第10章酶的作用机制和调节
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第 10 章 酶的作用机制和酶 的调节
一、酶的活性部位 酶的活性中心
➢ 酶活性中心的概念 ➢ 酶活性中心的氨基酸组成 ➢酶活性中心的特点 ➢ 活性中心结构与酶功能之间 的关系
（一）必须基团
酶分子中与酶活性密切相关的化学 基团。
▪ 常见的必须基团：
Ser —— OH
His —— 咪唑基
Cys —— SH
LDH同工 酶
亚基组 成
红细胞 白细胞
血清
骨骼肌
心肌
肺
肾
肝
脾
LDH1
H4
43
LDH2
H3M
44
LDH3
H2M3
12
LDH4
HM3
1
LDH5
M4
0
12
27.1
0
49
34.7
0
33
20.9
5
6
11.7
16
0
5.7
79
73
14 43
2
10
24
34 44
4
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3
35
12
11
10
0
5
1
27 20
0
12
0
56
5
➢ 可逆性抑制分为三种类型，每种类型抑 制剂具有不同的结合部位，最终引起不同 的动力学参数的变化。
➢ 酶活性中心的概念和特点
➢ 酶利用六种催化机制的不同组合，催化 各种类型的反应；
➢ 溶菌酶的催化基团；
Glu35 D
Asp52 E
➢ 丝氨酸蛋白酶类的催化三联体；
His57 —— Asp102 —— Ser 195
➢ 酶活性可以通过酶原激活、别构效应和共价修 饰进行快速调节。
▪ 催化反应 氨甲酰磷酸
天冬氨酸
ATCase N-乙酰天冬氨酸
+
—
ATP
别构激活剂
CTP
别构抑制剂
▪ 别构调节的机理 ATCase
6个催化亚基（C ） 6个调节亚基（R）
C —— 具有催化活性；有两个底物的结合域。 R —— 与别构效应物结合，但不具有酶活性。
T态：底物的低亲和态； R态：底物的高亲和态。
SUMMARY ➢ 酶催化特性； ➢ 酶的化学本质及组成 ➢ 结合酶的分子组成及各部分的作用 ➢ 酶的分类； ➢ 酶对底物的专一性的假说；
➢ 酶的高效性主要是通过降低反应活化能来实现的。
➢ 影响酶促反应速度的因素； ➢ 米-曼氏方程； ➢ Km值的意义；
➢ 以双倒数形式对动力学数据作图，可测 定Km值和Vmax。
Asp ——β — COOH
（二）
酶活性中心的示意图
（三） 活性中心的特点
➢ 酶的活性部位在酶分子总体中占很小的一部分； ➢ 活性中心是三维实体； ➢活性中心结构具有柔性和可运动性； ➢活性中心多为疏水基团组成的疏水区域； ➢ 底物通过非共价键与活性中心结合
➢ 活性中心对酶活性维持起到决定作用。 活性中心破坏，酶失活； 活性中心形成，无活性酶原转变为有活性的酶。
别构效应剂与酶蛋白结合的部位位于活性 中心以外，称为调节部位。
❖ 协同效应
同促效应：底物分子本身对别构酶的调节作用。 异促效应：非底物分子对别构酶的调节作用。
❖别构酶的动力学曲线
呈“S”型
别构激活
S E P 时间短
❖ 举例： 天冬氨酸氨基甲酰转移酶 （asparate transcarbamoylase， ATCase ）
（1）酶反应涉及电子、质子或基团转移； （2）酶反应由侧链功能基团和辅酶为媒介； （3）酶活性部位可能存在一个以上催化基团， 彼此协同催化； （4）底物分子的柔性变化，使底物分子中键 产生张力，有利于过渡态形成。
三、影响酶催化反应的有关因素
