的部位称为催化部位变化的部位称为催化部位。n通常将酶的结合部位和催化通常将酶的结合部位和催化部位总称为酶的部位总称为酶的活性部位或活性部位或活性中心活性中心。n结合部位决定酶的专

2、一性，结合部位决定酶的专一性，n催化部位决定酶所催化反应催化部位决定酶所催化反应的性质。的性质。2 2催化部位催化部位 catalytic sitecatalytic siten酶必需基团酶必需基团指酶活性指酶活性中心实现催化作用的中心实现催化作用的必需的些氨基酸基团。必需的些氨基酸基团。n主要包括：主要包括：n亲核性基团：丝氨酸亲核性基团：丝氨酸的的羟基羟基，半胱氨酸的，半胱氨酸的巯基和组氨酸的巯基和组氨酸的咪唑咪唑基基。H2NCHCCH2OHOOHOHH2NCHCCH2OHOSHSHH2NCHCCH2OHONNHNNH补：酶活性中心的必需基团补：酶活性中心的必需基团 顺便复习一些重要顺便复

3、习一些重要AAAA的的R R基基n酸、碱性基团：酸、碱性基团：天冬氨酸和谷氨天冬氨酸和谷氨酸的酸的羧基羧基，酪氨，酪氨酸的酸的酚羟基酚羟基n赖氨酸的赖氨酸的氨基氨基，组氨酸的组氨酸的咪唑基咪唑基。H2NCHCCH2OHOCH2COHOH2NCHCCH2OHOCOHOCOOHH2NCHCCH2OHOCH2CH2CH2NH2NH2H2NCHCCH2OHOOHOHn某些酶分子中存在着一些可以与其他分子发生某些酶分子中存在着一些可以与其他分子发生某种程度的结合的部位，从而引起酶分子空间某种程度的结合的部位，从而引起酶分子空间构象的变化，构象的变化，对酶起激活或抑制作用对酶起激活或抑制作用。补：酶的调节

4、部位补：酶的调节部位 Regulatory siteRegulatory siten酶催化作用的本质是酶的活性中心与底酶催化作用的本质是酶的活性中心与底物分子通过短程非共价力物分子通过短程非共价力( (如氢键如氢键, ,离子离子键和疏水键等键和疏水键等) )的作用，形成的作用，形成E-SE-S反应中反应中间物。间物。n其结果使底物的价键状态发生形变或极其结果使底物的价键状态发生形变或极化，起到激活底物分子和降低过渡态活化，起到激活底物分子和降低过渡态活化能作用。化能作用。 酶催化作用的本质酶催化作用的本质n（1 1）活性部位酶占总体很小部分：）活性部位酶占总体很小部分：1-2%1-2%n（2

5、2）酶活性部位是一个三维实体）酶活性部位是一个三维实体n（3 3）酶活性部位与底物通过诱导契合后）酶活性部位与底物通过诱导契合后结合结合n（4 4）酶活性部位是其表面一个裂缝，内）酶活性部位是其表面一个裂缝，内部非极性基团较多，是一疏水区域部非极性基团较多，是一疏水区域n（5 5）底物通过非共价与酶结合）底物通过非共价与酶结合n（6 6）活性部位具有柔性或可运动性）活性部位具有柔性或可运动性 酶活性部位的共同特点酶活性部位的共同特点三、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n酶是专一性强，酶是专一性强，催化效率很高的催化效率很高的生物催化剂，这生物催化剂，这是由酶分子的特是由酶分

6、子的特殊结构决定的。殊结构决定的。多种因素可以使多种因素可以使酶反应加速：酶反应加速：* *二、酶催化反应的独特性质二、酶催化反应的独特性质（自学，以增对酶催化作用所理解）（自学，以增对酶催化作用所理解）n邻近效应：酶与底物形成复合物后，使底物和邻近效应：酶与底物形成复合物后，使底物和底物之间底物之间（对多底物反应而言）（对多底物反应而言），酶的催化基，酶的催化基团与底物之间结合于同一分子使反应有效浓度团与底物之间结合于同一分子使反应有效浓度大提高，有利于提高反应速率大增加。大提高，有利于提高反应速率大增加。n定向效应：反应物的反应基团之间和酶的催化定向效应：反应物的反应基团之间和酶的催化基团

