第十章 酶的作用机制和酶的调节
酶的作用机制和酶的调节
酶的活性部位
与催化作用相关的结构特点
• 活性中心：酶分子中直接和底物结合并起催化 反应的空间局限（部位）。
• 结合部位(Binding site)： 酶分子中与底物结合的部位 或区域一般称为结合部位。
胰核糖核酸酶A
胰核糖核酸酶A
胰核糖核酸酶 A
胰 核 糖 核 酸 酶
A
羧肽酶A
丝氨酸蛋白酶族
消化作用的丝氨酸蛋白酶
• 胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶和弹性蛋白酶是一组 密切相关的水解酶类，它们的作用是水解肽链。
• 在胰脏内合成的是它们没有活性的酶原，然后 被分泌到消化道，并且仅仅在使用前被活化。 这3种酶各有分工，每种酶在不同类型氨基酸 侧链相邻的肽键处水解蛋白质链。
溶菌酶
溶 菌 酶
溶菌酶
溶菌酶 溶菌酶
葡萄糖残基结合于酶D位使葡萄糖基由椅式转为高级量维持的半椅式活化态 D位葡萄糖基环上氧原子未成键电子对向C1转移形成双键 C1-O间电子对转移至O成O-，O-接受Glu35羧基之H，C1-O断裂，释放第一个产 物R-OH C1因电子丢失呈正电状态，Asp52电离的O-维持C1的正电过渡态 因Glu35之OH间电子对转移至O，Glu35之O呈负电（未成键电子对） Glu35-O-攻击H2O之H形成-OH，促使水电离产生OH葡萄糖C1+与OH-结合恢复低能量维持的稳定葡萄糖椅式构象并释放第二个产物
(1)临近定向效应
在酶促反应中，底物分子结合到酶的活性中心，一方 面底物在酶活性中心的有效浓度大大增加，另一方面， 由于活性中心的立体结构和相关基团的诱导和定向作 用，使底物分子中参与反应的基团相互接近，并被严 格定向定位，使酶促反应具有高效率和专一性特点。
酶的作用机制和酶的调节
别构激活剂 别构抑制剂
（2）别构酶的动力学
S形曲线（正协同） 表观双曲线（负协同效应）
（二）酶原的激活
酶原(zymogen)：酶的无活性的前体
酶原的激活：由无活性的酶原转变为有活性 的酶的过程。酶原激活的实质是酶活性部位 的形成或暴露至分子的表面。
酶原激活的意义：在特定的环境和条件下发 挥作用；避免细胞自身消化；也可保证某些 特殊生理过程的正常进行，如凝血作用；有 的酶原可以视为酶的储存形式。
溶菌酶催化底物C1-O键裂解
五、酶活性的调节控制
（一）别构调控（allosteric regulation）
定义 别构调节：酶分子的非催化部位与某些
化合物可逆地非共价结合后发生构象的 改变，进而改变酶活性状态。 别构酶：具有别构现象的酶。 别构剂：能使酶分子发生别构作用的物
质。通常为小分子代谢物或辅因子
白
S
酶
SS
胰蛋白酶原
肠激酶
胰凝乳蛋白酶原
α-胰凝乳蛋白酶 +两个二肽
自
六肽
身 催
+
化
胰蛋白酶
弹性蛋白酶原 弹性蛋白酶 + 碎片
羧基肽酶原A
羧基肽酶A + 碎片
肠激酶启动的酶原激活
出血性胰腺炎发病机制？
凝血机制：1、受伤血管收缩减少血流；2、血小板粘聚成
栓堵住伤口；3、凝血相关因子的级联激活作用
蛋白激酶，磷酸化
酶
磷酸酶，脱磷酸化
酶-P
由核苷三磷酸（ATP）提供磷酸基，都需Mg2+。
酶的活性形式： 可能是磷酸化也可能是脱磷酸化
底物蛋白质被磷酸化的氨基酸残基有两类： （1）“P-O”键连接，如Thr, Ser, Tyr, Asp, Glu…… （2）“P-N”键连接，如Lys, Arg, His……
第10章 酶的作用机制和酶的调节
10第十章 酶的作用机制和酶的调节
第十章酶的作用机制和酶的调节目的和要求：理解、掌握酶活性部位的相关概念和特点；掌握酶催化高效性的相关机理；了解几种酶的催化机制，理解结构和功能的适应性；了解酶活性的调节方式，掌握酶活性的别构调节、可逆共价调节和酶原激活调节方式及生物代谢中的作用。
一、酶的活性部位㈠酶的活性部位的特点1、概念：三维结构上比较接近的少数特异的氨基酸残基参与底物的结合与催化作用，这一与酶活力直接相关的区域称酶的活性部位。
