第11章 酶的作用机制和酶活性调节#高等教育.ppt

第第1111章章 酶的作用机制和酶的作用机制和酶的调节酶的调节1高级课件主要内容主要内容n酶的活性部位及其确定方法酶的活性部位及其确定方法n酶促反应机制酶促反应机制n酶活性的别构调节酶活性的别构调节n酶活性的共价调节酶活性的共价调节n同工酶同工酶2高级课件11.1、酶的活性部位酶的活性部位（一）基本概念：（一）基本概念：酶的活性中心（酶的活性中心（active active centercenter）是指结合底物和将底物转化为产物的区）是指结合底物和将底物转化为产物的区域，通常是一级结构相隔很远，而三维结构比较域，通常是一级结构相隔很远，而三维结构比较靠近的氨基酸残基形成的三维实体酶的活性中靠近的氨基酸残基形成的三维实体酶的活性中心包括两个功能部位：结合部位和催化部位心包括两个功能部位：结合部位和催化部位1 1．结合部位（．结合部位（ Binding siteBinding site）） 酶分子中与底物结合的部位或区域一般称为结合酶分子中与底物结合的部位或区域一般称为结合部位此部位决定酶的专一性此部位决定酶的专一性2 2．催化部位（．催化部位（ catalytic site catalytic site ）） 酶分子中促使底物发生化学变化的部位称为催化酶分子中促使底物发生化学变化的部位称为催化部位部位。

此部位决定酶所催化反应的性质此部位决定酶所催化反应的性质3高级课件4高级课件（二）酶活性部位的特点（二）酶活性部位的特点1.1.活性中心只占酶分子总体积的很小一部分，往活性中心只占酶分子总体积的很小一部分，往往只占整个酶分子体积的往只占整个酶分子体积的1%-2%1%-2%2.2.酶的活性部位是一个三维实体，具有三维空间酶的活性部位是一个三维实体，具有三维空间结构 3.3.酶的活性部位并不是和底物的形状正好互补的，酶的活性部位并不是和底物的形状正好互补的，而是在酶和底物的结合过程中，底物分子或酶而是在酶和底物的结合过程中，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，此时催化基团的位置正好处在化后才互补的，此时催化基团的位置正好处在所催化底物键的断裂和即将生成键的适当位置，所催化底物键的断裂和即将生成键的适当位置，这个动态辨认过程称为诱导契合（这个动态辨认过程称为诱导契合（induced-fit））.5高级课件6高级课件4.4.酶的活性部位位于酶分子表面的一个裂酶的活性部位位于酶分子表面的一个裂隙（隙（crevicecrevice）内）内. .裂隙内是一个相当疏裂隙内是一个相当疏水的环境，从而有利于同底物的结合。

水的环境，从而有利于同底物的结合5.5.底物靠次级键较弱的力与酶结合底物靠次级键较弱的力与酶结合6.6.酶的活性部位具有柔性和可运动性酶的活性部位具有柔性和可运动性7高级课件课下习题：课下习题：如何确定酶的活性部位？如何确定酶的活性部位？8高级课件11.2、酶促反应机制酶促反应中发生的最本质变化是什么？9高级课件（一）基元催化的分子机制n酶是最复杂的催化剂，它的催化作用包括若干基元催化n基元催化是由某些基团或小分子催化反应的，包括酸碱催化、共价催化、和金属离子催化等n这些小分子催化剂或催化基团不是亲电体（eletrophilic group）就是亲核体(nucleophilic group)，它们是电荷极化的结果10高级课件蛋白质的水解——酸碱催化与共价催化生物体内每时每刻都在发生着蛋白质的水解反应但是，生理pH下，没有催化剂时，肽键极难水解为什么？）11高级课件v酰胺氮上的孤对电子与酰胺氮上的孤对电子与相邻羰基之间具有共振相邻羰基之间具有共振作用，形成共振杂化体，作用，形成共振杂化体，阻止了水对羰基的亲核阻止了水对羰基的亲核进攻v从化学的角度，如何帮从化学的角度，如何帮助水实现对羰基的亲核助水实现对羰基的亲核进攻？进攻？12高级课件1 1、酸碱催化（、酸碱催化（acid-base catalysisacid-base catalysis））n酸酸- -碱催化可分为狭义的酸碱催化可分为狭义的酸- -碱催化和广义的酸碱催化和广义的酸- -碱催化。

