第十一章 酶的 作用机制和酶的调节

1. 第十一章 酶的作用机制和酶的调节 一、酶的活性中心 二、酶的催化机理 三、丝氨酸蛋白酶类 四、酶活性的调节 五、同工酶

2. （一） 酶分子的结构特点 • 1．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。

4. 2．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。 • 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与能力。 酶的活性中心= 结合部位+催化部位 酶分子中的其他部位提供结构支持

5. 酶活性中心的特点 1.部分氨基酸，1-2% 2.具有三维结构 3.通过诱导契合与底物互补 4.容纳底物的裂缝，以非极性基团为主。 5.通过次级键与底物相连 6.活性部位具有柔性与运动性，比酶分子更敏感

7. 酶活性中心的必需基团 往往是几个氨基酸起作用 • 主要包括： • 亲核性基团：丝氨酸的羟基，半胱氨酸的巯基和组氨酸的咪唑基。 • 酸碱性基团：天门冬氨酸和谷氨酸的羧基，赖氨酸的氨基，酪氨酸的酚羟基，组氨酸的咪唑基和半胱氨酸的巯基等

8. 第11章 酶的作用机制和酶的调节 一、酶的活性中心 二、酶的催化机理 三、丝氨酸蛋白酶类 四、酶活性的调节 五、同工酶

9. 二. 酶的催化机理—— 与酶的高效率有关的因素 • a.底物与酶的靠近与定向 • b.酶使底物的敏感键发生变形 • c.共价催化 • d.酸碱催化 • e.低介电区域的活性中心 • f.金属离子催化作用 • g.多功能催化作用

10. 酶催化作用的本质是酶的活性中心与底物分子通过短程非共价力(如氢键,离子键和疏水键等)的作用，形成E-S反应中间物，酶催化作用的本质是酶的活性中心与底物分子通过短程非共价力(如氢键,离子键和疏水键等)的作用，形成E-S反应中间物， • 其结果使底物的价键状态发生形变或极化，起到激活底物分子和降低过渡态活化能作用。

11. a.底物与酶的靠近（proximity) 与定向(orientation) 化学反应速度与底物浓度成正比 靠近：底物与酶的靠近使酶活性中心区域底物浓度增加 有报道：从0.001mol/L~100mol/L 归功于induced-fit ，使分子间反应——分子内反应 诱导构象变化，正确地靠近与定向 分别使速率提高1万倍 可以使反应速度增加108倍

12. 邻近定向效应：酶与底物结合成中间产物过程中，底物分子从稀溶液中密集到活性中心区，并使活性中心的催化基团与底物的反应基团之间正确定向排列所产生的效应。邻近定向效应：酶与底物结合成中间产物过程中，底物分子从稀溶液中密集到活性中心区，并使活性中心的催化基团与底物的反应基团之间正确定向排列所产生的效应。 • 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，有利于提高反应速度； • 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。

13. 实验证据 • 咪唑和对-硝基苯酚乙酸酯的反应是一个双分子氨解反应.

14. 实验结果表明，分子内咪唑基参与的氨解反应速度比相应的分子间反应速度大 24 倍。说明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。

15. b.酶使底物的敏感键发生变形（distortion)——诱导契合b.酶使底物的敏感键发生变形（distortion)——诱导契合 酶与底物结合： 酶的构象发生改变，底物分子也发生变化 酶的某些基团作用于底物的敏感键，产生电子张力，使底物分子变形，形成相互契合的酶—底物复合体 “张力”与“形变”：酶与底物的结合，不仅酶分子发生构象变化，同样底物分子也会发生扭曲变形，使底物分子的某些键的键能减弱，产生键扭曲，降低了反应活化能。

16. 底物分子结合在酶的底物结合中心

17. 使底物靠拢 使底物分子产生 应力，变形 使底物分子电荷 变化，电子张力

18. 张力学说 • 这是一个形成内酯的反应。当 R＝CH3时，其反应速度比 R＝H的情况快315倍。 • 由于-CH3体积比较大，与反应基团之间产生一种立体排斥张力，从而使反应基团之间更容易形成稳定的五元环过渡状态。 • 例如：溶菌酶与底物结合时底物糖环的构象由椅式变为半椅式

