酶的作用机制和酶的调

酶的作用机制和酶的调第一节酶的活性部位及其结构特点

第二节酶催化反应的特性

第三节影响酶催化效率的因素

第四节酶活性的调节控制

第五节同工酶

第2页,共54页，2024年2月25日，星期天活性部位（活性中心）：指酶分子中直接与底物结合，并与酶催化作用直接有关的部位。第一节酶的活性部位及其结构特点活性部位结合部位：负责与底物的结合，决定酶的专一性。催化部位：负责催化底物键的断裂，形成新键，决定酶的催化能力。第3页,共54页，2024年2月25日，星期天（1）酶活性中心的组成：由一些氨基酸残基的侧链基团组成。对于结合酶，辅因子常常是活性中心的组成部分。这些基团在一级结构上可能相距很远，甚至可能不在一条肽链上，但在蛋白质空间结构上彼此靠近，形成具有一定空间结构的区域。第4页,共54页，2024年2月25日，星期天第5页,共54页，2024年2月25日，星期天（2）酶活性中心的特点2.酶的活性部位是一个三维实体。活性部位的AA在一级结构上可能相距甚远，甚至位于不同的肽链上。3.酶的活性部位并不是与底物的形状正好互补，而是在酶与底物结合的过程中，底物分子或酶分子（或同时）的构象发生变化才互补的，这个动态的过程称为诱导契合。

1.活性中心在酶分子总体积中只占相当小的部分（约1%

2%），相当于2

3个氨基酸残基。第6页,共54页，2024年2月25日，星期天5.底物与酶通过形成较弱键力的次级键相互作用并结合到酶的活性中心。6.酶活性部位具有柔性（或运动性）。

4.酶的活性是位于酶分子表面的一个裂缝内，底物分子（或一部分）结合到裂缝内并发生催化作用。裂缝内是相当疏水的区域。第7页,共54页，2024年2月25日，星期天一．酶反应可分成两类：反应仅仅涉及到电子的转移反应涉及到电子和质子两者或其它基团的转移（大部分反应属于该类型）二．酶的催化作用是由AA侧链上的功能基团和辅酶为媒介的。主要有：His、Ser、Cys、Lys、Glu、Asp。辅酶或金属离子与酶协同在一起发挥作用，提供更多种类的功能基团。三．酶催化反应的最适pH范围通常是狭小的。第二节酶催化反应的特性第8页,共54页，2024年2月25日，星期天四．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。

五.酶除了具有进行催化反应所必需的活性基团外，还有别的特性：1．在活性部位存在1个以上的催化基团，能进行协同催化；2．存在结合部位，因此底物分子可以以反应中固有的方位结合在活性部位附近；3.在2个或2个以上底物分子参加的反应中，存在1个以上的底物结合部位；4.有时，底物以某种方式结合到酶分子上，使底物分子中的键产生张力，从而有利于过渡态复合物的形成。第9页,共54页，2024年2月25日，星期天

当底物与酶相遇时，可诱导酶活性中心的构象发生相应的变化，其上有关的各个基团达到正确的排列和定向，因而使底物和酶能完全契合。当反应结束，产物从酶分子上脱落下来后，酶的活性中心又恢复成原来的构象。第三节影响酶催化效率的因素第10页,共54页，2024年2月25日，星期天

酶促反应使分子间反应变为分子内反应，使反应速率大大提高。这一过程包括两种效应：邻近效应和定向效应。

(1)邻近效应和定向效应邻近效应：酶与底物结合形成ES后，使底物之间由于酶的催化基团与底物结合于同一分子上而使有效浓度极大地提高，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和酶的催化基团与底物的反应基团之间的正确取位产生的效应。这种正确定向取位在游离反应中几率很低，但在变成分子内的反应后则高得多。在双分子反应中，这两种效应的促进作用分别可达104倍，共同的促进作用可达108倍。第11页,共54页，2024年2月25日，星期天(2)底物的形变和诱导契合：

底物与酶结合酶分子构象变化底物分子的敏感键

产生“张力”和“形变”敏感键断裂诱导有利于第12页,共54页，2024年2月25日，星期天

(3)酸碱催化酶活性部位上的某些基团可以作为质子供体(或质子受体)对底物进行酸或碱催化——

酸碱催化在酶的活性中心上，有些基团是质子供体（酸催化基团），可以向底物分子提供质子，称为（酸催化）有些催化基团是质子受体（碱催化基团），可以从底物分子上接受质子，称为（碱催化）第13页,共54页，2024年2月25日，星期天有时，酶活性部位上有几个基团分别作为质子的供体和受体，同时进行酸碱催化——酸碱共同催化如：His的咪唑基在中性条件下，有一半是酸形式、一半是碱形式。因此既可进行酸催化，又可进行碱催化。所以咪唑基是酶分子最有效、最活泼的一个功能基团。第14页,共54页，2024年2月25日，星期天在体内的酶反应以总酸碱催化为主（因生理条件的H+和OH-浓度很低）。在很多酶的活性部位存在几种参与总酸碱催化作用的功能基，如：-NH3、-COOH、-SH、酚羟基及咪唑基，它们在近中性的pH范围内作为质子的供体或受体。总酸或总碱的催化可提高反应速率102—105倍。酸碱催化专一的酸碱催化（狭义的酸碱催化）：在水溶液中通过高反应性的H+和OH—