1、通过邻近和定向效应的催化 2、酸碱催化 3、共价催化 4、金属离子催化 5、通过优先过渡态结合的催化
对被水解肽键羧基侧R的要求
精、赖
芳香族氨基酸：苯丙、酪、色
小谷的中性氨基酸：甘氨酸、丙氨酸、 蛋
色
缬氨酸
胰蛋白酶：结合口袋 Asp-COO- Arg、Lys
胰凝乳蛋白酶: 长条形疏水口袋 —— 能容纳芳 香族氨基酸的特大残基。
弹性蛋白酶：结合口袋中含有大量Thr和Val Gly Val Ala
二、酶催化反应的独特性质
➢ 结构 129个氨基酸组成的单链蛋白质。
63
➢ 催化机理
Glu35 D
Asp52 E
▪ Glu35 —— 酸催化
▪ Asp52使残基D环的构 象扭曲成过渡态的构象
过渡态优先结合机 理
（二）丝氨酸蛋白酶
胰凝乳蛋白酶、胰蛋白酶和弹性蛋白酶 ➢ 结构
▪ 三者一级结构有40%是完全相同的。 ▪ 催化三联体：
❖ 概念
代谢物分子可逆与酶分子结合，改变酶分 子构象，从而改变酶活性，这种调节称为别构 调节。
底物分子代谢物分子非底Fra bibliotek分子（效应剂）
❖ 别构效应剂 导致酶发生别构调节的代谢物分子，称
为别构效应剂。
激活剂：使酶活性增加。——别构激活 抑制剂：使酶活性降低。——别构抑制
❖ 别构酶 受别构调节的酶（寡聚酶）。
别构抑制剂 别构激活剂
总结：别构酶的性质
❖ 别构模型
（1）协同模型或对称模型（WMC模型）
（2）序变模型（KNF模型）
酶活性改变机理：
酶蛋白构象改变，如亚基之间的聚合 和解聚，从而调节酶活性。
生理意义： a.效果显著 b.级联放大 c.快速调节 d.相互协作
六、同工酶
人的LDH同工酶谱
H2O OHCO2
4、通过优先过渡态结合的催化
酶使底物发生机械形变，使其形成适合与过渡 态结合的空间构型，酶优先选择过渡态结构，使之 提高了反应速率。
四、酶催化反应的实例 （一）溶菌酶（Lysozyme)
➢ 功能 溶菌酶水解细菌细胞壁中 肽聚糖 ——β-1、4糖苷键
N-乙酰葡萄糖胺 N-乙酰胞壁酸
1、通过邻近和定向效应的催化
在有两个以上底物参加的反应中，酶将 相互作用的诸底物结合到酶的活性中心上，使 他们相互接近，并按一定次序排列。
2、酸碱催化
酸催化： 酸作为质子的供体，降低反应活化能，称
为酸催化。
碱催化：
碱作为质子的受体，降低反应活化能，称为 碱催化。
▪ 氨基酸残基起到酸碱催化作用
质子的供体：NH3、-SH、-0H 质子的受体：COO-、咪唑
➢ 酶蛋白分子其他结构为酶活性中心的形成提供结 构基础；
➢ 不同酶分子活性中心的结构绝对不同。
（四）活性中心结构与酶功能之间的关系
O
R
H
O
R'''
H2N
C
CH
N
C
H
C
OH
CH
N
C
CH
N
C
R'
H
O
R''
水解肽键的位置
H
O
水解肽键的酶或试剂
胰蛋白酶 胰凝乳蛋白酶 金弹黄性色蛋葡白萄酶球菌内肽酶V8 溴化氰 亚碘酰基苯甲酸
▪ RNase A的机理
碱催化
酸催化
3、共价催化 催化剂上的亲核基团与底物上的亲电基团反
应生成共价键。
▪ 亲核基团是含有共用电子对或带负电的基团 。
▪ 亲电基团是有一个未充满的电子层的基团。
▪ 生物体中重要的亲核基团和亲电基团
3、金属离子催化 金属酶 —— 碳酸苷酶的催化机理
His的碱催化 Zn+
His57 —— Asp102 —— Ser 195
▪ 胰凝乳蛋白酶 的三维结构
▪ 胰凝乳蛋白酶 的一级结构
五、酶活性的调节
（一）酶原激活
—— 活性中心的形成
➢ 酶原激活的生理意义 1）避免对自身的作用（消化/溶血等）； 2）酶原作为酶的贮存形式。