19. c.共价催化（covalent catalysis) 酶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。 关键：降低活化能，越过能阈

20. ： ： —CH2—S —CH2—O · · · · H H —CH2—C=CH ： HN N CH Lewis的酸碱电子理论：酸是可以接受电子对的物质，而碱则是可以提供电子对的物质，前者是亲电物质，后者是亲核物质。共价催化又称亲核或亲电子催化。实际上也是酸碱催化。 亲核物质 亲电物质 Ser-OH Cys-SH His-咪唑基

21. 酶分子中的亲核基团或亲电子基团对底物的电子受体或电子供体进行攻击，共价结合成中间过渡产物，供水或第二种底物作用酶分子中的亲核基团或亲电子基团对底物的电子受体或电子供体进行攻击，共价结合成中间过渡产物，供水或第二种底物作用 酶中参与共价催化的亲核基团主要包括 His 的咪唑基，Cys 的巯基，Ser 的羟基等 攻击底物的亲电中心，如酰基，磷酰基、糖等。

22. d.酸碱催化（acid-base catalysis) • 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，稳定过渡态，达到降低反应活化能的过程。 • 意义：在近中性的pH下创造了有利的催化环境

23. 酸碱催化：通过想反应物（作为碱）提供质子或从反应物（作为酸）夺取质子来达到加速反应的一类催化。（广义酸碱催化，Bronsted的酸碱定义）酸碱催化：通过想反应物（作为碱）提供质子或从反应物（作为酸）夺取质子来达到加速反应的一类催化。（广义酸碱催化，Bronsted的酸碱定义） 蛋白质中起酸或碱催化的功能基团有氨基、羧基、咪唑基、巯基和酚基。 影响酸碱催化反应速度的两种因素：（1）酸或碱的强度（pK）；（2）质子传递的速度。His的咪唑基最活跃。

24. 酶分子中可以作为广义酸、碱的基团 • 广义酸基团 广义碱基团（质子供体） （质子受体）

25. His 是酶的酸碱催化作用中最活泼的一个催化功能团。 • His 的咪唑基解离常数为6.0，质子浓度与水中氢离子相近，一半以酸形式存在，一半以碱形式存在，既是质子供体，又是质子受体 • 供出或接受质子的速度十分迅速，半衰期<10-10秒 如溶菌酶，RNase等

26. e.低介电区域的活性中心 ——微环境的影响 • 很多酶的活性中心穴内是非极性的 • 酶的催化基团被低介电环境所包围，甚至将水分子排除在外 • 疏水环境中两个带电物之间的作用力比在极性环境中强，增加了酶与底物的反应力

27. f.金属离子催化作用 1）提高水的亲核性能 • 金属离子可以和水分子的OH-结合，使水显示出更大的亲核催化性能。 2）络合物，稳定过渡态 3）电荷屏蔽作用 4）电子传递中间体

28. 3）电荷屏蔽作用 • 电荷屏蔽作用是酶中金属离子的一个重要功能。 • 多种激酶(如磷酸转移酶)的底物是Mg2+－ATP复合物。

29. 4）电子传递中间体 • 许多氧化-还原酶中都含有铜或铁离子，它们作为酶的辅助因子起着传递电子的功能。

30. 根据金属离子与酶蛋白结合程度，可分为两类：金属酶和金属激酶。根据金属离子与酶蛋白结合程度，可分为两类：金属酶和金属激酶。 • 在金属酶中,酶蛋白与金属离子结合紧密。如 Fe2+/ Fe3+ 、Cu+/Cu3、Zn2+ 、Mn2+、Co2等。 • 金属激酶中的金属离子作为酶的辅助因子，在酶促反应中传递电子，原子或功能团。如碱金属和碱土金属

