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1、七七 酶的作用机制和调节酶的作用机制和调节（一）（一）. 酶的活性中心（酶的活性中心（active center） 1、活性中心的概念、活性中心的概念 酶分子中直接与酶分子中直接与底物底物结合，结合，并和并和酶催化作用酶催化作用直接有关直接有关的区域叫酶的活性中心的区域叫酶的活性中心（active center）或活）或活性部位（性部位（active site)。 结合部位结合部位(Binding (Binding site)site)：酶分子中与底物：酶分子中与底物结合的部位或区域一般结合的部位或区域一般称为结合部位。称为结合部位。催化部位催化部位( (Catalytic site): ):
2、 酶分子中促使底物发酶分子中促使底物发生化学变化的部位称为催生化学变化的部位称为催化部位。化部位。l通常将酶的结合部位和催通常将酶的结合部位和催化部位总称为酶的活性部化部位总称为酶的活性部位或活性中心。位或活性中心。l结合部位决定酶的专一性，结合部位决定酶的专一性，l催化部位决定酶所催化反催化部位决定酶所催化反应的性质。应的性质。 一些酶活性中心的氨基酸残基一些酶活性中心的氨基酸残基 酶酶 残基总数残基总数 活活性中心残基性中心残基牛胰核糖核酸酶牛胰核糖核酸酶 124 His12, His119, Lys41溶菌酶溶菌酶 129 Asp52, Glu35牛胰凝乳蛋白酶牛胰凝乳蛋白酶 245 H
3、is57, Asp102,Ser195牛胰蛋白酶牛胰蛋白酶 238 His46, Asp90, Ser183木瓜蛋白酶木瓜蛋白酶 212 Cys25, His159 弹性蛋白酶弹性蛋白酶 240 His45, Asp93, Ser188枯草杆菌蛋白酶枯草杆菌蛋白酶 275 His46, Ser221碳酸酐酶碳酸酐酶 258 His93-Zn-His95 His117 调控部位调控部位(Regulatory site):(Regulatory site):酶分子中存在着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，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
4、化，对酶起激活或从而引起酶分子空间构象的变化，对酶起激活或抑制作用抑制作用酶表现酶表现催化活性催化活性不可不可缺少的基团。缺少的基团。 亲核性基团亲核性基团：丝氨酸：丝氨酸的羟基，半胱氨酸的的羟基，半胱氨酸的巯基和组氨酸的咪唑巯基和组氨酸的咪唑基。基。2. 2. 酶活性中心的必需基团酶活性中心的必需基团酸碱性基团酸碱性基团：天门：天门冬氨酸和谷氨酸的羧冬氨酸和谷氨酸的羧基，赖氨酸的氨基，基，赖氨酸的氨基，酪氨酸的酚羟基，组酪氨酸的酚羟基，组氨酸的咪唑基和半胱氨酸的咪唑基和半胱氨酸的巯基氨酸的巯基等。等。 结合基团结合基团-专一性专一性活性中心内必需基团活性中心内必需基团 催化基团催化基团-催化
5、能力催化能力活性中心外必需基团活性中心外必需基团活性中心内的必需基团活性中心内的必需基团结合基团结合基团( (binding group) )与底物相结合与底物相结合与底物相结合与底物相结合催化基团催化基团(catalytic group)催化底物转变成产物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。的空间构象所必需。活性中心外的必需基团活性中心外的必需基团3.酶活性中心的特点酶活性中心的特点n占酶分子的极小部分占酶分子的极小部分n酶活性部位是三维实酶活性部位是三维实体体n诱导契合诱导契合.构象改变构象改变n酶活性部位位于酶分酶