结合部位：专一性催化部位：催化能力，对需要辅酶的酶分子，辅酶或其一部分就是活性中心的组成部分；组成酶活性部位的氨基酸数目对不同酶而言存在差异，占整个酶氨基酸残基小部分酶活性部位的基团：亲核性基团，丝氨酸的羟基，半胱氨酸的巯基和组氨酸的咪唑基。
酸碱性基团：天冬氨酸和谷氨酸的羧基，赖氨酸的氨基，酪氨酸的酚羟基，组氨酸的咪唑基和半胱氨酸的巯基等。
2、特点⑴活性部位在酶分子的总体中只占相当小的部分（1%～2%）⑵酶的活性部位是一个三维实体⑶酶的活性部位并不是和底物的形状互补的⑷酶的活性部位是位于酶分子表面的一个裂隙内⑸底物通过次级键结合到酶上⑹酶活性部位具有柔性㈡研究酶活性部位的方法1、酶分子基团的侧链化学修饰⑴非特异性共价修饰：活力丧失程度与修饰剂浓度有正比关系；底物或可逆的抑制剂可保护共价修饰剂的修饰作用。
⑵特异性共价修饰：分离标记肽段，可判断活性部位的氨基酸残基，如二异丙基氟磷酸（DFP）专一性与胰凝乳蛋白酶活性部位丝氨酸残基的羟基结合。
⑶亲和标记：利用底物类似物和酶活性部位的特殊亲和力将酶加以修饰标记来研究酶活性部位的方法。
修饰剂的特点：①结构与底物类似，能专一性引入到酶活性部位；②具活泼化学基团，能与活性部位某一氨基酸共价结合，相应的试剂称“活性部位指示剂”。
胰凝乳蛋白酶和胰蛋白酶，TPE是酶的底物，TPCK是酶的亲和试剂，当酶与TPCK温浴后，酶活性丧失，这种结合具有空间结构的需求，同时也阻止其他试剂如DFP结合。
《生物化学》酶的作用机制和酶的调节
side view
胃蛋白酶原
在pH5.0以下断裂 切去44个氨基酸片断
胃蛋白酶
溶菌酶
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 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 必需基团。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。
(五)金属离子催化
1、需要金属的酶分类 （1）金属酶 含紧密结合的金属离子，多属于过渡金 属离子如，Fe2+、Fe3+、Cu2+、Zn2+、 Mn2+或Co3+。 （2）金属-激活酶 含松散结合的金属离子，通常为碱和碱 土金属离子，如Na+、K+、Mg2+或Ca2+。
(五)金属离子催化
2、金属离子以三种主要途径参加催化过程： （1）通过结合底物为反应定向 （2）通过可逆的改变金属离子的氧化态调 节氧化还原反应 （3）通过静电稳定或屏蔽负电荷
（一）酶活性部位的特点
1、活性部位在酶分子的总体中只占相当小的部分。 2、酶的活性部位是一个三维实体。 3、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, 有 时是二者构象同时发生变化后才互补的。 （诱导 契合学说）。 4、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。 5、底物通过次级键较弱的的力结合到酶上。 6、酶活性部位具有柔性或可运动性。
广义酸基团 （质子供体） 广义碱基团（质子受体）
(四)共价催化(covalent catalysis)
共价催化又称亲核催化或亲电子催化,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 取电子并作用于底物的缺电子中心或负电中心,迅 速形成不稳定的共价中间复合物,降低反应活化能, 使反应加速。
第十章 酶的催化作用机制和酶的调节
His 是酶的酸碱催化作用中最活泼的一个 催化功能团。
4、 共价催化
基本原理： 又称亲核催化或亲电子催化，催化
时，酶分子上亲核基团或亲电子基 团分别放出电子或汲取电子并作用 于底物的缺电子或富电子中心，迅 速形成不稳定的共价中间复合物， 降低反应活化能，使反应加速。 酶上常见的亲核基团： Ser 的羟基， Cys 的巯基， His 的咪唑基。 底物上亲电基团：磷酰基，酰基， 糖基。 ——P392实例
