第第二单元单元 酶酶第第8 8章章 酶通论酶通论第第9 9章章 酶促反应动力学酶促反应动力学第第1010章章 酶的作用机制和酶的调节酶的作用机制和酶的调节 第第10章章 酶的作用机制和酶的调节酶的作用机制和酶的调节一、酶的活性部位一、酶的活性部位(P(P384384) )二、酶催化反应的独特性质二、酶催化反应的独特性质(P(P387387) )三、影响酶催化效率的有关因素三、影响酶催化效率的有关因素(P(P388388) )四、酶催化反应机制的实例四、酶催化反应机制的实例(P(P394394) )五、酶活性的调节控制五、酶活性的调节控制(P(P413413) )六、同工酶六、同工酶(P(P428428) ) 一一、、酶的活性部位酶的活性部位概述概述( (一一) )酶活性部位的特点酶活性部位的特点( (二二) )研究酶活性部位的方法研究酶活性部位的方法 概概 述述酶分子表现催化活性的关键部位是酶的酶分子表现催化活性的关键部位是酶的活性中心活性中心（（active centeractive center）或活性部位（）或活性部位（active siteactive site）），，是是指酶分子中与底物结合并起催化反应的空间部位。
指酶分子中与底物结合并起催化反应的空间部位活性部位由活性部位由2 2部分组成：部分组成：①①结合部位：与底物结合的部位，它决定酶的专一性结合部位：与底物结合的部位，它决定酶的专一性②②催化部位：催化底物转化为产物的部位，它决定酶反催化部位：催化底物转化为产物的部位，它决定酶反 应的性质应的性质 酶的活性部位是由少数几个氨基酸组成，这几酶的活性部位是由少数几个氨基酸组成，这几个氨基酸个氨基酸可能位于同一条肽链上，也可能位于不同可能位于同一条肽链上，也可能位于不同的肽链上，的肽链上，因此，酶的活性中心是一个三维的结构因此，酶的活性中心是一个三维的结构 这些活性中心的氨基酸残基这些活性中心的氨基酸残基在一级结构上可能在一级结构上可能相距很远相距很远，但通过多肽链的盘绕折叠，，但通过多肽链的盘绕折叠，在空间结构在空间结构上都处于十分邻近上都处于十分邻近的位置 酶酶的的活活性性中中心心示示意意图图 front viewside view 胃蛋白酶原胃蛋白酶原在在pH5.0pH5.0以下断裂以下断裂胃蛋白胃蛋白酶酶切去切去4444个氨基酸片个氨基酸片断断 溶菌酶溶菌酶 必需基团必需基团 酶的活性中心往往只是包括酶蛋白的几个氨基酸残酶的活性中心往往只是包括酶蛋白的几个氨基酸残基，而对于活性中心以外的氨基酸残基，并非是可有可无基，而对于活性中心以外的氨基酸残基，并非是可有可无的，有些氨基酸残基也是酶表现催化活性所必需的，称为的，有些氨基酸残基也是酶表现催化活性所必需的，称为必需基团必需基团。
因此酶的活性中心属于必需基团的一部分，必因此酶的活性中心属于必需基团的一部分，必需基团还包括其它一些对酶活性必需的氨基酸残基需基团还包括其它一些对酶活性必需的氨基酸残基 （一）（一）酶活性部位的特点酶活性部位的特点1 1、活性部位在酶分子的总体中只占相当小的部分活性部位在酶分子的总体中只占相当小的部分2 2、酶的活性部位是一个三维实体酶的活性部位是一个三维实体3 3、酶的活性部位并不是和底物的形状正好互补的，而、酶的活性部位并不是和底物的形状正好互补的，而 是在酶和底物结合的过程中，底物分子或酶分子是在酶和底物结合的过程中，底物分子或酶分子, , 有时是二者构象同时发生变化后才互补的有时是二者构象同时发生变化后才互补的 （诱导（诱导 契合学说）契合学说）4 4、酶的活性部位位于酶分子表面的一个裂缝内，底物、酶的活性部位位于酶分子表面的一个裂缝内，底物 分子结合到裂缝内并发生催化作用分子结合到裂缝内并发生催化作用5 5、底物通过次级键较弱的的力结合到酶上底物通过次级键较弱的的力结合到酶上6 6、酶活性部位具有柔性或可运动性酶活性部位具有柔性或可运动性。
