酶作用机制和酶调节

1、关于酶的作用机制和酶的调节第一张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月一.酶的活性部位(active site)存在于酶分子表面的具有结合和催化底物形成产物的空间区域活性中心=结合基团+催化基团必须基团=结合基团+催化基团+活性中心外必须基团（维持活性中心存在的基团）酶分子中促使底物发生化学变化的部位称为催化部位。通常将酶的结合部位和催化部位总称为酶的活性部位或活性中心(active center)。结合部位决定酶的专一性催化部位决定酶所催化反应的性质第二张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月酶的活性部位 与催化作用相关的结构特点活性中心：酶分子中直接和底物结合并起催化反应的空间局限

2、（部位）。结合部位(Binding site)： 酶分子中与底物结合的部位 或区域一般称为结合部位。第三张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月（一）酶的活性部位的特点（1）活性部位在酶分子的总体中只占相当小的部分，通常只占整个酶分子体积的1%-2%。（2）酶的活性部位是一个三维实体。酶的活性取决于活性中心的构象。（3）酶的活性部位并不是和底物的形状正好互补，而是在酶和底物结合的过程中，底物分子或酶分子，有时是两者的构象同时发生了一定的变化后才互补的，这是催化基团的位置也正好在所催化底物键断裂和即将生成键的适当位置。（4）酶的活性部位是位于酶分子表面的一个裂缝内。（5）底物通过次级键较弱的

3、力结合到酶上。（6）酶活性部位具有柔性或可运动性。第四张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月底 物 活性中心以外的必需基团结合基团催化基团 活性中心 第五张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月第六张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月催化部位(Catalytic site): 酶分子中促使底物发生化学变化的部位称为催化部位。通常将酶的结合部位和催化部位总称为酶的活性部位或活性中心。结合部位决定酶的专一性，催化部位决定酶所催化反应的性质。胰凝乳蛋白酶第七张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月牛的胰蛋白酶第八张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月第九张，PPT共一百零

4、四页，创作于2022年6月（二）研究酶活性部位的方法第十张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月第十一张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月二酶催化反应的独特性质（1）酶反应可分成两类，一类反应仅仅涉及到电子的转移，这类反应的速率或转换数在108s-1数量级；另一类反应涉及到电子和质子两者或其他基团的转移，它们的速率在103 s-1 。（2）酶的催化作用是由氨基酸侧链上的功能基团和辅酶为媒介。（3）酶催化反应的最适pH范围通常是狭小的。（4）与底物相比，酶分子很大，而活性部位通常只比底物稍大一些。（5）酶除了具有进行催化反应所必需的活性基团外，还有别的特性。第十二张，PPT共一百零四

5、页，创作于2022年6月三.影响酶催化效率的有关因素多元催化 (multielement catalysis) 酶促反应通常是几个基元反应协同作用的结果，包括酸碱催化、共价催化、金属离子催化等。 表面效应 (surface effect) 酶的活性中心形成疏水性口袋，防止水分子干扰酶与底物的结合。第十三张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月(1)临近定向效应在酶促反应中，底物分子结合到酶的活性中心，一方面底物在酶活性中心的有效浓度大大增加，另一方面，由于活性中心的立体结构和相关基团的诱导和定向作用，使底物分子中参与反应的基团相互接近，并被严格定向定位，使酶促反应具有高效率和专一性特点。邻

6、近效应 (proximity effect)与定向排列 (orientation arrange ) 邻近指底物汇聚于酶的活性中心，使酶活性中心的底物浓度高于其它处，定向则指底物的敏感化学键与酶的催化基团正好对准，使反应加速进行。有利于提高反应速度；第十四张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月定向效应包括 1)反应物的反应基团之间（双底物反应基团邻近） 2)酶的催化基团和底物反应基团之间活性中心内定向使反应变成分子内反应第十五张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月定向效应第十六张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月(2)“张力”和“形变”底物与酶结合诱导酶的分子构象变化，变化

7、的酶分子又使底物分子的敏感键产生“张力”甚至“形变” ，从而促使酶底物中间产物进入过渡态。第十七张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月诱导契合第十八张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月(3)酸碱催化酸-碱催化可分为狭义的酸-碱催化和广义的酸-碱催化。酶参与的酸-碱催化反应一般都是广义的酸碱催化方式。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，达到降低反应活化能的过程。酶活性部位上的某些基团可以作为良好的质子供体或受体对底物进行酸碱催化。His 残基的咪唑基是酶的酸碱催化作用中最活泼的一个催化功能团。第十九张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月酸

