酶的作用机制和酶的调节

邻近效应和定向效应对酶促反应的影响：提高有效浓度、
正确取位；变分子间反应为分子内反应。Page等认为
两类效应在双分子反应中起的促进作用至少分别达到104倍。
酶催化效率提高的实质：底物分子结合在酶的活性部位，作用 基团互相邻近并定向，大大提高了酶的催化效率。
（二）底物的形变和诱导契合
酶与专一性底物结合后，酶的基团或离子使底物的某些 基团的电子云密度增高或降低，产生“电子张力”，使 底物分子发生形变而接近过渡态，反应容易发生。
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……
（3）磷酸化酶激酶（PhK)
是糖原代谢中一个关键的调节酶，其催化的反应是通过磷 酸化作用使无活性的磷酸化酶b转化成有活性的磷酸化酶a， 从而加强糖原分解代谢
六、同工酶（isoenzyme）
（一）定义：
催化相同的化学反应，但其蛋白质 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。
（二）特点：
（三）可逆的共价修饰
共价调节酶
——通过其它酶对其多肽链上的某些基 团进行可逆的共价修饰。
可逆的共价修饰，使酶处于活性/非活性 的互变状态，从而调节酶的活性。
可逆的共价修饰形式有5～6种，其中最重要的一种是磷酸 化修饰。
1. 蛋白质的磷酸化
蛋白质的磷酸化与脱磷酸化是生物体普遍的调节方式，几 乎涉及所有的生理及病理过程，在细胞信号转导过程极其 重要，真核细胞1/2到1/3的蛋白质可以磷酸化。
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
酶原激活的机理:
酶原 在特定条件下
一个或几个特定的肽键断裂，水解 掉一个或几个短肽
分子构象发生改变
形成或暴露出酶的活性中心
胰蛋白酶的激活
肠激酶（激活作用）
缬天天天天赖 异 缬甘 组
胰
丝
S
蛋
白
S SS
酶 原
活性中心
为缬什天么不天直天接以天酶赖形式存缬在呢甘？组 保护正常组织不受伤害。 异 丝
胰
S
蛋
主要是磷酸化Ser、Thr，个别为Tyr。被磷酸化的残基 可以是一个、两个或多个。
多数蛋白激酶表现一定的底物特异性，但是很少绝对 特异性。底物蛋白质被磷酸化的氨基酸残基附近的氨 基酸组成和顺序有其共有的特性。见下表
X代表任何的氨基酸；B代表任何疏水氨基酸；Sp, Tp, 和Yp表 示已经磷酸化的Ser, Thr和Tyr残基。
二、酶催化反应的独特性质
• 酶催化反应的某些独特性质为许多反应所共有，可 概括如下：
1. 酶反应可分成两类，一类仅涉及电子转移（速率：108 s-1数 量级）；另一类涉及电子和质子两者或者其他基团的转移 （速率：103 s-1数量级）大部分反应属于第二类。
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。
有 机 化 学 模 式 实 验
催化中邻近效应的一个例子：（a）游离的咪唑催化乙酸对 硝基苯酯的速度较慢；（b）变成分子内反应后要快24倍
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。
定向效应的一个例子：邻羟 苯丙酸的内酯形成，当两个 甲基取代了苯环邻近的碳原 子上的氢，使羧基与羟基之 间更好定向时，两个速率常 数之比为2.5 × 1011 。
酶的作用机制和酶的调节
一、酶的活性部位 ( active site ）
或者称活性中心（active center) ——与酶活力直接相关的区域
局限在酶分子的特定部位
活性中心
结合中心：与S结合 决定酶促反应的专一性
催化中心：促进S发生化学变化 决定酶促反应的性质
（一）酶活性部位的特点
必需基团：与酶的催化活性直接相关的化学基团 常见：His咪唑基、Ser-OH、
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
Gluγ-COOH、Cys-SH、Asp-COOH
位于活性中心 必需基团
活性中心以外， 稳定分子构象
非必需基团
活性中心以外 的必需基团
结合基团
底物 催化基团 活性中心
（一） 酶活性部位的特点