（二）（二）研究酶活性部位的方法研究酶活性部位的方法1 1、酶分子侧链基团的化学修饰法酶分子侧链基团的化学修饰法2 2、动力学参数测定法动力学参数测定法 活性部位的氨基酸残基解离状态与酶的活性直接有活性部位的氨基酸残基解离状态与酶的活性直接有 关，可测其动力学参数关，可测其动力学参数3 3、、X X射线晶体结构分析法射线晶体结构分析法4 4、定点诱变法、定点诱变法 改变编码蛋白质基因改变编码蛋白质基因DNADNA的顺序，研究活性部位的氨的顺序，研究活性部位的氨 基酸 二二、、酶催化反应的独特性质酶催化反应的独特性质1 1、酶的反应可分为两类：一类仅涉及到电子的转移；、酶的反应可分为两类：一类仅涉及到电子的转移；另另一类涉及到质子和电子两者或其他基团的转移一类涉及到质子和电子两者或其他基团的转移大部分反大部分反应属第二类应属第二类2 2、酶的催化作用是由活性中心的氨基酸侧链基团和辅酶、酶的催化作用是由活性中心的氨基酸侧链基团和辅酶共同完成的共同完成的3 3、酶催化反应的最适、酶催化反应的最适pHpH范围通常是狭小的。
范围通常是狭小的4 4、与底物相比，酶分子往往很大，但活性部位通常只比、与底物相比，酶分子往往很大，但活性部位通常只比底物稍微大一些底物稍微大一些 二二、、酶催化反应的独特性质酶催化反应的独特性质5 5、酶除了有进行催化反应所必需的活性部位以外，还有其、酶除了有进行催化反应所必需的活性部位以外，还有其他一些特性，使反应更有利的进行通过以下他一些特性，使反应更有利的进行通过以下4 4点完成：点完成： ① ①在活性部位存在在活性部位存在1 1个以上催化基团，能进行协同催化；个以上催化基团，能进行协同催化； ② ②存在结合部位，与底物具有互补识别功能；存在结合部位，与底物具有互补识别功能； ③ ③多底物时，存在多个结合部位；多底物时，存在多个结合部位； ④ ④酶与底物结合使底物分子中的键产生张力，有利于形酶与底物结合使底物分子中的键产生张力，有利于形成成ESES复合物 三三、、影响酶催化效率的有关因素影响酶催化效率的有关因素( (一一) )底物和酶的邻近效应底物和酶的邻近效应(approximation(approximation，，proximity)proximity) 与定向效应与定向效应(orientation)(orientation)（二）底物的形变（二）底物的形变(distortion)(distortion)和诱导契合和诱导契合(induced fit)(induced fit)( (三三) )酸碱催化酸碱催化(acid-base catalysis)(acid-base catalysis)( (四四) )共价催化共价催化(covalent catalysis)(covalent catalysis)( (五五) )金属离子催化金属离子催化( (六六) )多元催化和协同效应多元催化和协同效应( (七七) )活性部位微环境的影响活性部位微环境的影响 (一一)底物和酶的邻近效应底物和酶的邻近效应(approximation proximity) 与定向效应与定向效应(orientation) 酶和底物复合物的的形成过程既是专一性的识别过程酶和底物复合物的的形成过程既是专一性的识别过程, ,更更重要的是分子间反应变成分子内反应的过程。