7、与底物的反应基团之间正确取位，使底物基团与底物的反应基团之间正确取位，使底物分子中参与反应的基团相互接近，并被严格定分子中参与反应的基团相互接近，并被严格定定位，使酶促反应具有高效率和专一性特点。定位，使酶促反应具有高效率和专一性特点。 1 1、底物和酶的邻近效应和定向效应、底物和酶的邻近效应和定向效应例：邻近效应例：邻近效应 CH3COONO2NNH.NNHCOCH3+O-NO2+乙酸对硝基苯酯以咪唑作为酶的催化反应是一个双分子乙酸对硝基苯酯以咪唑作为酶的催化反应是一个双分子氨解反应，若将咪唑连到其上，则反应加快氨解反应，若将咪唑连到其上，则反应加快2424倍倍NNHCOONO2.ONNH+

8、O-NO2+2 2、底物形变和诱导契合、底物形变和诱导契合n该学说认为酶表面并没有一种与底物互补的固该学说认为酶表面并没有一种与底物互补的固定形状，而只是由于底物的诱导才形成了互补定形状，而只是由于底物的诱导才形成了互补形状，同时底物了发生形变，接近其过渡态，形状，同时底物了发生形变，接近其过渡态，降低了反应活化能，使反应易于发生降低了反应活化能，使反应易于发生. .n指通过瞬时的向反应物提供质子或从反应物接指通过瞬时的向反应物提供质子或从反应物接受质子以稳定过渡态，加速反应的催化机制。受质子以稳定过渡态，加速反应的催化机制。n酸酸- -碱催化可分为狭义的酸碱催化可分为狭义的酸- -碱催化和广

9、义的酸碱催化和广义的酸- -碱催化。酶参与的酸碱催化。酶参与的酸- -碱催化反应一般都是广碱催化反应一般都是广义的酸碱催化方式。义的酸碱催化方式。n广义酸碱催化是指通过质子酸提供部分质子广义酸碱催化是指通过质子酸提供部分质子, ,或是通过质子碱接受部分质子的作用，达到降或是通过质子碱接受部分质子的作用，达到降低反应活化能的过程低反应活化能的过程。3 3、 酸碱催化酸碱催化 n广义酸基团广义酸基团 广义碱基团广义碱基团（质子供体）（质子供体） （质子受体）（质子受体） -COOH, -NH3, -SH,+OHNHNH+-COO , -NH2, -S , -.-O-NHN:酶分子中可以作为广义酸、

10、碱的基团酶分子中可以作为广义酸、碱的基团His His 是酶的酸碱催化作用中最活泼的一个是酶的酸碱催化作用中最活泼的一个催化功能团。催化功能团。4 4、 共价催化共价催化 n基本原理：基本原理：n又称亲核催化或亲电子催化，催化又称亲核催化或亲电子催化，催化时，酶分子上亲核基团或亲电子基时，酶分子上亲核基团或亲电子基团分别放出电子或汲取电子并作用团分别放出电子或汲取电子并作用于底物的缺电子或负电子中心，迅于底物的缺电子或负电子中心，迅速形成不稳定的共价中间复合物，速形成不稳定的共价中间复合物，降低反应活化能，使反应加速。降低反应活化能，使反应加速。n酶上常见的亲核基团：酶上常见的亲核基团： Se

11、r Ser 的羟的羟基，基， Cys Cys 的巯基，的巯基， His His 的咪唑基。的咪唑基。n底物上亲电基团：磷酰基，酰基，底物上亲电基团：磷酰基，酰基，糖基。糖基。 5 5、 金属离子催化作用金属离子催化作用 * *根据金属离子与酶蛋白结合程度，可分为两类：根据金属离子与酶蛋白结合程度，可分为两类：金属酶和金属金属酶和金属激活酶。激活酶。（1 1）金属酶：金属酶：酶蛋白与金属离子结合紧密。如酶蛋白与金属离子结合紧密。如 FeFe2+2+/ Fe/ Fe3+ 3+ 、CuCu+ +/Cu/Cu3 3 、ZnZn2+ 2+ 、MnMn2+2+、CoCo2 2 等过等过渡态离子。渡态离子。