6、活性部位位于酶分子的一个裂缝内子的一个裂缝内n底物通过次级键与酶底物通过次级键与酶结合结合n活性部位具有柔性活性部位具有柔性酶的高效催化的结构(二二)、酶高效性的作用机理、酶高效性的作用机理1、底物和酶的邻近效应与定向效应、底物和酶的邻近效应与定向效应2、底物的形变与诱导契合、底物的形变与诱导契合3、酸碱催化、酸碱催化4、共价催化、共价催化5、活性中心金属离子、活性中心金属离子6、活性部位微环境的影响、活性部位微环境的影响1、底物和酶的邻近效应与定向效应、底物和酶的邻近效应与定向效应n邻近效应邻近效应：酶与底物形成中间复合物后使底：酶与底物形成中间复合物后使底物之间、酶的催化基团与底物之间相互
7、靠近，物之间、酶的催化基团与底物之间相互靠近，提高了反应基团的有效浓度。提高了反应基团的有效浓度。n定向效应定向效应：由于酶的构象作用，底物的反应：由于酶的构象作用，底物的反应基团之间、酶与底物的反应基团之间正确取向基团之间、酶与底物的反应基团之间正确取向的效应的效应.咪唑催化对硝基苯酯的水解，分子内反应比分子间反应快24倍。 邻羟基苯丙酸内脂的形成反应，两个甲基使羧基和羟基更好的定向，使反应速率提高2.51011酶把底物分子从溶液酶把底物分子从溶液中富集出来，使它们中富集出来，使它们固定在活性中心附近，固定在活性中心附近，反应基团相互邻近，反应基团相互邻近，同时使反应基团的分同时使反应基团的
8、分子轨道以正确方位相子轨道以正确方位相互交叠，反应易于发互交叠，反应易于发生。生。2、底物的形变与诱导契合、底物的形变与诱导契合酶与底物相互接近，结构相酶与底物相互接近，结构相互诱导、相互变形，进而相互诱导、相互变形，进而相互结合互结合酶的构象改变有利于与底物酶的构象改变有利于与底物的结合的结合底物在酶的诱导下发生变形，底物在酶的诱导下发生变形，处于过渡态，易受到催化基处于过渡态，易受到催化基团的攻击团的攻击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。 小牛小肠腺苷脱氨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、酸碱催化酸碱催化是通
9、过瞬时向反应物提供或接受质子以稳定过渡态，加速反应的一种催化机制。影响酸碱催化反应速度的因素影响酸碱催化反应速度的因素n酸碱强度酸碱强度(pK值）值） 组氨酸咪唑基的解离常数为组氨酸咪唑基的解离常数为6，在，在pH6附近给出附近给出质子和结合质子能力相同，是最活泼的催化基质子和结合质子能力相同，是最活泼的催化基团。团。n给出质子或结合质子的速度。咪唑基最快，给出质子或结合质子的速度。咪唑基最快，半寿期小于半寿期小于10-10秒。秒。4、共价催化、共价催化n酶部分残基侧链作为亲核基团或亲电基团，与酶部分残基侧链作为亲核基团或亲电基团，与底物形成一个反应活性很高的共价中间物。底物形成一个反应活性很
10、高的共价中间物。n酶亲核基团：酶亲核基团：Ser-OH，Cys-SH，His-N：n底物亲电中心：底物亲电中心：磷酰基（磷酰基（P=O）酰基（）酰基（C=O）糖基（糖基（Glu-C-OH）酶的亲核中心X未成键电子对进攻底物的亲电中心，形成共价结合，迅速形成不稳定的中间复合物，降低反应活化能，促进产物生成。5、活性中心金属离子的催化作用、活性中心金属离子的催化作用n金属酶（金属酶（metalloenzyme):含紧密结合的金属离子含紧密结合的金属离子Fe2+、Cu2+、Zn2+、Mn2+、Co3+n金属金属-激活酶（激活酶（metal-activated enzyme):含松散含松散结合的金属离
11、子结合的金属离子Na+、K+、Mg2+、Ca2+（1）通过结合底物为反应定向）通过结合底物为反应定向（2）通过自身价数的改变参加氧化还原反应）通过自身价数的改变参加氧化还原反应（3）屏蔽底物或酶活性中心的负电荷）屏蔽底物或酶活性中心的负电荷n多个基元催化反应结合催化6、多元催化和协同效应、多元催化和协同效应7、活性中心的微环境、活性中心的微环境 酶的活性中心周酶的活性中心周围的环境是一个围的环境是一个非极性非极性环境，即环境，即低介电环境，在低介电环境，在低的介电环境中低的介电环境中排斥水分子，酶排斥水分子，酶催化基团和底物催化基团和底物分子的敏感键之分子的敏感键之间有很大的反应间有很大的反应