（二）别构调节（allosteric regulation）
一、酶的活性部位 酶的活性中心
➢ 酶活性中心的概念 ➢ 酶活性中心的氨基酸组成 ➢酶活性中心的特点 ➢ 活性中心结构与酶功能之间 的关系
（一）必须基团
酶分子中与酶活性密切相关的化学 基团。
▪ 常见的必须基团：
Ser —— OH
His —— 咪唑基
Cys —— SH
LDH同工 酶
亚基组 成
红细胞 白细胞
血清
骨骼肌
心肌
肺
肾
肝
脾
LDH1
H4
43
LDH2
H3M
44
LDH3
H2M3
12
LDH4
HM3
1
LDH5
M4
0
12
27.1
0
49
34.7
0
33
20.9
5
6
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16
0
5.7
79
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➢ 可逆性抑制分为三种类型，每种类型抑 制剂具有不同的结合部位，最终引起不同 的动力学参数的变化。
➢ 酶活性中心的概念和特点
➢ 酶利用六种催化机制的不同组合，催化 各种类型的反应；
➢ 溶菌酶的催化基团；
Glu35 D
Asp52 E
➢ 丝氨酸蛋白酶类的催化三联体；
His57 —— Asp102 —— Ser 195
➢ 酶活性可以通过酶原激活、别构效应和共价修 饰进行快速调节。
▪ 催化反应 氨甲酰磷酸
天冬氨酸
ATCase N-乙酰天冬氨酸
+
—
ATP
别构激活剂
CTP
别构抑制剂
▪ 别构调节的机理 ATCase
6个催化亚基（C ） 6个调节亚基（R）
C —— 具有催化活性；有两个底物的结合域。 R —— 与别构效应物结合，但不具有酶活性。
T态：底物的低亲和态； R态：底物的高亲和态。
SUMMARY ➢ 酶催化特性； ➢ 酶的化学本质及组成 ➢ 结合酶的分子组成及各部分的作用 ➢ 酶的分类； ➢ 酶对底物的专一性的假说；
➢ 酶的高效性主要是通过降低反应活化能来实现的。
➢ 影响酶促反应速度的因素； ➢ 米-曼氏方程； ➢ Km值的意义；
➢ 以双倒数形式对动力学数据作图，可测 定Km值和Vmax。
Asp ——β — COOH
（二）
酶活性中心的示意图
（三） 活性中心的特点
➢ 酶的活性部位在酶分子总体中占很小的一部分； ➢ 活性中心是三维实体； ➢活性中心结构具有柔性和可运动性； ➢活性中心多为疏水基团组成的疏水区域； ➢ 底物通过非共价键与活性中心结合
➢ 活性中心对酶活性维持起到决定作用。 活性中心破坏，酶失活； 活性中心形成，无活性酶原转变为有活性的酶。
别构效应剂与酶蛋白结合的部位位于活性 中心以外，称为调节部位。
❖ 协同效应
同促效应：底物分子本身对别构酶的调节作用。 异促效应：非底物分子对别构酶的调节作用。
❖别构酶的动力学曲线
呈“S”型
别构激活
S E P 时间短
❖ 举例： 天冬氨酸氨基甲酰转移酶 （asparate transcarbamoylase， ATCase ）
（1）酶反应涉及电子、质子或基团转移； （2）酶反应由侧链功能基团和辅酶为媒介； （3）酶活性部位可能存在一个以上催化基团， 彼此协同催化； （4）底物分子的柔性变化，使底物分子中键 产生张力，有利于过渡态形成。
三、影响酶催化反应的有关因素
1、通过邻近和定向效应的催化 2、酸碱催化 3、共价催化 4、金属离子催化 5、通过优先过渡态结合的催化