8、碱催化第二十张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月 广义酸基团 广义碱基团 （质子供体） （质子受体）第二十一张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月第二十二张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月第二十三张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月第二十四张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月(4)共价催化催化剂通过与底物形成反应活性很高的共价过渡产物，使反应活化能降低，从而提高反应速度的过程，称为共价催化。酶中参与共价催化的基团主要包括 His 的咪唑基，Cys 的巯基，Asp 的羧基，Ser 的羟基等。某些辅酶，如焦磷酸硫胺素和磷酸吡哆醛等也可以参与共价催化作用。第二

9、十五张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月共价催化第二十六张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月（5）离子催化第二十七张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月酶的催化实例溶菌酶第二十八张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月溶菌酶的活性中心*谷氨酸35和天冬氨酸52是催化基团；*色氨酸62和63、天冬氨酸101和色氨酸108是结合基团；*AF为底物多糖链的糖基，位于酶的活性中心形成的裂隙中。第二十九张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月溶菌酶第三十张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月第三十一张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月溶菌酶第三十二张，PPT共

10、一百零四页，创作于2022年6月溶菌酶溶菌酶第三十三张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月溶菌酶溶菌酶第三十四张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月葡萄糖残基结合于酶D位使葡萄糖基由椅式转为高级量维持的半椅式活化态D位葡萄糖基环上氧原子未成键电子对向C1转移形成双键C1-O间电子对转移至O成O-，O-接受Glu35羧基之H，C1-O断裂，释放第一个产物R-OHC1因电子丢失呈正电状态，Asp52电离的O-维持C1的正电过渡态因Glu35之OH间电子对转移至O，Glu35之O呈负电（未成键电子对）Glu35-O-攻击H2O之H形成-OH，促使水电离产生OH-葡萄糖C1+与OH-结合恢

11、复低能量维持的稳定葡萄糖椅式构象并释放第二个产物第三十五张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月胰核糖核酸酶A第三十六张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月胰核糖核酸酶A第三十七张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月胰核糖核酸酶A第三十八张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月胰核糖核酸酶A第三十九张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月第四十张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月羧肽酶A第四十一张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月第四十二张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月丝氨酸蛋白酶族第四十三张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月消化作用

12、的丝氨酸蛋白酶胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶和弹性蛋白酶是一组密切相关的水解酶类，它们的作用是水解肽链。在胰脏内合成的是它们没有活性的酶原，然后被分泌到消化道，并且仅仅在使用前被活化。这3种酶各有分工，每种酶在不同类型氨基酸侧链相邻的肽键处水解蛋白质链。胰蛋白酶在碱性氮基酸，即赖氨酸或精氨酸的羰基后侧切开肽链。胰凝乳蛋白酶在芳香氨基酸后侧切开肽链。弹性蛋白酶在它的水解位点上几乎没有选择，但是它趋向于优先切开与小的不带电荷的侧链相邻的肽键。第四十四张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月丝氨酸蛋白酶族第四十五张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月丝氨酸蛋白酶族第四十六张，PPT共一百零四页，创

13、作于2022年6月丝氨酸蛋白酶族第四十七张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月丝氨酸蛋白酶族第四十八张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月丝氨酸蛋白酶族第四十九张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月丝氨酸蛋白酶族第五十张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月丝氨酸蛋白酶族第五十一张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月丝氨酸蛋白酶族第五十二张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月丝氨酸蛋白酶族第五十三张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月丝氨酸蛋白酶族第五十四张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月第五十五张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月第五

14、十六张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月第五十七张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月第五十八张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月天冬氨酸蛋白酶族聚体第五十九张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月天冬氨酸蛋白酶族第六十张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月第六十一张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月天冬氨酸蛋白酶族第六十二张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月天冬氨酸蛋白酶族第六十三张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月酶活性的调节酶活力的改变可以通过增加或减少酶分子的个数，也可以通过提高或降低每一个酶分子的催化能力来实现。前者牵扯到非常复

15、杂的过程（激素DNARNA蛋白质），是慢反应。后者在现成的酶分子上进行加工，是快反应，是酶活性调节的内容，这种调节一般有5种方式：别构调节、酶原激活、共价修饰、反馈调节、级联放大。 第六十四张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月酶活性的调节控制 （一）别构调节 (allosteric regulation)变构效应剂 (allosteric effector)变构激活剂变构抑制剂 变构酶 (allosteric enzyme) 变构部位 (allosteric site)一些代谢物可与某些酶分子活性中心外的某部分可逆地结合，使酶构象改变，从而改变酶的催化活性，此种调节方式称别构调节。第六