碱催化 酸催化
（三）羧肽酶
307个AA，单肽链，紧密结合一个Zn2+ 催化肽链C末端肽键水解
锌离子在酶活性部位 与2His和Glu配位连接
底物（Gly-Tyr）与酶诱导契合进行结合P403-404
由145，248，270位 的AA和底物结合，将 进一步由锌离子，Arg127， Glu270对底物催化
补 （3）酶上含催化亚基和调节亚基，效
应物和调节亚基以非共价结合，改变酶的 构象，影响其与底物结合，从而调节催化 反应。
1、非别构酶
2、正协同效应 别构酶
3、负协同效应 别构酶
4、别构模型
（1）协同模型（WMC模型）：又称齐变模 型，即在酶活性调节中，当蛋白质构象变 化时各亚基几乎同时从一种构象转变为另 一种构象。
*二、酶催化反应的独特性质 （自学，以增对酶催化作用所理解）
三、影响酶催化效率的有关因素
酶是专一性强， 催化效率很高的 生物催化剂，这 是由酶分子的特 殊结构决定的。 多种因素可以使 酶催化的反应加 速：
1、底物和酶的邻近效应和定向效应
邻近效应：酶与底物形成复合物后，使底物和 底物之间（对多底物反应而言），酶的催化基 团与底物之间结合于同一分子使反应有效浓度 大提高，有利于提高反应速率大增加。
第10章 酶的作用机制和酶的调节3
S
S S
S S S
S S S S
亚基全部 处于R型
亚基全部 处于T型
依次序变化
酶原激活
酶原：刚生物合成出来的酶蛋白是没有活性的， 经过加工后（剪切，修饰等）才具有活性。没有 活性的酶的前体叫酶原 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：酶原的激活过程通常伴有酶蛋白一级结构 的改变。酶原分子一级结构的改变导致了酶原分 子空间结构的改变，酶原的激活实质上是酶活性 部位形成或暴露的过程
共价修饰调节一般与激素的调节相联系，其调 节方式为级联反应 级联放大：细胞内一种连锁的调节系统，可由 一系列共价调节酶组成。具有显著的信号放大 效应
同工酶
催化活性相同而酶蛋白的分子结构，理化性质 及免疫学性质不同的一组酶称为同工酶。 同工酶在体内的生理意义主要在于适应不同组 织或不同细胞器在代谢上的不同需要。因此， 同工酶在体内的生理功能是不同的。
酶活性的调节
酶活性的调节
在现成的酶分子上进行加工，相对遗传控制调 节酶的合成来得快 调节方式：别构调节、共价修饰、酶原激活、 同工酶等
别构酶和别构调节
有些酶分子表面除了具有活性部位外，还存在 调节部位（别构位点） 调节物（效应物）结合到别构位点上引起酶的 构象发生变化，导致酶的活性提高或下降，这 种现象称为别构效应（allosteric effect） 具有别构效应的酶称别构酶（allosteric enzyme） 别构酶往往是代谢途径中的关键酶，别构调节 是机体代谢调节的重要方式，效应物往往是前 馈激活剂或者反馈抑制剂
乳酸脱氢酶同工酶
乳酸脱氢酶同工酶（LDHs）为四聚体，在体 内共有五种分子形式，即LDH1（H4）， LDH2（H3M1），LDH3（H2M2），LDH4 （H1M3）和LDH5（M4） 心肌中以LDH1含量最多，LDH1对乳酸的亲和 力较高，因此它的主要作用是催化乳酸转变为 丙酮酸再进一步氧化分解，以供应心肌的能量 在骨骼肌中含量最多的是LDH5，LDH5对丙酮 酸的亲和力较高，因此它的主要作用是催化丙 酮酸转变为乳酸，以促进糖酵解的进行
生物化学(第三版)第十章 酶的作用机制和酶的调节课后习题详细解答_ 复习重点
第十章酶的作用机制和酶的调节提要酶的活性部位对于不需要辅酶的酶来说，就是指酶分子中在三维结构上比较靠近的几个氨基酸残基负责与底物的结合与催化作用的部位，对于需要辅酶的酶来说，辅酶分子或辅酶分子上的某一部分结构，往往也是酶活性部位的组成部分。
酶活性部位有6个共同特点。
研究酶活性部位的方法有：酶分子侧链基团的化学修饰法，动力学参数测定法，X射线晶体结构分析法和定点诱变法，这些方法可互相配合以判断某个酶的活性部位。
酶是催化效率很高的生物催化剂，这是由酶分子的特殊结构所决定的。
