酶分子结构与功能

酶的分子结构与功能

Themolecularstructureandfunctionofenzyme（B族Vit）一、酶的分子组成有机小分子金属离子辅基辅酶

决定催化

反应的特异性

（选择E催化的S）

单纯蛋白酶

结合蛋白酶——

酶蛋白+辅助因子（全酶）

决定催化反应的类型（递电子、氢或一些基团）

第一节酶的结构全酶的结构与分子组成金属辅助因子小分子有机化合物1、作为酶活性中心的催化基团参与催化反应，传递电子、原子或功能团；2、作为连接酶与底物的桥梁；3、稳定酶的构象；4、中和阴离子，降低反应中的电荷排斥力。在反应中起运载体的作用，传递电子、质子或其它基团辅助因子的作用酶分子中的金属离子

常见的有：K+、Na+、Mg2+、Cu2+、Zn2+、Fe2+

、Fe3+

金属离子对酶有一定的选择性,某种金属只对某一种或几种酶有激活作用。

金属离子与酶蛋白结合程度，可分为两类：1、金属酶

：金属离子与酶结合紧密，提取过程中不易丢失。

2、金属激酶：金属离子不与酶直接结合，通过底物相连；结合一般较松散，

在溶液中酶与这类离子结合而被激活。金属酶中的金属离子与配体

金属离子配体酶或蛋白

Mn2

咪唑丙酮酸脱氢酶

Fe2+/Fe3+

卟啉环，咪唑血红素含硫配体氧化-还原酶过氧化氢酶

Cu+/Cu2+

咪唑，酰胺细胞色素氧化酶

Co2+

卟啉环变位酶

Zn2+-NH3，咪唑，

碳酸酐酶，醇脱氢酶

Pb2

-SHd-氨基-g-酮戊二酸脱水酶

Ni2

-SH尿酶金属酶金属离子金属激活酶金属离子碳酸酐酶羧基肽酶过氧化物酶过氧化氢酶己糖激酶磷酸转移酶锰超氧化物歧化酶谷胱甘肽过氧化物酶Zn2+

Zn2+Fe2+Fe2+Mg2+Mg2+Mn2+Se柠檬酸合成酶丙酮酸激酶丙酮酸羧化酶精氨酸酶磷酸水解酶蛋白激酶磷酯酶C磷酯酶A2K+K+Mg2+Mn2+Zn2+Mn2+Mg2+Mg2+Mn2+Ca2+Ca2+一些金属酶及金属激活酶有机小分子辅助因子依据与酶蛋白结合紧密程度分为辅基：与酶蛋白共价结合，牢而不易分离，

不能用透析或超滤的方法除去。

辅酶：与酶蛋白非共价结合，疏松而易分离，

可用透析或超滤的方法可以除去。某些小分子化合物的种类及作用名称 缩写名 转移基团 所含维生素辅酶Ⅰ/辅酶ⅡNAD+/NADP+H+、电子尼克酰胺黄素腺嘌呤二核苷酸FAD 氢原子B2黄素单核苷酸FMN氢原子B2焦硫酸硫胺素 TPP 醛基B1磷酸吡哆醛 氨基 B6辅酶A CoASH 酰基 泛酸生物素 CO2 生物素四氢叶酸 FH4一碳单位叶酸钴胺素辅酶类 氢原子、烷基B12酶名称金属离子有机分子辅基细胞色素氧化酶醇脱氢酶黄嘌呤氧化酶丁酰CoA脱氢酶琥珀酸脱氢酶NADH细胞色素还原酶甲基丙二酰CoA异构酶CuFeMoFeMoMoFeFeCo血红素NAD+FADFADFADFMN钴胺辅酶一些酶含有机分子辅酶和金属离子的种类辅酶中的维生素主要是水溶性

B族维生素辅酶

所含维生素

作用NAD+尼克酰胺氢原子（质子）的转移NADP+尼克酰胺氢原子（质子）的转移FMNB2氢原子（质子）的转移氢原子（质子）的转移FADB2TPPB1醛基转移辅酶A(CoA)泛酸酰基转移硫辛酸酰基转移磷酸吡哆醛B6氨基的转移生物素生物素脱羧酶的辅酶四氢叶酸叶酸一碳单位的转移钴胺素辅酶B12烷基的转移辅酶中的维生素种类及其作用小结酶蛋白：主要起识别底物的作用，酶促反应的特异性、高效率以及酶对一些理化因素的不稳定性均决定于酶蛋白部分。辅助因子：决定反应的种类与性质。a,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。二、酶的活性中心(activecenter)b,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。