酶参与的酸碱催化酶参与的酸- -碱催化反应一般都是碱催化反应一般都是广义的酸－碱催化方式广义的酸－碱催化方式n广义酸－碱催化是指通过质子酸提供部分质子广义酸－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，以稳或是通过质子碱接受部分质子的作用，以稳定过渡态，达到降低反应活化能的一种催化定过渡态，达到降低反应活化能的一种催化机制机制13高级课件14高级课件酶分子中可作为酸碱催化的功能基团酶分子中可作为酸碱催化的功能基团15高级课件n影响酸碱催化反应的因素包括酸碱强度及质子影响酸碱催化反应的因素包括酸碱强度及质子传递的速率传递的速率nHisHis咪唑基的解离常数约咪唑基的解离常数约6.06.0，咪唑基解离下来，咪唑基解离下来的质子浓度与水中的的质子浓度与水中的[H[H+ +] ]相近，在中性条件下，相近，在中性条件下，一半以酸形式存在，一半以碱形式存在一半以酸形式存在，一半以碱形式存在; ;同时，同时，咪唑基接受质子和供出质子的速率十分迅速，咪唑基接受质子和供出质子的速率十分迅速，半衰期小于半衰期小于1010-10-10秒n所以，所以，HisHis是酶中最有效最活泼的一个催化功是酶中最有效最活泼的一个催化功能基团。

能基团16高级课件2、共价催化（Covalent catalysis）n共价催化包括亲核催化和亲电催化但由于参与共价催化的主要是亲核基团，所以共价催化也称为亲核催化17高级课件胰凝乳蛋白酶的Asp102、His57、Ser195组成了催化三联体结构（ the catalytic triad ）18高级课件通过Asp102、His57、Ser195组成的质子传递链，使Ser195失去质子，生成强亲核基团-O-19高级课件底物结合(step 1), S195羟基对底物羰基碳发动亲核进攻 (step 2). 底物羰基氧附近的酰胺区域可以稳定氧负离子20高级课件氧离子洞21高级课件在His57帮助下，H2O对酯基的羰基碳发动亲核进攻同样通过四面体中间体，生成羧基，离开活性中心22高级课件胰凝乳蛋白酶催化蛋白质的水解23高级课件n丝氨酸蛋丝氨酸蛋白酶的催白酶的催化机制化机制24高级课件n共价催化是由亲核催化剂加速反应的，催化剂向反应物的亲电中心提供电子，形成共价配位键，并产生一个不稳定的共价中间物n中间物的反应性比原来的反应物更大，将受到第二底物，如H2O分子进攻，生成最终产物25高级课件应用举例：有机磷杀虫剂26高级课件3 3、金属离子催化、金属离子催化１）需要金属的酶分类：１）需要金属的酶分类：　　（（1 1）金属酶－）金属酶－metalloenzyme:metalloenzyme:含紧密结合的金属离子。

含紧密结合的金属离子如如FeFe2+2+、、FeFe3+3+、、CuCu2+2+、、ZnZn2+2+、、MnMn2+2+　　　　（（2 2）金属）金属- -激活酶（激活酶（metal-activated enzymemetal-activated enzyme））: :含松含松散结合的金属离子，如散结合的金属离子，如NaNa+ + K K+ + MgMg2+ 2+ CaCa2+2+2 2）金属离子的催化作用）金属离子的催化作用：：n通过结合底物为反应定向通过结合底物为反应定向n通过可逆的改变金属离子的氧化态调节氧化还原反应通过可逆的改变金属离子的氧化态调节氧化还原反应n通过静电稳定或屏蔽静电荷通过静电稳定或屏蔽静电荷27高级课件金属离子催化的例证：烯醇化酶28高级课件29高级课件（二）酶具有高催化能力的原因（二）酶具有高催化能力的原因1 1、底物和酶的邻近效应（、底物和酶的邻近效应（approximationapproximation）与定向）与定向效应（效应（orientationorientation））n在酶促反应中，由于酶和底物分子之间的亲和性，底物分在酶促反应中，由于酶和底物分子之间的亲和性，底物分子有向酶的活性中心靠近的趋势，最终结合到酶的活性中子有向酶的活性中心靠近的趋势，最终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的效应叫做心，使底物在酶活性中心的有效浓度大大增加的效应叫做邻近效应。

