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。
第四章 酶3 酶的作用机制及活性调节
• b. 修饰剂浓度与酶失活或降低的程度若成正比，则修饰位 于活性中心内
将修饰后的酶水解，肽键打开（但修饰剂与酶结合的共价 键不被打开）→得到带有标签的肽段→用氨基酸测序进行 鉴定
2、研究酶活性部位的方法
2、研究酶活性部位的方法
定点诱变法
• 改变编码蛋白质基因重的DNA顺序→改变氨基酸残基→确 定活性部位 • 如果被代换的氨基酸不影响酶的活性，则该位臵的氨基酸 残基不是必须基团 • 如果被代换的氨基酸使酶活性丧失或降低，则该位臵的原 有氨基酸残基是必须基团
• 1）vmax不变，Km值升高，该位臵氨基酸为结合基团
生
物
化
学
第四章 酶
§4.3 酶的作用机制和酶的调节
• 一、酶的活性部位 • 二、酶催化反应的独特性质 • 三、影响酶催化效率的有关因素
• 四、酶催化反应机制的实例
• 五、酶活性的调节控制
• 六、同工酶
一、酶的活性部位
• 只有少数的氨基酸残基参与底物结合及催化作用
• 酶的活性部位（active site/ active center ）——与酶活力直 接相关的区域：分为结合部位（负责与底物的结合→决定酶 的专一性）和催化部位（负责催化底物键的断裂形成新键→ 决定酶的催化能力）
二、酶催化反应的独特性质
• 1、酶反应有两类：其一仅涉及到电子的转移（转换数约 108s-1）；其二涉及到电子和质子两者或其他基团的转移 （约103s-1，大部分反应） • 2、酶催化作用是由氨基酸侧链上的功能基团（His、Lys、 Glu、Asp、Ser、Cys）和辅酶为媒介的→比只利用氨基酸 侧链来说，为催化反应提供了更多种类的功能基团 • 3、酶催化反应的最适pH范围通常是狭小的 • 4、与底物分子相比，酶分子很大而活性部位通常只比底物 稍大一些 • 5、存在一个或以上的催化基团及活性部位
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。
第九章：酶的作用机制和酶的调节1
3．用于判断和确定酶活性中心的方法 1）酶的专一性研究 通过研究酶的专一性底物的结构特点，来判断和确定 活性中心的结构特点→确定活性中心的结构 研究酶的竞争性抑制剂的必需结构、酶与专一性底物 的相互关系，来确定酶活性中心结构。
2）酶分子侧链基团的化学修饰法 使用一些对酶分子侧链功能基团可进行共价修饰的 试剂作用与酶，以查出哪些基团是保持酶活力所必需 的。
三．与酶高效催化作用有关的因素 1．底物与酶邻近效应和定向效应 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，有利于提高 反应速度； 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。
第九章：酶的作用机制和酶的调节 1．酶的活性 部位 2．影响酶催 化效率的有关 因素 3．酶活性的 调节控制 4．同工酶
第一节：酶活性中心
以一个独立三级结构为完整生物共能分子最 高形式的酶，称为单体酶；以四级结构作为完整生物 功能分子结构的酶，称为寡聚酶。 1．酶的活性中心 酶蛋白中只有少数特定的氨基酸的侧链基团核 酶的催化活性直接有关，这些官能基团称为酶的必需 基团。在酶分子三级机构的构象中，由少数必需基团 组成的能与底物分子结合并完成特定催化反应的空间 小区域，称为酶的活性中心或酶活中心。构成酶活性 中心的必需基团，主要是某些氨基酸残基的侧链基团。
在酶的活性中心出现频率最高的氨基酸残基有：丝 氨酸、组氨酸、半胱氨酸、酪氨酸、天冬氨酸、谷氨酸 和赖氨酸，它们的极性侧链基团常常是酶活性中心的必 需基团。
2．酶的活性部位的特点
活性部位在酶分子的中提及中只占相当小的一 部分，通常只占整个酶分子体积的1%-2%。酶的活性 部位是一个三维实体 酶的底物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， 有时是两者的构象发生了一定的变化后才互补的， 这时催化基团的位臵也正好在所催化底物键的断裂 和即将生成键的适当位臵。这个动态的辨认过程称 为诱导契合。 酶的活性部位是位于酶分子表面的一个裂缝内。 底物通过次级键较弱的力结合到酶上。 酶活性部位具有柔性或可运动性。
第六章 酶的作用机制和酶的调节 - 复制
5.酶除了具有进行催化反应必须的基团外， 还具有其他的特性
活性中心的实质
