第10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

第一节酶的活性部位

一、酶活性部位的特点

只是酶分子的一小部分；通过诱导契合形成与底物互补的特定三维结构；通过次级键与底物相互作用；有一定的柔性（邹承鲁的对比研究发现活性部位的柔性比其他部位更强）；包括底物结合基团和催化基团，但二者的区分有时并不严格。

二、研究酶活性部位的方法

（一）侧链基团的化学修饰法

非特异性共价修饰（作用于酶分子中某一基团），酶活力丧失与修饰剂浓度成比例，底物或竞争性抑制剂可降低修饰作用。特异性共价修饰（作用于特定酶的特定基团），如二异丙基氟磷酸（DFP）只与胰凝乳蛋白酶活性部位的丝氨酸羟基结合；亲和标记试剂可以与活性部位的特定基团共价定量结合，如对甲苯磺酰-L-苯丙氨酰氯甲基酮(TPCK)与胰凝乳蛋白酶活性部位丝氨酸羟基的结合。

（二）动力学参数测定法

（三）X-射线晶体结构分析法

（四）定点诱变法

第二节酶催化反应的独特性质

第三节影响酶催化效率的有关因素

一、底物和酶的邻近效应(approximation，proximity)与定向效应(orientation)

底物分子结合到酶的活性中心，使底物在酶活性中心的有效浓度大大增加，从而加快反应的速度。

一个有机化学模型。咪唑催化对硝基苯酯的水解，分子内反应比分子间反应快24 倍。

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称定向效应。邻羟基苯丙酸内脂的形成反应，两个甲基使羧基和羟基更好的定向，使反应速率提高2.5×1011。

二、底物的形变(distortion)和诱导契合(inducednt)

脯氨酸消旋酶的过渡态类似物与酶的亲和力远大于其底物，说明酶可以引起底物的形变。

酵母醛缩酶的过渡态类似物与酶的亲和力远大于其底物，说明酶可以引起底物的形变。

小牛小肠腺苷脱氨酶的过渡态类似物与酶的亲和力远大于其底物，说明酶可以引起底物的形变。

三、酸碱催化(acid—base catalysis)

专一性（狭义）酸碱催化

总酸碱催化或广义酸碱催化

表观速度常数依赖于pH 和溶液浓度。

Brφnsted 催化作用定律：

Logka=CA − α(pKa)

pKa 和pKb 是总酸碱的解离常数，ka 和kb 是反应的速度常数。CA 和CB 为常数，与反应类型、温度、溶剂等因素有关。

pKa 小，则H+浓度高。

α和β是Brφnsted 系数，范围在0 到1 之间，接近于1 为专一性酸碱催化，接近于0 表示酸碱催化不起作用。

咪唑基的pK 值接近生理pH 值，H+的传递速度快，是酸碱催化中最重要的基团。

四、共价催化

酶与底物形成共价键的3 个例子，其共同特点是酶的亲核中心X 进攻底物的亲电中心。

五、金属离子催化

金属酶含紧密结合的金属离子。金属激活酶含松散结合的金属离子。

金属离子的作用主要有：

与结合底物为反应定向；

参与氧化还原反应；

稳定或屏蔽负电荷；

活化水分子；

与过渡态底物形成螯合物。

六、多元催化和协同效应

酶的催化过程通常是多种机制同时作用，相互协同，因而有很高的催化效率。

七、活性部位微环境的影响

第四节酶催化反应机制的实例一、溶菌酶(1ysozyme)

二、胰核糖核酸酶A(pancreatic ribonuclease A，RNase A)

四、丝氨酸蛋白酶(serine proteases)

胰凝乳蛋白酶、胰蛋白酶、弹性蛋白酶氨基酸序列的比较，黑点表示相同的氨基酸，活性部位的氨基酸用符号标出。

胰凝乳蛋白酶和水蛭蛋白酶抑制剂(蓝色带状)的结构，His57(蓝色)，Asp102(红色)，Ser195(黄色)在空间上十分靠近。

胰凝乳蛋白酶催化的裂解反应的动力学。

乙酸基以共价键与酶的Ser195 结合，因而释放较晚。酰基-酶中间物快速形成，随后缓慢释放产物。

胰凝乳蛋白酶催化反应的机制：

五、天冬氨酸蛋白酶(asparticproteases)

若为共价催化，会有两种中间物之一，两种中间物均未能找到，说明这一类酶为非共价催化。

(a)HIV-1 protease，a dimer，and (b) pepsin (a monomer)．Pepsin′s N-terminal half is shown in red；C-terminal half is shown in blue．

HIV-1 protease complexed with the inhibitor CrixivanR(red) the flaps(residues 46-55 from each subunit)covering the active site are shown in green and the active site aspartate residues involved in catalysis are shown inwhite．

第五节酶活性的调节控制

一、别构调控(allos teri regulation)

（一）别构酶的性质

别构酶均为寡聚酶，除活性部位外，还有可以同效应物（调节物）结合的调节部位。别构酶的调控方式有四类：

正协同效应：酶的一个亚基与底物结合后，其他亚基与底物的结合能力加强，v-[S]曲线为S 形。负协同效应：酶的一个亚基与底物结合后，其他亚基与底物的结合能力减弱，v-[S]曲线为平坦的双曲线。

可用Rs ([S]90%V/[S]10%V)来定量地区分三种酶：Rs 等于81 为米氏酶，大于81 则有正协同效应，小于81 为负协同效应。

更常用的是Hill 系数法，以log(v/(Vm-v))对log[S]作图，曲线的最大斜率为Hill 系数，米氏酶等于1，正协同酶大于1，负协同小于1。

别构抑制作用使酶的反应速度降低，正协同效应加强。

别构激活作用使酶的反应速度加快，正协同效应减弱。

目前认为齐变模型不适合于负协同效应。