邻近效应n定向效应：定向效应：当专一性底物向酶活性中心靠近时，会诱导酶当专一性底物向酶活性中心靠近时，会诱导酶分子构象发生改变，分子构象发生改变，使酶活性中心的相关基团和底物的反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，应基团正确定向排列，同时使反应基团之间的分子轨道以同时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以上两种效应正确方向严格定位，使酶促反应易于进行以上两种效应使酶具有高效率和专一性特点使酶具有高效率和专一性特点30高级课件®咪唑催化对咪唑催化对- -硝基苯酚乙酸酯的水解反应硝基苯酚乙酸酯的水解反应31高级课件实验结果表明，分子内咪唑基参与的水解反应实验结果表明，分子内咪唑基参与的水解反应速度比相应的分子间反应速度大速度比相应的分子间反应速度大 24 24 倍说明咪唑基与酯基的相对位置对水解反应速度具有咪唑基与酯基的相对位置对水解反应速度具有很大的影响很大的影响32高级课件轨道定向轨道定向(orbital-steering)(orbital-steering)假说示意图假说示意图33高级课件Rate enhancement by entropy reduction. Shown here are reactions of an ester with a carboxylate group to form an anhydride.The R group is the same in each case.34高级课件2、诱导契合（、诱导契合（induced fit）和底物）和底物的形变（的形变（distortion））n酶酶- -底物复合物形成时，酶分子构象发生底物复合物形成时，酶分子构象发生变化，底物分子也常常受到酶的作用而变化，底物分子也常常受到酶的作用而发生变化，甚至使底物分子发生扭曲变发生变化，甚至使底物分子发生扭曲变形，从而使底物分子某些键的键能减弱，形，从而使底物分子某些键的键能减弱，产生键扭曲，有助于过度态的中间产物产生键扭曲，有助于过度态的中间产物形成形成, ,从而降低了反应的活化能。

从而降低了反应的活化能35高级课件诱导契合模型与底物的形变诱导契合模型与底物的形变36高级课件37高级课件n第第4 4个糖残基个糖残基D D环因空间原因环因空间原因必须由正常的必须由正常的椅式变形为能椅式变形为能量较高的半椅量较高的半椅式构象因此式构象因此糖苷键的稳定糖苷键的稳定性降低，键容性降低，键容易从此断裂易从此断裂38高级课件3、电荷极化和多元催化n酶催化反应时常常是几个功能团适当排列共同作用如胰凝乳蛋白酶活性中心处三个氨基酸残基组成“电荷中继网”，催化肽键水解；核糖核酸酶催化水解时，His12起广义碱催化作用，接受一个质子，而His119起广义酸作用，和磷酸的氧原子形成氢键39高级课件4、疏水微环境影响 n酶促反应在酶表面的疏水裂缝（活性中心）中进行，如同在有机溶剂中反应疏水环境中介电常数比在水中低，两个电荷之间的作用力显著的增强，亲核亲电反应均可加速如溶菌酶Glu35的羧基在非极性区，催化功能增速3×106倍 n酶的微环境还创造了溶液中不可能达到的条件，如同时存在高浓度的酸碱40高级课件四、酶活性的别构调节四、酶活性的别构调节n生物体内酶催化反应的调节可以通过生物体内酶催化反应的调节可以通过改改变酶结构变酶结构而使其催化活性发生改变，也而使其催化活性发生改变，也可以通过可以通过改变酶含量改变酶含量来改变其催化速率，来改变其催化速率，还可以通过以还可以通过以不同形式的酶不同形式的酶在不同组织在不同组织中的分布差异来调节代谢活动。

