第10章 酶的作用机制和酶的调节3
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。
酶的作用机制范文
酶的作用机制范文酶是一类能够催化生物化学反应的蛋白质分子。
酶能够加速化学反应速度，但本身不参与反应，也不会改变反应的热力学性质。
酶的作用机制可以通过以下几个方面来进行解释。
1.酶与底物结合：酶通过与底物分子相互作用，使其与酶发生结合，形成酶-底物复合物。
这种结合通常是通过酶的活性部位（也称为催化部位）来实现的。
酶的活性部位通常是一个立体特异性的凹槽或裂隙，可以与底物分子的特定结构进行键合。
2.底物转换：一旦酶和底物结合，酶会促使底物经历一系列转换，从而形成产物。
这些转换的过程包括底物的化学键的断裂和形成。
酶通过提供合适的环境，如稳定性氧化态、酸碱环境、金属离子等，来引导底物分子进行转换。
3.过渡态稳定：底物在转换过程中通常会形成过渡态，即反应物和产物之间的中间状态。
酶能够通过与底物结合来稳定过渡态，降低过渡态的自由能，从而降低了反应的活化能，加速反应速率。
4.反应解离：完成底物转换后，酶会与产物解离，恢复到其初始状态，以便与下一个底物分子发生反应。
这种解离可以是因为酶与底物结合力减弱，也可以是因为酶通过结构变化使产物从酶的活性部位释放出来。
酶的催化机制可以通过四种基本模型来解释：酶底物复合物模型、酶的诱导模型、酶的近距离模型和酶的呈合模型。
1.酶底物复合物模型：该模型认为酶与底物结合形成复合物后，复合物发生结构变化，使底物分子接近理想反应构型，从而促进反应进行。
这种模型强调酶的立体特异性和与底物的非共价相互作用。
2.酶的诱导模型：该模型认为酶通过与底物结合，诱导底物分子发生结构变化，从而使底物分子能够更容易地进行反应转化。
这种模型强调酶对底物的诱导和对底物结构的调整。
3.酶的近距离模型：该模型认为酶通过将底物分子靠近彼此的距离，使它们在反应发生时更容易相互作用。
这种模型强调酶对底物分子的位置安排和使反应发生的条件。
4.酶的呈合模型：该模型认为酶在催化反应过程中会经历多个构象变化，使底物分子能够适应不同的转换过程。
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。
第10章 酶的作用机制和酶的调节
溶菌酶 胰凝乳蛋白酶 胃蛋白酶 木瓜蛋白酶 羧肽酶A 129 241 348 212 307 Asp52, Glu35 His57, Asp102, Ser195 Asp32, Asp215 Cys25, His159 Arg127, Glu270,Tyr248,Zn 2+
（一）别构调控
1、别构酶的概念 别构酶也称变构酶，它是代谢过程中的关键酶。除了具有酶的 活性部位外，还有一个调节部位。通过效应物（调节物）和酶 的别构部位的结合来调节其活性，从而调节酶反应速度和代谢 过程。
2、别构效应（allosteric effect）：调节物或效应物
与酶分子上的别构中心结合后，诱导出或稳定住酶分子的某种 构象，使酶活性中心对底物的结合和催化作用受到影响，从而 调节酶反应速度及代谢过程，此效应即为酶的别构效应。 凡能使酶分子发生别构作用的物质称为效应物或别构剂，通常为小 分子代谢物或辅因子。如因别构导致酶活性增加的物质称为正效应 物或别构激活剂。反之称为负效应物或别构抑制剂。
在非极性环境中两个带电基团之间的静电作用比在极性 环境中显著增高。当底物分子与酶的活性部位相结合， 就被埋没在疏水环境中，这里底物分子与催化基团之间 的作用力将比活性部位极性环境的作用力要强得多。这 一疏水的微环境大大有利于酶的催化作用。
三、
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五、酶活性的调节控制
（三）研究酶活性部位的方法
1.酶分子侧链基团的化学修饰法
（1）非特异性共价修饰
某些化学试剂能和酶蛋白中氨基酸残基的侧链基团反应而 引起共价结合、氧化或还原等修饰反应，使基团的结构和 性质发生改变。如果某基团修饰后不引起酶活力的变化， 可以初步认为，此基团可能是非必需基团。反之，如修饰 后引起酶活力的降低或丧失，则此基团可能是酶的必需基 团。 修饰剂已和活性都位基团结合的鉴别标准有两个： ①酶活力的丧失速率和修饰剂浓度成正比。 ②底物或与活性部位结合的可逆抑制剂可保护共价修饰剂 的抑制作用。
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