经研究与酶催化效率的有关因素有7个，即底物和酶的邻近效应与定向效应，底物的形变与诱导契合，酸碱催化，共价催化，金属离子催化，多元催化和协同效应，活性部位微环境的影响。
但这些因素不是同时在一个酶中其作用，也不是一种因素在所有的酶中起作用，对于某一种酶来说，可能分别主要受一种或几种因素的影响。
研究酶催化的反应机制，始终是酶学研究的一个重点，通过大量的研究工作，已经对一些酶的作用机制有深入了解，该章对溶解酶、胰核糖核酸酶A、羧肽酶A、丝氨酸蛋白酶、天冬氨酸蛋白酶等的催化作用机制进行了详尽的讨论。
酶活性是受各种因素调节控制的，除了在第8章中已介绍的几种因素外，主要还有①别构调节，例如ATCase。
②酶原的激活，如消化系统蛋白酶原的激活及凝血系统酶原的激活。
③可逆共价修饰调控，如蛋白质的磷酸化，一系列蛋白激酶的作用。
通过以上作用，使酶能在准确的时间和正确的地点表现出它们的活性。
别构酶一般都是寡聚酶，有催化部位和调节部位，别构酶往往催化多酶体系的第一步反应，受反应序列的终产物抑制，终产物与别构酶的调节部位相结合，由此调节多酶体系的反应速率。
别构酶有协同效应，[S]对υ的动力学曲线呈S形曲线（正协同）或表现双曲线（负协同），两者均不符合米氏方程。
ATCase作为别构酶的典型代表，已经测定了其三维结构，详细研究了别构机制和催化作用机制。
为了解释别构酶协同效应的机制，有两种分子模型受到人们重视，即协同模型和序变模型。
酶作用机制
酶活性中心示意图
S- S
活性中心外 必需基团 活 性 中 心 必 需 基 团
底物
结合基团
催化基团 肽链
活性中心
多肽链 底物分子 活性 中心 以外 必需 基团 酶活性中心 活性 催化基团 中心 必需 结合基团 基团
有的酶的必需基团 兼有两者的功能
胰凝乳蛋白酶活性部位示意图
一些酶活性中心的氨基酸残基
酶
糖原磷酸化酶 磷酸化酶b激酶 糖原合成酶 丙酮酸脱羧酶 磷酸果糖激酶 丙酮酸脱氢酶 HMG-CoA还原酶 HMG-CoA还原酶激酶 乙酰CoA羧化酶 脂肪细胞甘油三脂脂肪酶 黄嘌呤氧化酶
化学修饰类型
磷酸化/脱磷酸化 磷酸化/脱磷酸化 磷酸化/脱磷酸化 磷酸化/脱磷酸化 磷酸化/脱磷酸化 磷酸化/脱磷酸化 磷酸化/脱磷酸化 磷酸化/脱磷酸化 磷酸化/脱磷酸化 磷酸化/脱磷酸化 -SH/-S-S-
1
（接近过渡 CH 2 CH 2 态） 108
O
三）酸碱催化
酸碱催化是通过瞬间的向反应物提供质子或 从反应物接受质子以稳定过渡态，加速反应 的一类催化机制。
狭义的酸碱催化 H+、OH-
酸碱催化
广义的酸碱催化，质子受体和供体
酶蛋白中具有广义的酸碱催化的功能基：氨 基、羧基、巯基、酚羟基、咪唑基等。
His存在于许多酶的活性中心；咪唑基是催化中很活泼的一个催化 功能基，它既能供出质子又能接受质子，且速度十分迅速，所 以，His在Pr的含量虽小，往往位于活性中心。
研究酶活性部位的方法
1．分子侧链基团的化学修饰法 2、动力学参数测定法 3、射线晶体结构分析法 4、定点诱变法
二、酶反应的独特性质
• 酶反应；一类反应仅涉及电子转移，另一类 反应涉及电子和质子两者或其他基团的转移 • 酶催化作用以残基上的功能基团和辅酶为媒 介，如His, Ser, Cys, Lys, Glu, Asp • 酶催化反应的最适pH范围狭小 • 酶活性部位比底物稍大 • 酶除进行催化反应所必需的活性基团外，还 有其他因素，如使底物产生张力等作用因素
第10章酶的作用机制和酶的调节
第10章酶的作用机制和酶的调节第10章酶的作用机制和酶的调节教学目的：掌握酶的活性部位结构与功能、酶活性的别构调节、酶原激活，了解酶高效性原因教学重点：酶活性部位的结构与功能及酶的活性的别构调节教学难点：酶活性的别构调节教学方法：多媒体教学内容：一、酶的活性部位及确定方法（一）酶活性部位概念及特点1、酶的活性中心(活性部位):指酶分子中的表面有一个必需基团比较集中、并构成一定空间结构的微小区域。
酶活性中心的基团,按其功能可分为结合基团和催化基团。
