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1、1第七章第七章酶的作用机制和酶的调理2一.酶活性部位的特点1.只占酶分子总体积相当小的部分(1%-2%);2.是一个三维实体;3.经过诱导契合的动态过程构成;4.是位于酶分子外表的一个裂痕内(疏水区域),底物有效浓度高;5.底物经过次级键较弱地力结合到酶上;6.具有柔性或可运动性.第一节 酶作用的机制3二二. .酶催化反响的独特性质酶催化反响的独特性质1.酶反响大部分反响涉及电子和质子或其他基团的转移(速率108s-1),另有反响仅涉及电子的转移(速率103s-1);2.酶的催化作用是由氨基酸侧链上的功能基团和辅酶为媒介的,主要的是His,Ser,Cys,Lys,Glu,Asp的侧链直接参与反
2、响;3.酶催化反响的最适pH范围通常很狭小;4.与底物相比,酶分子很大;5.生物酶特有的有利条件,使上述反响进展更有利: (1)活性部位存在一个以上的催化基团,可进展协同催化; (2)存在结合部位,底物分子结合在活性部位附近; (3)存在一个以上的底物分子结合部位,可催化多底物反响; (4)底物与酶结合,使底物分子中的键产生张力,有利于过度态复合物的构成.4 三.与酶催化高效率有关的要素(一)底物和酶的临近效应和定向效应： 临近效应是在酶促反响中，底物分子结合到酶的活性中心，底物在酶活性中心的有效浓度大大添加，有利于提高反响速度； 酶和底物复合物的构成是把分子间的反响变为分子内的反响的过程,底
3、物分子中参与反响的基团相互接近，并被严厉定向定位。定向效应指反响物的反响基团之间、酶的催化基团与底物反响基团之间的正确取位产生的效应,使酶促反响具有高效率。 科学家以为,假设临近效应和定向效应的促进作用分别到达提高反响速率104倍,临近效应加定向效应共同作用使反响速率升高108倍,这与酶提高催化效率计算数据很相近.(二) 底物的“形变 和诱导契合： 当酶遇到专注性底物时,酶中某些基团或离子使底物分子内敏感键中的某些基团的电子云密度增高或降低,产生“张力,使敏感键的一端更加敏感,底物分子发生“形变 ,底物接近过度态,降低了反响活化能,使反响易于发生.如溶菌酶与底物结合引起D-糖环构象由椅式变为半
4、椅式等例子,均为X射线晶体构造分析证明.5 (三)酸碱催化： 是经过瞬时的向反响物提供质子或从反响物接受质子 以稳定过度态,加速反响的机制. 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-碱催化反响普通都是广义的酸碱催化方式.是指向反响物提供质子,或是从反响物接受质子的作用，到达降低反响活化能。 酶活性部位上的某些基团可以作为良好的质子供体或受体对底物进展酸碱催化。在很多酶的活性部位存在酸碱催化功能基,如氨基,羧基,巯基,酚羟基和咪唑基,它们能在近中性pH的范围,作为催化性的质子供体或受体. 这类反响有:羧基的加成反响,酮基和烯醇的互变异构,肽和酯的水解,磷酸和焦磷酸参与的反
5、响. 酸碱催化可提高反响速率102-105.His 残基的咪唑基是酶的酸碱催化作用中最活泼的一个催化功能团。 广义酸基团广义酸基团 广义碱基团广义碱基团 质子供体质子供体 质子受体质子受体6(四)共价催化 (亲核催化或亲电子催化)催化剂经过与底物构成反响活性很高的共价过渡产物，使反响活化能降低，从而提高反响速度的过程，称为共价催化。在催化时,亲核催化剂或亲电子催化剂能分别放出电子或汲取电子,作用于底物的缺电中心或负电中心,迅速构成不稳定的中间复合物,降低反响活化能,使反响加速.酶中参与共价催化的基团主要包括 His 的咪唑基，Cys 的巯基，Asp 的羧基，Ser 的羟基等。某些辅酶，如焦磷酸