王镜岩版生物化学总复习习题
生物化学各章复习题第 3 章氨基酸回答问题 :1. 什么是蛋白质的酸水解、碱水解和酶水解，各有何特点？2. 写出 20 种基本氨基酸的结构、三字母缩写和单字母缩写。
3. 甘氨酸、组氨酸和脯氨酸各有何特点？4. 什么是氨基酸的等电点？写出下了列氨基酸的结构、解离过程，并计算等电点：缬氨酸、谷氨酸和精氨酸。
5. 在多肽的人工合成中，氨基酸的氨基需要保护，有哪些反应可以保护氨基？6. Sanger 试剂、 Edman 试剂分别是什么？与氨基酸如何反应，此反应有何意义？7. 试写出半胱氨酸与乙撑亚胺的反应，此反应有何意义？8. 写出氧化剂和还原剂打开胱氨酸二硫键的反应。
9. 蛋白质有紫外吸收的原因是什么，最大吸收峰是多少？10. 什么是分配定律、分配系数？分配层析的原理是什么？11. 什么是 HPLC?12. 课本 P156,15 题。
第 4 、 5 章蛋白质的共价结构，三维结构一．名词解释：单纯蛋白（举例），缀合蛋白（举例），辅基，配体，蛋白质的一、二、三、四级结构，超二级结构，结构域，肽平面（酰胺平面），谷胱甘肽（结构式），对角线电泳，完全水解，部分水解，同源蛋白质，不变残基，可变残基，α - 螺旋β - 折叠，膜内在蛋白，脂锚定膜蛋白，蛋白质的变性与复性，单体，同聚体，杂多聚蛋白二．回答问题：1. 试举例说明蛋白质功能的多样性？2. 那些实验能说明肽键是蛋白质的连接方式？3. 试述肽键的性质。
4. 试述蛋白质一级结构测定的策略。
5. 如何测定 N- 端氨基酸？6. 图示胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、嗜热菌蛋白酶及胃蛋白酶的作用专一性。
7. 书 p194 —第 2 题8. 研究蛋白质构象的方法都有哪些？9. 稳定蛋白质的三微结构的作用力有哪些？10. 影响α - 螺旋形成的因素有哪些？11. 胶原蛋白的氨基酸组成有何特点？12. 蛋白质变性后有哪些现象？13. 举例说明蛋白质一级结构决定三级结构。
第 6 章蛋白质结构与功能的关系一．名词解释：珠蛋白，亚铁血红素，高铁血红素，亚铁肌红蛋白，高铁血红蛋白二．回答问题：1. 肌红蛋白和血红蛋白的氧合曲线有何不同，试从蛋白质结构与功能的关系上加以解释。
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。
11 酶的作用机制和调节-王镜岩生物化学(全)
三、酸碱催化
• 酸碱催化是通过瞬时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。
• 组氨酸的咪唑基的重要意义（许多酶的活性中心都有组 氨酸残基）
四、共价催化
• 共价催化：在催 化时，亲核基团 或亲电基团发生 亲核取代和亲电 加成反应， 通过共
价键与底物形成不 稳定的共价酶 - 底物 复合物 ， 降低反应 ：
糖原磷酸化酶
各种类型可逆的共价修饰
ATP结构式
ATP的形成
尿苷酸结构式
第四节 同 工 酶
1. 同工酶定义
• 同工酶是指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。 • 存在部位：同工酶不仅存在于同一个体 的不同组织中，甚至同一组织、同一细 胞的不同亚细胞结构中。
6、底物通过次级键结合到酶上。
酶与底物结成ES复合物主要靠次级键： 氢键、盐键、范德华力和疏水相互作用
7、 酶活性部位相对于整个酶分子来
说更敏感 (变性时首先失活)
二、研究酶活性部位的方法
• 1．侧链基团的化学修饰法 • 可以被化学修饰的基团很多，如巯基、 羟基、咪唑基、氨基、羧基和胍基等。
• 2．定点诱变法
大增加了底物的有效浓度）
•定向效应是指反应物的反应 基团之间或酶的催化基团与底 物的反应基团之间的正确取位。
二、底物的形变和诱导契合
• 当酶遇到其专一性底 物时，酶中某些基团 或离子可以使底物分 子内敏感键的某些基 团的电子云密度增高 或降低，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。
酶催化机理的实例
胰凝乳蛋白酶（电荷中继网） 催化三联体 Asp---His---Ser
第10章 酶的作用机制和酶的调节
正、负协同别构酶与非调节酶的动力学曲线比较
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（二）酶原的激活
