第9章 酶的作用机制和酶的调节

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
肠激酶
胰蛋白酶原
缬天天天天赖异缬甘
组
46
丝
18 3
S
S
S S 活性中心 缬天天天天赖
缬
异甘组 丝 S S
S
S
胰 蛋 白 酶
胰蛋白酶原的激活过程
胰蛋白酶原
肠激酶
胰凝乳蛋白酶原 六肽
O O
-
O O
-
O O
-
O O
-
N
-
P O
P O
P O
H2C O OH OH
调节亚基
催化亚基
② 3－磷酸甘油醛脱氢酶
具有负协同效应的别构酶代表
（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）
V=
V[S] Km + [S]
90%V时 [s]
当V=90％V
10%V 时[s]
= 81
b、当其他别构物参与调节时
V
别构激活
别构抑制 底物敏感区
0
[S]
• 整体上产生激活、抑制现象
• 改变了调节的敏感区位置
（3）K型效应物和V型效应物：
K0.5：别构酶催化反应达到1/2 Vmax时的[S] 改变K0.5不改变Vmax：K型效应物 改变Vmax不改变K0.5 ：V型效应物
A为K型效应物
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
底物
催化基团
结合基团
活性中心
（二） 酶活性部位的特点
1、几个残基+辅助因子（单纯/结合）
2、在空间构象上集中到一起（单体/寡聚） 3、疏水空穴 4、通过次级键与底物结合
5、与底物诱导契合
6、活性中心构象具有柔韧性和可塑性
——酶活力单位标准化
（2）Kat
在标准条件下（25 ℃ ，最适pH和最适 底物浓度）每分钟催化1µ摩尔底物转化为 产物所需的酶量。 1 Kat =1 mol/s = 6×107 IU ——酶活力单位标准化
（3）比活力 (specific activity)
• 每mg酶蛋白所含的酶活力单位数。 • u/mg酶蛋白 • 酶产品质量评价中常使用， • 一定程度上代表酶的纯度。
2 酶原激活的生理学意义
（1）一方面它保证合成酶的细胞本身不受蛋 白酶的消化破坏。
（2）它们在特定的生理条件和规定的部位受 到激活并发挥其生理作用。 如组织或血管内膜受损后激活凝血因子； 胃主细胞分泌的胃蛋白酶原和胰腺细胞分 泌的糜蛋白酶原、胰蛋白酶原、弹性蛋白 酶原等分别在胃和小肠激活成相应的活性 酶，促进食物蛋白质的消化就是明显的例 证。
五、酶活性的调节控制
（一）别构调控（allosteric regulation）
1、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。
2、 别构酶的特点
别构激活剂
（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
酶
AA残基
活性中心AA
核糖核酸酶 溶菌酶 胰凝乳蛋白酶
羧肽酶A 胰蛋白酶
124 129 241
307 223
HHKRDE D E H D S
R E Y Zn2+ H D S
二、酶催化高效性的机制
• 诱导契合机制
酶与底物靠近 定向
酶与底物相互诱导变形
产物脱离
契合成中间产物
酶催化的本质：降低反应的活化能。
酶的结构与功能
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
活性中心
结合部位：与S结合 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
（一）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、 Gluγ-COOH、Cys-SH、Asp-OH
自 身 催 化
弹性蛋白酶原
+
胰蛋白酶
α-胰凝乳蛋白酶 +二肽 羧基肽酶原A 弹性蛋白酶 + 碎片 羧基肽酶A + 碎片
肠激酶启动的酶原激活
（三）可逆的共价修饰
——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，使酶处于 活性/非活性的互变状态，从而调节酶的 活性。
蛋白激酶，磷酸化
• 酶
主 要 是 Ser
Thr
Ca2+ 依赖性 蛋白激酶（PKC)
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：
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
多原催化和协同效应
N CH3O CH3O CH3O O
O CH3O O H O CH3O CH3O CH3O H
N
..
H
..
