第八章 酶的作用机制和酶的调节

（二）研究酶活性部位的方法
二．酶催化反应的独特性质
（ 1 ）酶反应可分成两类，一类反应仅仅涉及到 电子的转移，这类反应的速率或转换数在108 s-1数量级；另一类反应涉及到电子和质子两者或 其他基团的转移，它们的速率在103 s-1 。 （ 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。 （3）酶催化反应的最适pH范围通常是狭小的。 （ 4 ）与底物相比，酶分子很大，而活性部位通 常只比底物稍大一些。 （ 5 ）酶除了具有进行催化反应所必需的活性基 团外，还有别的特性。
别构效应的生理意义：酶对底物量的变化十分敏 感。 比如：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。 而对于一般的别构酶而言，［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，称为脱敏作用。脱敏 后的酶表现为米氏酶的动力学双曲线。
天冬氨酸转氨甲酰酶（ATCase）
• 动力学特征：双底物反应，固定氨甲酰磷酸， 变化［Asp］，其s-v图为S形，是别构酶。 效应物：S（同促）、ATP（正协同，异促）、 CTP（负协同，异促）。
（2）3-磷酸甘油醛脱氢酶
• 共四个亚基，Km1和Km2都较小，易与 NAD＋结合，即在低底物浓度时反应较 快；而Km3则增大了100倍，很难与NAD ＋反应。这是由构象变化引起的。在生物 体内，当NAD＋不足时可以保证酵解的 进行，而当NAD＋过多时则供给其它反 应，避免造成酸中毒。
酶活性的调节控制 （一）别构调节 (allosteric regulation)
一些代谢物可与某些酶分子活性中心外的 某部分可逆地结合，使酶构象改变，从而改变 酶的催化活性，此种调节方式称别构调节。 • 变构酶 (allosteric enzyme) • 变构部位 (allosteric site) • 变构效应剂 (allosteric effector)
三.影响酶催化效率的有关因素
• 多元催化 (multielement catalysis) 酶促反 应通常是几个基元反应协同作用的结果，包括 酸碱催化、共价催化、金属离子催化等。 表面 效应 (surface effect) 酶的活性中心形成疏水 性口袋，防止水分子干扰酶与底物的结合。
(1)临近定向效应
生理意义
(1)在变构酶的S形曲线中段，底物浓度稍有 降低，酶的活性明显下降，多酶体系催化的代 谢通路可因此而被关闭；反之，底物浓度稍有 升高，则酶活性迅速上升，代谢通路又被打开， 因此可以快速调节细胞内底物浓度和代谢速度。 (2)变构抑制剂常是代谢通路的终产物，变 构酶常处于代谢通路的开端，通过反馈抑制， 可以及早地调节整个代谢通路，减少不必要的 底物消耗。
溶菌酶
溶 菌 酶
溶菌酶
溶菌酶
溶菌酶
葡萄糖残基结合于酶D位使葡萄糖基由椅式转为高级量维持的半椅式活化态 D位葡萄糖基环上氧原子未成键电子对向C1转移形成双键 C1-O间电子对转移至O成O-，O-接受Glu35羧基之H，C1-O断裂，释放第一个产物ROH C1因电子丢失呈正电状态，Asp52电离的O-维持C1的正电过渡态 因Glu35之OH间电子对转移至O，Glu35之O呈负电（未成键电子对） Glu35-O-攻击H2O之H形成-OH，促使水电离产生OH葡萄糖C1+与OH-结合恢复低能量维持的稳定葡萄糖椅式构象并释放第二个产物
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
胰凝乳蛋白酶
催化部位(Catalytic
site): 酶分子中促使底 物发生化学变化的部位 称为催化部位。
通常将酶的结合部位
和催化部位总称为酶的 活性部位或活性中心。 结合部位决定酶的专 一性， 催化部位决定酶所催 化反应的性质。
牛的胰蛋白酶
酶活性的调节控制--别构调节