酶原 (zymogen或proenzyme)
有些酶在细胞内合成或初分泌时只是
酶的无活性前体，此前体物质称为酶原。 酶原的激活 在一定条件下，酶原向有活性酶转化 的过程。
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酶原激活的原理 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
以改变细胞内酶的含量的调节
6
（一）别构调控
酶分子的非催化部位与某些化合物可逆地非共价结合后导 致酶分子发生构象改变，进而改变酶的活性状态，称为酶的别 构调节(allosteric regulation)。 别构酶 (allosteric enzyme) 别构效应物 (allosteric effector) 正效应物 (positive effector)或别构激活剂 (allosteric activator) 负效应物 (negative effector)或别构抑制剂 (allosteric inhibitor)
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A--非调节酶 B-正协同别构酶 的S形曲线 当底物浓度发生很小的变化 时，别构酶就极大地控制着 反应速度。 在正协同效应中使得酶反应 速度对底物浓度的变化极为 敏感。
别构酶与米氏酶的动力学曲线比较
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1--非调节酶 2--正协同别构酶 3--负协同别构酶 具有负协同效应的酶在底物浓度较低 的范围内酶活力上升快，但再继续下 去，底物浓度虽有较大的提高，但反 应速度升高却较小。使得酶反应速度 对底物浓度的变化不敏感。
③ 可视为酶的储存形式。
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（三）酶的共价修饰
某些酶可以通过其它酶对其多肽链上某些基团进行可 逆的共价修饰，使其处于活性与非活性的互变状态，从而 调 节 酶 活 性 ， 此 种 调 节 方 式 称 共 价 修 饰 (covalent modification)。这类酶称为共价修饰酶。
上海交大 中文翻译 生物化学课本：第10章 调节机制
第十章调节机制如同机动车交通，用信号调节代谢途径流动效率更高。
CTP是一个多步骤反应的最终产物。
CTP抑制限速步骤催化酶（即天冬氨酸-氨基甲酰转移酶ATCase）活性能够控制这个代谢途径。
为了在合适的时间和地点发挥作用，必须调节酶的活性。
这种调节对于协调生物体内一直发生的大量生化过程而言是必需的。
酶活性的调节方式主要有五种。
1.变构控制。
变构蛋白质含有独特的调节位点和多个活性位点。
信号小分子与调节位点的结合是控制这些酶蛋白活性的主要手段。
而且，变构蛋白有协同性：一个活性位点的活性会影响其它活性位点。
因此有变构控制能力的蛋白质也是信息转导分子：能够将信号分子或同一酶蛋白活性位点的信息传递给蛋白质，调节酶蛋白活性。
本章介绍研究最深入的变构蛋白，即天冬氨酸-氨基甲酰转移酶（ATCase）。
该酶催化嘧啶合成途径的第一步反应，即氨基甲酰转移给天冬氨酸的化学反应。
这个酶受该途径终产物CTP的反馈抑制。
在第7章我们已经介绍了一种变构蛋白（即运送氧气的血红蛋白）。
2.酶的多重形式。
同功酶（isozyme，isoenzyme）是在不同位置或时间调节酶活性的另一种形式。
同功酶是同一生物体内存在的催化同一反应的同源酶，它们之间在结构上稍1有差异，但是催化反应的Km和Vmax，以及调节特性差异显著。
通常同功酶随表达的时间、地点和发育状态而改变。
3.可逆共价修饰。
有很多酶共价连接一个基团后催化活性显著改变，最常见的修饰基团是磷酸。
ATP作为这些修饰反应的磷酸供体，催化的酶是蛋白激酶。
蛋白磷酸酯酶负责删除蛋白质的磷酸基团。
本章介绍蛋白激酶的结构、特异性和活性调节。
PKA是真核生物广泛存在的蛋白激酶，能够调节不同的目标蛋白质。
4.蛋白裂解活化。
有些调节使酶蛋白活性能够来回变化，使之处于有活性和无活性两种状态。
还有一种调节方式是酶蛋白活性不可逆转地激活。
只要水解少数几个肽键甚至一个肽键就能够酶激活的蛋白质称为酶原(zymogen, or proenzyme)。
《生物化学》酶促反应动力学
k4
[ES]
