《生物化学》酶的作用机制和酶的调节

1、第二单元 酶第8章 酶通论第9章 酶促反应动力学第10章 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(P384)二、酶催化反应的独特性质(P387)三、影响酶催化效率的有关因素(P388)四、酶催化反应机制的实例(P394)五、酶活性的调节控制(P413)六、同工酶(P428) 一、酶的活性部位概述(一)酶活性部位的特点(二)研究酶活性部位的方法概 述酶分子表现催化活性的关键部位是酶的活性中心（active center）或活性部位（active site），是指酶分子中与底物结合并起催化反应的空间部位。活性部位由2部分组成：结合部位：与底物结合的部位，它决定酶的专

2、一性。催化部位：催化底物转化为产物的部位，它决定酶反 应的性质。 酶的活性部位是由少数几个氨基酸组成，这几个氨基酸可能位于同一条肽链上，也可能位于不同的肽链上，因此，酶的活性中心是一个三维的结构。 这些活性中心的氨基酸残基在一级结构上可能相距很远，但通过多肽链的盘绕折叠，在空间结构上都处于十分邻近的位置。酶的活性中心示意图front viewside view 胃蛋白酶原在pH5.0以下断裂胃蛋白酶切去44个氨基酸片断 溶菌酶必需基团 酶的活性中心往往只是包括酶蛋白的几个氨基酸残基，而对于活性中心以外的氨基酸残基，并非是可有可无的，有些氨基酸残基也是酶表现催化活性所必需的，称为必需基团。因此酶

3、的活性中心属于必需基团的一部分，必需基团还包括其它一些对酶活性必需的氨基酸残基。 （一）酶活性部位的特点1、活性部位在酶分子的总体中只占相当小的部分。2、酶的活性部位是一个三维实体。3、酶的活性部位并不是和底物的形状正好互补的，而 是在酶和底物结合的过程中，底物分子或酶分子, 有时是二者构象同时发生变化后才互补的。 （诱导 契合学说）。4、酶的活性部位位于酶分子表面的一个裂缝内，底物 分子结合到裂缝内并发生催化作用。5、底物通过次级键较弱的的力结合到酶上。6、酶活性部位具有柔性或可运动性。（二）研究酶活性部位的方法1、酶分子侧链基团的化学修饰法。2、动力学参数测定法。 活性部位的氨基酸残基解离

4、状态与酶的活性直接有 关，可测其动力学参数。3、X射线晶体结构分析法4、定点诱变法 改变编码蛋白质基因DNA的顺序，研究活性部位的氨 基酸。二、酶催化反应的独特性质1、酶的反应可分为两类：一类仅涉及到电子的转移；另一类涉及到质子和电子两者或其他基团的转移。大部分反应属第二类。2、酶的催化作用是由活性中心的氨基酸侧链基团和辅酶共同完成的。3、酶催化反应的最适pH范围通常是狭小的。4、与底物相比，酶分子往往很大，但活性部位通常只比底物稍微大一些。二、酶催化反应的独特性质5、酶除了有进行催化反应所必需的活性部位以外，还有其他一些特性，使反应更有利的进行。通过以下4点完成： 在活性部位存在1个以上催化

5、基团，能进行协同催化； 存在结合部位，与底物具有互补识别功能； 多底物时，存在多个结合部位； 酶与底物结合使底物分子中的键产生张力，有利于形成ES复合物。三、影响酶催化效率的有关因素(一)底物和酶的邻近效应(approximation，proximity) 与定向效应(orientation)（二）底物的形变(distortion)和诱导契合(induced fit)(三)酸碱催化(acid-base catalysis)(四)共价催化(covalent catalysis)(五)金属离子催化(六)多元催化和协同效应(七)活性部位微环境的影响 (一)底物和酶的邻近效应(approximatio

6、n proximity) 与定向效应(orientation) 酶和底物复合物的的形成过程既是专一性的识别过程,更重要的是分子间反应变成分子内反应的过程。邻近效应：是指酶与底物结合形成中间复合物后，使底物和底物之间（双分子反应），酶的催化基团与底物之间结合有严格的定向，使有效浓度得以极大的升高，从而使反应速率大大增加的一种效应。定向效应：反应物的反应基团之间以及酶的催化基团与底物之间的正确取位产生的效应。 （二）底物的形变(distortion)和 诱导契合(induced fit)诱导契合 “张力”与“形变” 底物与酶的结合，不仅诱导酶分子发生构象变化, 同样底物分子也会发生扭曲变形,使底物

7、分子的敏感键产生“张力”, 甚至“形变”，某些键的键能减弱, 从而促进酶-底物中间产物进入过渡态（降低了反应活化能）。(三)酸碱催化(acid-base catalysis)酸碱催化是酶通过瞬时地向底物提供或接受质子以形成稳定过渡态，加速反应的一类催化机制。 在水溶液中通过高反应性的质子和氢氧离子进行的催化称为专一的酸碱催化或狭义的酸碱催化。 通过H+和OH-以及能提供H+和OH-的供体进行的催化称为总酸碱催化或广义的酸碱催化。 广义酸基团 （质子供体） 广义碱基团（质子受体）(四)共价催化(covalent catalysis) 共价催化又称亲核催化或亲电子催化,在催化时,亲核催化剂或亲电子