酶活性的调节控制--别构调节
糖酵解
别构调节
酶活性的调节控制--别构调节
• 由于变构酶动力学不符合米氏酶的动力学，所以当反 应速度达到最大速度一半时的底物的浓度，不能用Km 表示，而代之以K 0.5表示。
判断米氏酶和别构酶的简单方法
通过Rs值（饱和比值） Rs＝位点被90%饱和时的底物浓度＝ 81 1/n 位点被10%饱和时的底物浓度 Rs≈81 米氏酶 Rs>>81 别构酶，负协同效应 Rs<<81 别构酶，正协同效应 通过n值（协同系数） 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
有利于提高反应速度；
• 定向效应包括 1)反应物的反应基团之间（双底物反应基 团邻近） 2)酶的催化基团和底物反应基团之间 • 活性中心内定向使反应变成分子内反应
定向效应
(2)“张力”和“形变”
底物与酶结合诱导酶的分子构象变化， 变化的酶分子又使底物分子的敏感键产 生“张力”甚至“形变” ，从而促使酶 －底物中间产物进入过渡态。
变构激活剂
变构抑制剂
别构酶(Allosteric enzyme)的特点：
1）寡聚酶，由多亚基组成，包括催化部位和调节 （别构）部位； 2）具有别构效应。别构中心结合了效应物（效应 物）后，导致酶的构象发生改变，影响了活性中 心对底物的催化作用
相同（均为底物）：同促效应（homotropic 根据别构物性质 effect） 不同（效应调节物）：异促效应 （heterotropic effect） 根据别构物结 合后对后继 正协同效应（positive cooperative effect） 别构物的影 负协同效应（negative cooperative effect） 响
别构效应的机制--序变模型（KNF）
诱导契合
(3)酸碱催化
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。 酶活性部位上的某些基团可以作为良好的质子供体或 受体对底物进行酸碱催化。
丝氨酸蛋白酶族
丝氨酸蛋白酶族
丝氨酸蛋白酶族
丝氨酸蛋白酶族
丝氨酸蛋白酶族
丝氨酸蛋白酶族
丝氨酸蛋白酶族
丝氨酸蛋白酶族
丝氨酸蛋白酶族
丝氨酸蛋白酶族
天冬氨酸蛋白酶族
聚体
天冬氨酸蛋白酶族
天冬氨酸蛋白酶族
天冬氨酸蛋白酶族
ห้องสมุดไป่ตู้
酶活性的调节
• 酶活力的改变可以通过增加或减少酶分 子的个数，也可以通过提高或降低每一 个酶分子的催化能力来实现。前者牵扯 到非常复杂的过程（激素→DNA→RNA→ 蛋白质），是慢反应。后者在现成的酶 分子上进行加工，是快反应，是酶活性 调节的内容，这种调节一般有5种方式： 别构调节、酶原激活、共价修饰、反馈 调节、级联放大。
胰核糖核酸酶A
胰核糖核酸酶A
胰核糖核酸酶A
胰 核 糖 核 酸 酶
A
羧肽酶A
丝氨酸蛋白酶族
消化作用的丝氨酸蛋白酶
• 胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶和弹性蛋白酶是一组 密切相关的水解酶类，它们的作用是水解肽链。 • 在胰脏内合成的是它们没有活性的酶原，然后 被分泌到消化道，并且仅仅在使用前被活化。 这3种酶各有分工，每种酶在不同类型氨基酸 侧链相邻的肽键处水解蛋白质链。 • 胰蛋白酶在碱性氮基酸，即赖氨酸或精氨酸的 羰基后侧切开肽链。胰凝乳蛋白酶在芳香氨基 酸后侧切开肽链。弹性蛋白酶在它的水解位点 上几乎没有选择，但是它趋向于优先切开与小 的不带电荷的侧链相邻的肽键。
酶的活性部位
与催化作用相关的结构特点
• 活性中心：酶分子中直接和底物结合并起催化 反应的空间局限（部位）。 • 结合部位(Binding site)： 酶分子中与底物结合的部位 或区域一般称为结合部位。
（一）酶的活性部位的特点