重要的是分子间反应变成分子内反应的过程邻近效应：邻近效应：是指酶与底物结合形成中间复合物后，使底物是指酶与底物结合形成中间复合物后，使底物和底物之间（双分子反应），酶的催化基团与底物之间结和底物之间（双分子反应），酶的催化基团与底物之间结合有严格的定向，使有效浓度得以极大的升高，从而使反合有严格的定向，使有效浓度得以极大的升高，从而使反应速率大大增加的一种效应应速率大大增加的一种效应定向效应定向效应：：反应物的反应基团之间以及酶的催化基团与底反应物的反应基团之间以及酶的催化基团与底物之间的正确取位产生的效应物之间的正确取位产生的效应 （二）（二）底物的形变底物的形变(distortion)和和 诱导契合诱导契合(induced fit)诱导契合诱导契合 “张力张力”与与“形变形变” 底物与酶的结合，不仅诱导酶分子发生构象变化底物与酶的结合，不仅诱导酶分子发生构象变化, , 同样底同样底物分子也会发生扭曲变形物分子也会发生扭曲变形, ,使底物分子的敏感键产生使底物分子的敏感键产生“张力张力”, , 甚甚至至“形变形变”，某些键的键能减弱，某些键的键能减弱, , 从而促进酶从而促进酶- -底物中间产物进底物中间产物进入入过渡态（降低了反应活化能）。
过渡态（降低了反应活化能） (三三)酸碱催化酸碱催化(acid-base catalysis)酸碱催化酸碱催化是酶通过瞬时地向底物是酶通过瞬时地向底物提供或接受质子提供或接受质子以形成稳定过渡态，以形成稳定过渡态，加速反应的一类催化机制加速反应的一类催化机制 在水溶液中通过高反应性的在水溶液中通过高反应性的质子和氢氧离子质子和氢氧离子进行的催化称为进行的催化称为专一专一的酸碱催化的酸碱催化或或狭义的酸碱催化狭义的酸碱催化 通过通过H+和和OH-以及能提供以及能提供H+和和OH-的供体进行的催化称为的供体进行的催化称为总酸碱催总酸碱催化化或或广义的酸碱催化广义的酸碱催化 广义酸基团广义酸基团 （质子供体）（质子供体） 广义碱基团（质子受体）广义碱基团（质子受体） (四四)共价催化共价催化(covalent catalysis) 共价催化又称共价催化又称亲核催化或亲电子催化亲核催化或亲电子催化, ,在催在催化时化时, ,亲核催化剂或亲电子催化剂能亲核催化剂或亲电子催化剂能分别放出电子分别放出电子或汲取电子或汲取电子并作用于底物的缺电子中心或负电中并作用于底物的缺电子中心或负电中心心, ,迅速迅速形成不稳定的共价中间复合物形成不稳定的共价中间复合物, ,降低反应降低反应活化能活化能, ,使反应加速。
使反应加速 (五五)金属离子催化金属离子催化1 1、需要金属的酶分类、需要金属的酶分类（（1 1）金属酶）金属酶含紧密结合的金属离子，多属于过渡金含紧密结合的金属离子，多属于过渡金属离子如，属离子如，FeFe2+2+、、FeFe3+3+、、CuCu2+2+、、ZnZn2+2+、、MnMn2+2+或或CoCo3+3+2 2）金属）金属- -激活酶激活酶含松散结合的金属离子，通常为碱和碱含松散结合的金属离子，通常为碱和碱土金属离子，如土金属离子，如NaNa+ +、、K K+ +、、MgMg2+2+或或CaCa2+2+ 2 2、金属离子以三种主要途径参加催化过程：、金属离子以三种主要途径参加催化过程：（（1 