6、硫胺素和磷酸吡哆醛等也可以参与共价催化作用。7(五)金属离子催化(六)多元催化和协同效应 如亲核催化和酸碱催化共同作用.(七)活性部位微环境 活性部位位于疏水环境的裂痕中. 由于在非极性环境中的介电常数比水的介电常数低,在非极性环境中的两个带电基团之间的静电作用比在极性环境中中显著提高.疏水的微环境有利于酶的催化作用. 8 第二节第二节 酶活性的调理控制和调理酶酶活性的调理控制和调理酶( (一一) )别构调控别构酶调理别构调控别构酶调理 特点特点: :1 1别构酶除了有活性中心外，还有别构中心；别构酶除了有活性中心外，还有别构中心； 2 2该酶可在其分子内、不同的空间位置该酶可在其分子内、不同
7、的空间位置 上的特定位点具有传送改动构象信息的才干；上的特定位点具有传送改动构象信息的才干； 3 3酶的特殊构造具有在不同外界环境条件时，酶的特殊构造具有在不同外界环境条件时， 作出选择，以到达对代谢过程的调理控制。作出选择，以到达对代谢过程的调理控制。 9别构酶的构造特征：别构酶的构造特征： 1知的别构酶几乎都是寡聚酶，由知的别构酶几乎都是寡聚酶，由2个以上的亚基个以上的亚基 组装而成，具有四级构造，分子较组装而成，具有四级构造，分子较大，经常表现出大，经常表现出 单体酶没有的特殊性质；单体酶没有的特殊性质；2普通有两个亚基，催化亚基有活普通有两个亚基，催化亚基有活性中心，决议反响性中心，决
8、议反响 的快慢，该酶可在几秒可使酶活力改的快慢，该酶可在几秒可使酶活力改动，属快速调动，属快速调 节，是代谢过程关键步骤中发扬关键节，是代谢过程关键步骤中发扬关键作用的关键酶。作用的关键酶。 3别构酶在某些物质如调理物别构酶在某些物质如调理物的作用下，构象改的作用下，构象改 变，活力也发生变化，这种景象称变，活力也发生变化，这种景象称别构效应。别构效应。别构酶不遵照米氏方程。别构酶不遵照米氏方程。10别构酶的性质别构酶有和底物结合的活性部位，又有和调理物或效应物结合的调理部位调理部位与活性部位虽然在空间上是分开的，但可相互影响，经过构相的变化，产生协同效应可发生在底物底物之间，调理物底物之间，
9、调理物调理物之间，可以是正协同，或负协同11别构酶动力学别构酶动力学别构酶动力学曲线别构酶动力学曲线:正协同效应是正协同效应是S形曲线形曲线 别构酶与非别构酶动力学曲线的比较12协同指数协同指数( (饱和比值饱和比值saturation ratio Rs)saturation ratio Rs)协同指数可以鉴别不同的协同和协同程度 位点被90%饱和时的底物浓度 1Rs= = 81 n 位点被10%饱和时的底物浓度 n代表协同系数(Hill系数), 常用n判别酶属于哪一种类型.典型的米氏酶Rs=81 ,即符合米氏方程的酶n=1. 具有正协同效应的酶n1; 具有负协同效应的酶n1.13别构酶举例：