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。牛胰蛋白酶c,调控部位Regulatorysite

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构象的变化，对酶起激活或抑制作用。二、酶的活性中心(activecenter)1、酶的必需基团（essentialgroup)

酶分子中间接或直接与酶活性有关的化学基团称为酶的必需基团

常见的必需基团：丝氨酸的－OH、赖氨酸的

－NH2、组氨酸的咪唑基、半胱氨酸的－SH、半胱氨酸的－SH、谷氨酸的

－COOH二、酶的活性中心(activecenter)2、酶的活性中心（活性部位）

酶的必需基团在空间结构上彼此靠近，组成具有特定空间结构的区域，能与底物特异地结合，并将底物转化为产物，这一位于酶分子上的特定空间结构区域称为酶的活性中心。往往只占整个酶分子体积的1%-2%

2、酶的活性中心（活性部位）酶的活性中心酶的活性中心胰凝乳蛋白酶（chymotrypsin）

的活性中心Asp102-His57-Ser195

除了胰凝乳蛋白酶外，在催化中具有“天冬氨酸-组氨酸-丝氨酸”电荷中继网的酶还有：胰蛋白酶、弹性蛋白酶及枯草杆菌蛋白酶。研究表明：来自胰脏的三种酶如胰凝乳蛋白酶、胰蛋白酶、弹性蛋白酶有其相似的空间构象，相似的催化机理，并且活性中心处Ser周围的AA顺序也完全一样：Gly-Asp-Ser-Gly-Gly-Pro

但三者却表现出专一性上的很大差异，X-射线衍射技术研究表明主要由于底物结合部位在结构上的微小差异所致。活性中心的构象特点活性中心在酶分子整个体积中只占比较小的一部分，是一个三维实体，或为裂缝，或为凹陷。多为氨基酸残基的疏水基团组成的疏水环境，形成疏水“口袋”。酶的催化作用取决于活性中心活性中心内的必需基团种类催化基团：催化底物发生化学反应，将底物转变为产物的基团，决定酶所催化反应的性质。结合基团：与底物和辅酶结合的基团，决定酶的专一性。

活性中心外的必需基团：不直接参与酶活性中心的组成，但是维持酶活性中心特定空间结构所必需的基团。底

物

活性中心以外的必需基团s-s结合基团催化基团

活性中心

当酶的活性中心被其他物质占据，或其空间结构被破坏，则酶的活性即丧失。酶活性中心示意图多肽链底物分子酶活性中心催化基团结合基团活性中心必需基团

活性中心以外必需基团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63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；*A~F为底物多糖链的糖基，位于酶的活性中心形成的裂隙中。酶活性中心的必需基团按极性来分有亲核性基团：

丝氨酸的羟基，半胱氨酸的巯基和组氨酸的咪唑基。酶活性中心的必需基团按极性来分有酸碱性基团：门冬氨酸和谷氨酸的羧基，赖氨酸的氨基，酪氨酸的酚羟基，组氨酸的咪唑基和半胱氨酸的巯基等。一些酶活性中心的氨基酸残基

酶残基总数活性中心残基牛胰核糖核酸酶124His12,His119,Lys41溶菌酶129Asp52,Glu35牛胰凝乳蛋白酶245His57,Asp102,Ser195牛胰蛋白酶238His46,Asp90,Ser183木瓜蛋白酶212Cys25,His159

弹性蛋白酶240His45,Asp93,Ser188枯草杆菌蛋白酶275His46,Ser221碳酸酐酶258His93-Zn-His95,His117判断和确定酶活性中心的主要方法酶的专一性研究：研究酶的专一性底物的结构特点、酶的竞争性抑制剂结构特点等。酶分子侧链基团的化学修饰法：例如

1.用共价修饰的试剂作用于酶，查明保持酶活力的必需基团；

2.亲和标记（合成底物类似物）；

3.—SH保护剂的使用；X-射线晶体衍射法：定点诱变法：用共价修饰的试剂作用于酶，查明保持酶活力的必需基团DFP的作用二异丙基氟磷酸酶的结构与功能的关系酶的一级结构是决定其催化功能最重要的化学结构，是酶发挥催化功能的结构基础。