活性中心的基团都是维持酶活性的必需基团，2、酶活性部位的共同点：（1）酶活性部位仅占酶体积的很小一部分，通常只占整个酶分子体积的1~2%，酶分子是大分子物质，由很多氨基酸构成，而活性部位仅由几个氨基酸残基组成催化部位一般由2~3个氨基酸残基组成。
结合部位氨基酸残基数目，不同的酶有所不同。
可能是一个，也可能是多个。
（2）酶的活性部位具有三维结构，构成酶活性中心的基团，可位于同一条肽链上，也可位于不同的肽链上，在一级结构上可能相距甚远，但在空间结构上位置必须相互靠近；酶的空间结构受物理或化学因素影响时，酶的活性部位可能会遭破坏，酶会失活。
（3）活性中心的结合基团与底物专一性结合，这需要活性部位的基团精确排列。
活性部位具有一定的柔韧性,活性部位的结构并不是与底物的结构正好互补。
在酶与底物结合过程中，酶活性中心的构象在底物的诱导下可发生形变，然后嵌合互补形成中间产物，而底物在酶活性中心的诱导下也可发生形变，变的易与酶结合，有时是两者的构象同时发生变化后才互补契合（诱导契合学说）。
（4）酶活性部位位于酶分子表面的一个裂缝内，底物分子或底物分子的一部分结合到裂缝中，裂缝内的非极性基团较多，形成一个疏水环境，提高与底物的结合能力，也有极性的氨基酸残基，以便与底物结合并催化底物发生反应。
（5）底物通过较弱的次级键与酶结合。
组成酶活性中心的氨基酸残基，常见的有：组氨酸、赖氨酸、天冬氨酸、谷氨酸、丝氨酸、半胱氨酸和酪氨酸3、研究酶活性部位的方法（1）共价修饰（2）亲和标记法（3）切除法（4）X射线晶体结构分析法二、酶促反应机制（一）基元催化的分子机制：酶的催化作用包括若干基元催化。
酶作用机制和酶调节方式
3 酶原激活举例
胰脏分泌的胰蛋白酶原进入小肠后，可 被肠液中的肠激酶激活或自身激活，自N端 切下一个6肽后，肽链重新折叠而形成有活 性的胰蛋白酶。
酶作用机制和酶调节方式
四、 酶促反应动力学
1 酶促反应速度 用单位时间内底物的减少量或产物的增
加量来表示。
酶作用机制和酶调节方式
如：
每小时催化1克底物 每小时催化1ml某浓度溶液 每分钟催化1ug底物
一定时间 一定量底物
酶作用机制和酶调节方式
（1）国际单位（IU）
在标准条件下（25 ℃ ，最适pH和最适底物 浓度）一分钟内催化1微摩尔底物转化为产 物所需的酶量。 1 IU= 1 mol / min
——酶活力单位标准化
酶作用机制和酶调节方式
终态 活化过程
酶促反应降低活化能
（一）底物和酶的邻近效应和定向效应
定
靠近
向
静电吸引
疏水作用
底物
酶
（二）底物的形变和诱导契合
诱导 互补性 结构变化
契合
能否契合— 专一性的由来
• 产物脱离
酶复原－催化剂
酶作用机制和酶调节方式
羧肽酶 A
羧肽酶催化中的电子云形变
＋
电子云形变
＋
注 意
C＋=O－
靠近
酶的结构与功能
酶作用机制和酶调节方式
一、酶的活性部位 ( active site ） 活性中心（active center)
——与酶活性直接相关的区域
局限在酶分子的特定部位
酶作用机制和酶调节方式
结合部位：与S结合
活性中心
决定酶促反应的专一性
催化部位：促进S发生化学变化 决定酶促反应的性质
酶作用机制与调节
胰凝乳蛋白酶 的晶体结构显 示，Ser195的异 常反应性与催 化三联体有关。 3个极性残基： His57、Asp102 和Ser195在活 性部位形成催 化三联体。
胰凝乳蛋 白酶中的 催化三联 体。
胰蛋白酶的催化机制
丝氨酸蛋 白酶的催 化机制
The Oxyanion Hole. The
（二）酶活性部位的特点
1.活性中心只占酶分子总体积的很小一部分，往 往只占整个酶分子体积的1%-2%。 2.酶的活性部位是一个三维实体，具有三维空间 结构。 3.酶的活性部位并不是和底物的形状正好互补的， 而是在酶和底物的结合过程中，底物分子或酶 分子、有时是两者的构象同时发生了一定的变 化后才互补的，此时催化基团的位臵正好处在 所催化底物键的断裂和即将生成键的适当位臵， 这个动态辨认过程称为诱导契合（inducedfit）.