必需基团：活性 中心即酶分子中 在三维结构上相 互靠近的几个 aa残基或其上 的某些基团。 非必需基团：活 性中心以外的部 分对酶催化次要 但对活性中心形 成提供结构基础。
胰凝乳蛋白酶的活性中心
必须基团：酶表现催化活性不可缺少的基团
概念：指能催化相同的化学反应，但其结 构和理化性质及反应机理都有所不同的 一组酶。 应用： 在细胞分化及形态遗传的分子学基础研 究中很重要； 在代谢调控中起重要作用； 作为疾病诊断的指标。如乳酸脱氢酶 （LDH）
（四）酶原的激活：
1、概念： 酶原（proenzyme)： 没有催化活性的酶的前体(precursor)。 酶原激活（活化）： 从不具活性的酶原转变为有活性的酶的过 程。 其实质是一个或一些专一的肽被裂解， 使酶活性中心形成或暴露的过程。如：
结合部位：结合部位决定酶的专一性
结合部位
催化部位(Catalytic site)
催化 部位 决定 酶的 高效 性
三、影响酶催化效率的有关因素：
（一）底物与酶的邻近和定向效应：
S分子向E活性中心靠近，且趋向E催化部位， 使活性中心这一局部区域[S]增加，并使S分子 发生扭曲，易于断裂，降低反应所需活化能。 从而加快反应速度。
第六章 酶的作用机制和酶的调节
新疆农业大学农学院生物化学教研室 王希东 TEL：8763713 E-mail：wxdxnd@ wxd4085_cn@
本章主要内容
1. 酶的活性中心（活性部位） 2. 酶催化反应的独特性质 3. 影响酶催化效率的有关因素 4. 酶活性的调节
（一）别构酶 (allosteric enzymes)：
酶的作用和调控
酶的作用和调控酶是一种生物催化剂，可以加速化学反应的速率，而且在反应过程中自身不发生改变。
酶在生物体内起着极其重要的作用，参与了几乎所有的生物反应，包括新陈代谢的调节、信号传导、DNA复制等等。
本文将重点讨论酶的作用和调控机制。
一、酶的作用酶具有高度特异性，只能催化特定的底物。
它们通过在底物分子上形成暂时的键合，降低活化能，从而使反应速率增加。
酶的作用主要可以从以下几个方面来理解。
1. 催化底物转化酶可以催化底物转化为产物，如淀粉酶能将淀粉分解为葡萄糖单元，蛋白酶能加速蛋白质的降解，而核酸酶能剪切DNA链。
这些反应都是通过酶与底物的特定结合来实现的。
2. 降低活化能酶可以通过形成酶-底物复合物来降低反应的活化能。
这是因为酶能够在底物的特定位置形成特定的电荷分布或空间结构，从而使底物分子更容易发生化学反应。
3. 提高反应速率由于降低了反应的活化能，酶可以使反应速率大大增加。
一般来说，酶催化的反应速率比非酶催化的速率快几百到几百万倍。
二、酶的调控为了维持生物体内的稳态，酶的活性需要得到严格调控。
酶的调控可以分为两类：遗传调控和非遗传调控。
1. 遗传调控遗传调控是通过改变酶的基因表达水平来调控酶的活性。
这可以通过以下几种方式实现。
a. 转录调控转录调控是通过调控酶基因的转录来控制酶的产量。
这可以通过激活或抑制酶基因的转录因子来实现。
转录因子是一类能够结合到基因启动子上的蛋白质，它们可以增强或抑制酶基因的转录，从而影响酶的产量。
b. 翻译调控翻译调控是通过调控酶基因的转录产物的翻译过程来调控酶的产量。
这可以通过调控转录产物的稳定性或翻译速率来实现。
例如，一些miRNA可以与转录产物相互作用，从而降解转录产物或阻止其翻译。
c. RNA剪接调控RNA剪接调控是通过调控基因转录产物的剪接方式来调控酶的活性。
不同的剪接方式会生成不同的转录产物，从而影响酶的功能。
2. 非遗传调控非遗传调控是通过调控已存在的酶分子的活性、稳定性或定位来调控酶的活性。
第三节 酶的作用机理和酶的调节
（4）基因定点诱变法
例： PCR定点突变技术 胰蛋白酶：Asp102→Asn102, 水解效率降低5000倍。
二、酶的作用机理
酶反应的独特性质：
• 酶反应包括两类：①电子转移；②电子+质子以及 其它基团转移。 • 催化作用涉及氨基酸侧链基团和辅因子。 • 巨大酶的结构对于稳定活性部位的构象是必需的。 • 活性中心具有一个以上的催化基团，有利于协同 催化；结合部位可使底物以固定方位结合。
2. 底物的形变(distortion) 含义：
酶使底物敏感键产生‚电子张力‛或变形，从 而促使敏感键更易断裂。
例：溶菌酶的催化机制
129aa, 活性中心含Asp52, Glu35，催化某些 细菌细胞壁多糖的水解。
25% 螺旋 还具折叠
Fig. 2-22 The structure of lysozyme（溶菌酶）. Glu35 and Asp52 are shown in while.
肽键断裂，肽键氨基部分从His57获得一个H+，氨基部 分释放；肽键羧基部分与Ser195相连，形成酰基化酶。
