第八章酶的作用机制和酶的调节解析

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。
酸碱催化
-COOH,
+ -NH3,
-SH,
-COO ,
-NH2, O-
..
-S ,
OH
HN
+
NH
:N
NH
广义酸基团 （质子供体）
广义碱基团 （质子受体）
(4)共价催化
催化剂通过与底物形成反应活性很高的共价过 渡产物，使反应活化能降低，从而提高反应速 度的过程，称为共价催化。
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ROH 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
第八章 酶的作用机制和酶的调节
一.酶的活性部位(active site)
• 存在于酶分子表面的具有结合和催化底物形成产物的 空间区域 • 活性中心=结合基团+催化基团 • 必须基团 = 结合基团 + 催化基团 + 活性中心外必须基团 （维持活性中心存在的基团） • 酶分子中促使底物发生化学变化的部位称为催化部位。 • 通常将酶的结合部位和催化部位总称为酶的活性部位 或活性中心(active center)。 • 结合部位决定酶的专一性 • 催化部位决定酶所催化反应的性质
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。
（一）酶的活性部位的特点
（1）活性部位在酶分子的总体中只占相当小的部分，通 常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。酶的活性取决于活 性中心的构象。 （3）酶的活性部位并不是和底物的形状正好互补，而是 在酶和底物结合的过程中，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，这 是催化基团的位置也正好在所催化底物键断裂和即将 生成键的适当位置。 （4）酶的活性部位是位于酶分子表面的一个裂缝内。 （5）底物通过次级键较弱的力结合到酶上。 （6）酶活性部位具有柔性或可运动性。
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。
邻近效应 (proximity effect)与定向排列 (orientation arrange ) 邻近指底物汇聚于酶的活性中心，使 酶活性中心的底物浓度高于其它处，定向则指底物的 敏感化学键与酶的催化基团正好对准，使反应加速进 行。
（二）研究酶活性部位的方法
二．酶催化反应的独特性质
（ 1 ）酶反应可分成两类，一类反应仅仅涉及到 电子的转移，这类反应的速率或转换数在108 s-1数量级；另一类反应涉及到电子和质子两者或 其他基团的转移，它们的速率在103 s-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。 （3）酶催化反应的最适pH范围通常是狭小的。 （ 4 ）与底物相比，酶分子很大，而活性部位通 常只比底物稍大一些。 （ 5 ）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。
诱导契合
(3)酸碱催化
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。 酶活性部位上的某些基团可以作为良好的质子供体或 受体对底物进行酸碱催化。
三.影响酶催化效率的有关因素
• 多元催化 (multielement catalysis) 酶促反 应通常是几个基元反应协同作用的结果，包括 酸碱催化、共价催化、金属离子催化等。 表面 效应 (surface effect) 酶的活性中心形成疏水 性口袋，防止水分子干扰酶与底物的结合。
(1)临近定向效应
活性中心以外 的必需基团
底 物
催化Biblioteka Baidu团
结合基团
活性中心
胰凝乳蛋白酶
催化部位(Catalytic
site): 酶分子中促使底 物发生化学变化的部位 称为催化部位。
通常将酶的结合部位
和催化部位总称为酶的 活性部位或活性中心。 结合部位决定酶的专 一性， 催化部位决定酶所催 化反应的性质。
牛的胰蛋白酶
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。 • 胰蛋白酶在碱性氮基酸，即赖氨酸或精氨酸的 羰基后侧切开肽链。胰凝乳蛋白酶在芳香氨基 酸后侧切开肽链。弹性蛋白酶在它的水解位点 上几乎没有选择，但是它趋向于优先切开与小 的不带电荷的侧链相邻的肽键。
有利于提高反应速度；
• 定向效应包括 1)反应物的反应基团之间（双底物反应基 团邻近） 2)酶的催化基团和底物反应基团之间 • 活性中心内定向使反应变成分子内反应
定向效应
(2)“张力”和“形变”
底物与酶结合诱导酶的分子构象变化， 变化的酶分子又使底物分子的敏感键产 生“张力”甚至“形变” ，从而促使酶 －底物中间产物进入过渡态。
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，如焦磷酸硫胺素和磷酸吡哆醛等也 可以参与共价催化作用。
共价催化
（5）离子催化
酶的催化实例—溶菌酶
溶菌酶的活性中心
*谷氨酸35和天 冬氨酸 52 是催化 基团；
*色氨酸62和63、 天冬氨酸101和色 氨酸108是结合基 团； *A~F 为底物多糖 链的糖基，位于 酶的活性中心形 成的裂隙中。