new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0（一）酶的活性中心（二）酶活性中心的结构特点（三）影响酶催化效率的有关因素（四）酶活性的调节控制基本概念：酶的活性中心是指结合底物和将底物转化为产物的区域，通常是相隔很远的氨基酸残基形成的三维实体。酶的活性中心包括两个功能部位：结合部位和催化部位。1．结合部位（Bindingsite）酶分子中与底物结合的部位或区域一般称为结合部位。此部位决定酶的专一性。2．催化部位（catalyticsite）酶分子中促使底物发生化学变化的部位称为催化部位。此部位决定酶所催化反应的性质。对于结合酶而言，还包括辅酶和辅基上的一些结构基团。（一）酶的活性中心必需基团:酶分子中有些基团若经化学修饰（氧化、还原、酰化、烷化）使其改变，则酶的活性丧失，这些基团称为必需基团。非必需基团：有的酶温和水解掉几个AA残基，仍能表现活性，这些基团即非必需基团。活性中心内的必需基团结合基团(bindinggroup)与底物相结合催化基团(catalyticgroup)催化底物转变成产物维持酶活性中心应有的空间构象所必需。活性中心外的必需基团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主要包括：亲核性基团：丝氨酸的羟基，半胱氨酸的巯基和组氨酸的咪唑基。构成酶活性中心的常见基团：

（二）酶活性中心的结构特点1.活性中心只占酶分子总体积的很小一部分，往往只占整个酶分子体积的1%-2%。

某些酶活性部位的AA残基

酶AA残基数活性部位的AA残基核糖核酸酶124

His12,His119,Lys41溶菌酶129Asp52,Glu35胰凝乳蛋白酶241His57,Asp102,Ser195胃蛋白酶348Asp32,Asp215木瓜蛋白酶212Cys25,His159羧肽酶A307Arg127,Glu270,Tyr248,Zn2+2.酶的活性部位是一个三维实体，具有三维空间结构。活性中心的空间构象不是刚性的，在与底物接触时表现出一定的柔性和运动性。3.酶的活性部位并不是和底物的形状正好互补的，而是在酶和底物的结合过程中，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，此时催化基团的位置正好处在所催化底物键的断裂和即将生成键的适当位置，这个动态辨认过程称为诱导契合（induced-fit）.（二）酶活性中心的结构特点4.酶的活性部位位于酶分子表面的一个裂隙（crevice）内.裂隙内是一个相当疏水的环境，从而有利于同底物的结合。5.底物靠许多弱的键力与酶结合。氧离子洞

酶催化反应的独特性质

（1）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的。主要的是His，Ser，Cys，Lys，Glu和Asp的侧链常常直接参加催化过程。辅酶或金属离子与酶协同在一起发挥作用，比只利用氨基酸侧链来说，为催化过程提供了更多种类的功能基团。（2）酶催化反应的最适pH范围通常是狭小的。（3）与底物相比较，酶分子很大，而活性部位通常只比底物稍大一些。这是因为在大多数情况下，只有活性部位围着底物。此外，一个巨大的酶结构对稳定活性部位的构象是必要的。酶比一般催化剂具有更高的催化效率主要有以下因素起作用：1、邻近定向效应2、张力和形变3、酸碱催化4、共价催化5、金属离子催化6、多元化催化和协同效应7、活性部位微环境的影响（三）影响酶催化效率的有关因素多元催化（一）邻近定向效应在酶促反应中，由于酶和底物分子之间的亲和性，底物分子有向酶的活性中心靠近的趋势，最终结合到酶的活性中心，使底物在酶活性中心的有效浓度大大增加的效应叫做邻近效应。有利于提高反应速度；定向效应：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。（二）“张力”与“形变”实际上是酶与底物诱导契合的动态过程。酶-底复合物形成时，酶分子构象发生变化，底物分子也常常受到酶的作用而发生变化，甚至使底物分子发生扭曲变形，从而使底物分子某些键的键能减弱，产生键扭曲，有助于过渡态的中间产物形成,从而降低了反应的活化能。+-+-稳定的底物通过电荷等相互作用，底物张力变形激活形成过渡态张力效应（strain）