16、十五张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月别构酶(Allosteric enzyme)的特点：1）寡聚酶，由多亚基组成，包括催化部位和调节（别构）部位；2）具有别构效应。别构中心结合了效应物（效应物）后，导致酶的构象发生改变，影响了活性中心对底物的催化作用 相同（均为底物）：同促效应（homotropic effect） 不同（效应调节物）：异促效应（heterotropic effect）根据别构物性质正协同效应（positive cooperative effect）负协同效应（negative cooperative effect）根据别构物结合后对后继别构物的影响第六十六张，PP

17、T共一百零四页，创作于2022年6月别构酶举例（1）天冬氨酸转氨甲酰酶，简称ATCase第六十七张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月（1）天冬氨酸转氨甲酰酶（ATCase）这是嘧啶合成途径的第一个酶，受到CTP的反馈抑制，可被ATP激活。Asp、氨甲酰磷酸均有正同促效应，CTP有异促效应，可使酶的S形程度增大，即Rs值减小。ATP使Rs增大，当达到饱和时即成为双曲线。ATP和CTP都只改变酶的亲和力，而不影响Vm。琥珀酸是天冬氨酸的类似物，在天冬氨酸浓度高时是竞争性抑制剂，而当天冬氨酸不足时则可模拟天冬氨酸的正调控变构作用而成为激活剂。此酶共12个亚基，其中催化和调节亚基各6个。分子结

18、构为2个C3中间夹着3个R2，活性中心位于两个催化亚基中间。别构中心位于调节亚基的远端，通过变构影响催化亚基的活性。第六十八张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月天冬氨酸转氨甲酰酶（ATCase）动力学特征：双底物反应，固定氨甲酰磷酸，变化Asp，其s-v图为S形，是别构酶。效应物：S（同促）、ATP（正协同，异促）、CTP（负协同，异促）。第六十九张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月（2）3-磷酸甘油醛脱氢酶共四个亚基，Km1和Km2都较小，易与NAD结合，即在低底物浓度时反应较快；而Km3则增大了100倍，很难与NAD反应。这是由构象变化引起的。在生物体内，当NAD不足时可以

19、保证酵解的进行，而当NAD过多时则供给其它反应，避免造成酸中毒。 第七十张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月酶活性的调节控制-别构调节第七十一张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月第七十二张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月酶活性的调节控制-别构调节第七十三张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月别构调节糖酵解第七十四张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月酶活性的调节控制-别构调节第七十五张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月第七十六张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月由于变构酶动力学不符合米氏酶的动力学，所以当反应速度达到最大速度一半时的底物的浓

20、度，不能用Km表示，而代之以K 0.5表示。判断米氏酶和别构酶的简单方法通过Rs值（饱和比值） Rs位点被90%饱和时的底物浓度 81 1/n 位点被10%饱和时的底物浓度Rs81 米氏酶Rs81 别构酶，负协同效应Rs1 别构酶，正协同效应n1 别构酶，负协同效应第七十七张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月别构效应的生理意义：酶对底物量的变化十分敏感。比如：对米氏酶而言，S90Vm/S10Vm81，意思是S提高了81倍，v才提高9倍，说明酶对S的变化很迟钝。而对于一般的别构酶而言，S90Vm/S10Vm3，意思是S只要提高了3倍，v就能提高9倍，说明酶对S的变化很敏感。别构酶经加热或

21、用化学试剂等处理，可引起别构酶解离，失去调节活性，称为脱敏作用。脱敏后的酶表现为米氏酶的动力学双曲线。第七十八张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月生理意义(1)在变构酶的S形曲线中段，底物浓度稍有降低，酶的活性明显下降，多酶体系催化的代谢通路可因此而被关闭；反之，底物浓度稍有升高，则酶活性迅速上升，代谢通路又被打开，因此可以快速调节细胞内底物浓度和代谢速度。(2)变构抑制剂常是代谢通路的终产物，变构酶常处于代谢通路的开端，通过反馈抑制，可以及早地调节整个代谢通路，减少不必要的底物消耗。第七十九张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月别构效应的机制-齐变模型（MWC） 别构酶中的一条