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。 广义酸－碱催化是指通过质子酸提供部 分质子,或是通过质子碱接受部分质子的 作用，达到降低反应活化能的过程。 酸-碱催化是催化有机反应的最普遍有效 的催化剂
酶分子中可作为酸碱催化的功能基团
V
别构激 活 别构抑 制 底物敏感 区
0
[S]
CTP在不影响酶的Vmax的情况下，通过降低酶与底物的 亲和性来抑制ATCase；ATP可增强酶与底物的亲和性， 也不影响Vmax。这种非底物分子的调节物对酶的调节 作用，称为异促效应。
V
别构激 活 别构抑 制 底物敏感 区
0
[S]
Two views of the regulatory enzyme aspartate transcarbamoylase. (Derived from PDB ID 2AT2.) This allosteric regulatory enzyme has two stacked catalytic clusters, each with three catalytic polypeptide chains (in shades of blue and purple), and three regulatory clusters, each with two regulatory polypeptide chains (in red and yellow). The regulatory clusters form the points of a triangle surrounding the catalytic subunits. Binding sites for allosteric modulators are on the regulatory subunits. Modulator binding produces large changes in enzyme conformation and activity.
酶的作用机制和酶活性的调节.ppt
O
O
HH
HH33CC
CC OO
OO CC
OO--
+O
O H HH NH
OC HH C HH H
几种常见酶的结构与功能
蛋白酶
• 蛋白酶是催化肽键水解的一类酶的总称。尽管肽键的水解在能量学上 是十分有利的，但如果没有蛋白酶的催化，一个肽键在中性pH和25℃ 条件下大概需要300年~600年的时间才能完成水解。
四面体中间物因肽氧负离子与Ser195以及Gly193之间形成的氢键而得 到稳定，这些相互作用的净效应导致活化能的降低。
肽键断裂，离开基团（原来肽键的氨基一侧作为第一产物）从His57 咪唑环上得到一个质子。原来肽键的羧基一侧通过氢键以及与Ser195形成 的共价键仍然与酶结合。
水进入活性中心，质子化His57使之成为酸。而释放出来的OH-亲核 进攻留下来的多肽羰基碳，于是第二个四面体形的过渡态中间物形成了 。
广义的酸碱催化
溶菌酶Glu35的广义酸催化溶菌酶Biblioteka Glu 35被疏水氨基酸残基所环绕
核糖核酸酶A的广义酸碱催化
静电催化
• 活性中心电荷的分布可用来稳定酶促反应的过 渡态，酶使用自身带电基团去中和一个反应过 渡态形成时产生的相反电荷而进行的催化称为 静电催化。
• 有时，酶通过与底物的静电作用将底物引入到 活性中心。
乳酸脱氢酶催化的酶促反应
What is an isozyme?
(1) Isozymes are physically distinct forms of the same enzyme.
(2) Isozymes may differ from each other by differences in their amino acid sequences or by the presence of different posttranslational modifications in each isozyme.
酶的作用机制和酶的活性部位调节
金属离子的作用： 作为亲电催化剂稳定反应时形成的负电荷，以利于底物进
入反应过渡态。
（二）酶具有高催化能力的原因
1. 邻近效应与定向效应 作用：使分子间的反应变成类似分子内的反应
邻近效应（proximity effect） ：中间复合物的形成使有效 浓度极大升高。
接触残基：R1、R2、R6、 R8、R9、R163
辅助残基：R3、R4、R5、 R164、R165
结构残基：R10、R162、 R169
非贡献残基：其它
2. 酶活性部位的一般特点
① 只 占 酶 整 体 的 相 当 小 的 一 部 分 （ 1%~2% ） 。
② 是一个三维实体。
③ 底物结合的专一性决定于活性部位中精确地 原子排列，即直接契合或诱导契合。
酶活性部位：结合部位+催化部位
结合基团(binding group)：参与和底物结合的必需基团； 决定酶的专一性。
催化基团(catalytic group)：催化使底物转变为产物的 化学反应的必需基团；决定酶的催化能力。
必需基团：
某些氨基酸残基的侧链、有时也 包括辅酶分子或它的基团。
酶蛋白
异促别构效应
（heterotropic allosteric effect）
必需残基 非必需残基
活性中心
结合残基 接触残基
催化残基
辅助残基
活性中心外 非贡献残基
结构残基
酶分子中的残基分为四类：
接触残基：负责底物的结合与催化 辅助残基：起协助作用； 结构残基：维持酶的构象； 非贡献残基：它的替换对活性无影响，但对酶的
