生物化学第10章酶学

第十章酶的作用机制和酶的调节（MechanismandRegulationofEnzyme)一、酶的活性部位二、酶催化反应的独特性质三、影响酶催化效率的有关因素四、酶催化反应机制的实例五、酶活性的调节控制六、同工酶本节小结第385页

或称活性部位(activesite)，指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，能与底物特异结合并将底物转化为产物。一、酶的活性中心(activecenter)酶的活性中心必需基团(essentialgroup)酶分子中氨基酸残基侧链的化学基团中，一些与酶活性密切相关的化学基团。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位于活性中心以外，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二、E的活性中心是酶分子中执行其催化功能的部位必需基团(essentialgroup)E的活性中心(activecenter)/活性部位(activesite）活性中心内的必需基团活性中心外的必需基团

结合基团催化基团几个名词：酶分子中结合底物并起催化作用的少数氨基酸残基，包括底物结合部位、催化部位。频率最高的活性中心的氨基酸残基：Ser、His、Cys、Tyr、Asp、Glu、Lys。

组成酶活性中心的氨基酸侧链基团主要有Glu和ASP的-COOH，Lys的-NH2，His的咪唑基，Ser的-OH，Cys的-SH，Tyr的侧链基团。1.结合部位决定酶的专一性2.催化部位决定酶所催化反应的性质。

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注意：

1.对于单纯酶来说它是由一些氨基酸残基的侧链基团组成的。

2.对于结合酶来说辅酶或辅基上的某一部分结构往往也是活性部位的组成部分。

3.对于寡聚酶则可能有聚合在一起的几个亚基上的几个相距远的氨基酸残基组成。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-His95His117

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。酶活性部位的特点1.活性部位在酶分子的总体积中只占相当小的部分,活性部位占整个酶体积1％－2％，催化部位一般由2－3个氨基酸残基，结合部位一个或数个氨基酸残基。2.酶的活性部位是一个三维实体在一级结构上相差很远,但在三维结构时靠的很近。3.酶的活性部位并不是和底物正好互补，需诱导契合酶和底物在结合过程中，构象都发生了一定的变化。4.酶的活性部位位于酶分子的疏水裂缝内。非极性的维环境有利于提高与底物分子的结合能力，同时此裂缝内底物的有效浓度可达很高。5.底物通过次级键较弱的力结合到酶上。酶与底物合成ES复合物主要靠次级键：氢键、盐键、范德华李和疏水相互作用。6.酶活性部位具有柔性或可运动性酶的别构中心(调节部位)

对于多数寡聚酶来说，除有可以结合底物的活性中心外，还有可以结合调节物的别构中心。二者处在酶分子的不同部位上。

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。酶分子侧链基团的化学修饰法

非特异性共价修饰特异性共价修饰亲和标记法动力学参数测定法X射线晶体结构分析法定点诱变法研究活性中心的主要方法

二、酶催化反应的独特性质

酶反应可分成两类，一类仅涉及到电子的转移，另一类涉及电子和质子或其它基团的转移。酶的催化作用由氨基酸侧链上的功能基团和辅酶为媒介。酶催化反应的最适pH范围通常十狭小。与底物相比较，酶分子很大，而活性部位通常只比底物稍大酶存在催化基团、结合基团。（一）邻近效应与定向效应（二）底物的形变和诱导契合（三）酸碱催化（四）共价催化（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三、影响酶催化效率的有关因素

（酶催化高效性的化学机制）

1.邻近效应（approximation,proximity)和定向效应（orientation)

影响酶催化效率的因素邻近效应：指两个反应的分子，它们反应的基团需要互相靠近,才能反应。

定向效应:指酶的催化基团与底物的反应基团之间的正确定向。

反应速率提高108倍邻近效应与定向排列对反应速度的影响：①使底物浓度在活性中心附近很高②酶使分子间反应转变成分子内反应③邻近效应和定向效应对底物起固定作用酶AB邻近、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，有利于提高反应速度； 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。

（二）底物的形变(distortion)和诱导契合(inducedfit)诱导契合：酶和底物结合时都发生形变，形成相互契合的酶-底物复合物。底物形变：酶中基团使底物基团电子云密度改变，使底物分子发生形变。2.底物的形变（distortion）和诱导契合（inducedfit）（过渡态类似物）酶与底物的结合，不仅酶分子发生构象变化，同样底物分子也会发生扭曲形变，酶使底物分子的某些敏感键的键能减弱，产生键扭曲，降低了反应活化能,易形成ES复合物。脯氨酸消旋酶的过渡态类似物与酶的亲和力远大于其底物，说明酶可以引起底物的形变。

3、酸碱催化（acid-basecatalysis）

通过瞬时的向反应物提供质子（作为酸）或从反应物夺取质子（作为碱）来达到加速反应的一类催化（广义酸碱催化）。蛋白质中起酸或碱催化的功能基团有氨基、羧基、咪唑基、巯基和酚羟基。

