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。

1、酸碱催化

2、共价催化

3、金属离子催化

（二）酶具有高催化能力的原因

1、底物与酶的邻近效应与定向效应

2 、底物分子中的敏感键发生“张力”与“形变”

3、电荷极化和多元催化

4、酶活性部位微环境的影响

二、酶活性的别构调节

（一）酶的别构效应

别构调节酶又叫配体调节酶或变构酶,别构酶的活性部位与调节部位。

别构剂（或效应物），凡能使酶分子发生别构效应的物质叫别构物或效应物；因别构效应导致酶活性增加的物质叫正效应物或别构激活剂，因别构效应导致酶活性降低的物质叫负效应物或别构抑制剂。别构物可以是代谢的中间产物或终产物或底物或其它物质。如果别构物是底物，这种别构调节叫同促别构效应；这种酶分子上有两个以上底物结合部位，当一个底物与酶的一个亚基结合后，可以改变另一底物分子与酶的另一亚基结合，如果一个亚基的活性部位与底物结合后，增加了其余亚基上空活性部位与另一底物结合，这种调节叫正同促效应（或正协同同促作用），这种酶叫正同促别构酶（或正协同同促酶），如果降低了其余亚基上空活性部位与另一底物结合，叫负同促效应（负协同同促作用），这种酶叫负同促效应酶（或负协同同促酶）。如果别构物不是底物，这种调节属于异促别构效应。这种酶的活性部位可与底物结合，调节部位与效应物结合，这种酶叫异促效应酶。如天冬氨酸转氨甲酰酶的底物——天冬氨酸，效应物是CTP和ATP，即效应物不是底物。

很多别构酶既具有同促效应又具有异促效应。既受底物分子的调节，也受底物分子以外的其它代谢分子调节。

(二) 别构酶的特点

1、已知的别构酶都是寡聚酶

2、别构酶的动力学，是“S”形曲线，“S”曲线的特点：在某一底物浓度范围内，只要[S]有较小的改变就能引起酶促反应速度较大的改变。

对于负协同酶，v对[S]作图，类似于米氏双曲线，但又不完全相同，我们叫“表观双曲线”，

3、对于异促别构酶，调节物对别构酶的底物饱和曲线影响比较复杂，可将异促效应酶和异促效应物分为K系统和V系统寻找共性

K系统的效应物叫K型效应物，凡是改变底物的K0.5而不改变反应的Vmax的效应物叫K型效应物；异促激活剂的K0.5变小，异促抑制剂的K0.5变大。

V系统的V型型效应物，凡是改变Vmax而不改变K0.5的效应物为V型效应物，异促激活剂的Vmax变大，异促抑制剂的Vmax变小。

目前常用齐变模型和序变模型解释别构酶的调节机制。

1、齐变模型（协同模型、对称模型或WMC模型）：

2、序变模型（或渐变模型或KNF模型）

三、别构酶举例——天冬氨酸转氨甲酰酶(ATCase)

1、ATCase的结构

2、催化特点：

四、酶的共价修饰调节

（一）酶的可逆共价修饰调节（化学修饰调节）

1、概念：通过其它酶对酶分子中的某些基团进行化学修饰，使酶处于活性和无活性的互变状态，达到调节酶活性的目的。

2、特点：

（1）被修饰的酶有活化型和非活化型两种，在特定酶催化下可互变。

（2）在特定酶催化下，被修饰酶可逆地与某一化学基团结合，改变酶分子构象，影响

酶活性，不涉及共价键变化

（3）磷酸化的化学修饰要消耗能量，一个亚基进行磷酸化要消耗一个ATP。

（4）化学修饰具有放大作用。

（5）共价修饰常见的几种形式

•磷酸化与脱磷酸化

•甲基化与脱甲基化

•腺苷化与脱腺苷化

•-SH与-S-S-的互变

（二）酶原的激活——不可逆共价调节

无活性的酶是有活性酶的前体称为酶原。酶原转变成有活性的酶的过程称为酶原的激活。这个过程实质上是酶活性中心的形成和暴露的过程。

1、胰凝乳蛋白酶的活化

胰凝乳蛋白酶在胰脏中合成，以酶原的形式分泌到十二指肠中，在这里被激活。

该酶原是含245个氨基酸残基的一条肽链组成，由5个二硫键维系立体结构。

当此酶原受到胰蛋白酶作用后，在Arg15与Ile16间的肽键切断，产生具有很高催化活性的π-胰凝乳蛋白酶，但不稳定。此π-胰凝乳蛋白酶再作用于其它π-胰凝乳蛋白酶，使其失去2个二肽（Ser14-Arg15和Thr147-Asn148),形成稳定的α-胰凝乳蛋白酶，α-胰凝乳蛋白酶由3条肽链（A、B、C）组成，在A与B、B与C肽链之间有二硫键相连。α-胰凝乳蛋白酶只有π-胰凝乳蛋白酶活性的40%，但它能稳定存在。

2、胃蛋白酶的激活

胃蛋白酶原是胃壁细胞分泌的，在胃腔中被激活。

胃蛋白酶原由392个氨基酸残基组成。

胃蛋白酶原的激活过程是：在胃酸（HCI)或本身作用下，从N-末端水解下44个氨基酸残基——碱性的前体多肽片段，变成高度酸性的有活性的胃蛋白酶。

在pH高（中性）时，切下的碱性前体多肽片段中的6个Lys和Arg的侧链与胃蛋白酶的Glu和Asp侧链的羧基形成盐键，这时胃蛋白酶原无活性，在pH1~2时，羧基质子化，碱性前体多肽片段不能与胃蛋白酶Glu和Asp的羧基结合，而从胃蛋白酶上解离下来，酶原构象变化，形成和暴露出酶的活性中心，将前体水解，酶原表现出活性的酶。

3、胰蛋白酶原的激活

胰蛋白酶原是在胰脏中合成的，在肠腔中在有Ca2+的环境中由肠激酶或胰蛋白酶激活。

胰蛋白酶的激活过程是：肠激酶或胰蛋白酶在Lys6-Ile7切断肽键，即从N-末端切下一个6肽，导致酶的构象发生变化，使组氨酸、丝氨酸的氨基酸的残基互相靠近，构成活性中心。完成酶原激活。

胰蛋白酶在胰脏分泌蛋白酶原激活过程中具有重要作用。

五、同工酶(isoenzyme)

1、概念：能催化相同的化学反应，但在蛋白质分子结构、理化性质和免疫性能等方面都存在明显差异的一组酶。

如：乳酸脱H酶是由四个亚基组成的寡聚酶，亚基分为两种，H型（心肌型）、M型（骨骼肌型），后来在鼠、兔和动物睾丸及精子中发现了乳酸脱H酶的另一种同工酶，即LDH—X，也是四聚体，构成LDH-X的亚基称为C亚基。

2、生物学功能

本章作业：P195第1、2、3题