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-++酶与过渡态的亲和力大于酶与底物或产物的亲和力因某一原子或原子团的极性而引起电子沿着原子链向某一方向移动的效应，称为诱导效应。亲电反应：由亲电试剂进攻而发生的反应为亲电反应。亲核反应：由亲核试剂进攻而发生的反应为亲核反应。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。（三）酸－碱催化(acidbasecatalysis)广义酸基团广义碱基团（质子受体）（质子供体）酶分子中可以作为广义酸、碱的基团His是酶的酸碱催化作用中最活泼的一个催化功能团。(pK=6)（四）共价催化（covalentcatalysis）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以下亲核基团：His的咪唑基，Cys的硫基，Asp的羧基，Ser的羟基等；亲电子基团：H+、Mg2+、Mn2+、Fe3+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。（五）金属离子的催化作用１.需要金属的酶分类：（1）金属酶(metalloenzyme):含紧密结合的金属离子。如Fe2+、Fe3+、Cu2+、Zn2+、Mn2+（2）金属-激活酶（metal-activatedenzyme）:含松散结合的金属离子，如Na+K+Mg2+Ca2+2.金属离子的催化作用：许多氧化-还原酶中都含有铜或铁离子，它们作为酶的辅助因子起着传递电子的功能。许多激酶的底物为ATP-Mg2+复合物。（六）多元催化和协同效应酶的活性中心部位，一般都含有多个起催化作用的基团，这些基团在空间有特殊的排列和取向，可以对底物价键的形变和极化及调整底物基团的位置等起到协同作用，从而使底物达到最佳反应状态。酶活性中心处于一个非极性环境中，从而有利于同底物的结合。（水的极性和形成氢键的能力都较强，能够减弱极性基团间的相互作用。）（七）微环境的影响（酶活性中心是低介电区域）上面讨论了与酶高催化效率有关的7个因素应该注意：不是同时在一个酶中起作用也不是一种因素在所有的酶中起作用对不同的酶，起主要作用的因素不同不同的酶各自都有其特点，可能分别受一种或几种因素的影响。小结

酶的作用机制——要回答这一问题，要从以下几个方面酶的催化作用——过渡态，分子活化能，酶与反应的过渡态互补，抗体酶中间产物学说诱导契合学说使酶具有高催化效率的7因素四、酶活性的调节控制（一）别构调节(allostericregulation)（二）酶原的激活（三）可逆的共价修饰非共价结合共价结合别构调节(allostericregulation)一些代谢物可与某些酶分子活性中心以外的部位可逆地结合，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。（一）别构调节(allostericregulation)别构效应剂(allostericeffector)别构激活剂别构抑制剂（一）别构调节(allostericregulation)别构效应剂：引起别构效应的物质称为效应物别构激活剂：凡是和酶分子结合后使酶反应速度加快的别构效应剂就称为别构激活剂（正效应剂）别构抑制剂：（负效应剂）

别构酶(allostericenzyme)催化亚基调节亚基别构酶1、别构酶举例——

大肠杆菌（E、coli）天冬氨酸转氨甲酰酶（简称ATCase）

ATCase有二个底物和CTP、ATP二个别构效应剂——Asp、ATP是别构激活剂，CTP是别构抑制剂同促异促ATP+EC2.1.3.2，嘧啶核苷酸ATCase（天冬氨酸转氨甲酰酶）ATCase的相对分子质量是310000，由12条多肽链组成每个调节亚基上有两个别构效应剂（CTP、ATP）的结合部位

完整有活性的酶催化亚基（三聚体）调节亚基（二聚体）催化亚基2个三聚体调节亚基3个二聚体平视俯视别构酶的动力学特点同促效应异促效应S形曲线K系统、V系统同促酶的正协同性和负协同性Rs=[S]0.9[S]0.1米氏酶正协同性负协同性协同指数(cooperativityindex,CI)，又称饱和比值（saturationratio，Rs）

