第二章酶的结构与功能

1、第二章第二章 酶的结构与功能酶的结构与功能 在生物化学发展历史上，酶学是个经久不衰的主在生物化学发展历史上，酶学是个经久不衰的主题，一方面，代谢途径及其调控机制的阐明有赖于关键酶题，一方面，代谢途径及其调控机制的阐明有赖于关键酶的分离、纯化及其动力学和调控的研究，另一方面，许多的分离、纯化及其动力学和调控的研究，另一方面，许多酶又是研究蛋白质、核酸和聚糖结构与功能的重要工具。酶又是研究蛋白质、核酸和聚糖结构与功能的重要工具。随着生物化学和分子生物学相关领域以及其它学科的发展，随着生物化学和分子生物学相关领域以及其它学科的发展，尤其是结构生物学、蛋白质组学、基因工程、蛋白质工程尤其是结构生物学、

2、蛋白质组学、基因工程、蛋白质工程和免疫学的理论和技术向酶学的渗透，为酶学发展注入新和免疫学的理论和技术向酶学的渗透，为酶学发展注入新的活力。当前，酶学发展主要有两大方向：即分子酶学和的活力。当前，酶学发展主要有两大方向：即分子酶学和应用酶学。分子酶学重点研究酶的分子生物学，酶的分子应用酶学。分子酶学重点研究酶的分子生物学，酶的分子结构、作用机制和调控，酶的合成、分拣、转运和定位等。结构、作用机制和调控，酶的合成、分拣、转运和定位等。应用酶学则包括酶法分析、酶工程、组织酶学、药理酶学、应用酶学则包括酶法分析、酶工程、组织酶学、药理酶学、食品酶学等。食品酶学等。 化学热力学说明反应的起点和终点，解

3、决反应的方向和限度。动力学研究反应速度及各种因素如何定量地影响反应速度。酶仅在热力学允许的范围内加速反应进程，或将耗能反应与放能过程相偶联。 2.1.1.1 MichaelisMenten方程：方程： 2.1.2.2 凡能降低酶催化活性的物质均可认为是酶的抑制剂。酶在抑制剂作用下活力下降甚至丧失，称为抑制作用。 （1）抑制程度表示方法： （2）抑制作用的分类： （3）不可逆抑制与可逆抑制的鉴别： 2.2.1 可逆抑制作用 v2.2.1.1 竞争性抑制 KmKiKiKmKm斜率=I1Vmax1v1Km1Km1SI增大对照 图2.9 竟争性抑制的双倒数作图 图2.10 竟争性抑制的二次作图竞争性抑

4、制 竞争性抑制 的双倒数作图氨甲喋呤四氢叶酸2003年美国FDA批准的抗HIV药是HIV蛋白酶抑制剂 过渡态（transition state）底物（S）比基态底物（S）更易与酶结合并形成产物，因而过渡态类似物比一般的底物类似物有更强的抑制效应。q 2.2.1.2 非竞争性抑制q 2.2.1.3 反竞争性抑制 q 2.2.1.4 混合性抑制 表2.2 几种同位抑制作用动力学的比较 表2.3 双底物反应中同位可逆抑制剂的抑制类型q 2.2.1.5 底物抑制与产物抑制 反竞争性抑制混合性抑制 混合性抑制 的双倒数作图 2.2.2.1 非专一性不可逆抑制剂：主要有以下几类 （1）有机磷化合物 （2）