（1）活性部位在酶分子的总体中只占相当小的部分，通 常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。酶的活性取决于活 性中心的构象。 （3）酶的活性部位并不是和底物的形状正好互补，而是 在酶和底物结合的过程中，底物分子或酶分子，有时 是两者的构象同时发生了一定的变化后才互补的，这 是催化基团的位臵也正好在所催化底物键断裂和即将 生成键的适当位臵。 （4）酶的活性部位是位于酶分子表面的一个裂缝内。 （5）底物通过次级键较弱的力结合到酶上。 （6）酶活性部位具有柔性或可运动性。
酶中参与共价催化的基团主要包括 His 的咪唑 基，Cys 的巯基，Asp 的羧基，Ser 的羟基等。
某些辅酶，如焦磷酸硫胺素和磷酸吡哆醛等也 可以参与共价催化作用。
共价催化
（5）离子催化
酶的催化实例—溶菌酶
溶菌酶的活性中心
*谷氨酸35和天 冬氨酸 52 是催化 基团；
*色氨酸62和63、 天冬氨酸101和色 氨酸108是结合基 团； *A~F 为底物多糖 链的糖基，位于 酶的活性中心形 成的裂隙中。
别构酶举例（1）天冬氨酸转氨甲酰酶，简称 ATCase
（1）天冬氨酸转氨甲酰酶（ATCase）
• 这是嘧啶合成途径的第一个酶，受到CTP的反馈抑制， 可被ATP激活。Asp、氨甲酰磷酸均有正同促效应， CTP有异促效应，可使酶的S形程度增大，即Rs值减 小。ATP使Rs增大，当达到饱和时即成为双曲线。 ATP和CTP都只改变酶的亲和力，而不影响Vm。琥珀 酸是天冬氨酸的类似物，在天冬氨酸浓度高时是竞争 性抑制剂，而当天冬氨酸不足时则可模拟天冬氨酸的 正调控变构作用而成为激活剂。此酶共12个亚基，其 中催化和调节亚基各6个。分子结构为2个C3中间夹着 3个R2，活性中心位于两个催化亚基中间。别构中心 位于调节亚基的远端，通过变构影响催化亚基的活性。
别构效应的机制--齐变模型（MWC）
• 别构酶中的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，从而影响酶 的催化活性。此模型适应于活性中心和别构中心分别 处于不同亚基上的别构酶。血红蛋白的功能可以用此 模型解释。 1）是由确定数目的亚基组成的寡聚酶，有一个对称轴 2）每一个亚基对一种配体（或调节物）只有一个结合位 点 3）每种亚基有两种构象状态，R型和T型。构象的转变 采取同步协同方式。如果一亚基从T态变为R态，则其 它亚基几乎同时转变成R态，不存在TR杂合态 4）当蛋白质由一构象状态转变为另一构象状态时，其分 子对称性保持不变
第八章 酶的作用机制和酶的调节
一.酶的活性部位(active site)
• 存在于酶分子表面的具有结合和催化底物形成产物的 空间区域 • 活性中心=结合基团+催化基团 • 必须基团 = 结合基团 + 催化基团 + 活性中心外必须基团 （维持活性中心存在的基团） • 酶分子中促使底物发生化学变化的部位称为催化部位。 • 通常将酶的结合部位和催化部位总称为酶的活性部位 或活性中心(active center)。 • 结合部位决定酶的专一性 • 催化部位决定酶所催化反应的性质

His 残基的咪唑基是酶的酸碱催化作用中最活泼的一 个催化功能团。
酸碱催化
-COOH,
+ -NH3,
-SH,
-COO ,
-NH2, O-
..
-S ,
OH
HN
+
NH
:N
NH
广义酸基团 （质子供体）
广义碱基团 （质子受体）
(4)共价催化
催化剂通过与底物形成反应活性很高的共价过 渡产物，使反应活化能降低，从而提高反应速 度的过程，称为共价催化。
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，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。
邻近效应 (proximity effect)与定向排列 (orientation arrange ) 邻近指底物汇聚于酶的活性中心，使 酶活性中心的底物浓度高于其它处，定向则指底物的 敏感化学键与酶的催化基团正好对准，使反应加速进 行。