22、亚基结合了效应物之后，构象发生改变，导致其它所有亚基的构象一起变化，从而影响酶的催化活性。此模型适应于活性中心和别构中心分别处于不同亚基上的别构酶。血红蛋白的功能可以用此模型解释。1）是由确定数目的亚基组成的寡聚酶，有一个对称轴2）每一个亚基对一种配体（或调节物）只有一个结合位点3）每种亚基有两种构象状态，R型和T型。构象的转变采取同步协同方式。如果一亚基从T态变为R态，则其它亚基几乎同时转变成R态，不存在TR杂合态4）当蛋白质由一构象状态转变为另一构象状态时，其分子对称性保持不变第八十张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月别构效应的机制-序变模型（KNF） 别构酶中的一条亚基结合了效应

23、物之后，构象发生改变，并导致其相邻的亚基的构象发生改变，这种构象变化依次传递，从而影响酶的催化活性。此模型适应于活性中心和别构中心同处于一条亚基上的别构酶。1）当配体不存在时，别构酶只有一种构象状态存在（T）2）别构酶的构象是以序变方式进行的，当配体与一个亚基结合后，可引起该亚基构象发生变化，并使邻近亚基易于发生同样的构象变化，有各种TR型杂合态3）亚基间的相互作用可能是正协同效应，也可能是负协同效应第八十一张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月（二） 反馈调节在一条代谢途径中，其中间产物，尤其是终产物，对第一步反应的酶活性进行的调节就是反馈调节。有短反馈（D对E 1）、长反馈（G对E1

24、）、正反馈（加速）、负反馈（抑制，默认）A -E1- B -E2- C - E3- D - E4- E - E5- F - E6- G至于反馈调节的方式，可以是别构效应，也可以是其它方式。 第八十二张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月 （三）酶原（zymogen）的激活 酶原激活的生理意义 避免细胞产生的酶对细胞进行自身消化，并使酶在特定的部位和环境中发挥作用，保证体内代谢正常进行。 有的酶原可以视为酶的储存形式。在需要时，酶原适时地转变成有活性的酶发挥其催化作用。第八十三张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月酶活性的调节控制酶原激活第八十四张，PPT共一百零四页，创作于2022

25、年6月某些酶原的激活过程酶原 激活条件 活化的酶 水解掉的肽段胃蛋白酶原 H+或胃蛋白酶 胃蛋白酶 六个多肽片段胰蛋白酶原 肠激酶或胰蛋白酶 胰蛋白酶 六肽糜蛋白酶原A 胰蛋白酶糜蛋白酶 -糜蛋白酶 两个二肽羧肽酶原A 胰蛋白酶 羧肽酶A 几个碎片弹性蛋白酶原 胰蛋白酶 弹性蛋白酶 几个碎片第八十五张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月酶活性的调节控制酶原激活第八十六张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月第八十七张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月胃蛋白酶原的激活第八十八张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月第八十九张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月胰蛋白酶

26、原的激活胰蛋白酶原进入小肠后，受肠激酶或胰蛋白酶本身的激活，第6位赖氨酸与第7位异亮氨酸残基之间的肽键被切断，水解掉一个六肽，酶分子空间构象发生改变，产生酶的活性中心，于是胰蛋白酶原变成了有活性的胰蛋白酶第九十张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月赖缬天天天天甘异赖缬天天天天缬组丝SSSS46183甘异缬组丝SSSS肠激酶胰蛋白酶活性中心胰蛋白酶原的激活过程第九十一张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月酶原激活的级联反应-凝血机制第九十二张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月（四）共价修饰(covalent modification) 在其他酶的催化作用下，某些酶蛋白肽链上的

27、一些基团可与某种化学基团发生可逆的共价结合，从而改变酶的活性，此过程称为共价修饰。能进行共价修饰的酶称为共价调节酶。 共价修饰的特点：1）在修饰过程中，酶的活性在无活性（或低活性）与有活性（或高活性）两种状态中改变。2）共价修饰的互变是由不同的酶催化的。3）属于酶活性的快速调节。4）由激素信号启动的共价修饰会引起级联放大效应。第九十三张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月常见类型磷酸化与脱磷酸化（最常见） 乙酰化和脱乙酰化 甲基化和脱甲基化 腺苷化和脱腺苷化 SH与SS互变第九十四张，PPT共一百零四页，创作于2022年6月酶活性的调节控制-共价修饰第九十五张，PPT共一百零四页，创作于2