有相同催化功能的同一类酶，其活性中心的一些氨基酸序列有极大的同源性。如胰蛋白酶、糜蛋白酶、弹性蛋白酶均属于胰蛋白酶家族，这三种酶活性中心的氨基酸残基有25%的同源性，甚至二硫键的位置亦相同。

酶的结构与功能的关系酶一级结构的差别也决定了催化性质的不同，如胰蛋白酶、胰糜蛋白酶和弹性蛋白酶三种蛋白酶的活性中心Ser残基附近都有一个在立体结构上的“口袋”状结构。由于三种蛋白酶的“口袋”状结构不同，决定其与不同底物结合即有不同特异性。

酶的特异的三维空间结构是酶催化功能的基础酶的二、三级结构是维持酶的活性中心空间构象的必需结构第二节

酶促反应机制MechanismofEnzymaticReaction

一、酶作用专一性的机制酶分子活性中心部位，一般都含有多个具有催化活性的手性中心，这些手性中心对底物分子构型取向起着诱导和定向的作用，使反应可以按单一方向进行。酶能够区分对称分子中等价的潜手性基团(a)“三点结合”的催化理论认为酶与底物的结合处至少有三个点，而且只有一种情况是完全结合的形式。只有这种情况下，不对称催化作用才能实现。组HOCH3COOH组HOOCCH3OH

L（-）乳酸D（+）乳酸（与LDH契合）（不能在LDH中的三点结合）精精L-乳酸脱氢酶的催化作用特异性（b）锁钥学说

认为整个酶分子的天然构象是具有刚性结构的，酶表面具有特定的形状。酶与底物的结合如同一把钥匙对一把锁一样刚性模式：EmilFisher提出（c）诱导契合学说柔性学说：Koshland提出

该学说认为酶表面并没有一种与底物互补的固定形状，而只是酶与底物相互接近时，其结构相互诱导、相互变形和相互适应，进而相互结合，这一过程称为酶-底物结合的诱导契合假说。酶与底物的诱导契合SEE-S复合物abcabcES羧肽酶的诱导契合模式底物己糖激酶与D-葡萄糖经诱导契合

生成复合物二、酶作用高效率的机制E+SESE+PK1K2K3

许多实验事实证明了E－S复合物的存在，E－S复合物形成的速率与酶和底物的性质有关。a中间产物学说在酶催化的反应中，第一步是酶与底物形成酶－底物中间复合物。当底物分子在酶作用下发生化学变化后，中间复合物再分解成产物和酶。b活化能降低活化能：在一定温度下一摩尔底物全部进入活化态所需要的自由能，单位是KJ/mol。

活化能越大，中间产物越难形成，反应越难进行。

（增加温度、加入催化剂降低反应活化能）酶促反应：E+S===ES

E+P

反应方向,即化学平衡方向,主要取决于反应自由能变化

H

。而反应速度快慢,则主要取决于反应的活化能Ea。催化剂的作用是降低反应活化能Ea，从而起到提高反应速度的作用反应总能量改变

非催化反应活化能

酶促反应活化能

一般催化剂催化反应的活化能

能量

反应过程

底物

产物实例：H2O2的分解，无催化剂时活化能为75.24KJ/mol;

铂为催化剂时48.9;H2O2酶为催化剂8.36酶促反应活化能的改变初态过渡态终态酶与一般催化剂催化效率的比较底物催化剂反应温度反应速度常数脲素H+627.4

10-7

脲酶215.0

106过氧化氢Fe2+2256

过氧化氢酶223.5

107

c邻近效应和定向效应邻近效应：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。定向效应：当专一性底物向酶活性中心靠近时，会诱导酶分子构象发生改变，使酶活性中心的相关基团和底物的反应基团正确定向排列，同时使反应基团之间的分子轨道以正确方向严格定位，使酶促反应易于进行。以上两种效应使酶具有高效率和专一性特点酶AB酶将2个底物拉近，以准确的方向碰撞。实际上是将分子间的反应变成类似于分子内的反应邻近效应和定向效应（proximityeffect&orientationarrange）邻近效应与定向效应的种类+-+-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d、张力效应（strain）

-

-++三、

多元催化

(multielementcatalysis)酶的多元催化作用：多个基元催化形式的协同作用。一般包括酸-碱催化，共价催化（亲核催化,亲电子催化）等如凝乳蛋白酶：Ser-195亲核催化，His-57碱催化