中的分布差异来调节代谢活动41高级课件n酶结构的调解是通过对现有酶分子结构酶结构的调解是通过对现有酶分子结构的影响来改变酶的催化活性这是一种的影响来改变酶的催化活性这是一种快速调节方式分为别构调控和共价调快速调节方式分为别构调控和共价调控两种机制控两种机制42高级课件别构调控别构调控n很多寡聚酶，当它们的亚基上的配体结合部位与配体很多寡聚酶，当它们的亚基上的配体结合部位与配体非共价可逆结合时，将发生构象变化并影响同一酶分非共价可逆结合时，将发生构象变化并影响同一酶分子上的其它亚基上的空活性部位的亲和力，这一现象子上的其它亚基上的空活性部位的亲和力，这一现象称为酶的称为酶的别构调节别构调节（（allosteric regulationallosteric regulation）n酶的别构效应包括涉及酶与底物结合时催化部位和催酶的别构效应包括涉及酶与底物结合时催化部位和催化部位之间的相互作用即同促效应，和涉及酶与调节化部位之间的相互作用即同促效应，和涉及酶与调节物结合时调节部位与活性部位之间的相互作用即异促物结合时调节部位与活性部位之间的相互作用即异促效应n具有这种调节作用的酶称为具有这种调节作用的酶称为别构酶别构酶（（alloseric alloseric enzymeenzyme）。

43高级课件n凡能使酶分子发生别构作用的物质称为凡能使酶分子发生别构作用的物质称为效应物（效应物（effectoreffector）或别构剂）或别构剂n因别构导致酶活性增加的物质称为正效因别构导致酶活性增加的物质称为正效应物（应物（positive effectorpositive effector）或别构激活）或别构激活剂，反之称为负效应物（剂，反之称为负效应物（negative negative effectoreffector）或别构抑制剂或别构抑制剂44高级课件n当别构酶的一个亚基与其配体（底物或别构剂）当别构酶的一个亚基与其配体（底物或别构剂）结合后，能够通过改变相邻亚基的构象而使其结合后，能够通过改变相邻亚基的构象而使其对配体的亲和力发生改变，这种效应就称为别对配体的亲和力发生改变，这种效应就称为别构酶的构酶的协同效应协同效应n别构剂一般以反馈方式对代谢途径的起始关键别构剂一般以反馈方式对代谢途径的起始关键酶进行调节，常见的为酶进行调节，常见的为负反馈调节负反馈调节 ABCDPE1E2E3En45高级课件典型的别构酶－天冬氨酸转氨甲酰酶典型的别构酶－天冬氨酸转氨甲酰酶（（ ATCase ATCase ））ATCaseATCase的一个最有效的的一个最有效的抑制剂是代谢途径的终抑制剂是代谢途径的终产物胞嘧啶三磷酸产物胞嘧啶三磷酸（（CTPCTP），而），而ATPATP是酶的是酶的激活剂。

激活剂n在在E.coliE.coli中中ATCaseATCase催化由氨甲酰磷酸和天冬氨催化由氨甲酰磷酸和天冬氨酸生成氨甲酰天冬氨酸酸生成氨甲酰天冬氨酸46高级课件nN-N-氨基甲酰磷酸与天冬氨酸的结合是协同的，协同结氨基甲酰磷酸与天冬氨酸的结合是协同的，协同结合使底物浓度只在一个很窄的范围内开启合使底物浓度只在一个很窄的范围内开启N-N-氨甲酰天氨甲酰天冬氨酸的合成底物分子本身对别构酶的调节作用称冬氨酸的合成底物分子本身对别构酶的调节作用称为为同促效应同促效应别别构构激激活活别别构构抑抑制制V0[S]底底物物敏敏感感区区47高级课件nCTPCTP在不影响酶的在不影响酶的VmaxVmax的情况下，通过降低酶与底物的的情况下，通过降低酶与底物的亲和性来抑制亲和性来抑制ATCaseATCase；；ATPATP可增强酶与底物的亲和性，可增强酶与底物的亲和性，也不影响也不影响VmaxVmax这种非底物分子的调节物对酶的调节这种非底物分子的调节物对酶的调节作用，称为作用，称为异促效应异促效应别别构构激激活活别别构构抑抑制制V0[S]底底物物敏敏感感区区48高级课件Two views of the regulatory enzyme aspartate transcarbamoylase.(Derived from PDB ID 2AT2.) This allosteric regulatory enzyme has two stacked catalytic clusters, each with three catalytic polypeptide chains (in shades of blue and purple), and three regulatory clusters, each with two regulatory polypeptide chains (in red and yellow). The regulatory clusters form the points of a triangle surrounding the catalytic subunits. Binding sites for allosteric modulators are on the regulatory subunits. Modulator binding produces large changes in enzyme conformation and activity.49高级课件别构酶的基本性质别构酶的基本性质n别构酶一般是寡聚酶，通过次级键由别构酶一般是寡聚酶，通过次级键由多亚基多亚基构构成。