进行的催化。总酸碱催化（广义的酸碱催化）：通过H+和OH-

以及能提供H+和OH-

的供体进行的催化。第15页,共54页，2024年2月25日，星期天影响酸碱催化速率的因素有两个：（1）酸或碱的强度（pK值）；（2）质子传递的速率；如：咪唑基接受和供出质子的速率十分迅速，其半衰期<10-10s。所以，在很多蛋白质中的His含量虽少，却很重要。它在进行过程中，可能不是作为一般的结构蛋白成分，而是被选择作为酶分子中的催化结构而保留下来。第16页,共54页，2024年2月25日，星期天第17页,共54页，2024年2月25日，星期天

(4)共价催化

某些酶在催化反应时，本身能放出或吸取电子并作用于底物的缺电子或负电子中心，并与底物形成共价连结的共价中间物，使反应活化能大大降低。

按照酶对底物所攻击的基团的不同，该催化方式又分为亲核催化（nucleophiliccatalysis）和亲电子催化（cetecrophiliccatalysis）。

第18页,共54页，2024年2月25日，星期天亲核催化——是指酶攻击底物的基团是富电子的，这些基团首先攻击底物的亲电子基团（亦称缺电子基团）而形成酶—底物的共价复合物。亲电催化——酶的缺电子基团攻击底物分子上富电子基团而形成酶—底物共价中间产物。在酶的共价催化中，亲核催化较为常见。酶蛋白上最常见的3种亲核基团：Ser的-OH、Cys的-SH、His的咪唑基。底物中典型的亲电中心：磷酰基、酰基和糖基。第19页,共54页，2024年2月25日，星期天胰凝乳蛋白酶（chymotrypsin）第20页,共54页，2024年2月25日，星期天(5)金属离子催化：

近1/3的酶催化活性需要金属离子，根据金属离子与蛋白质作用强度可将需要金属的酶分为2类：金属酶：含紧密结合的金属离子，多是过渡金属离子，如：Fe2+、Fe3+、Cu2+、Zn2+、Mn2+、Co3+。金属—激活酶：含松散结合的金属离子，常为碱或碱土金属离子，如：Na+、K+、Mg2+、Ca2+。1．需要金属的酶分类：通过结合底物为反应定向；通过可逆地改变金属离子的氧化态调节氧化还原反应；通过静电稳定或屏蔽负电荷；2．金属离子以3种主要途径参加催化过程：第21页,共54页，2024年2月25日，星期天多元催化和协同效应：在酶催化反应中，常常是几个基元催化反应配合在一起作用。活性部位微环境的影响：活性部位常是疏水环境，因为介电常数低，带电基团之间的静电作用比较显著。上述因素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都起作用。第22页,共54页，2024年2月25日，星期天

有些酶的分子表面除了活性中心外，还具有重要的功能部位——调节中心调节中心可以与小分子的代谢物相结合，使酶分子的构象发生改变，从而影响酶的活性。这种作用叫别构效应(又叫变构效应)；具有别构效应的酶叫别构酶，引起别构的小分子物质叫别构剂(效应物、调节物)。第四节酶活性的调节控制

一．别构调控：第23页,共54页，2024年2月25日，星期天Sequentialfeedbackinhibition第24页,共54页，2024年2月25日，星期天正效应物（别构激活剂）：因别构导致酶活性增加的物质。负效应物（别构抑制剂）：因别构导致酶活性降低的物质。第25页,共54页，2024年2月25日，星期天别构酶（变构酶）——一些含有2个或2个以上亚基的寡聚酶，在变构酶分子上，别构效应剂的调节部位一般远离活性中心，但活性部位与调节部位之间或者活性部位之间，存在着相互作用（别构效应，协同效应）。调节物与酶分子的调节部位结合之后，引起酶分子构象发生变化，从而提高或降低活性部位的酶活性。第26页,共54页，2024年2月25日，星期天第27页,共54页，2024年2月25日，星期天别构酶的特点：变构酶分子上除了活性中心外，还有调节中心。这两个中心处在酶蛋白的不同部位，有的在不同的亚基上，有的在同一亚基上。变构酶的v-[S]的关系不符合米氏方程，所以其曲线不是双曲线型。已知的变构酶都是寡聚酶。第28页,共54页，2024年2月25日，星期天