酸碱催化(acid—basecatalysis)专一性（狭义）酸碱催化总酸碱催化或广义酸碱催化表观速度常数依赖于pH和溶液浓度。

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。影响酸碱催化反应速度的两种因素：（1）酸或碱的强度（pK）；（2）质子传递的速度。

His的咪唑基最活跃：

pK约6.0；传递质子的速度十分迅速。（四）共价催化（covalentcatalysis）

又称亲核催化或亲电子催化，催化时，亲核催化剂或亲电子催化剂分别放出电子或汲取电子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，降低活化能，从而使反应加速。共价催化

亲电子催化

亲核催化酶与底物形成共价键的3个例子，其共同特点是酶的亲核中心X进攻底物的亲电中心。

Lewis的酸碱电子理论：酸是可以接受电子对的物质，而碱则是可以提供电子对的物质，前者是亲电物质，后者是亲核物质。共价催化又称亲核或亲电子催化。实际上也是酸碱催化。Ser-OH—CH2—S··：H—CH2—O··HCys-SH—CH2—C=CHHNNCH：His-咪唑基亲核基团亲电基团磷酰基酰基羰基五、金属离子催化

金属酶含紧密结合的金属离子。金属激活酶含松散结合的金属离子。金属离子的作用主要有：

1.与结合底物为反应定向；

2.参与氧化还原反应；

3.稳定或屏蔽负电荷；

4.活化水分子；

5.与过渡态底物形成螯合物。六、多元催化和协同效应

酶的活性部位一般都含有多个起催化作用的基团，这些基团在空间上有特殊的排列和取向，可以通过协同的方式作用于底物，从而提高底物的反应速率。一种酶的催化作用常常是多种催化机制的综合作用，这是酶具有高效性重要原因。七、活性部位微环境的影响

（七）活性部位微环境的影响第四节酶催化反应机制的实例一、溶菌酶

(lysozyme)溶菌酶的结构溶菌酶的结构

白色为Glu35和Asp52溶菌酶与底物的相互作用五、酶活性的调节控制酶活性的调节（快速调节）酶含量的调节（缓慢调节）

调节方式酶活性的调节控制酶活性的调节方式

酶量的调节（调节基因的表达）

酶活性结构的调节

别构调节共价修饰调节酶原激活调节蛋白因子的调节

变构酶变构效应剂(allostericeffector)变构激活剂变构抑制剂

变构调节(allostericregulation)

变构酶(allostericenzyme)

变构部位(allostericsite)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，此种调节方式称变构调节。

别构酶的结构特点和性质：（1）已知的别构酶都是寡聚酶，通过次级键结合

（2）具有活性中心和别构中心（调节中心），活性中心和别构中心处在不同的亚基上或同一亚基的不同部位上。

（3）多数别构酶不止一个活性中心，活性中心间有同位效应，底物就是调节物；有的别构酶不止一个别构中心，可以接受不同的代谢物的调节。

别构酶有协同效应，故其S对v的动力学曲线不是双曲线而是S形曲线别构酶的性质别构酶常为多个亚基构成的寡聚体，具有协同效应

(一)别构调控(allosteriregulation)

1.别构酶的性质

别构酶均为寡聚酶，除活性部位外，还有可以同效应物（调节物）结合的调节部位。别构酶的调控方式有四类：（1）正协同效应：酶的一个亚基与底物结合后，其他亚基与底物的结合能力加强，v-[S]曲线为S形。（2）负协同效应：酶的一个亚基与底物结合后，其他亚基与底物的结合能力减弱，v-[S]曲线为平坦的双曲线。可用Rs([S]90%Vm/[S]10%Vm)来定量地区分三种酶：Rs等于81为米氏酶，大于81则有正协同效应，小于81为负协同效应。更常用的是Hill系数法，以log(v/(Vm-v))对log[S]作图，曲线的最大斜率为Hill系数，米氏酶等于1，正协同酶大于1，负协同小于1。（3）别构抑制作用使酶的反应速度降低，正协同效应加强。（4）别构激活作用使酶的反应速度加快，正协同效应减弱。别构激活别构抑制别构酶的Ｓ形曲线[S]V无别构效应剂别构酶的模型

1、对称或协同模型（symmetryorconcertedmodel,也称齐变模型、MWC模型）该模型的要点:由数目确定的亚基组成寡聚酶，每个亚基对一种配体只有一个结合位点酶种亚基只有两种构象，蛋白分子对称性始终不变

2、序变模型（sequentialmodel，也称KNF模型）1966年由Koshland、Nemethy和Filmer提出。该模型最适用于非底物调节1、大肠杆菌天冬氨酸转氨甲酰酶（E-Coli

aspartatetranscarbamylase,ATCase）

同促效应（homotropiceffect）：底物分子本身对别构酶的调节作用。异促效应（homotropiceffect）：非底物分子的调节物对别构酶的调节作用。（1）ATCase催化的化学反应是嘧啶核苷酸生物合成多酶体系反应序列中的第一个酶。其正常底物为天冬氨酸及氨甲酰磷酸。嘧啶途径的终产物嘧啶核苷酸（CTP)能反馈抑制ATCase。（2）ATCase的动力学曲线