1）通过结合底物为反应定向）通过结合底物为反应定向（（2 2）通过可逆的改变金属离子的氧化态调节）通过可逆的改变金属离子的氧化态调节氧化还原反应氧化还原反应（（3 3）通过静电稳定或屏蔽负电荷）通过静电稳定或屏蔽负电荷( (五五) )金属离子催化金属离子催化 四四、、酶催化反应机制的实例酶催化反应机制的实例 ( (一一) )溶菌酶溶菌酶(Lysozyme) (Lysozyme) ( (二二) )胰核糖核酸酶胰核糖核酸酶A A (pancreatic ribonucleaseA (pancreatic ribonucleaseA，，RNase A)RNase A) ( (三三) )羧肽酶羧肽酶A(carboxypeptidase A)A(carboxypeptidase A) ( (四四) )丝氨酸蛋白酶丝氨酸蛋白酶(serine proteases)(serine proteases) ( (五五) )天冬氨酸蛋白酶天冬氨酸蛋白酶(aspartic proteases)(aspartic proteases) 举例－举例－溶菌酶（溶菌酶（lysozyme））1922年年Fleming在鼻黏液中发现一种具有溶解细菌能力的在鼻黏液中发现一种具有溶解细菌能力的酶，定名为溶菌酶。
随后又在鸡蛋清中发现了这种酶，是酶，定名为溶菌酶随后又在鸡蛋清中发现了这种酶，是自然界分布很广的一种酶自然界分布很广的一种酶酶分子特征：酶分子特征： 1条肽链条肽链 129 AA, 4个个-S-S-作用：水解细菌胞壁多糖作用：水解细菌胞壁多糖 N-乙酰氨基葡萄糖乙酰氨基葡萄糖 ——NAG 细菌胞壁多糖细菌胞壁多糖 N-乙酰氨基葡糖乳酸乙酰氨基葡糖乳酸——NAM 主要催化因素主要催化因素: ● Glu35 提供一质子对底物进行酸碱催化；提供一质子对底物进行酸碱催化； ● 酶使底物分子的糖环发生形变（椅式酶使底物分子的糖环发生形变（椅式→半椅式半椅式）） 由由129129个氨基酸构成的单链蛋白，含个氨基酸构成的单链蛋白，含4 4个二硫键催化水解个二硫键催化水解N-N-乙酰氨基葡萄糖乙酰氨基葡萄糖( (NAGNAG) )和和N-N-乙酰氨基葡糖乳酸（乙酰氨基葡糖乳酸（NAMNAM））之间的糖之间的糖苷键苷键 。
细胞壁多糖由细胞壁多糖由NAGNAG和和NAMNAM聚合而成聚合而成P 395 图图10 - 9 溶菌酶溶菌酶( (Lysozyme) ) 溶菌酶溶菌酶 (lysozyme) (lysozyme) ：： 从从 P P397397图图10-1310-13可见，可见， NAGNAG和和NAMNAM多聚糖链（虚线条）横穿溶菌酶分子多聚糖链（虚线条）横穿溶菌酶分子 溶菌酶和底物的溶菌酶和底物的复合物复合物见见P P397397图图10-1310-13 溶菌酶溶菌酶 P P396 396 图图10-1010-10 水解水解N-N-乙酰氨基葡萄糖乙酰氨基葡萄糖( (NAGNAG) )和和N-N-乙酰氨基葡糖乳酸（乙酰氨基葡糖乳酸（NAMNAM））之间的糖苷键之间的糖苷键 溶菌酶溶菌酶催化机理催化机理催化机理催化机理①① : : 酶使底物分子的酶使底物分子的糖环发生形变糖环发生形变（椅式（椅式→→半椅式）半椅式）催化机理催化机理②② : : Glu35 Glu35 提供质提供质子对底物进行酸子对底物进行酸碱催化；碱催化； (二二)胰核糖核酸酶胰核糖核酸酶A A 124个氨基酸构成个氨基酸构成HisHisLys His His1212, , Lys Lys4141, , His His119119作为活性作为活性部位在空部位在空间结构上间结构上靠近。