酰基化酶
② 脱酰阶段：水分子攻击酰基化酶， His57 吸收一个H+，OH-攻击羰基C； His57供出一个H+给Ser195，释放C末端产 物。酶恢复原状。
Fig.2-30 A detailed mechanism for the chymotrypsin reaction.
专一性底物的结构特点 活性中心结构
竞争性抑制剂的必需结构
（2）酶分子侧链基团的化学修饰法
DFP(二异丙基氟磷酸) 与胰凝乳蛋白酶Ser195共价结合
第三节酶的作用机制和酶的调节
乳酸脱氢酶同工酶（LDHs）为四聚体，在体内共有
六种分子形式，即LDH1（H4），LDH2（H3M），LDH3 （H2M2），LDH4（HM3），LDH5（M4）和LDHx。
乳酸脱氢酶（LDH）： M 三种类型的亚基 骨骼肌型
H x
心肌型
x亚基
亚基 组成
H H H H LDH1 (H4)
M H H H LDH2 (M H3)
7.多功能催化作用
酶的活性中心部位，一般都含有多个起催 化作用的基团，这些基团在空间有特殊的 排列和取向，可以对底物价键的形变和极 化及调整底物基团的位置等起到协同作用， 从而使底物达到最佳反应状态。
三、酶活性的调节控制
生物体内的各种生理活动均以一定的物 质代谢为基础。为了适应某种生理活动的 变化，需要对一定的代谢活动进行调节。 通过对酶的催化活性的调节，就可以达 到调节代谢活动的目的。 可以通过改变其催化活性而使整个代谢反 应的速度或方向发生改变的酶就称为限速 酶或关键酶。
胰腺的蛋白酶
胰腺中存在胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶 和弹性蛋白酶的酶 原，它们转移到小肠后，首先是胰蛋白酶原被肠激酶断 裂，然后胰蛋白酶进一步激活其它两个酶。 胰蛋白酶原 肠激酶
胰蛋白酶
胰凝乳蛋白酶原 弹性蛋白酶原 弹性蛋白酶
胰凝乳蛋白酶
胰凝乳蛋白酶的活化过程
胰凝乳蛋白酶原（无活性）
1 13 14 15 16 146147148149 245
5.金属离子的催化作用
金属离子的催化作用往往和酸的催化作用相似，有多 种途径参加催化过程。（结合底物为反应定向；调节 氧化还原反应；静电稳定或屏蔽负电荷）
6.微环境的影响（酶活性中心是低介电区域）
酶活性中心处于一个非极性环境中， 从而有利于同底物的结合。 （水的极性和形成氢键的能力都较强， 能够减弱极性基团间的相互作用。）
酶的作用机制和酶的调节
O H2N CH C OH CH CH2 O C O OH O CH CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 NH2 OH OH C H2N OH CH C OH NH2 O O C OH COOH
CH2 H2N CH2 C OH
酸、碱性基团： 天冬氨酸和谷氨 酸的羧基，酪氨 酸的酚羟基 赖氨酸的氨基， 组氨酸的咪唑基。
酶分子侧链基团的化学修饰法 非特异性共价修饰 特异性共价修饰 亲和标记 动力学常数测定法 X射线晶体结构分析法 定点诱变法
二、酶催化反应的独特性质
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 酶反应加速：
1、底物和酶的邻近效应和定向效应
5、 金属离子催化作用
*根据金属离子与酶蛋白结合程度，可分为两类： 金属酶和金属—激活酶。 （1）金属酶：酶蛋白与金属离子结合紧密。如 Fe2+/ Fe3+ 、Cu+/Cu3、Zn2+ 、Mn2+、Co2 等过 渡态离子。 （2）金属—激活酶：金属离子与酶的结合一般 较松散。在溶液中，酶与这类离子结合而被激 活。如Na+ 、K+、 Mg2+、 Ca2+ 等。 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）通过可逆改变金属离子 氧化态调节氧化还原反应
许多氧化-还原酶 中都含有铜或铁离 子，它们作为酶的 辅助因子起着传递 电子的功能。 Fe3+ e Fe2+ e Cu2+ Cu+
（3）通过静电稳定或屏蔽负电荷
电荷屏蔽作用是酶中金属离子的一个重要功能。
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。
酶的作用机制和调节
酶的作用机制和调节酶是一类生物催化剂，它在生物体内起着至关重要的作用。
酶能够加速化学反应的进行，降低活化能，使生物体内的代谢过程更加高效。
本文将探讨酶的作用机制以及调节机制。