12、力，有助于加速力，有助于加速酶促反应。酶促反应。八酶催化反应机制的实例八酶催化反应机制的实例n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力的酶，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。种酶，是自然界分布很广的一种酶。溶菌酶是第一个溶菌酶是第一个用用X-X-射线法阐明其全部结构和功能的酶。射线法阐明其全部结构和功能的酶。（）（）.溶菌酶的结构溶菌酶的结构溶菌酶相对分子量，溶菌酶相对分子量，由个氨基酸残基所组成由个氨基酸残基所组成四对二硫键。
13、活性中心的氨基酸残四对二硫键。活性中心的氨基酸残基是基是Glu35Glu35和和Asp52 Asp52 。 酶活性中心的酶活性中心的GluGlu3535处于非处于非极性区，其羧基呈不解离状态，极性区，其羧基呈不解离状态，而而AspAsp5252处于极性区，羧基呈解处于极性区，羧基呈解离状态。离状态。（）溶菌酶的底物N-乙酰氨基葡萄糖 (NAGNAG) N-乙酰氨基葡萄糖乳酸(NAMNAM) NAGNAG和和NAMNAM交替排列形成多交替排列形成多聚物，它们之间通过聚物，它们之间通过-1,4-1,4糖苷键相连。溶菌酶的最适糖苷键相连。溶菌酶的最适小分子底物为小分子底物为NAG-NAMNAG-NA
14、M交替形交替形成的六糖。成的六糖。（）溶菌酶与底物（）溶菌酶与底物复合物复合物 大多数大多数极性氨基酸极性氨基酸残残基分布在分子的表面，基分布在分子的表面，非极性氨基酸非极性氨基酸残基分残基分布在分子的内部。布在分子的内部。GluGlu3535和和AspAsp5252 是活性中是活性中心的氨基酸残基。心的氨基酸残基。底物底物D D糖环构象发生变化糖环构象发生变化 溶菌酶底物D糖环变形模型图 椅式：椅式：C5、C1、C2 和和 O不在同一平面不在同一平面 C5向前移动，向前移动， O原子向后移动原子向后移动半椅式：半椅式：C5、C1、C2 和和 O在同一平面上在同一平面上溶菌酶的活性中溶菌酶的活
15、性中心的氨基酸残基心的氨基酸残基与底物敏感键既与底物敏感键既靠近又定向。靠近又定向。GluGlu 3535C COOC C1 1C C4 4H HOOE EOOH H(NAG )(NAG )NAGNAGOOOO H HOOC COO- -AspAsp 5252AspAsp 5252- -C COOOOOONAGNAGD DH HOOE EOOH HC C4 4C C1 1OOC CGluGlu 3535- -H HOHOH- -+ +H H2 2OO+ +H H非极性区非极性区极性区极性区(NAG)(NAG)OO3 3 3 33 3 3 3a.a.GluGlu3535的羧基向底物的羧基向底物D
16、 D糖环和糖环和E E糖环之间的糖苷键上的氧糖环之间的糖苷键上的氧原子提供一个质子，氧原子与原子提供一个质子，氧原子与D D糖环糖环C C1 1的糖苷键断开，的糖苷键断开，b b.D.D糖环的糖环的C C1 1 带上正电荷成为带上正电荷成为正碳离子正碳离子。AspAsp5252上的上的-COO-COO- -起着协调糖苷键断裂和稳定正碳离子的作用。起着协调糖苷键断裂和稳定正碳离子的作用。D DGluGlu 3535C COOOOH HOOC C1 1H HOOH HD D(NAG)(NAG)3 3OOC COO- -AspAsp 5252 最后，来自环境中的水分子上的最后，来自环境中的水分子上的