1、活性部位只占相当小的部分 几个残基+辅助因子（单纯/结合） 2、在空间构象上集中到一起形成一个三 维实体（单体/寡聚） 3、与底物诱导契合 4、位于酶表面裂缝 (crevice)内 5、通过次级键与底物结合 6、活性中心构象具有柔性或可运动性
有助于对疾病（尤其
12 3 4 5
是癌症）的诊断。
心肌梗塞和肝病病人血清LDH同工酶谱的变化
a
2
12
b
酶活性 酶活性
3
1 4 5
3 45
迁移位置 (a)
迁移位置
LDH同工酶电泳图谱
(b)
（a）正常人LDH同工酶电泳图谱,（b）心肌梗塞病人血清LDH同工酶电泳图谱
3. 酶催化反应的最适pH范围通常是狭小的
4. 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。
5. 酶除活性基团外，还有别的特性使反应进行更有利，并使更 复杂的多底物反应按一定途径进行。
主要有利条件：
① 在活性部位存在1个以上的催化基团，所以能进行协同 催化
② 存在有结合部位，底物分子可以按固有方位结合在活 性部位附近
诱导契合：当底物和酶接触时，可诱导酶分子的构象变化， 使酶活性中心的各种基团处于和底物互补契合的正确空间位 置，有利于催化。
四、酶催化反应机制的实例
（一）溶菌酶（lysozyme）
Alexander Fleming
由129个氨基 酸残基组成的 单肽链蛋白质， 含4对二硫键。
存在鸡蛋清和眼泪中
溶菌酶生物学功能是催化水解细菌细胞壁多糖
2. 蛋白激酶
一个非常大的家族，已发现至少200种，结构上有很大的相似 性，进化上相关。根据底物磷酸化类型分为：Ser/Thr型和 Tyr型。根据调节物分为：
激素/生长因子依赖性
信使
cAMP依赖性
蛋 依赖性
（PKA）
白 激
胞内信使 cGMP依赖性
酶
（PKG)
非信使 依赖性
Ca2+ /磷脂依赖性 （PKC)
别
别
别
别
别
别
别
1. 天冬氨酸转氨甲酰酶（ATCase)
O H2N C O
COO-
-OOC
+ + O
P OO-
H3N+
CH2
Zn2+
C COO-
Pi
ATCase
H
H2N
O C NH
CH2 C COO-
CTP反馈抑制ATCase
O HN
O
COO N
H
ATP 别构激活剂 CTP 别构抑制剂
NH2
N
CTP（嘧啶生物合成的终端产物)
1、都是寡聚酶 2、不同的亚基组成 3、不同亚基的活性中心非常相似 4、组织分布部位不同 5、所催化的反应有侧重点
如：
生理及临床意义
同工酶可以作为 酶
遗传标志，用于遗传分 活
析研究；
性
心肌梗塞酶谱
用于解释发育和
组织分化过程中阶段
正常酶谱
特有的代谢特征；
在代谢调节上起
肝病酶谱
着重要的作用；
同工酶谱的改变
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。
3. 几种重要的蛋白激酶
（1）蛋白激酶A（PKA）或cAMP依赖性蛋白激酶（cAPK)
激活：磷酸化酶激酶、甘油三酯酶、酪氨酸羟化酶、RNA 聚合酶II等，
抑制：糖原合成酶、乙酰CoA羧化酶、丙酮酸激酶等。
wk.baidu.com（2）蛋白激酶C（PKC)
广泛分布在真核细胞特别是哺乳动物细胞的一种蛋白激酶， 以无活性形式存在胞液中，当被Ca2+等激活后转移到膜上， PKC对调节细胞代谢，分化，生长，增殖及信号转导等起 重要作用。
O
O
O
O
N
O- P O P O P O H2C O -
O-
O-
O-
OH OH
调节亚基 催化亚基
ATCase由催化亚基和调节亚基构成：
➢ 大亚基为催化亚基，有催化活性， 不与ATP和CTP结合；
➢小亚基为调节亚基，无催化活性， 能与ATP和CTP结合;
3、 别构酶的性质
（1）多亚基
一部分亚基有活性中心， 另一部分有别构调节中心
③ 在2个或2个以上底物反应时，存在1个以上的底物分子 结合部位
④ 底物结合到酶分子后，底物分子中的键产生张力，有 利于过渡态复合物的形成。
三、影响酶催化效率的有关因素
（一）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，底物与底物、催化基 团与底物之间结合于同一分子（酶）而使有效浓度极大增 加，从而使反应速率大增的效应。