一、酶的作用机制酶的催化作用主要通过两个机理实现，即酶与底物的结合和酶催化反应。
1. 酶与底物的结合酶与底物之间的结合是通过酶的活性位点来完成的。
活性位点是酶分子上具有特定结构和氨基酸残基的区域，与底物结构相互吻合。
酶与底物结合的特异性是酶高效催化的基础。
酶与底物的结合可以通过“钥匙-锁”模型来描述。
即酶的活性位点（“锁孔”）与底物的结构（“钥匙”）相互适配，形成酶底物复合物。
这种结合使得底物的活化能降低，从而促进酶催化反应的进行。
2. 酶催化反应酶催化反应是指酶通过调整反应路径、提供催化剂或者转移化学基团而加速化学反应的过程。
酶能够调整底物的构象，使得底物更容易进行特定的化学转化。
此外，酶还可以提供催化剂，如辅因子或金属离子，来促进反应的进行。
同时，酶还可以通过转移化学基团的方式来调节反应，例如酶可以将底物中的氢离子或者电子转移给另一个底物分子。
这些机制使得酶能够高效地催化反应，提高反应速率。
二、酶的调节机制为了适应生物体内不同的环境和代谢需求，酶的活性需要被调节。
酶的调节机制主要分为两种类型：可逆性调节和不可逆性调节。
1. 可逆性调节可逆性调节是指酶的活性可以在不同条件下被逆转或者恢复的调节机制。
可逆性调节主要包括以下几种形式。
（1）反馈抑制：产物在代谢途径中的积累可以抑制酶的活性，从而调节代谢途径的进行。
这种调节机制可以保证代谢途径的稳定性和平衡性。
（2）物质的结合：某些物质（如激活剂或抑制剂）可以结合到酶上，通过改变酶的构象或者酶与底物的结合能力来调节酶的活性。
（3）共价修饰：酶可以通过化学修饰（如磷酸化、乙酰化等）来调节自身的活性。
这种修饰可以通过激酶和磷酸酶等酶的协同作用来实现。
2. 不可逆性调节不可逆性调节是指酶的活性受到不可逆的结构变化或者修饰的调节机制。
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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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……
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
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
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
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。
（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。
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。
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。
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
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。
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)
（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：
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。
（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。
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来自为 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
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
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 。
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)
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。