5、有机汞、有机砷化合物 （3）烷基化试剂 （4）青霉素、头孢霉素 （5）氰化物、硫化物和CO （6）重金属盐Ag+、Cu2+、Hg2+、Pb2+等重金属离子 胰蛋白酶与牛胰胰蛋白酶抑制剂的复合物对甲苯磺酰对甲苯磺酰L苯丙氨酰苯丙氨酰氯甲基酮（氯甲基酮（TPCK）对甲苯磺酰对甲苯磺酰L苯丙氨苯丙氨酰氯甲基酮（酰氯甲基酮（TPCK）对甲苯磺酰对甲苯磺酰L苯丙苯丙氨酰氯甲基酮（氨酰氯甲基酮（TPCK）2.3 酶的作用机制 酶催化的专一性包括底物结合专一性和催化作用专一性。前者要求酶选择与其活性部位的几何形状和大小相吻合的底物；后者要求底物具备合适的键或基团，在ES中与酶的催化基团间有足够大的作用力。底

6、物结合专一性与KS相关，而Kcat/Km反映催化专一性。 溶菌酶的结构溶菌酶多肽链上活性中心残基的位置 乙酰胆碱酯酶 二异丙基氟磷酸邻近效应与定向效应ATPAdenylate Kinase.Adenylate Kinase.ATP 以研究得最为深入的胰凝乳蛋白酶为例 协同协同81V随随S而而2 2米氏曲线米氏曲线1 1负协同负协同3 3正协同正协同S90%VS10%V81321V1 0 %V V90%V V0 SVa 、仅底物是别构调节物、仅底物是别构调节物协同协同81V随随S而而底物是别构抑制剂底物是别构抑制剂底物是别构激活剂底物是别构激活剂 b、当其他别构物参与调节时、当其他别构物参与调节

7、时v整体上产生激活、抑制现象整体上产生激活、抑制现象v改变了调节的敏感区位置改变了调节的敏感区位置别构激活别构激活别构抑制别构抑制V0 S底物敏感区底物敏感区v图2.20 正、负协同别构酶与非别构酶的动力学曲线比较 q 2.4.1.2 别构酶的一般特性： 图2.22 ATCase用对羟汞苯甲酸（pHMB）处理失去别构性质，变为正常的来氏酶 脱敏的ATCase活性比天然酶大50%0vVmaxs3210S0.5213vVmaxsAB图2.21 别构效应剂的调节作用A为K型效应剂，B为V型效应剂。1. 未加效应剂；2. 加入别构激活剂；3. 加入别构抑制剂vASP天然酶pHMB脱敏酶2.4.1.3

8、别构酶的调节 v（1）齐变模型（concerted modle）或对称（symmetry）模型 图2.23 别构酶的齐变模型SSSSSSSSSS齐步变化SSSST态（对称亚基）R态（对称亚基）图2.26 别构酶的序变模型2.4.2 共价修饰调节酶 o（1）酶原激活： o（2）可逆的共价修饰： 2.4.5 酶活性调节实例 w2.4.5.1 天冬氨酸转氨甲酰酶 v 2.4.5.3 E.coli谷酰胺合成酶 AT+P(UMP)4AT+PIIURUT?GS12ATP12PPiGlnM g2+Gln2+Mn4H2O4UMPATP,2-kGMg2+4PPiATP,-kGM g2+2+Mn和12ADPAla

9、、Gly、HisTrp、AMP、CTPCar-PGlcN-PGln+ADP+PiAla、Car-PGly、GlcN-PHis、AMPCTPGlu+NH3+ATPGlu+NH3+ATPMg2+Mn2+图2.30 E.coli谷酸胺合成酶的调节4UTP12PI（AMP）12GS-+-2.4.5.4 6-磷酸果糖-1-激酶(6-phosphofructo-1-Kinase, 6PF-1-K)/果糖1，6-二磷酸酶(fructose-1,6-bisphosphatase,Fru-1,6-P2ase)v图 2.31 可逆磷酸化对6PF-2，6-P2ase活性的调节 v图2.32 糖酵解与糖异生途径的协调控制 G6P糖异生F6P蛋白激酶蛋白磷酸酶6PF-2-KFru-2,6-P2asePPFru-2,6-P26PF-1-KFru-1,6-P2aseAMPFru-1,6-P2(+)(-)丙酮酸糖酵解OAAP