靠近见见P P401401图图10-2310-23 胰核糖核酸酶胰核糖核酸酶A A水解水解RNARNA的磷酸二酯键的磷酸二酯键 五五、、酶活性的调节控制酶活性的调节控制 ( (一一) ) 别构调控别构调控(allosteric regulation)(allosteric regulation) ( (二二) ) 酶原的激活酶原的激活 ( (三三) ) 可逆的共价修饰可逆的共价修饰 (reversible coralent modification) (reversible coralent modification) (一一) 别构调控别构调控(allosteric regulation) 某些化合物与酶分子的非催化部位可逆的非共价结合后，某些化合物与酶分子的非催化部位可逆的非共价结合后，使酶分子构象发生改变使酶分子构象发生改变,进而改变酶活性状态进而改变酶活性状态,称为酶的称为酶的别构别构调节调节具有这种调节作用的酶称为具有这种调节作用的酶称为别构酶别构酶凡能使酶分子凡能使酶分子发生别构效应的物质称为发生别构效应的物质称为效应物（效应物（effector）或别构剂，）或别构剂，通通常为小分子代谢物或辅因子。
因别构导致酶活性增加的物常为小分子代谢物或辅因子因别构导致酶活性增加的物质称为质称为正效应物或别构激活剂正效应物或别构激活剂，反之称为，反之称为负效应物或别构负效应物或别构抑制剂 （二）（二）酶原激活酶原激活 某些酶，特别是一些与消化作用有关的酶，在最某些酶，特别是一些与消化作用有关的酶，在最初合成和分泌时，没有催化活性这种没有活性的酶的初合成和分泌时，没有催化活性这种没有活性的酶的前体称为前体称为“酶原酶原”酶原在一定条件下经适当的物质作酶原在一定条件下经适当的物质作用可转变成有活性的酶酶原转变成酶的过程称为酶原用可转变成有活性的酶酶原转变成酶的过程称为酶原的激活 例：胰蛋白酶原和胰凝乳蛋白酶原的激活例：胰蛋白酶原和胰凝乳蛋白酶原的激活 （如图所示）（如图所示） 酶原激活酶原激活牛胰蛋白酶原牛胰蛋白酶原胰蛋白酶原激活示意图胰蛋白酶原激活示意图 赖赖缬缬天天天天天天天天甘甘异异赖赖缬缬天天天天天天天天缬缬组组丝丝S SS SS SS S4646183183甘甘异异缬缬组组丝丝S SS SS SS S肠激酶肠激酶肠激酶肠激酶胰蛋白酶原胰蛋白酶原胰蛋白酶原胰蛋白酶原活性中心活性中心活性中心活性中心胰胰蛋蛋白白酶酶原原的的激激活活过过程程胰蛋白酶胰蛋白酶胰蛋白酶胰蛋白酶 胰蛋白酶原的激活过程胰蛋白酶原的激活过程 胰凝乳蛋白酶原激活胰凝乳蛋白酶原激活胰凝乳蛋白酶原是胰凝乳蛋白酶原是245245个氨基酸组成的一个氨基酸组成的一条多肽链。
在激活过程中，从多肽链中条多肽链在激活过程中，从多肽链中切去切去2 2个二肽（个二肽（14-1514-15，，147-148147-148），形成），形成3 3个肽段，通过二硫键连接个肽段，通过二硫键连接 胰胰凝凝乳乳蛋蛋白白酶酶 活性中活性中心形成心形成胰凝乳蛋白酶原激活后胰凝乳蛋白酶原激活后 (三三) 可逆的共价修饰可逆的共价修饰 (reversible coralent modification) 这种调控作用通过共价调节酶进行这种调控作用通过共价调节酶进行 共价调节酶共价调节酶,这类酶以共价键与调节剂结合时，其活性这类酶以共价键与调节剂结合时，其活性会在活性与非活性形式之间相互转变，从而调节酶的活性会在活性与非活性形式之间相互转变，从而调节酶的活性这类调节剂多为磷酸根基团这类调节剂多为磷酸根基团 动物组织中的动物组织中的糖原磷酸化酶糖原磷酸化酶是典型的共价调节酶是典型的共价调节酶它具有它具有2种形式：磷酸化酶种形式：磷酸化酶a（活性）和磷酸化酶（活性）和磷酸化酶b（非活（非活性）这2种形式在其它酶的作用下通过加上磷酸根基团种形式在其它酶的作用下通过加上磷酸根基团或去除磷酸根基团而发生互相转变。