10、天冬氨酸转氨甲酰酶，简称ATCase14 在在E.coliE.coli中，中，ATCaseATCase催化嘧啶核苷酸生物合成的第一个关键催化嘧啶核苷酸生物合成的第一个关键的反响，是由氨甲酰磷酸和天冬氨酸生成氨甲酰天冬氨酸。的反响，是由氨甲酰磷酸和天冬氨酸生成氨甲酰天冬氨酸。ATCaseATCase的一个最有效的抑制剂是代谢途径的终产物胞嘧啶三磷酸的一个最有效的抑制剂是代谢途径的终产物胞嘧啶三磷酸CTPCTP。 ATP ATP是嘌呤核苷酸合成途径的终产物，是是嘌呤核苷酸合成途径的终产物，是ATCaseATCase的激活剂，的激活剂， ATPATP对对ATCaseATCase的激活作用能够是加强嘧
11、啶核苷酸的生成以便使核酸的激活作用能够是加强嘧啶核苷酸的生成以便使核酸合成所需求的两种类型的核苷酸的供应到达平衡。合成所需求的两种类型的核苷酸的供应到达平衡。 ATCase ATCase催化反响中，速度对天冬氨酸浓度作图得到的是催化反响中，速度对天冬氨酸浓度作图得到的是S S型曲型曲线。线。 CTP CTP和和ATPATP都影响底物天冬氨酸的结合。都影响底物天冬氨酸的结合。CTPCTP使酶对天冬氨酸使酶对天冬氨酸的的KmKm值明显增大，但并没有改动值明显增大，但并没有改动VmaxVmax，所以，所以CTPCTP是一个竞争性抑制是一个竞争性抑制剂，它结合在活性部位以外的部位。剂，它结合在活性部位
12、以外的部位。 ATP ATP的存在使得的存在使得S S型曲线向双曲线漂移，降低了底物对酶结合型曲线向双曲线漂移，降低了底物对酶结合的协同性。的协同性。15 (二)酶原激活的调理酶原：没有活性的酶的前体。酶原的激活：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 的过程称为酶原的激活。本质：酶原的激活本质上是酶活性部位构成或暴露 的过程。16 同功酶同功酶同功酶：能催化同一化学反响的一类酶。活性中心类似或一样：催化同一化学反响。分子构造不同：理化性质和免疫学性质不同。17 要点归纳要点归纳 1. 酶酶是是生生物物催催化化剂。酶酶的的显著著特特点点是是催催化化效效率率高高，具具
13、有有底底物物和和反反响响的的特特异异性性，以以及及可可调理理性性。除除了了某某些些RNA之之外外，绝大大部部分分酶酶是是蛋蛋白白质，或或是是带有有辅助助因因子子的的蛋蛋白白质。酶酶可可以以按按照照它它们催催化化的的反反响响类型型分分为六六大大类：脱脱氢酶酶、转移移酶酶、水水解解酶酶、裂裂解解酶酶、异异构构酶酶和合成和合成酶酶。 2. 比比活活是是每每毫毫克克酶酶蛋蛋白白所所具具有有的的酶酶活活力力单位位数数，比比活活测定定是是酶酶纯化的化的监测目的，目的，对同一种同一种酶酶来来说，比活越高，比活越高，酶酶的的纯度越高。度越高。 3. 酶酶和和其其他他催催化化剂一一样，可可以以经过降降低低反反响
14、响的的活活化化能能来来提提高高反反响速度，使反响快速到达平衡点，但响速度，使反响快速到达平衡点，但酶酶不能改不能改动平衡点。平衡点。 18 4. 酶酶活活性性部部位位是是一一个个具具有有三三维构构造造的的疏疏水水裂裂隙隙，除除了了含含有有疏疏水水性性氨氨基基酸酸残残基基，还含含有有少少量量的的极极性性氨氨基基酸酸残残基基，极极性性氨氨基基酸酸经常常参参与与酶酶的的催催化化反反响响。酶酶活活性性部部位位的的可可离离子子化化和和可可反反响响的的氨氨基基酸酸残基构成残基构成酶酶的催化中心。的催化中心。 5. 酶酶催催化化的的两两个个主主要要方方式式是是酸酸碱碱催催化化和和共共价价催催化化。在在酸酸碱