O H
H C O
CH3O
酶催化反应机制的实例
（一）溶菌酶（lysozyme）
（二）胰凝乳蛋白酶
疏水口袋
活性位点残基
三、酶原激活
1 酶原激活的概念 有的酶在生物体内首先合成出来的是无 活性前体，即酶原。这些酶原必须去掉一 个或几个肽段后，才能产生具有催化能力 的构象，才有酶的活性。这一过程称为酶 原激活。
0.9Km=0.1[S] ［S］＝9Km
当V=10％V
［S］＝1/9Km
a 、仅底物是别构调节物
底物是别构抑制剂
V V
1
1负协同
2米氏曲线
90%V
2
底物是别构激活剂
3正协同
3
10% V 0
[S]90%V [S]10%V
81
[S]
S曲线：正协同＜81—V↑随［S］↑而加快
双曲线：负协同＞81—V↑随［S］↑而减慢
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。
2 酶促反应速度曲线
3 酶促反应速度的测定方法
[P] 产 物 浓 度 V0 VX
用哪一个速度来表示
酶促反应的速度特征呢？
反应初速度 Vo
反应初速度表示酶活力
0 X 时 间 T
产物浓度变化曲线
4 活力单位 (U)
酶单位（U）： 在一定条件下、一定时间内、将一定量的 底物转化为产物所需的酶量。
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
（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
a
2
1
2
b
3 1 4 酶活性 5 酶活性 3 4 5
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
如果酶原的激活过程发生异常，将导致 一系列疾病的发生。如出血性胰腺炎的发 生就是由于胰蛋白酶原在未进入小肠时就 被激活，激活的胰蛋白酶水解自身腺细胞， 导致胰脏出血、肿胀、腹部剧痛。
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。
5、所催化的反应有侧重点
如：
生理及临床意义
在代谢调节上起 着重要的作用； 用于解释发育过 程中阶段特有的代谢 特征； 同工酶谱的改变 有助于对疾病的诊断； 同工酶可以作为 遗传标志，用于遗传 分析研究。

酶 活 性
心肌梗死酶谱
正常酶谱
肝病酶谱
1
2
3
4
5
心肌梗死和肝病病人血清LDH同工酶谱的变化
v Vmax v
B为V型效应物
2
2 1 3
Vmax [S] 0 K0.5
1
3 [S]
0
1.未加效应物；2.加激活剂；3加抑制剂
B为V型效应物
A为K型效应物
（4）脱敏作用
别构酶经加热或用化学试剂等处理，可 引起别构酶解离，失去调节活性。 脱敏后表现为米氏酶动力学双曲线
3、别构酶调节酶活性的机理
1、对称或协同模型（symmetry or concerted model,也称齐变模型、MWC模型）
H+
AH
+
B+
+ E-COO-
A- +
E-COOH
E-COO- + H+
碱催化
酸催化
＋
稳 定 活 性 中 心
使肽键失稳
吸 附 羧 氧 原 子
（四）共价催化
——酶活性中心亲电/亲核基团参与S敏 感键断裂的机制。
亲电基团——带正电荷性质的基团 亲核基团——带负电荷性质的基团
中间产物不稳定，断裂，形成产物，酶复原。
别构抑制剂
①天冬氨酸转氨甲酰酶
COOO H2N C O O P O
-
-OOC
O HN
O
-
+ H3N
+
CH2 C COOH
Zn2+ ATCase
Pi
O
CH2 C COO-
+ H2N
C NH
CTP反馈抑制ATCase
O
N H
COO-
NH2 N
CTP（嘧啶生物合成的终端产物)
ATP 别构激活剂 CTP 别构抑制剂
过渡态
非催化反应活化能
能 量 改 变
一般催化剂 反应活化能 酶促反应活化能
初 态
反应总能量变化
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
靠近 静电吸引 疏水作用
定 向
底物
酶
（二）底物的形变和诱导契合
诱导 互补性
契合
来自百度文库
能否契合—
结构变化
专一性的由来
• 产物脱离
酶复原－催化剂
磷酸酶，脱磷酸化
酶-P
由核苷三磷酸（ATP）提供磷酸基 酶的活性形式： 可能是磷酸化也可能是脱磷酸化
R
生理条件下： 几乎所有的蛋白激酶都以ATP为磷酸基的供体， 几乎所有的磷酸化反应都需Mg2+。
底物蛋白质被磷酸化的氨基酸残基有两类： （1）Thr、Ser、Tyr、Asp、Glu┉P-O键连接 （2）Lys、Arg、His┉P-N键连接
（不同酶促反应中的催化因素影响大小不同。）
¨ -OH 亲电催化 ¨ -SH -¨ 2 咪唑基 NH
2A- :
亲核催化
2 B+
+ Mg2+
A A: ¨ Mg
+ 2B+
A- :
B+
¨ + -OH
A- : + HO :B
＋
－OH的亲核催化(胰凝乳蛋白酶)
（五）金属离子催化 1、需要金属离子的酶
（1） 金属酶 (metalloenzyme)
1965年由Monod、Wyman和Changeux提出。 该模型的要点 :
2、序变模型（sequential model，也称KNF模型）
1966年由Koshland、Nemethy和Filmer提出。 该模型的要点 :
（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。 酶原激活的意义：在特定的环境和条件下 发挥作用；避免细胞自身消化；有的酶原可 以视为酶的储存形式。
羧肽酶 A
羧肽酶催化中的电子云形变
＋
电子云形变
＋=O－ C
定向 极性专一性 契合区 ＋ 靠近 C端确认区 H2+N＝C 精氨酸
注 意
（三）酸碱催化
酶活性中心提供H+/H+受体使敏感键断裂的机制。
酸催化(－OH、－NH3+、＝NH+、-COOH、－SH)
H2 O EH EEH + OH-
A- : + B+ 碱催化(失电子态) A- : H+
• 含紧密结合的金属离子
（2）金属激活酶( metal-activited
enzyme)
• 含松散结合的金属离子
2、金属离子的作用
A、参与底物反应的定向 B、通过价态改变参与电子转移 C、通过静电稳定/屏蔽负电荷
（六）活性部位微环境的影响
酶在反应中提供一个特殊的环境， 如溶菌酶分子表面有一个凹穴，活性 部位就位于这个凹穴里面，当底物与 活性部位结合时就被埋没在疏水环境 中，这样的微环境有利于酶的 催化 作用。