12、（2 2）金属金属激活酶激活酶：金属离子与酶的结合一般：金属离子与酶的结合一般较松散。在溶液中，酶与这类离子结合而被激较松散。在溶液中，酶与这类离子结合而被激活。如活。如NaNa+ + 、K K+ +、 MgMg2+2+、 CaCa2+2+ 等。等。以以3 3种主要途径参加催化过程：种主要途径参加催化过程：（1 1）通过结合底物为反应定向通过结合底物为反应定向 （2 2）通过可逆改变金属离子通过可逆改变金属离子氧化态调节氧化还原反应氧化态调节氧化还原反应 n许多氧化许多氧化- -还原酶还原酶中都含有铜或铁离中都含有铜或铁离子，它们作为酶的子，它们作为酶的辅助因子起着传递辅助因子起着传递电子的功

13、能。电子的功能。nFeFe3+3+ e e Fe Fe2+ 2+ nCuCu2+2+ e e Cu Cu+ + （3 3）通过静电稳定或）通过静电稳定或屏蔽负电荷屏蔽负电荷v电荷屏蔽作用是酶中金属离子的一个重要功能。电荷屏蔽作用是酶中金属离子的一个重要功能。 n如：如：Mg2+Mg2+ATPATP复合物。复合物。 AHHOHHOHHO-OPOPOPOCH2OOOOOOMg2+6 6、 多元催化和协同效应多元催化和协同效应n酶的活性中心部位，一般都含有多个起催酶的活性中心部位，一般都含有多个起催化作用的基团，这些基团配合在一起作用化作用的基团，这些基团配合在一起作用如胰凝乳蛋白酶通过如胰凝乳蛋白

14、酶通过Asp102Asp102、His57His57和和Ser195Ser195组成的电荷中继网组成的电荷中继网催化肽键水解催化肽键水解。7 7、 活性部位微环境影响活性部位微环境影响n酶的活性中心部位处于疏水环境裂缝中，酶的活性中心部位处于疏水环境裂缝中，是一个非极性环境，其介电常数较低，从是一个非极性环境，其介电常数较低，从而使处于其中带电基团之间的静电作用比而使处于其中带电基团之间的静电作用比在极性环境中显著增高，因此有利于催化在极性环境中显著增高，因此有利于催化反应反应。四、酶催化反应机制的实例n*溶菌酶，胰核糖核酸酶A，*羧肽酶A，丝氨酸蛋白酶族，天冬氨酸蛋白酶n（一）溶菌酶（一）溶

15、菌酶n存在于蛋白清及眼泪，催化某些细菌胞壁多糖（N-乙酰葡糖胺NAG+N-乙酰胞壁酸NAM）水解，从而抗菌n14.6kD，129个AA，单肽链，4对二硫键，表而有一裂缝，能容纳多糖底物的6个单糖，为酶的活性部位。P395图10-9见见P53图图1-31Glu35Glu35和和Asp52Asp52为活为活性部位必需性部位必需AAAA：Glu35-COOHGlu35-COOH提供提供H H+ +；Asp52-COOAsp52-COO- -通过静电通过静电吸引稳定正电荷；吸引稳定正电荷；从而促进糖苷键断从而促进糖苷键断裂裂（二）胰核糖核酸酶（二）胰核糖核酸酶n124个个AA，单肽链，单肽链，4对二硫

16、键对二硫键n水解水解RNA，专一切开，专一切开3P-O键，生键，生成嘧啶核苷成嘧啶核苷3-磷酸或以其结尾的寡磷酸或以其结尾的寡聚核苷酸聚核苷酸nHis119和和His12为酶活性中心必需为酶活性中心必需氨基酸（见下图）氨基酸（见下图）（三）羧肽酶（三）羧肽酶307个个AA，单肽链，紧密结合一个，单肽链，紧密结合一个Zn2+催化肽链催化肽链C末端肽键水解末端肽键水解锌离子在酶活性部位锌离子在酶活性部位与与2His和和Glu配位连接配位连接底物（底物（Gly-Tyr）与酶诱导契合进行结合）与酶诱导契合进行结合P403-404由由145，248，270位位的的AA和底物结合，将和底物结合，将进一步由

