1第七章第七章酶的作用机制和酶的调节2一.酶活性部位的特点1.只占酶分子总体积相当小的部分(1%-2%);2.是一个三维实体;3.通过诱导契合的动态过程形成;4.是位于酶分子表面的一个裂缝内(疏水区域),底物有效浓度高;5.底物通过次级键较弱地力结合到酶上;6.具有柔性或可运动性.第一节 酶作用的机制3二二. .酶催化反应的独特性质酶催化反应的独特性质1.酶反应大部分反应涉及电子和质子或其他基团的转移(速率108s-1),另有反应仅涉及电子的转移(速率103s-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的,主要的是His,Ser,Cys,Lys,Glu,Asp的侧链直接参加反应;3.酶催化反应的最适pH范围通常很狭小;4.与底物相比,酶分子很大;5.生物酶特有的有利条件,使上述反应进行更有利: (1)活性部位存在一个以上的催化基团,可进行协同催化; (2)存在结合部位,底物分子结合在活性部位附近; (3)存在一个以上的底物分子结合部位,可催化多底物反应; (4)底物与酶结合,使底物分子中的键产生张力,有利于过度态复合物的形成.4 三.与酶催化高效率有关的因素(一)底物和酶的临近效应和定向效应： 临近效应是在酶促反应中，底物分子结合到酶的活性中心，底物在酶活性中心的有效浓度大大增加，有利于提高反应速度； 酶和底物复合物的形成是把分子间的反应变为分子内的反应的过程,底物分子中参与反应的基团相互接近，并被严格定向定位。定向效应指反应物的反应基团之间、酶的催化基团与底物反应基团之间的正确取位产生的效应,使酶促反应具有高效率。 科学家认为,如果临近效应和定向效应的促进作用分别达到提高反应速率104倍,临近效应加定向效应共同作用使反应速率升高108倍,这与酶提高催化效率计算数据很相近.(二) 底物的“形变” 和诱导契合： 当酶遇到专一性底物时,酶中某些基团或离子使底物分子内敏感键中的某些基团的电子云密度增高或降低,产生“张力”,使敏感键的一端更加敏感,底物分子发生“形变” ,底物接近过度态,降低了反应活化能,使反应易于发生.如溶菌酶与底物结合引起D-糖环构象由椅式变为半椅式等例子,均为X射线晶体结构分析证实.5 (三)酸碱催化： 是通过瞬时的向反应物提供质子或从反应物接受质子 以稳定过度态,加速反应的机制. 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.是指向反应物提供质子,或是从反应物接受质子的作用，达到降低反应活化能。 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。在很多酶的活性部位存在酸碱催化功能基,如氨基,羧基,巯基,酚羟基和咪唑基,它们能在近中性pH的范围,作为催化性的质子供体或受体. 这类反应有:羧基的加成反应,酮基和烯醇的互变异构,肽和酯的水解,磷酸和焦磷酸参与的反应. 酸碱催化可提高反应速率102-105.pHis 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。 广义酸基团广义酸基团 广义碱基团广义碱基团 （质子供体）（质子供体） （质子受体（质子受体）6(四)共价催化 (亲核催化或亲电子催化)l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。l在催化时,亲核催化剂或亲电子催化剂能分别放出电子或吸取电子,作用于底物的缺电中心或负电中心,迅速形成不稳定的中间复合物,降低反应活化能,使反应加速.l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。l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。7(五)金属离子催化(六)多元催化和协同效应 如亲核催化和酸碱催化共同作用.(七)活性部位微环境 活性部位位于疏水环境的裂缝中. 由于在非极性环境中的介电常数比水的介电常数低,在非极性环境中的两个带电基团之间的静电作用比在极性环境中中显著提高.疏水的微环境有利于酶的催化作用. 8 第二节第二节 酶活性的调节控制和调节酶( (一一) )别构调控别构酶调节别构调控别构酶调节 特点特点: :（1）别构酶除了有活性中心外，还有别构中心； （2）该酶可在其分子内、不同的空间位置 上的特定位点具有传递改变构象信息的能力； （3）酶的特殊结构具有在不同外界环境条件时， 作出选择，以达到对代谢过程的调节控制。 