成n因别构酶有协同效应，故其因别构酶有协同效应，故其[S][S]对对v v的的动力学曲动力学曲线线不符合米氏方程不符合米氏方程n效应物可分为效应物可分为K K型和型和V V型型两种类型两种类型n别构酶经加热或化学试剂处理，可引起别构酶别构酶经加热或化学试剂处理，可引起别构酶解离，失去调节活性，称为脱敏作用解离，失去调节活性，称为脱敏作用50高级课件多亚基多亚基调节亚基调节亚基催化亚基催化亚基协同效应协同效应别构激活剂别构激活剂别构抑制剂别构抑制剂正协同正协同负协同负协同51高级课件别构酶的动力学别构酶的动力学n[S][S]对对v v的动力学曲线不是双曲线，而是的动力学曲线不是双曲线，而是S S形曲形曲线（正协同）或表观双曲线（负协同），两者线（正协同）或表观双曲线（负协同），两者均不符合米氏方程均不符合米氏方程2 2米氏曲线米氏曲线1 1负协同负协同3 3正协同正协同321V0                        [S]V52高级课件n正协同效应：底物或调节物的结合大大增加了酶对后续底物分子的亲和性S型曲线）n负协同效应：底物浓度较小的范围内，酶活力上升很快，随后底物浓度虽有较大提高，但反应速率升高很小，表现为负协同。

表观双曲线）53高级课件n饱和比值（饱和比值（RsRs）可用来鉴别不同的协同作用以）可用来鉴别不同的协同作用以及协同的程度及协同的程度 典型的米氏类型的酶典型的米氏类型的酶Rs=81Rs=81 具有正协同效应的别构酶具有正协同效应的别构酶Rs<81Rs<81，， Rs Rs 正正协同效应协同效应 具有负协同效应的别构酶具有负协同效应的别构酶Rs>81Rs>81，， Rs Rs 负负协同效应协同效应54高级课件意义：意义：n在很小的浓度（底物、调节物）范围内严格控在很小的浓度（底物、调节物）范围内严格控制酶活力，因此是生物代谢中许多代谢途径的制酶活力，因此是生物代谢中许多代谢途径的关键酶别别构构激激活活别别构构抑抑制制V0[S]底底物物敏敏感感区区2 2米米 氏氏曲线曲线1 1负协同负协同3 3正协同正协同321V0                        [S]V55高级课件nK K型效应物和型效应物和V V型效应物型效应物K K型型V V型型56高级课件别构模型别构模型n齐变模型（齐变模型（WMCWMC）） 别构酶的所有亚基，或全部呈坚固紧密的，不利于结别构酶的所有亚基，或全部呈坚固紧密的，不利于结合底物的合底物的“T T”状态，或者全部是松散的，有利于结合状态，或者全部是松散的，有利于结合底物的底物的"R""R"状态，这两种状态间的转变对于每个亚基都状态，这两种状态间的转变对于每个亚基都是同时的，齐步发生的。