或去除磷酸根基团而发生互相转变 六六、、同工酶同工酶 同工酶同工酶是指能催化同一种化学反应，但其酶蛋白本身的是指能催化同一种化学反应，但其酶蛋白本身的分子结构组成不同的一组酶分子结构组成不同的一组酶 目前研究得较多的是乳酸脱氢酶（目前研究得较多的是乳酸脱氢酶（LDH）哺乳动物的）哺乳动物的LDH有有5种，催化共同的反应：种，催化共同的反应： 5种种LDH的组成不同，都由的组成不同，都由4个亚基构成这些亚基分为个亚基构成这些亚基分为2类：类：M型（骨骼肌型）和型（骨骼肌型）和H型（心肌型）因此型（心肌型）因此5种种LDH的的亚基组成为：亚基组成为：M4 、、M3H、、 M2H2 、、MH3、、H4如图所示）（如图所示） 5种同工酶虽然催化同一种化学反应，但其氨基酸组成种同工酶虽然催化同一种化学反应，但其氨基酸组成和顺序不同，电泳行为也不同和顺序不同，电泳行为也不同 临床意义临床意义心肌梗死和肝病病人血清心肌梗死和肝病病人血清LDHLDH同工酶谱的变化同工酶谱的变化1 1酶酶活活性性心肌梗死酶谱心肌梗死酶谱正常酶谱正常酶谱肝病酶谱肝病酶谱2 23 34 45 5 活性中心活性中心或或活性部位活性部位 S-SS-S活活性性中中心心外外必必 需需 基基 团团结合基团结合基团催化基团催化基团活活性性中中心心必必需需基基团团底物底物 肽链肽链活性中心活性中心酶活性中心示意图酶活性中心示意图 酶活性中心广义酸碱基团酶活性中心广义酸碱基团 氨基酸残基氨基酸残基广义酸的形式广义酸的形式（质子供体）（质子供体）广义碱的形式广义碱的形式（质子受体）（质子受体） 酶酶的的活活性性中中心心示示意意图图 一、一、 过渡态稳定作用过渡态稳定作用 反应总能量改变反应总能量改变 非催化反应活化能非催化反应活化能 酶促反应酶促反应 活化能活化能 一般催化剂催一般催化剂催化反应的活化能化反应的活化能 能能量量反反 应应 过过 程程 底物底物 产物产物 赖赖缬缬天天天天天天天天甘甘异异赖赖缬缬天天天天天天天天缬缬组组丝丝S SS SS SS S464618183 3甘甘异异缬缬组组丝丝S SS SS SS S肠激酶肠激酶肠激酶肠激酶胰蛋白酶原胰蛋白酶原胰蛋白酶原胰蛋白酶原活性中心活性中心活性中心活性中心胰胰蛋蛋白白酶酶原原的的激激活活过过程程胰蛋白酶胰蛋白酶胰蛋白酶胰蛋白酶 V V 初速度初速度初速度初速度 Vmax Vmax 最大速度最大速度最大速度最大速度 〔〔〔〔S S〕〕〕〕底物浓度底物浓度底物浓度底物浓度 Km Km 米氏常数米氏常数米氏常数米氏常数 E+S ES E+P k k1 1k k2 2k k3 3k k4 4 米氏方程的推导米氏方程的推导米氏方程的推导米氏方程的推导根据中间产物学说：根据中间产物学说：根据中间产物学说：根据中间产物学说： 临床意义临床意义心肌梗死和肝病病人血清心肌梗死和肝病病人血清LDHLDH同工酶谱的变化同工酶谱的变化1 1酶酶活活性性心肌梗死酶谱心肌梗死酶谱正常酶谱正常酶谱肝病酶谱肝病酶谱2 23 34 45 5 。