免疫、运输、调控与寿命等有作用。பைடு நூலகம்前二者构成活性中心，前三者称为酶的必需基团。
酶的作用与调节
酶的作用与调节酶是生物体内一种特殊的蛋白质，具有催化化学反应的功能。
酶在生物体内起着至关重要的作用，参与了代谢过程中几乎所有的生化反应。
本文将探讨酶的作用机制以及它们是如何被调节的。
一、酶的作用机制酶能够催化化学反应的原因是因为它们具有一种特殊的结构，称为活性中心。
活性中心是酶分子中的一个小结构，与底物分子结合，促进其转化成产物。
酶与底物之间的结合是非常具体和高度选择性的，这是因为活性中心中的氨基酸残基与底物之间能够形成氢键、离子键和范德华力等相互作用。
酶催化反应的过程可以分为两步：底物结合和催化反应。
在底物结合阶段，底物与酶的活性中心发生相互作用，形成酶底物复合物。
在催化反应阶段，酶改变了底物的化学键，使其转化成产物。
酶并不参与反应本身，因此，在反应完成后，酶可以再次被使用。
二、酶的调节方式酶的活性受多种因素的调节，这些调节机制有助于维持生物体内化学反应的平衡，使代谢过程能够适应外部环境的变化。
1. 温度调节酶的活性受温度的影响。
随着温度的升高，酶的活性增加，因此在生物体内，温度的变化会影响酶催化反应的速率。
然而，当温度超过酶的特定温度范围时，酶的结构可能会受到破坏，导致其失去活性。
这种现象被称为酶的热变性。
2. pH值调节酶的活性还受pH值的调节。
不同的酶对pH值的依赖程度不同，有些酶对酸性环境敏感，而另一些酶则对碱性环境敏感。
这是因为不同的pH值能够改变酶的活性中心的电离状态，从而影响酶底物复合物的形成。
3. 底物浓度调节酶的活性还受底物浓度的调节。
当底物浓度较低时，酶与底物之间的碰撞几率较小，限制了酶催化反应的速率。
随着底物浓度的增加，酶与底物之间的碰撞次数增加，酶催化反应的速率也随之增加。
然而，当底物浓度过高时，酶活性可能达到饱和状态，酶催化反应速率停止增加。
4. 抑制剂与激活剂抑制剂和激活剂是调节酶活性的重要因素。
抑制剂能够结合到酶的活性中心，阻止底物与酶的结合，从而降低酶活性。
激活剂则能够增加酶与底物的亲和力，促进酶活性。
酶的作用机制和酶的调节
酶的作用机制和酶的调节重点综述1. 酶作用机制：有专一性机理(锁与钥匙学说和诱导契和假说)和高效性的机理，以后者出现偏多，而且考查的题型上也是多样化(填写、选择、判断、问答等)。
（1)酶作用机理的两种学说，可以只作一般性的了解。
(2)酶作用高效性的机理要重点掌握。
体现在以下5个方面：①靠近与定向；②变形与扭曲；③共价催化；④酸碱催化；⑤酶活性部位的低介电区。
在这一部分中，还要了解某些酶的作用原理：①溶菌酶：活性部位有Clu3，和ASP52典型的酸碱催化。
②胰凝乳蛋白酶：活性部位有ASPl02、His57和Serl95组成的电荷拉力网。
③羧肽酶A：含金属离子zn2＋的酶。
2. 酶的调节：酶调节的类型(共价调节，化学修饰，酶原激活，酶含量在分子水平的调节)。
几个概念也很重要：别构酶，调节酶等。
（一）名词解释1.变构酶（allosteric enzyme）；2．同工酶（isozyme）；3．活性中心（active center）；4. 酶原的激活（activation of zymogen）； 5. 别构效应（allosteric effect）； 6. 正协同效应（positive cooperative effect）（二）选择题（在备选答案中选出1个或多个正确答案）1. 酶原激活的实质是A. 激活剂与酶结合使酶激活B. 酶蛋白的变构效应C. 酶原分子一级结构发生改变从而形成或暴露出酶的活性中心D. 酶原分子的空间构象发生了变化而一级结构不变E. 以上都不对2. 同工酶的特点是A. 催化相同的反应，但分子结构和理化性质不同的一类酶B. 催化相同反应，分子组成相同，但辅酶不同的一类酶C. 催化同一底物起不同反应的酶的总称D. 多酶体系中酶组分的统称E. 催化作用，分子组成及理化性质相同，但组织分布不同的酶3. 乳酸脱氢酶（LDH）是一个由两种不同的亚基组成的四聚体。
假定这些亚基随机结合成四聚体，这种酶有多少种同工酶？A. 两种B. 三种C. 四种D. 五种E. 六种4．下列关于酶活性中心的叙述哪些是正确的A.是由一条多肽链中若干相邻的氨基酸残基以线状排列而成B．对于整个酶分子来说，只是酶的一小部分C．仅通过共价键与作用物结合D．多具三维结构5．已知两种酶互为同工酶：A.它们的Km值一定相同B．它们催化的化学反应相同C．它们的分子结构一定相同D．它们的等电点相同E．它们的辅基一定相同6．在羧肽酶A的活性部位存在一个紧密结合的Zn2＋离子，这个Zn2＋离子的作用是A.诱导酶的构象变化B．共价催化C．提供低介电区D．使底物敏感键产生电子张力E.直接催化底物转变为底物7．构成胰凝乳蛋白酶活性中心的电荷中继网，有三个氨基酸残基组成，他们是A．His，Arg，Glu B．His，Ser，AspC．Arg，Ser，Asp n Asp，Glu，Ser8．V—[S]曲线可以用来描述酶的动力学特性，在下列几种酶中，V一[S]曲线为双曲线的酶是①，V一[S]曲线可以为S形曲线的酶是②。
生物化学第10章 酶的作用机理和酶的调节
别够调节可发生在底物-底物、调节物-底物、调节物-调节 物之间，可以是正协同也可以是负协同。
2.别构酶的动力学
别构酶的[S]对V0的动力学曲线不是双曲线，而是S形曲线（正协 同）或表观双曲线（负协同），二者均不符合米氏方程。