8、催化剂能分别放出电子或汲取电子并作用于底物的缺电子中心或负电中心,迅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。(五)金属离子催化1、需要金属的酶分类（1）金属酶含紧密结合的金属离子，多属于过渡金属离子如，Fe2+、Fe3+、Cu2+、Zn2+、Mn2+或Co3+。（2）金属-激活酶含松散结合的金属离子，通常为碱和碱土金属离子，如Na+、K+、Mg2+或Ca2+。2、金属离子以三种主要途径参加催化过程：（1）通过结合底物为反应定向（2）通过可逆的改变金属离子的氧化态调节氧化还原反应（3）通过静电稳定或屏蔽负电荷(五)金属离子催化四、酶催化反应机制的实例 (一)溶菌酶(Lysozy

9、me) (二)胰核糖核酸酶A (pancreatic ribonucleaseA，RNase A) (三)羧肽酶A(carboxypeptidase A) (四)丝氨酸蛋白酶(serine proteases) (五)天冬氨酸蛋白酶(aspartic proteases)举例溶菌酶（lysozyme）1922年Fleming在鼻黏液中发现一种具有溶解细菌能力的酶，定名为溶菌酶。随后又在鸡蛋清中发现了这种酶，是自然界分布很广的一种酶。酶分子特征： 1条肽链 129 AA, 4个-S-S-作用：水解细菌胞壁多糖 N-乙酰氨基葡萄糖 NAG 细菌胞壁多糖 N-乙酰氨基葡糖乳酸NAM 主要催化因素:

10、Glu35 提供一质子对底物进行酸碱催化； 酶使底物分子的糖环发生形变（椅式半椅式） 由129个氨基酸构成的单链蛋白，含4个二硫键。催化水解N-乙酰氨基葡萄糖(NAG)和N-乙酰氨基葡糖乳酸（NAM）之间的糖苷键 。细胞壁多糖由NAG和NAM聚合而成。P 395 图10 - 9 溶菌酶(Lysozyme)溶菌酶 (lysozyme) ： 从 P397图10-13可见， NAG和NAM多聚糖链（虚线条）横穿溶菌酶分子。溶菌酶和底物的复合物见P397图10-13溶菌酶 P396 图10-10 水解N-乙酰氨基葡萄糖(NAG)和N-乙酰氨基葡糖乳酸（NAM）之间的糖苷键溶菌酶催化机理催化机理 : 酶

11、使底物分子的糖环发生形变（椅式半椅式）催化机理 : Glu35 提供质子对底物进行酸碱催化； (二)胰核糖核酸酶A 124个氨基酸构成HisHisLys His12, Lys41, His119作为活性部位在空间结构上靠近。见P401图10-23胰核糖核酸酶A水解RNA的磷酸二酯键五、酶活性的调节控制 (一) 别构调控(allosteric regulation) (二) 酶原的激活 (三) 可逆的共价修饰 (reversible coralent modification) (一) 别构调控(allosteric regulation) 某些化合物与酶分子的非催化部位可逆的非共价结合后，使酶

12、分子构象发生改变,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构酶。凡能使酶分子发生别构效应的物质称为效应物（effector）或别构剂，通常为小分子代谢物或辅因子。因别构导致酶活性增加的物质称为正效应物或别构激活剂，反之称为负效应物或别构抑制剂。（二）酶原激活 某些酶，特别是一些与消化作用有关的酶，在最初合成和分泌时，没有催化活性。这种没有活性的酶的前体称为“酶原”。酶原在一定条件下经适当的物质作用可转变成有活性的酶。酶原转变成酶的过程称为酶原的激活。 例：胰蛋白酶原和胰凝乳蛋白酶原的激活 （如图所示）酶原激活牛胰蛋白酶原胰蛋白酶原激活示意图 赖缬天天天天甘异赖缬天天天天

13、缬组丝SSSS46183甘异缬组丝SSSS肠激酶胰蛋白酶原活性中心胰蛋白酶原的激活过程胰蛋白酶胰蛋白酶原的激活过程 胰凝乳蛋白酶原激活胰凝乳蛋白酶原是245个氨基酸组成的一条多肽链。在激活过程中，从多肽链中切去2个二肽（14-15，147-148），形成3个肽段，通过二硫键连接。胰凝乳蛋白酶 活性中心形成胰凝乳蛋白酶原激活后(三) 可逆的共价修饰 (reversible coralent modification) 这种调控作用通过共价调节酶进行。 共价调节酶,这类酶以共价键与调节剂结合时，其活性会在活性与非活性形式之间相互转变，从而调节酶的活性。这类调节剂多为磷酸根基团。 动物组织中的糖原磷

14、酸化酶是典型的共价调节酶。它具有2种形式：磷酸化酶a（活性）和磷酸化酶b（非活性）。这2种形式在其它酶的作用下通过加上磷酸根基团或去除磷酸根基团而发生互相转变。六、同工酶 同工酶是指能催化同一种化学反应，但其酶蛋白本身的分子结构组成不同的一组酶。 目前研究得较多的是乳酸脱氢酶（LDH）。哺乳动物的LDH有5种，催化共同的反应：5种LDH的组成不同，都由4个亚基构成。这些亚基分为2类：M型（骨骼肌型）和H型（心肌型）。因此5种LDH的亚基组成为：M4 、M3H、 M2H2 、MH3、H4。（如图所示） 5种同工酶虽然催化同一种化学反应，但其氨基酸组成和顺序不同，电泳行为也不同。临床意义心肌梗死和肝病病人血清LDH同工酶谱的变化1酶活性心肌梗死酶谱正常酶谱肝病酶谱2345活性中心或活性部位S-S活性中心外必需基团结合基团催化基团活性中心必需基团底物 肽链活性中心酶活性中心示意图酶活性中心广义酸碱基团 氨基酸残基广义酸的形式（质子供体）广义碱的形式（质子受体）酶的活性中心示意图4.5 酶催化的机制一、 过渡态稳定作用 反应总能量改变 非催化反应活化能