17、锌离子，进一步由锌离子，Arg127，Glu270对底物催化对底物催化（四）丝氨酸蛋白酶族（四）丝氨酸蛋白酶族n包括：胰蛋白酶，胰凝乳蛋白酶，包括：胰蛋白酶，胰凝乳蛋白酶，弹性蛋白酶等弹性蛋白酶等n三种酶分子量范围在三种酶分子量范围在2.5kD，具有，具有相似顺序和三级结构相似顺序和三级结构三种酶的底物结合口袋三种酶的底物结合口袋非常非常保守保守胰凝乳蛋白酶上的催化基团胰凝乳蛋白酶上的催化基团（胰凝乳蛋白酶）胰凝胰凝乳蛋乳蛋白酶白酶催化催化反应反应的详的详细机细机制制三、酶活性的调节控制三、酶活性的调节控制n（一）别构调控（一）别构调控n1 1、别构调节别构调节：酶分子的非催化部位与某些：酶分

18、子的非催化部位与某些化合物可逆地非共价结合后发生构象的改化合物可逆地非共价结合后发生构象的改变，进而改变酶活性状态的作用。变，进而改变酶活性状态的作用。n2 2、别构酶别构酶：具有上述这种调节作用的酶。：具有上述这种调节作用的酶。n3 3、效应物效应物：能使酶分子发生别构作用的物：能使酶分子发生别构作用的物质。可分为质。可分为正效应物正效应物（别构激活剂别构激活剂）和）和负负效应物（别构抑制剂）效应物（别构抑制剂）。n* *ATCase, 3-ATCase, 3-磷酸甘油醛脱氢酶磷酸甘油醛脱氢酶1、天冬氨酸转氨甲酰酶（、天冬氨酸转氨甲酰酶（ATCase)（1）合成途径终产物）合成途径终产物CT

19、P对该酶有反馈抑制作用，对该酶有反馈抑制作用，ATP与与CTP竞争调节部位，可阻止竞争调节部位，可阻止CTP的抑制作用的抑制作用异促效应异促效应（2）含）含2个催化亚个催化亚基基3条肽链条肽链和和3个个调节亚基调节亚基2条肽链条肽链，催化亚基无与催化亚基无与ATP或或CTP结合能力；结合能力；调节亚基可结合调节亚基可结合ATP或或CTP，无催，无催化能力。调节亚基化能力。调节亚基与与ATP或或CTP结合结合为非共价为非共价。3 3、别构酶的性质、别构酶的性质n（1 1）一般都是寡聚酶，通过次级键由多亚）一般都是寡聚酶，通过次级键由多亚基构成。基构成。n（2 2）别构酶动力学曲线不是双曲线，不符

20、）别构酶动力学曲线不是双曲线，不符合米氏方程，合米氏方程，正协同效应正协同效应为为S S形典线，形典线，负协负协同效应同效应为表观双曲线。为表观双曲线。n补补（3 3）酶上含催化亚基和调节亚基，效应）酶上含催化亚基和调节亚基，效应物和调节亚基以非共价结合，改变酶的构物和调节亚基以非共价结合，改变酶的构象，影响其与底物结合，从南昌调节催化象，影响其与底物结合，从南昌调节催化反应。反应。1、非别构酶、非别构酶2、正协同效应、正协同效应 别构酶别构酶3、负协同效应、负协同效应别构酶别构酶4 4、别构模型、别构模型n（1 1）协同模型（协同模型（WMCWMC模型）模型）：又称齐变模：又称齐变模型，即在