对被水解肽键羧基侧R的要求
精、赖
芳香族氨基酸：苯丙、酪、色
小谷的中性氨基酸：甘氨酸、丙氨酸、 蛋
色
缬氨酸
胰蛋白酶：结合口袋 Asp-COO- Arg、Lys
胰凝乳蛋白酶: 长条形疏水口袋 —— 能容纳芳 香族氨基酸的特大残基。
弹性蛋白酶：结合口袋中含有大量Thr和Val Gly Val Ala
二、酶催化反应的独特性质
➢ 结构 129个氨基酸组成的单链蛋白质。
63
➢ 催化机理
Glu35 D
Asp52 E
▪ Glu35 —— 酸催化
▪ Asp52使残基D环的构 象扭曲成过渡态的构象
过渡态优先结合机 理
（二）丝氨酸蛋白酶
胰凝乳蛋白酶、胰蛋白酶和弹性蛋白酶 ➢ 结构
▪ 三者一级结构有40%是完全相同的。 ▪ 催化三联体：
❖ 概念
代谢物分子可逆与酶分子结合，改变酶分 子构象，从而改变酶活性，这种调节称为别构 调节。
底物分子代谢物分子非底Fra bibliotek分子（效应剂）
❖ 别构效应剂 导致酶发生别构调节的代谢物分子，称
为别构效应剂。
激活剂：使酶活性增加。——别构激活 抑制剂：使酶活性降低。——别构抑制
❖ 别构酶 受别构调节的酶（寡聚酶）。
别构抑制剂 别构激活剂
总结：别构酶的性质
❖ 别构模型
（1）协同模型或对称模型（WMC模型）
（2）序变模型（KNF模型）
酶活性改变机理：
酶蛋白构象改变，如亚基之间的聚合 和解聚，从而调节酶活性。
生理意义： a.效果显著 b.级联放大 c.快速调节 d.相互协作
六、同工酶
人的LDH同工酶谱
H2O OHCO2
4、通过优先过渡态结合的催化
酶使底物发生机械形变，使其形成适合与过渡 态结合的空间构型，酶优先选择过渡态结构，使之 提高了反应速率。
四、酶催化反应的实例 （一）溶菌酶（Lysozyme)
➢ 功能 溶菌酶水解细菌细胞壁中 肽聚糖 ——β-1、4糖苷键
N-乙酰葡萄糖胺 N-乙酰胞壁酸
1、通过邻近和定向效应的催化
在有两个以上底物参加的反应中，酶将 相互作用的诸底物结合到酶的活性中心上，使 他们相互接近，并按一定次序排列。
2、酸碱催化
酸催化： 酸作为质子的供体，降低反应活化能，称
为酸催化。
碱催化：
碱作为质子的受体，降低反应活化能，称为 碱催化。
▪ 氨基酸残基起到酸碱催化作用
质子的供体：NH3、-SH、-0H 质子的受体：COO-、咪唑
➢ 酶蛋白分子其他结构为酶活性中心的形成提供结 构基础；
➢ 不同酶分子活性中心的结构绝对不同。
（四）活性中心结构与酶功能之间的关系
O
R
H
O
R'''
H2N
C
CH
N
C
H
C
OH
CH
N
C
CH
N
C
R'
H
O
R''
水解肽键的位置
H
O
水解肽键的酶或试剂
胰蛋白酶 胰凝乳蛋白酶 金弹黄性色蛋葡白萄酶球菌内肽酶V8 溴化氰 亚碘酰基苯甲酸
▪ RNase A的机理
碱催化
酸催化
3、共价催化 催化剂上的亲核基团与底物上的亲电基团反
应生成共价键。
▪ 亲核基团是含有共用电子对或带负电的基团 。
▪ 亲电基团是有一个未充满的电子层的基团。
▪ 生物体中重要的亲核基团和亲电基团
3、金属离子催化 金属酶 —— 碳酸苷酶的催化机理
His的碱催化 Zn+
His57 —— Asp102 —— Ser 195
▪ 胰凝乳蛋白酶 的三维结构
▪ 胰凝乳蛋白酶 的一级结构
五、酶活性的调节
（一）酶原激活
—— 活性中心的形成
➢ 酶原激活的生理意义 1）避免对自身的作用（消化/溶血等）； 2）酶原作为酶的贮存形式。
（二）别构调节（allosteric regulation）