Rs=酶的饱和度为90%时的底物浓度酶的饱和度为10%时的底物浓度Rs=[S]90%Vm

[S]10%Vm

=[S]0.9[S]0.1酶的饱和度：指反应液中酶结合底物的位点数与底物结合位点总数的比值=81由米氏方程有所以，符合米氏方程动力学的非别构酶的Rs=81v=Vmax[S]Km+[S]所以有V=0.9Vm=Vm[S]0.9Km+[S]0.9即有[S]0.9=9km同理[S]0.1=19km具有正协同效应的别构酶Rs小于81，Rs愈小，正协同效应愈显著；具有负协同效应的别构酶Rs大于81，Rs愈大，负协同效应愈显著；酶的饱和度为90%时的底物浓度酶的饱和度为10%时的底物浓度=81Rs=异促效应K型效应物和V型效应物凡是改变底物的K0.5而不改变反应Vmax的效应物称为K型效应物。反之，凡是改变底物的Vmax而不改变反应K0.5的效应物称为V型效应物别构酶的意义底物、CTP、ATP都是ATCase的别构效应剂，对于ATCase来说，即意味着它们可以通过别构效应影响它的催化能力（活性）

负协同效应：对于保证体内一些重要反应稳定地连续进行很有意义正协同效应：增强对底物灵敏地调节酶活性很有意义[Asp]酶的别构效应小结别构效应包括：

1.正协同效应包括：同促正协同效应和异促正协同效应

2.负协同效应包括：同促负协同效应和异促负协同效应说明：别构效应也称变构效应别构酶也称变构酶别构酶主要具有以下几个特点（性质

p418）：（1）一般是寡聚酶（2）具有别构效应——别构酶动力学别构酶的反应初速度（v）对底物（[S]）的作图曲线不服从Michaelis一Menten关系式，不呈直角双曲线

（3）别构酶的脱敏作用别构酶经加热或用化学试剂等处理，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[Asp]天冬氨酸转氨甲酰酶用对羟汞苯甲酸处理别构酶的别构作用的学说主要有两个学说：

协同模型（齐变模型，MWC）是由J.Monod,J.Wyman和J.P.Chengeux三人提出，所以以三人名字的首字命名

序变模型（循序模型，KNF）由D.Koshland等三人提出，也是以三人首字母命名齐变模型认为别构酶的所有亚基或者全部呈坚固紧密的、不利于结合底物的“T”状态；或者全部是松散的、有利于结合底物的“R”状态。这两种状态间的转变对于酶的每个亚基是同时、同步的。TTRR变构激活剂和抑制剂的效应可以通过此模型说明如下：变构激活剂优先与R型结合，即变构激活剂使平衡常数L变小；而变构抑制剂优先与T型结合使L增大。这样，齐变模型能够很好地说明同促正协同效和异促正、负协同效应不能说明同促负协同效应TTRR序变模型

1.别构酶的每个亚基具有两个可及的构象状态（R和T）；

2.底物结合可以改变被结合亚基的构象，但是分子中其他亚基构象并不怎么改变；

3.在一个亚基中结合底物所引起的构象改变可以增加或减少同一分子中其他亚基的底物结合亲和性ＴＴＳＴＲＲＲＳ序变模型能够解释同促正、负协同效应和异促正、负协同效应但难于象齐变模型那样建立数学模型不论哪一个模型都难解释所有变别构酶这些模型都显过于简单，目前尚缺乏更好的学说。（二）酶原的激活酶原(zymogen)有些酶在细胞内合成或初分泌时只是酶的无活性前体，此前体物质称为酶原。酶原的激活在一定条件下，酶原向有活性酶转化的过程。酶原激活的机理酶原分子构象发生改变形成或暴露出酶的活性中心一个或几个特定的肽键断裂，水解掉一个或几个短肽在特定条件下不可逆过程酶原的激活p423图10-65胰蛋白酶原肠肽酶六肽+胰蛋白酶

胰凝乳蛋白酶原胰凝乳蛋白酶羧肽酶原羧肽酶弹性蛋白酶原弹性蛋白酶胰蛋白酶激活示意图肠激酶酶原激活的生理意义1）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。2）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。（三）酶的共价修饰调节共价修饰(covalentmodification)在其他酶的催化下，酶蛋白肽链上的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。常见类型