21、酶活性调节中，当蛋白质构象变型，即在酶活性调节中，当蛋白质构象变化时各亚基几乎同时从一种构象转变为另化时各亚基几乎同时从一种构象转变为另一种构象。一种构象。n（2 2）序变模型（序变模型（KNFKNF模型）模型）：各亚基的构：各亚基的构象以序变方式进行。象以序变方式进行。n分别见后图分别见后图（二）酶原的激活（二）酶原的激活n1 1、酶原的激活：酶原的激活：体内合成的蛋白质，有时体内合成的蛋白质，有时不具有生物活性，经过蛋白水解酶专一作不具有生物活性，经过蛋白水解酶专一作用后，构象发生变化，形成酶的活性部位，用后，构象发生变化，形成酶的活性部位，变成具有活性的酶的过程。这个不具生物变成具有活性

22、的酶的过程。这个不具生物活性的蛋白质称为活性的蛋白质称为前体前体。若活性蛋白是酶，。若活性蛋白是酶，该前体称为该前体称为酶原酶原。n2 2、举例：、举例：胰凝乳蛋白酶原的激活，胰蛋白胰凝乳蛋白酶原的激活，胰蛋白酶的激活，胃蛋白酶的激活酶的激活，胃蛋白酶的激活 -胰凝乳蛋白酶活性胰凝乳蛋白酶活性最高，但不稳定最高，但不稳定 -胰凝乳蛋白酶稳定，胰凝乳蛋白酶稳定，活性只有活性只有 的的40%-肠激酶肠激酶胃蛋白酶的激活 思考思考n机体为会么先产生酶原后再经过剪切加机体为会么先产生酶原后再经过剪切加工形成活性酶，为会么不直接产生活性工形成活性酶，为会么不直接产生活性酶，其生理意义何在？酶，其生理意义

23、何在？（三）可逆的共价修饰（三）可逆的共价修饰n1 1、共价调节酶：共价调节酶：可被共价修饰而改变酶活可被共价修饰而改变酶活性。性。n2 2、可逆的共价修饰：可逆的共价修饰：通过其它酶对其多肽通过其它酶对其多肽链上某些基团进行可逆的共价修饰，使酶链上某些基团进行可逆的共价修饰，使酶处于活性与非活性的互变状态，从而调节处于活性与非活性的互变状态，从而调节酶活性。酶活性。n3 3、例如：蛋白激酶通过蛋白磷酸化和去磷、例如：蛋白激酶通过蛋白磷酸化和去磷酸化来失现酶活性与非活性的互变。酸化来失现酶活性与非活性的互变。六、同工酶六、同工酶n1 1、同工酶同工酶：指能催化相同化学反应，但其蛋白质：指能催化

24、相同化学反应，但其蛋白质分子结构、理化性质和免疫性能等方面都存在明分子结构、理化性质和免疫性能等方面都存在明显差异的一组酶。显差异的一组酶。n2 2、存在：、存在：（1 1）同一个体的不同组织中；）同一个体的不同组织中；n （2 2）同一组织、同一细胞的不）同一组织、同一细胞的不n 同亚细胞结构中。同亚细胞结构中。n3 3、例如：、例如：LDHLDH（乳酸脱氢酶）有（乳酸脱氢酶）有5 5种同工酶：种同工酶：LDH1LDH1（H4H4），），LDH2LDH2（MH3MH3），），LDH3LDH3（M2H2M2H2），），LDH4LDH4（M3HM3H），），LDH5LDH5（M4M4）n4 4、

25、同工酶的作用或功能：见书、同工酶的作用或功能：见书428-429428-429页。页。习题习题 活性中心和必需基团活性中心和必需基团 酶原酶原 同工酶同工酶 巯基酶巯基酶 酶原激活酶原激活 金属酶金属酶 别构效应剂别构效应剂 诱导酶诱导酶（补）（补） 协同效应协同效应 KNF模型模型 别构酶别构酶 共价修饰调节共价修饰调节 酶的反馈抑制酶的反馈抑制 MWC模型模型 酶原酶原 在效应物作用下，蛋白质产生的变构（或别构）效应是蛋白质的在效应物作用下，蛋白质产生的变构（或别构）效应是蛋白质的A 一级结构发生变化一级结构发生变化 B 构型发生变化构型发生变化 C 构象发生变化构象发生变化 D 氨基酸顺序发生变化氨基酸顺序发生变化 在嘧啶核苷酸的合成途径中，