[S]a:米氏酶b:别构酶（正协同）

c:别构酶（负协同）

c别构酶与非调节酶动力学曲线的比较abv第29页,共54页，2024年2月25日，星期天

由于别构酶不符合米氏方程，因而被别构酶催化反应达到最大反应速率一半时的底物浓度用[S]0.5或K0.5代替。第30页,共54页，2024年2月25日，星期天为了区分米氏酶，用协同指数（CI）来鉴别不同的协同作用及程度。协同指数（CI）：酶分子中的结合位点被底物饱和90%和饱和10%时底物浓度的比值。（也称为饱和比值（Rs））。位点被90%饱和时的底物浓度Rs==811/n

位点被10%饱和时的底物浓度n：协同系数（Hill系数）第31页,共54页，2024年2月25日，星期天米氏酶的Rs=81；正协同的别构酶的Rs<81，Rs越小，正协同诳应越显著；负协同的别构酶的Rs>81，Rs越大，负协同效应越显著。也常用Hill系数（n）来判断酶属于哪一种类型。米氏酶的n=1；正协同的酶的n>1；负协同的酶的n<1。第32页,共54页，2024年2月25日，星期天别构效应的生理意义：酶对底物量的变化十分敏感。对米氏酶而言，[S]90％Vm/[S]10％Vm＝81，意思是[S]提高了81倍，v才提高9倍，说明酶对[S]的变化很迟钝。对于一般的别构酶而言，[S]90％Vm/[S]10％Vm＝3，意思是[S]只要提高了3倍，v就能提高9倍，说明酶对[S]的变化很敏感。第33页,共54页，2024年2月25日，星期天第34页,共54页，2024年2月25日，星期天3．K型效应物和V型效应物：K型效应物：凡是改变底物的K0.5而不改变反应Vmax的效应物。第35页,共54页，2024年2月25日，星期天V型效应物：凡是改变反应的Vmax而不改变底物K0.5的效应物。第36页,共54页，2024年2月25日，星期天4．别构经加热或化学试剂处理，或引起别构酶解离，失去调节活性，称之为脱敏作用。脱敏后的酶表现为米氏酶的动力学双曲线。

第37页,共54页，2024年2月25日，星期天三．别构模型：1．协同模型（对称模型、WMC模型）：别构酶是由确定数目的亚基组成的寡聚酶，各亚基点有相等的地位，每个别构酶都有一个对称轴。每个亚基对一种配体只有一个结合位点。每种亚基有两种构象状态：（A）松弛型构象（R型）：有利于结合底物或调节物；（B）紧张型构象（T型）：不利于底物或调节物的结合。它们在三级和四级结构及催化活力上都不同。两种状态可以事业互变，这取决于外蚧条件和亚基间的相互作用。构象的转变是同步的（齐变式的），不存在TR杂合态。当蛋白质由一种构象态转变为另一构象态时，分子对称性保持不变，因此称之为对称模型。第38页,共54页，2024年2月25日，星期天2．序变模型（KNF模型）：当配体不存在时，别构酶只有一种构象状态（T态），而不是处于R、T的平衡状态，只有当配体与之结合后才诱导T态向R态转变。别构酶的构象是以序变方式进行的。存在各种TR型杂合态。亚基间的相互作用可能是正协同效应，也可能是负协同效应，前者导致下一亚基对配体有更大的亲和力，后者降低亲和力。非底物调节的效应，用序变模式说明较好。该模型可适用于大多数别构酶。第39页,共54页，2024年2月25日，星期天第40页,共54页，2024年2月25日，星期天氨甲酰磷酸天冬氨酸三磷酸胞苷氨甲酰天冬氨酸1.天冬氨酸转氨甲酰酶，简称ATCase四．别构酶实例：第41页,共54页，2024年2月25日，星期天+ATP+CTP第42页,共54页，2024年2月25日，星期天

E.coli的ATCase的亚基排列3r2+2c3r6c6第43页,共54页，2024年2月25日，星期天第44页,共54页，2024年2月25日，星期天磷酸化腺苷酰化尿苷酰化糖基化甲基化五．可逆的共价修饰：第45页,共54页，2024年2月25日，星期天（一）磷酸化和去磷酸化：

1.蛋白质的磷酸化和去磷酸化：由蛋白激酶催化的把ATP或GTP的γ位磷酸基转移到底物蛋白质的AA上的过程。其逆过程是去磷酸化（由蛋白磷酸酶催化）在生理条件下，几乎所有的蛋白激酶都以ATP为磷酸基的供体，且都需要Mg2+，其功能是ATP被利用前首先要与Mg2+形成ATP-Mg2+复合物。根据被磷酸化的AA分类：（1）Thr、Ser、Tyr、Asp、Glu的P—O键连接；（2）Lys、Arg、His的P—N键连接。第46页,共54页，2024年2月25日，星期天被磷酸化的AA附近的AA组成和顺序常是激酶识别的区域蛋白质的高级结构也对激酶的识别产生很大影响。第47页,共54页，2024年2月25日，星期天Regulationofglycogenphosphorylaseactivity第48页,共54页，2024年2月25日，星期天2．蛋白激酶：蛋白激