是同时的，齐步发生的"T""T"状态中亚基的排列是对称状态中亚基的排列是对称的，变成的，变成"R""R"状态后亚基的排列仍然是对称的状态后亚基的排列仍然是对称的57高级课件n序变模型（序变模型（KNFKNF）） 酶分子中的亚基结合小分子物质（底物或调节物）后，酶分子中的亚基结合小分子物质（底物或调节物）后，亚基构象逐个地依次变化，因此亚基有各种可能的构亚基构象逐个地依次变化，因此亚基有各种可能的构象状态 58高级课件五、酶活性的共价调节n共价调节即利用蛋白质共价结构的变化调节酶的活性，包括不可逆共价变化（酶原激活）和可逆共价变化（如磷酸化）两种形式59高级课件（一）不可逆共价调节（一）不可逆共价调节————酶原的激活酶原的激活n处于无活性状态的酶的前体物质就称为处于无活性状态的酶的前体物质就称为酶原酶原n酶原在一定条件下转化为有活性的酶的过程称酶原在一定条件下转化为有活性的酶的过程称为为酶原的激活酶原的激活n酶原的激活过程通常伴有酶蛋白一级结构的改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，使催化活性中心得以形成，空间结构的改变，使催化活性中心得以形成，故使其从无活性的酶原形式转变为有活性的酶。

故使其从无活性的酶原形式转变为有活性的酶n举例：消化系统蛋白酶原的激活，凝血机制举例：消化系统蛋白酶原的激活，凝血机制60高级课件消化系统蛋白酶原的激活消化系统蛋白酶原的激活61高级课件凝血机制凝血机制62高级课件（二）可逆共价调控（二）可逆共价调控n酶蛋白分子中的某些基团可以在其他酶的催化酶蛋白分子中的某些基团可以在其他酶的催化下发生可逆共价修饰，从而导致酶活性的改变，下发生可逆共价修饰，从而导致酶活性的改变，称为称为可逆共价修饰调节可逆共价修饰调节 n共价调节酶的两个主要特点：共价调节酶的两个主要特点： 1、通过可逆的共价修饰调节酶活性；、通过可逆的共价修饰调节酶活性； 2、导致级联式放大反应导致级联式放大反应63高级课件n共价修饰的主要方式是磷酸化和脱磷酸共价修饰的主要方式是磷酸化和脱磷酸化蛋白质蛋白质蛋白质－蛋白质－npi蛋白激酶蛋白激酶蛋白磷酸酶蛋白磷酸酶64高级课件65高级课件n蛋白激酶蛋白激酶A A是是cAMPcAMP依赖性蛋白激酶依赖性蛋白激酶66高级课件n磷酸化酶激酶通过磷酸化作用使无活性磷酸化酶激酶通过磷酸化作用使无活性的磷酸化酶的磷酸化酶b b转化为有活性的磷酸化酶转化为有活性的磷酸化酶a a。

67高级课件68高级课件六、同工酶六、同工酶n在同一种属中，催化相同的化学反应，在同一种属中，催化相同的化学反应，而酶蛋白的分子结构，理化性质及免疫而酶蛋白的分子结构，理化性质及免疫学性质不同的一组酶称为学性质不同的一组酶称为同工酶同工酶n同工酶在体内的生理意义主要在于适应同工酶在体内的生理意义主要在于适应不同组织或不同细胞器在代谢上的不同不同组织或不同细胞器在代谢上的不同需要因此，同工酶在体内的生理功能需要因此，同工酶在体内的生理功能是不同的是不同的 69高级课件n乳酸脱氢酶同工酶乳酸脱氢酶同工酶（（LDHsLDHs）为四聚体，在体内）为四聚体，在体内共有五种分子形式，即共有五种分子形式，即LDH1LDH1（（H4H4），），LDH2LDH2（（H3M1H3M1），），LDH3LDH3（（H2M2H2M2），），LDH4LDH4（（H1M3H1M3））和和LDH5LDH5（（M4M4）n心肌中以心肌中以LDH1LDH1含量最多，含量最多，LDH1LDH1对乳酸的亲和力对乳酸的亲和力较高，因此它的主要作用是催化乳酸转变为丙较高，因此它的主要作用是催化乳酸转变为丙酮酸再进一步氧化分解，以供应心肌的能量。

酮酸再进一步氧化分解，以供应心肌的能量在骨骼肌中含量最多的是在骨骼肌中含量最多的是LDH5LDH5，，LDH5LDH5对丙酮酸对丙酮酸的亲和力较高，因此它的主要作用是催化丙酮的亲和力较高，因此它的主要作用是催化丙酮酸转变为乳酸，以促进糖酵解的进行酸转变为乳酸，以促进糖酵解的进行 70高级课件71高级课件72高级课件。