17、H H+ +与与GluGlu3535的的- -COOCOO- -结合，水分子上的结合，水分子上的HOHO- -与正碳离子结合，至此，与正碳离子结合，至此，一次反应完成，细胞壁打开一个缺口。经多次重一次反应完成，细胞壁打开一个缺口。经多次重复作用，细菌的细胞壁溶解。复作用，细菌的细胞壁溶解。（）溶菌酶的作用机制（）溶菌酶的作用机制 靠近与定向靠近与定向 底物形变底物形变 酸碱催化酸碱催化九、酶活性的调节控制和调节酶九、酶活性的调节控制和调节酶n1、别构效应的调控别构效应的调控n2、酶原的激活、酶原的激活n3、共价调节、共价调节调节对象：关键酶调节对象：关键酶调节方式：调节酶浓度调节方式：调节酶浓
18、度 调节酶活性调节酶活性一般位于代谢途径的起始或分支处；一般位于代谢途径的起始或分支处；催化单向不可逆反应；催化单向不可逆反应；活性较低，活性最低者又称为限速酶；活性较低，活性最低者又称为限速酶；是可调节酶。是可调节酶。关键酶（关键酶（Key enzyme)Key enzyme)可以通过改变其催化活性而使整个代谢反可以通过改变其催化活性而使整个代谢反应的速度或方向发生改变的酶，称为应的速度或方向发生改变的酶，称为限速限速酶酶或或关键酶关键酶。1、别构调控与别构酶、别构调控与别构酶n别构酶又称为变构酶，指酶分子的非催化部位与某别构酶又称为变构酶，指酶分子的非催化部位与某些化合物可逆地非共价结合后
19、，引起酶的构象的改些化合物可逆地非共价结合后，引起酶的构象的改变，进而改变酶的活性状态，酶的这种调节作用称变，进而改变酶的活性状态，酶的这种调节作用称为别构调节为别构调节 (allosteric regulation)。n具有变构调节的酶称别构酶具有变构调节的酶称别构酶(allosteric enzyme)。n凡能使酶分子发生别构作用的物质称为别构剂凡能使酶分子发生别构作用的物质称为别构剂(effector)。（1）概念）概念(2)别构酶别构酶n别构酶一般是多亚基构成别构酶一般是多亚基构成的聚合体，一些亚基为催的聚合体，一些亚基为催化亚基，另一些亚基为调化亚基，另一些亚基为调节亚基。节亚基。n
20、当调节亚基或调节部位与当调节亚基或调节部位与变构剂结合后，就可导致变构剂结合后，就可导致酶的空间构象发生改变，酶的空间构象发生改变，从而导致酶的催化活性中从而导致酶的催化活性中心的构象发生改变而致酶心的构象发生改变而致酶活性的改变。活性的改变。(3)协同效应协同效应n当当变变构构酶酶的的一一个个亚亚基基与与其其配配体体（底底物物或或变变构构剂剂）结结合合后后，能能够够通通过过改改变变相相邻邻亚亚基基的的构构象象而而使使其其对对配配体体的的亲亲和和力力发发生生改改变变，这这种种效效应应就就称称为为变变构构酶酶的的协同效应协同效应。n如如果果对对相相邻邻亚亚基基的的影影响响是是导导致致其其对对配配
21、体体的的亲亲和和力力增增加加，则则称称为为正正协协同同效效应应；反反之之，则则称称为为负负协协同同效应效应。(4)别构酶的结构特点和性质别构酶的结构特点和性质n已知的别构酶都是寡聚酶，通过次级键结合。已知的别构酶都是寡聚酶，通过次级键结合。n具有活性中心和调节中心，活性中心和调节中具有活性中心和调节中心，活性中心和调节中心处在不同的亚基上或同一亚基的不同部位上。心处在不同的亚基上或同一亚基的不同部位上。n调节物多为小分子调节物多为小分子n调节部位多为代谢途径的第一步或交汇点调节部位多为代谢途径的第一步或交汇点n动力学特点：动力学特点：不遵循米氏方程不遵循米氏方程，动力学曲线是，动力学曲线是S型
22、或表观双曲线型或表观双曲线n稳定特性：室温稳定，稳定特性：室温稳定，0不稳定不稳定p别构酶与非调节酶动力学曲线的比较p别构酶举例：天冬氨酸转氨甲酰酶，简称别构酶举例：天冬氨酸转氨甲酰酶，简称ATCase2.酶原的激活酶原的激活n 没有活性的酶的前体称为酶原。没有活性的酶的前体称为酶原。n 酶原转变成有活性的酶的过程称为酶原酶原转变成有活性的酶的过程称为酶原 的激的激活活.该过程实质上是酶活性部位形成和暴露的该过程实质上是酶活性部位形成和暴露的过程。过程。n具有不可逆性。具有不可逆性。 消化系统中的酶（胰蛋白酶，胰凝乳蛋白酶，胃蛋消化系统中的酶（胰蛋白酶，胰凝乳蛋白酶，胃蛋白酶）白酶）n酶原激活