9别构酶的结构特征别构酶的结构特征： （1）已知的别构酶几乎都是寡聚酶，由2个以上的亚基 组装而成，具有四级结构，分子较大，常常表现出 单体酶没有的特殊性质；（2）一般有两个亚基，催化亚基有活性中心，决定反应 的快慢，该酶可在几秒可使酶活力改变，属快速调 节，是代谢过程关键步骤中发挥关键作用的关键酶。 （3）别构酶在某些物质（如调节物）的作用下，构象改 变，活力也发生变化，这种现象称别构效应。（）别构酶不遵循米氏方程。10别构酶的性质别构酶的性质别构酶有和底物结合的活性部位活性部位，又有和调节物或效应物结合的调节部位调节部位调节部位与活性部位虽然在空间上是分开的，但可互相影响，通过构相的变化，产生协同效应可发生在底物底物之间，调节物底物之间，调节物调节物之间，可以是正协同，或负协同11别构酶动力学别构酶动力学别构酶动力学曲线:正协同效应是S形曲线 别构酶与非别构酶动力学曲线的比较12协同指数协同指数( (饱和比值饱和比值saturation ratio Rs)saturation ratio Rs)协同指数可以鉴别不同的协同和协同程度 位点被90%饱和时的底物浓度 1Rs= = 81 n 位点被10%饱和时的底物浓度 n代表协同系数(Hill系数), 常用n判断酶属于哪一种类型.典型的米氏酶Rs=81 ,即符合米氏方程的酶n=1. 具有正协同效应的酶n1; 具有负协同效应的酶n1.13别构酶举例：天冬氨酸转氨甲酰酶，简称ATCase14 在中，在中，ATCaseATCase催化嘧啶核苷酸生物合成的第一个关键的反应，催化嘧啶核苷酸生物合成的第一个关键的反应，是由氨甲酰磷酸和天冬氨酸生成氨甲酰天冬氨酸。是由氨甲酰磷酸和天冬氨酸生成氨甲酰天冬氨酸。ATCaseATCase的一个的一个最有效的抑制剂是代谢途径的终产物胞嘧啶三磷酸（最有效的抑制剂是代谢途径的终产物胞嘧啶三磷酸（CTPCTP）。）。 ATPATP是嘌呤核苷酸合成途径的终产物，是是嘌呤核苷酸合成途径的终产物，是ATCaseATCase的激活剂，的激活剂， ATPATP对对ATCaseATCase的激活作用可能是增强嘧啶核苷酸的生成以便使核酸的激活作用可能是增强嘧啶核苷酸的生成以便使核酸合成所需要的两种类型的核苷酸的供应达到平衡。合成所需要的两种类型的核苷酸的供应达到平衡。 ATCaseATCase催化反应中，速度对天冬氨酸浓度作图得到的是催化反应中，速度对天冬氨酸浓度作图得到的是S S型曲型曲线。线。 CTPCTP和和ATPATP都影响底物天冬氨酸的结合。都影响底物天冬氨酸的结合。CTPCTP使酶对天冬氨酸使酶对天冬氨酸的的KmKm值明显增大，但并没有改变值明显增大，但并没有改变VmaxVmax，所以，所以CTPCTP是一个竞争性抑制是一个竞争性抑制剂，它结合在活性部位以外的部位。剂，它结合在活性部位以外的部位。 ATPATP的存在使得的存在使得S S型曲线向双曲线漂移，降低了底物对酶结合型曲线向双曲线漂移，降低了底物对酶结合的协同性。的协同性。15 (二)酶原激活的调节l酶原：没有活性的酶的前体。l酶原的激活：酶原在一定条件下经适当的物质作用 可转变成有活性的酶。酶原转变成酶 的过程称为酶原的激活。l本质：酶原的激活实质上是酶活性部位形成或暴露 的过程。16 同功酶同功酶同功酶：能催化同一化学反应的一类酶。l活性中心相似或相同：催化同一化学反应。l分子结构不同：理化性质和免疫学性质不同。17 要点归纳要点归纳 1. 1. 酶酶是是生生物物催催化化剂剂。酶酶的的显显著著特特点点是是催催化化效效率率高高，具具有有底底物物和和反反应应的的特特异异性性，以以及及可可调调节节性性。除除了了某某些些RNARNA之之外外，绝绝大大部部分分酶酶是是蛋蛋白白质质，或或是是带带有有辅辅助助因因子子的的蛋蛋白白质质。酶酶可可以以按按照照它它们们催催化化的的反反应应类类型型分分为为六六大大类类：脱脱氢氢酶酶、转转移移酶酶、水水解解酶酶、裂裂解解酶酶、异异构构酶和合成酶。酶和合成酶。 2. 2. 比比活活是是每每毫毫克克酶酶蛋蛋白白所所具具有有的的酶酶活活力力单单位位数数，比比活活测测定定是是酶纯化的监测指标，对同一种酶来说，比活越高，酶的纯度越高。酶纯化的监测指标，对同一种酶来说，比活越高，酶的纯度越高。 3. 3. 