15、碱催催化化中中，活活性性部部位位的的弱弱酸酸给出出质子子，而而碱碱接接纳质子子，质子子转移移可可以以促促进反反响响进展展；在在共共价价催催化化中中，底底物物或或底底物物中中的的质子子与与酶酶共共价价结合合构成反响的中构成反响的中间产物。物。 6. 酶酶促促反反响响速速度度的的提提高高很很大大程程度度上上依依赖于于底底物物与与酶酶的的结合合。底底物物接接近近和和定定向向于于酶酶的的活活性性部部位位，使使得得活活性性部部位位的的反反响响物物浓度度急急剧增增高高，将将大大大大加加速速酶酶促促反反响响的的速速度度。底底物物诱导酶酶结合合，一一旦旦酶酶结合合底底物物后后又又使使底底物物变形形，当当底底物
16、物到到达达过渡渡态时，酶酶对底底物物的的亲和和力最大，使反响活化能降低，容易将底物力最大，使反响活化能降低，容易将底物转化化为产物。物。 19 9. 酶酶促反响速度受抑制促反响速度受抑制剂的影响。的影响。酶酶抑制抑制剂可分可分为可逆和不可可逆和不可逆抑制逆抑制剂。可逆抑制。可逆抑制剂与与酶酶非共价非共价结合，可逆抑制包括合，可逆抑制包括竞争性抑制争性抑制Km添加，而添加，而Vmax不不变、非、非竞争性抑制争性抑制Vmax减少，减少，Km不不变；不可逆抑制；不可逆抑制剂与与酶酶活性部位的功能基活性部位的功能基团共价共价结合。利用不可逆合。利用不可逆抑制抑制剂处置置酶酶，有能，有能够获得活性部位氨
17、基酸残基的信息和解得活性部位氨基酸残基的信息和解释酶酶催催化的机制。化的机制。 10. 酶酶促反响受促反响受pH和温度的影响，大多数和温度的影响，大多数酶酶都存在一个最适都存在一个最适pH和和最适温度，但最适最适温度，但最适pH和最适温度都不是和最适温度都不是酶酶的特征常数。在最适的特征常数。在最适pH和最适温度下和最适温度下酶酶促反响具有最大反响速度，大多数促反响具有最大反响速度，大多数酶酶的反响速度的反响速度-pH以及反响速度以及反响速度-温度曲温度曲线是是钟形曲形曲线。 20 11. 许多多蛋蛋白白酶酶都都是是以以酶酶原原方方式式合合成成的的，在在适适宜宜的的条条件件下下酶酶原原经过有有
18、选择的蛋白水解被激活，的蛋白水解被激活，这一一过程称程称为酶酶原激活。原激活。 12. 某某些些酶酶是是调理理细胞胞内内代代谢速速度度的的关关键酶酶。在在反反响响抑抑制制中中，途途径径的的终产物物往往往往抑抑制制该途途径径的的第第一一个个酶酶。别构构酶酶的的调理理酶酶的的活活性性遭遭到到特特殊殊的的调理理剂调理理，调理理剂可可逆逆地地结合合在在别构构酶酶的的调理理部部位位经常常是是底底物物结合合部部位位以以外外的的部部位位。调理理剂可可以以是是抑抑制制剂或或激激活活剂；调理理剂也可以是底物本身或其他代也可以是底物本身或其他代谢物。物。 21 13. 别构构酶酶普普通通都都是是寡寡聚聚酶酶。别构构酶酶表表现出出的的动力力学学曲曲线是是S形形。其其他他调理理酶酶的的活活性性也也可可以以经过共共价价修修饰调理理，常常见的的共共价价修修饰是是酶酶的的磷磷酸酸化化。磷磷酸酸化化常常发生生在在酶酶活活性性部部位位的的丝氨氨酸酸、苏氨酸和酪氨酸残基氨酸和酪氨酸残基侧链上。上。 14. 某某些些器器官官或或组织含含有有催催化化同同一一化化学学反反响响而而化化学学组成成不不同同的一的一组蛋白蛋白质，称之，称之为同功同功酶酶。