23、的生理意义酶原激活的生理意义na. 保护组织器官本身免受酶的水解破坏；保护组织器官本身免受酶的水解破坏；nb. 保证酶在特定时空发挥催化作用；保证酶在特定时空发挥催化作用；nc. 酶原可视作酶的储存形式。酶原可视作酶的储存形式。酶原的激活的生理意义酶原的激活的生理意义（1）胰蛋白酶原的激活）胰蛋白酶原的激活胰蛋白酶对各种胰脏蛋白酶原的激活胰蛋白酶对各种胰脏蛋白酶原的激活 概念：概念：共价调节酶通过其它酶对其多肽链上某些基团共价调节酶通过其它酶对其多肽链上某些基团进行可逆的共价修饰，使其处于活性与非活性的状态，进行可逆的共价修饰，使其处于活性与非活性的状态，从而起到调节酶的作用，称为可逆的共价调
24、节。从而起到调节酶的作用，称为可逆的共价调节。 特点特点：共价修饰酶通常有活性与非活性两种形式，两种：共价修饰酶通常有活性与非活性两种形式，两种形式之间转换的正、逆反应是由不同的酶催化产生。形式之间转换的正、逆反应是由不同的酶催化产生。 种类种类：磷酸化磷酸化、腺苷酰化、尿苷酰化、腺苷酰化、尿苷酰化、ADP-糖基化、糖基化、甲基化等甲基化等3、可逆的共价修饰、可逆的共价修饰蛋白质的磷酸化主要由蛋白激酶催化蛋白质的磷酸化主要由蛋白激酶催化磷酸化主要以磷酸化主要以P-O键或键或P-N键连接键连接磷酸化腺苷酰化尿苷酰化ADP糖基化甲基化蛋白质的磷酸化蛋白质的磷酸化蛋白质NTPNDPPiH2O蛋白质-
25、Pi蛋白激酶蛋白磷酸酶（1）Thr、Ser、Tyr、Asp、Glu P-O键结合（2）Lys、Arg、His P-N蛋白激酶有一定的底物特异性，识别特定的氨基酸序列（保守序列）（2）蛋白激酶）蛋白激酶n底物被磷酸化的氨基酸残基底物被磷酸化的氨基酸残基nSer/ThrnTyrn调节物调节物n信使依赖性信使依赖性n非信使依赖性非信使依赖性蛋白酶A（Krebs)糖代谢调节酶磷酸化酶激酶使酶活化使酶活化磷酸化磷酸化增加活增加活性性磷酸化磷酸化降低活降低活性性4.同工酶同工酶(isoenzyme)n同工酶同工酶(isoenzyme)是指催化的化学反应相同，是指催化的化学反应相同，酶蛋白的分子组成形式、理
26、化性质和免疫学性酶蛋白的分子组成形式、理化性质和免疫学性质不同的一组酶。质不同的一组酶。n这类酶存在于生物的同一种属或同一个体的不这类酶存在于生物的同一种属或同一个体的不同组织、甚至同一组织或细胞中同组织、甚至同一组织或细胞中.H HH HH HH HH HH HH H MMH HH HMMMMH HMMMMMMMMMMMMMMLDHLDH1 1 (H(H4 4) )LDHLDH2 2(H(H3 3M)M) LDH LDH3 3(H(H2 2MM2 2) )LDHLDH4 4(HM(HM3 3) )LDHLDH5 5 (M(M4 4) )乳酸脱氢酶的同工酶乳酸脱氢酶的同工酶* * 举例：举例：
27、举例：举例：乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶(LDH(LDH1 1 LDHLDH5 5) )乳酸脱氢酶同工酶形成示意图乳酸脱氢酶同工酶形成示意图多肽多肽亚基亚基mRNA四聚体四聚体结构基因结构基因a b乳酸脱氢酶同乳酸脱氢酶同工酶电泳图谱工酶电泳图谱+H4MH3M2H2M3HM4点样线点样线生理意义生理意义 在代谢调节上起着在代谢调节上起着重要的作用；重要的作用； 同工酶谱的改变有同工酶谱的改变有助于对疾病的诊断；助于对疾病的诊断； 同工酶可以作为遗同工酶可以作为遗传标志，用于遗传分析传标志，用于遗传分析研究。研究。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基本要求1.掌握酶活性部位的概念。2.掌握酶催化反应机制和实例。3.掌握影响酶催化效率的有关因素。4.掌握别构酶、酶原激活和共价修饰酶。