(3)推导过程-1 由中间产物学说可知，酶促反应分两步进行
在稳态下,ES的生成速率与分解速率相等,达到动态平衡即:
VES生成 = VES分解
k1([E]- [ES]) [S]=(k2+ k3) [ES] 令Km = (k2+ k3)/ k1,则
([E]- [ES]) [S]/ [ES]= (k2+ k3)/ k1= Km
第二单元 酶化学
第8章 酶通论 第9章 酶促反应动力学 第10章 酶的作用机制和酶的调节
第9章 酶促反应动力学
一、化学动力学基础(P351) 二、底物浓度对酶反应速率的影响(P355) 三、酶的抑制作用(P368) 四、温度对酶反应的影响(P378) 五、pH对酶反应的影响(P379) 六、激活剂对酶反应的影响(P380)
1、不可逆的抑制作用
抑制剂与酶的必需基团以共价键结合而引起酶活力丧失， 不能用透析、超滤等物理方法除去抑制剂而使酶复活，称 为不可逆抑制（irreversible inhibition）。
2、可逆抑制作用
抑制剂与酶的必需基团以非共价键结合而引起酶活力丧 失，能用透析、超滤等物理方法除去抑制剂而使酶复活， 称为可逆抑制（reversible inhibition）
4、抑制百分数：
i%= （1- a） × 100% = （1-vi/ v0）× 100%
（二）抑制作用的类型
抑制剂： 凡使酶的必需基团或酶的活性部位中的基团的化学
性质改变而降低酶活力甚至使酶完全丧失活性的物质， 称为抑制剂，用I表示，其作用称为抑制作用。
抑制作用一般分为: 不可逆抑制作用和可逆抑制作用两类。
的速率方程称为本征动力学方程，有具体的物理
酶的活性调节
（二）E 的活性中心特点 1 几个氨基酸残基，1％〜2 ％酶分子体积
384
(二) E 的活性中心特点
2 3
三维实体 表面或接近表面
裂缝(crevice)
疏水区域
4 柔性或可运动性
E 诱导契合和 S底物的形变
5
ES 是由次级键形成
384
酶的活性中心示意图
酶的结构
活性中心
必需基团
结合部位 催化部位 活性中心以外的必需基团
长的凹穴。最适底物正好与
酶分子的凹穴相结合，凹穴
中的Glu35和Asp52 是活性中 心的氨基酸残基。
2. 催化作用机理 • 溶菌酶底物与酶活性中心的关系
溶菌酶活性中心上的Asp52氧 原子距离底物敏感键(C-O键)中 碳原子只有0.3nm，活性中心 上另一个氨基酸 Glu35的羧基 距离底物敏感键(C-O键)中氧原 子也只有0.3nm，溶菌酶的活 性中心的氨基酸残基与底物敏 感键既靠近又定向。
接有关，即与酶活力直接相关的区域称为酶的活性部位。
酶的活性部位是酶分子进行催化反应的一个场所，是酶分子的一小 部分区域，在这个区域上的少数几个特异的氨基酸参与结合底物催化底 物，把酶分子上的这个区域称为酶的活性部位。
结合部位
负责酶与底物的结合,决定
活性 部位
催化部位
酶 的专一性
负责催化底物，决定酶
酶活性中心的羧基与水形成氢键，导 致酶活性中心羧基表面有一层水化层，水 分子的屏蔽作用，大大削弱了酶分子与底 物离子间的静电相互引力，不利于酶促反 应。
酶催化作用机理： 综上所述：
酶与底物结合时，由于酶的变形（诱导契合） 或底物变形使二者相互适合，并依靠离子键、氢 键、范德华力的作用和水的影响，结合成中间产 物，在酶分子的非极性区域内，由于酶与底物的 邻近、定向，使二者可以通过亲核\亲电催化、
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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T状态（对称亚基）
SS
R状态（对称亚基） 对称亚基
S SS S SS S SS
S
SS
齐步变化
对称亚基
序变模型（KNF）：Koshland、Nemethy和Filmer提 出。别构酶中的一条亚基结合了效应物之后，构象 发生改变，并导致其相邻的亚基的构象发生改变， 这种构象变化依次传递，从而影响酶的催化活性
别构效应根据底物对酶的活性的影响分为：
正协同效应：第一个底物与酶的结合使酶的构象发生 改变，有利于后续的底物与酶的结合
负协同效应：第一个底物与酶的结合不利于后续的底 物与酶结合。
别构酶的v~[S]关系大都不遵循米氏动力学。动力 学曲线不是双曲线。
具有正协同效应的别构酶的v对[S]作用呈S形曲线 某些寡聚酶解离成单体后，失去了别构调节能力， 但脱仍敏保作留用催化活性，其v~[S]曲线为米氏曲线，称为