ATCase的别构效应，ATP是激活剂而CTP是抑制剂失去调节活性（3）ATCase活性调节的机理有催化活性的构象无催化活性的构象Twoviewsoftheregulatoryenzymeaspartatetranscarbamoylase.Thisallostericregulatoryenzymehastwostackedcatalyticclusters,eachwiththreecatalyticpolypeptidechains(inshadesofblueandpurple),andthreeregulatoryclusters,eachwithtworegulatorypolypeptidechains(inredandyellow).Theregulatoryclustersformthepointsofatrianglesurroundingthecatalyticsubunits.Bindingsitesforallostericmodulatorsareontheregulatorysubunits.Modulatorbindingproduceslargechangesinenzymeconformationandactivity.Theroleofthisenzymeinnucleotidesynthesis.（一）变构酶通过变构调节酶的活性变构激活剂变构抑制剂变构调节

(allostericregulation)变构酶(allostericenzyme)代谢物与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。变构部位(allostericsite)变构效应剂(allostericeffector)变构酶的S形曲线几个名词：一、调节酶实现对酶促反应速率的快速调节（二）酶原与酶原的激活酶原(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。(二)酶原激活胰凝乳蛋白酶原的激活胰凝乳蛋白酶原：是胰凝乳蛋白酶的非活性前体胰蛋白酶原的激活胰蛋白酶原肠激酶胰蛋白酶酶活性中心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2.凝血机制12中蛋白质凝血因子有7种是丝氨酸蛋白酶Thecascadeofactivationstepsleadingtobloodclotting.TheintrinsicandextrinsicpathwaysconvergeatFactorX,andthefinalcommonpathwayinvolvestheactivationofthrombinanditsconversionoffibrinogenintofibrin,whichaggregatesintoorderedfilamentousarraysthatecrosslinkedtoformtheclot.

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

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。（三）酶原的激活使无活性的酶原转变成有催化活性的酶举例酶原、酶原激活及酶原激活的本质酶原激活的意义某些酶原的激活（二）酶的化学修饰调节是通过某些化学基团与酶的共价结合与分离实现的举例：何谓共价修饰(covalentmodification)？共价修饰的类型：共价修饰的特点：（三）酶的共价修饰调节共价修饰(covalentmodification)在其他酶的催化作用下，某些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－S－S互变可逆的共价修饰(reversiblecovalentmodification)

共价修饰包括:磷酸化、腺苷酰化、尿苷酰化、ADP-糖基化、甲基化等。磷酸化存在普遍，有非常重要的生理意义，主要以P-O键或P-N键连接。蛋白质的磷酸化主要由蛋白激酶催化，常见的蛋白激酶有蛋白激酶A（PKA），蛋白激酶C（PKC），磷酸化酶激酶（phK），蛋白酪氨酸激酶（PTK）等。DRegulationofglycogenphosphorylaseactivitybycovalentmodification.Inthemoreactiveformoftheenzyme,phosphorylasea,specificSerresidues,oneoneachsubunit,arephosphorylated.Phosphorylaseaisconvertedtothelessactivephosphorylasebbyenzymaticlossofthesephosphorylgroups,promotedbyphosphorylasephosphatase.Phosphorylasebcanbereconverted(reactivated)tophosphorylaseabytheactionofphosphorylasekinase.磷酸化酶a有活性磷酸化酶b无活性磷酸化酶的激酶磷酸化酶的磷酸酶最常见的共价修饰是酶的一个特定的丝氨酸残基的磷酸化。分解代谢途径中的酶通常是受磷酸化作用激活，通过脱磷酸化作用而失活，合成代谢途径中的大多数酶经磷酸化作用失活，脱磷酸化作用使其恢复活性。六、同工酶（isoenzymeorisozyme）

（一）同工酶的概念

*定义同工酶(isoenzyme)是指催化相同的化学反应，而酶蛋白的分子结构理化性质乃至免疫学性质不同的一组酶。形成的机制：不同的亚基组成，或由不同的基因编码。在不同的发育时期或不同的组织类型中表达。HHHHHHHMHHMMHMMMMMMMLDH1

(H4)LDH2(H3M)LDH3(H2M2)LDH4(HM3)LDH5

(M4)乳酸脱氢酶的同工酶*举例：乳酸脱氢酶(LDH1～

LDH5)，由两种不同的亚基M（肌肉型）和H(心肌型）型组成2、功能

催化的反应

乳酸丙酮酸

LDH5骨骼肌:乳酸

丙酮酸

心肌:LDH1（二）乳酸脱氢酶（lactatedehydrogenase,LDH）

1、组成和电泳行为

HHHH(LDH1)HHHM(LDH2)HHMM(LDH3