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1、第10章 酶的作用机制和酶的调节,酶的活性部位,活性部位是酶结合和催化底物的场所。活性部位通常分为结合部位和催化部位。 酶活性部位中与底物结合的部位或区域一般称为结合部位，它决定酶的专一性。 酶分子中促使底物发生化学变化的部位称为催化部位，催化部位决定酶的催化能力以及酶所催化反应的性质。,酶活性部位的特点,1、活性部位在酶分子整个体积中只占很小的一部分。 2、活性部位是一个三维结构。 3、活性部位具有结合底物的专一性（诱导契合），酶活性部位具有柔性或可运动性。 4、酶的活性部位是酶分子上的一个裂隙或裂缝。 5、底物通过较弱的键结合到酶分子上形成酶和底物的复合物（ES）。 6、活性部位对酶的整体
2、构象具有依赖性。,1。酶分子侧链基团的化学修饰法 2。动力学参数测定法 3。定点诱变法 4。X射线晶体结构分析法,研究酶活性部位的方法,酶催化反应的独特性质,酶催化位点的氨基酸残基： 赖氨酸、精氨酸 天冬氨酸、谷氨酸 丝氨酸、酪氨酸、半胱氨酸、组氨酸 参与催化的辅因子： 转氨酶的磷酸吡哆醛 细胞色素氧化酶的铁卟啉,影响酶催化效率的有关因素,底物和酶的邻近效应与定向效应 底物的形变和诱导契合 酸碱催化 共价催化 金属离子催化 活性部位微环境的影响 多元催化和协同效应,底物和酶的邻近效应与定向效应,邻近效应（approximation, proximity） 酶与底物结合形成中间复合物以后，使底物
3、和底物之间，酶的催化基团与底物之间结合于同一分子而使有效浓度得以极大地提高，从而使反应速率大大增加的一种效应。,底物和酶的邻近效应与定向效应,定向效应（orientation） 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。 反应基团正确定向取位通过限制反应基团的自由度，拉近反应基团之间的距离，调整反应基团之间的角度，使反应基团更有效地相互作用，从而提高了反应速率。,底物的形变和诱导契合,当酶遇到其专一性底物时，酶中某些基团或离子可以使底物分子中围绕其敏感键发生形变（distortion），底物比较接近它的过渡态，降低了反应活化能，使反应容易发生。,酶与底物结合时
4、，酶分子和底物分子都发生形变，从而形成一个互相契合的酶底物复合物，进一步转换成过渡态，增加了酶促反应速率。 在酶催化的反应中，与酶的活性中心形成复合物的实际上是底物形成的过渡状态。 所以，酶与底物过渡状态的亲和力要大于酶与底物或产物的亲和力。,底物的形变和诱导契合,酸碱催化是通过向反应物提供质子或从反应物接受质子以促进过渡态的形成以及稳定过渡态，加速反应的一类催化机制。 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。 酶的酸碱催化功能由酶活性部位的一些功能基团来完成，这些功能基团包括Glu、Asp残基的羧基，Lys、Arg的氨基，Ser的羟基，H
5、is的咪唑基等。,酸碱催化,共价催化,催化剂通过与底物形成不稳定的共价中间复合物，使反应活化能降低，从而提高反应速度的机制，称为共价催化。 共价催化剂包括亲核催化剂与亲电催化剂。在催化时，亲核催化剂能提供电子并作用于底物的缺电子中心，亲电子催化剂能汲取电子并作用于底物的负电中心。 酶中参与共价催化的基团主要包括组氨酸的咪唑基，半胱氨酸的巯基，天冬氨酸的羧基，丝氨酸的羟基等。它们一般作为亲核试剂攻击底物的缺电子中心，形成共价中间复合物。,金属离子的催化作用,1。提高水的亲核性能 2。电荷屏蔽作用 3。电子传递中间体 4。通过结合底物为反应定向 5。通过可逆地改变金属离子的氧化态调节氧化还原反应,
6、在酶催化反应中，通常几个基元催化反应配合在一起共同起作用，例如酸碱催化和共价催化可以配合在一起产生作用。 酶的活性部位，一般都含有多个起催化作用的基团，这些基团在空间有特殊的排列和取向，可以以协同的方式作用于底物，从而提高底物的反应速率。,多元催化和协同效应,胰凝乳蛋白酶催化反应机制,Essential residues for activity: Asp 102 His 57 Ser 195,催化三联体 （catalytic triad） 电荷中继网 （charge relay network）,胰凝乳蛋白酶催化反应机制,别构相互作用,酶分子与底物或非底物效应物可逆地非共价结合后发生构象的改
7、变，进而改变酶活性状态，称为酶的别构调控。 别构调控可分为同促别构调控与异促别构调控，同促别构调控中，酶的活性部位和调节部位是相同的，效应物是底物；异促别构调控中，酶的活性部位和调节部位是不同的，效应物是非底物分子。,ATCase的别构调控,别构酶底物浓度对反应速率的动力学曲线不是双曲线，是S型曲线。,同促效应（homotropic effect）： 底物分子本身对别构酶的调节作用。,底物,ATCase的别构调控,CTP 是酶的抑制剂 ATP 是酶的激活剂 异促效应（heterotropic effect）：非底物分子的调节物对别构酶的调节作用。,ATCase的别构调控,CTP,ATP,ATC
8、ase的别构调控,1。别构酶的结构基础寡聚酶结构。 2。酶的某个活性部位结合底物后，构象改变的信息在酶分子中进行传递，最终产生效应，影响酶的总活性状态。多肽链之间的界面作为分子开关起关键作用。 4。非底物效应物通过引起酶构象的变化最终影响酶的总活性状态。,酶别构调控的一般机理,在酶水平对代谢进行调节,酶别构调控的意义,酶原的激活,酶原（zymogens ）：在生物体内被合成的，不具有催化活性的酶的前体。 酶原激活：在蛋白酶的专一作用下，酶原构象发生改变，形成酶的活性部位，变成有活力的酶的活化过程。,酶原的激活,酶原激活的例子： 胰凝乳蛋白酶原的激活，一级结构的变化导致三维空间结构的变化。 凝血
9、机理，蛋白酶参与的“级联”放大。,可逆的共价修饰,由其它的酶对共价调节酶进行可逆共价修饰，使其在活性形式和非活性形式之间相互转变，从而调节酶活性。 蛋白质的磷酸化是一种重要的可逆的共价修饰形式，指由蛋白激酶催化的把ATP或GTP 位磷酸基转移到底物蛋白质氨基酸残基上的过程，其逆过程是由蛋白磷酸酶催化的，称为蛋白质的脱磷酸化。 在信号传递体系中，通过各级蛋白激酶介导的激活反应，构成了级联式放大反应的主体。,同工酶,同工酶（isozymes）：能催化同一种化学反应，但酶蛋白本身的分子结构组成、理化性质和免疫性能等方面有所不同的一组酶。 同工酶专指受基因决定的酶的不同分子形式。 例如：乳酸脱氢酶的5种同工酶在不同组织和器官中有特定的分步规律，执行不同的功能。,许多酶的调控作用是各种调控作用的组合。,酶的调控,