酶和其他催化剂一样，可以通过降低反应的活化能来提高酶和其他催化剂一样，可以通过降低反应的活化能来提高反应速度，使反应快速达到平衡点，但酶不能改变平衡点反应速度，使反应快速达到平衡点，但酶不能改变平衡点。 18 4. 4. 酶酶活活性性部部位位是是一一个个具具有有三三维维结结构构的的疏疏水水裂裂隙隙，除除了了含含有有疏疏水水性性氨氨基基酸酸残残基基，还还含含有有少少量量的的极极性性氨氨基基酸酸残残基基，极极性性氨氨基基酸酸常常常常参参与与酶酶的的催催化化反反应应。酶酶活活性性部部位位的的可可离离子子化化和和可可反反应应的的氨氨基基酸酸残基形成酶的催化中心。残基形成酶的催化中心。 5. 5. 酶酶催催化化的的两两个个主主要要模模式式是是酸酸碱碱催催化化和和共共价价催催化化。在在酸酸碱碱催催化化中中，活活性性部部位位的的弱弱酸酸给给出出质质子子，而而碱碱接接收收质质子子，质质子子转转移移可可以以促促进进反反应应进进行行；在在共共价价催催化化中中，底底物物或或底底物物中中的的质质子子与与酶酶共共价价结结合形成反应的中间产物。合形成反应的中间产物。 6. 6. 酶促反应速度的提高很大程度上依赖于底物与酶的结合。酶促反应速度的提高很大程度上依赖于底物与酶的结合。底物靠近和定向于酶的活性部位，使得活性部位的反应物浓度急底物靠近和定向于酶的活性部位，使得活性部位的反应物浓度急剧增高，将大大加速酶促反应的速度。底物诱导酶结合，一旦酶剧增高，将大大加速酶促反应的速度。底物诱导酶结合，一旦酶结合底物后又使底物变形，当底物达到过渡态时，酶对底物的亲结合底物后又使底物变形，当底物达到过渡态时，酶对底物的亲和力最大，使反应活化能降低，容易将底物转化为产物。和力最大，使反应活化能降低，容易将底物转化为产物。 19 9. 9. 酶促反应速度受抑制剂的影响。酶抑制剂可分为可逆和不酶促反应速度受抑制剂的影响。酶抑制剂可分为可逆和不可逆抑制剂。可逆抑制剂与酶非共价结合，可逆抑制包括竞争性抑可逆抑制剂。可逆抑制剂与酶非共价结合，可逆抑制包括竞争性抑制（制（K Km m增加，而增加，而V Vmaxmax不变）、非竞争性抑制（不变）、非竞争性抑制（V Vmaxmax减少，减少，K Km m不变）；不变）；不可逆抑制剂与酶活性部位的功能基团共价结合。利用不可逆抑制不可逆抑制剂与酶活性部位的功能基团共价结合。利用不可逆抑制剂处理酶，有可能获得活性部位氨基酸残基的信息和解释酶催化的剂处理酶，有可能获得活性部位氨基酸残基的信息和解释酶催化的机制。机制。 10. 10. 酶促反应受酶促反应受pHpH和温度的影响，大多数酶都存在一个最适和温度的影响，大多数酶都存在一个最适pHpH和最适温度，但最适和最适温度，但最适pHpH和最适温度都不是酶的特征常数。在最适和最适温度都不是酶的特征常数。在最适pHpH和最适温度下酶促反应具有最大反应速度，大多数酶的反应速度和最适温度下酶促反应具有最大反应速度，大多数酶的反应速度- -pHpH以及反应速度以及反应速度- -温度曲线是钟形曲线。温度曲线是钟形曲线。 20 11. 11. 许许多多蛋蛋白白酶酶都都是是以以酶酶原原形形式式合合成成的的，在在合合适适的的条条件件下下酶酶原通过有选择的蛋白水解被激活，这一过程称为酶原激活。原通过有选择的蛋白水解被激活，这一过程称为酶原激活。 12. 12. 某某些些酶酶是是调调节节细细胞胞内内代代谢谢速速度度的的关关键键酶酶。在在反反馈馈抑抑制制中中，途途径径的的终终产产物物往往往往抑抑制制该该途途径径的的第第一一个个酶酶。别别构构酶酶的的调调节节酶酶的的活活性性受受到到特特殊殊的的调调节节剂剂调调节节，调调节节剂剂可可逆逆地地结结合合在在别别构构酶酶的的调调节节部部位位（常常常常是是底底物物结结合合部部位位以以外外的的部部位位）。调调节节剂剂可可以以是是抑抑制制剂剂或或激活剂；调节剂也可以是底物本身或其他代谢物。激活剂；调节剂也可以是底物本身或其他代谢物。 21 13. 13. 别别构构酶酶一一般般都都是是寡寡聚聚酶酶。别别构构酶酶表表现现出出的的动动力力学学曲曲线线是是S S形形。其其他他调调节节酶酶的的活活性性也也可可以以通通过过共共价价修修饰饰调调节节，常常见见的的共共价价修修饰饰是是酶酶的的磷磷酸酸化化。磷磷酸酸化化常常发发生生在在酶酶活活性性部部位位的的丝丝氨氨酸酸、苏氨酸和酪氨酸残基侧链上。苏氨酸和酪氨酸残基侧链上。 14. 14. 某些器官或组织含有催化同一化学反应而化学组成某些器官或组织含有催化同一化学反应而化学组成不同的一组蛋白质，称之为同功酶。不同的一组蛋白质，称之为同功酶。