Rs>81 别构酶，负协同效应
Rs<81 别构酶，正协同效应
通过Hill系数（n值）：v=Vm*[S]n/(Km+[S]n)
n=1
米氏酶
n>1
别构酶，正协同效应
n<1
别构酶，负协同效应
a—米氏酶 b--别构酶的S形曲 线
正协同别构酶与米式酶的的动力学曲线
别构效应的生理意义
别构调节是代谢调节的主要方式之一 酶对底物量的变化十分敏感（正协同 ）或不敏感（负协同）
ATCase的结构的X射 线分析
PALA (N-磷乙酰-L-天冬氨酸)是ATCase的底物 过渡态类似物 PALA与酶的结合导致酶结构发生很大变化， 从紧张态（T）变为松驰态（R）
除了底物的结合导致酶的构像发生改变外，效 应物的结合也会导致酶的构像发生改变
CC C
RR RR RR
C CC
无催化活性构象(T-型)
使酶活性降低的效应物是负效应物（别构抑制剂）
例子： aspartate transcarbamoylase (ATCase )天冬氨酸转氨甲酰酶
催化的反应
ATCase
Asp + 氨甲酰磷酸 ――-―-→ 氨甲酰Asp
磷酸
该反应是CTP生物合成的第一个酶，是一个别 构酶 动力学特征：双底物反应，V－[Asp］为S形
具有负协同效应的别构酶动力学曲线近似双曲线
正协同、负协同别构酶与 米氏酶的动力学曲线比较
1.米氏酶 2.正协同别构酶
3.负协同别构酶
正协同别构酶的动力学曲线 ＋为正效应物（别构激活剂） －为负效应物（别构抑制剂）
别构酶的判断
根据饱和比值（Rs值）：
Rs＝［S］90％Vm/［S］10％Vm
Rs=81 米氏酶
对米氏酶而言，［S］90％Vm/［S］10％Vm ＝81，意思是［S］提高了81倍，v才提 高9倍，说明酶对［S］的变化很迟钝 而对于正协同的别构酶而言，［S］90％ Vm/［S］10％Vm＝3，意思是［S］只要提 高了3倍，v就能提高9倍，说明酶对［S ］的变化很敏感
别构效应的解释模型
别构酶的S形动力学曲线是一种复杂的动力学 曲线，为了解释S形曲线，至今已提出多种假 说，并设计了多种酶分子构型，其中最重要的 有两种
效应物：
同促效应物：底物 异促效应物（非底物）：ATP（正效应物）、CTP（ 是代谢途径的终产物，负效应物）
天冬氨酸转氨甲酰酶（ATCase）参与核苷酸 生物合成，该酶为别构酶的生理意义：
只在较窄的底物浓度范围内开启产物的合成
ATP是能量充足的信号，促进合成反应 CTP是终产物充足的信号，抑制合成反应
别构酶具有两种构像状态，紧张态（T态），催化 活性低；松弛态（R态），催化活性高。这两种状 态的互变取决于底物和效应物与酶的结合而导致 的亚基相互作用
别构酶具有协同效应，即酶与第一个底物或者效 应物的结合会导致酶的构象发生改变，从而影响 酶的催化活性
别构效应根据效应物的不同分为：
同促作用：效应物就是底物，所有的别构酶都有此 效应，此时活性部位和调节部位相同 （ homotropic effectors） 异促作用：效应物是其它物质，调节部位和活性部 位是分开的 （heterotropic effectors） 使酶活性升高的效应物是正效应物（别构激活剂）
ATP（正效应物） CTP（负效应物）
C CC
RR RR RR
C CC
有催化活性构象(R-型)
别构酶的性质
是寡聚酶，既有活性中心又有别构中心，两个中心 可以分别位于相同的亚基也可以位于不同的亚基上 ，出现了催化亚基和调节亚基
别构调节涉及到亚基间的相互作用，即协同作用
别构酶具有协同效应，即酶与第一个底物或者效应 物的结合会导致酶的构象发生改变，从而影响酶的 催化活性
对称模型（MWC）：Monod、Wyman和Changeux 提出的
别构酶有两种构象状态，紧张态（T态， taut ）和松 弛态（R态， relaxed ），无底物时呈T态，底物与R 态结合更紧
该模型中，所有亚基处于同样的构象状态。一条亚基 结合了效应物之后，构象发生改变，导致其它所有亚 基的构象一起变化，使其他亚基易于与底物结合，适 合于正协同别构酶
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
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
SS
亚基全部 处于T型
S SS S
依次序变化
SS S SS
S
SS
亚基全部 处于R型
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