定向效应: 底物会诱导酶分子构象改变，使酶活性中心的相 关基团和底物的反应基团正确定向排列，使反应基团之间 的分子轨道以正确方向严格定位，使酶促反应易于进行。
2. 底物的形变(distortion)与诱导契合
当酶遇到其底物时，酶中某些基团或离子可以使底物分子 内敏感键中的某些基团的电子云密度增高或降低，产生“电子 张力”，使敏感键的一端更加敏感，底物分子发生形变，底物 比较接近它的过渡态，降低了反应活化能，使反应易于发生。
[S] (10-4molL-1)
(NAG)2 (NAG)3 (NAG)4 (NAG)5 (NAG)6 (NAG)8
相对水解率
0 1 8 4000 30000 30000
××
ABCDEF
NAG-NAM-NAG-NAM-NAG-NAM
××
NAG-NAG-NAG
NAG-NAG-NAG-NAG NAG-NAG-NAG-NAG-NAG NAG-NAM-NAG-NAM-NAG-NAM
酶与底物给合时构象变化的示意图
3.多元催化和协同效应
在酶催化反应中，几个基元催化反应配合在一起起作用， 如：胰凝乳蛋白酶是通过Asp102, His57,Ser195组成电荷中继网 催化肽键水解，包括亲核和酸碱共同催化共同作用。
4. 活性部位微环境的影响
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新键，决定酶的催化能力。
（1）酶活性中心的组成：
由一些氨基酸残基的侧链基团组成。 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。 对于结合酶，辅因子常常是活性中心的组成部分。
（2）酶活性中心的特点
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23个氨基酸残基。 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。
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。
胰凝乳蛋白酶（chymotrypsin）
(5)金属离子催化：
1．需要金属的酶分类： 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： ① 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+。 ② 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+。 2．金属离子以3种主要途径参加催化过程： ① 通过结合底物为反应定向； ② 通过可逆地改变金属离子的氧化态调节氧化还原 反应； ③ 通过静电稳定或屏蔽负电荷；
(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（nucleophilic catalysis）
和亲电子催化（cetecrophilic catalysis）。
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。
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。
化可提高反应速率102—105倍。
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。
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。
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
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。 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）。
第二节
酶催化反应的特性
一．酶反应可分成两类：
反应仅仅涉及到电子的转移
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。
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。
第三节
影响酶催化效率的因素
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。
(1) 邻近效应和定向效应
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。 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。
(2)底物的形ห้องสมุดไป่ตู้和诱导契合：
底物与酶结合
诱导
酶分子构象变化
底物分子的敏感键 产生“张力”和“形变”
有利于
敏感键断裂
(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）
第十章 酶的作用机制和酶的调节
第一节 第二节
酶的活性部位及其结构特点 酶催化反应的特性
第三节
第四节 第五节
影响酶催化效率的因素
酶活性的调节控制 同 工 酶
第一节 酶的活性部位及其结构特点
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。
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