31. g.多功能催化作用 • 酶的活性中心部位，一般都含有多个起催化作用的基团，这些基团在空间有特殊的排列和取向，可以对底物价键的形变和极化及调整底物基团的位置等起到协同作用，从而使底物达到最佳反应状态。 • 如：胰凝乳蛋白酶的电荷中继网 • Asp102，His57，Ser195协同作用 • 亲核催化与碱催化

32. a.底物与酶的靠近与定向 • b.酶使底物的敏感键发生变形 • c.共价催化 • d.酸碱催化 • e.低介电区域的活性中心 • f.金属离子催化作用 • g.多功能催化作用 108 103 与酶的高效性有关的因素 不同的酶，引起其高效性的因素是不同的，可以受一种或几种因素的影响

33. 第11章 酶的作用机制和酶的调节 一、酶的活性中心 二、酶的催化机理 三、丝氨酸蛋白酶类 四、酶活性的调节 五、同工酶

34. 三.丝氨酸蛋白酶类与胰蛋白酶家族 • 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。 • 胰蛋白酶在碱性氨基酸，即赖氨酸或精氨酸的羰基后侧切天肽链。 • 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。

36. X射线晶体衍射，His57，Ser195，Asp102 在三维结构中是很靠近的

37. His57，Ser195，Asp102构成一个氢键体系，催化三联体His57，Ser195，Asp102构成一个氢键体系，催化三联体 叫电荷中继网，charge relay network 质子先从Ser195先到His57，然后到 Asp102 1.水解反应的酰化阶段 Ser195对敏感肽键的羰基C原子亲核攻击，底物的胺成分以氢键接到His57；羧基与Ser195的-OH成酯，Asp102的离子形式稳定的构型 2.水解反应的脱酰阶段 一系列的质子转移，水作用下，质子从 His57到Ser195，羧酸和胺成分从酶中释放，酶又恢复自由状态

38. 胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、弹性蛋白酶、枯草杆菌蛋白酶都具有Asp-Ser-His电荷中继网,催化三联体胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、弹性蛋白酶、枯草杆菌蛋白酶都具有Asp-Ser-His电荷中继网,催化三联体 来自胰脏的三种酶X射线衍射具有类似的三维结构 一级结构40%相同 胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、弹性蛋白酶来源于相同的祖先，不同的专一性，叫酶的趋异进化 枯草杆菌蛋白酶与上述三种酶来源不同，但有相同的电荷中继网，类似的催化机制，叫酶的趋同进化

39. 第11章 酶的作用机制和酶的调节 一、酶的活性中心 二、酶的催化机理 三、丝氨酸蛋白酶类 四、酶活性的调节 五、同工酶

40. 四、酶活性的调节控制 可以通过改变其催化活性而使整个代谢反应的速度或方向发生改变的酶就称为限速酶或关键酶。 别构调节 酶原激活 共价修饰 酶量调节

41. 负反馈 一条代谢途径的终产物，有时可与该代谢途 径的第一步反应的酶相结合，结合的结果使这个酶活性下降，从而使整条代谢途径的反应速度慢起来。这种情况又称为“反馈抑制 ”。 • 正反馈 结合使酶活性增强

42. 第一个酶 （有活性） 终产物 终产物（调节物） 结合在调节中心 第一个酶 （无活性）

43. （一）变构调节（别构调节）： 某些代谢物能与变构酶分子上的变构部位特异性结合，使酶的分子构象发生改变，从而改变酶的催化活性以及代谢反应的速度，这种调节作用就称为变构调节(allosteric regulation)。 调控部位：酶分子中存在着一些可以与其他分子发生某种程度的结合的部位，从而引起酶分子空间构象的变化，对酶起激活或抑制作用。

44. 具有变构调节作用的酶就称为变构酶。 凡能使酶分子变构并使酶的催化活性发生改变的代谢物就称为变构剂。 变构调节广泛存在于生物界

45. 变构调节的机制： • 变构酶一般是多亚基构成的聚合体，一些亚基为催化亚基，另一些亚基为调节亚基。 • 当调节亚基或调节部位与变构剂结合后，就可导致酶的空间构象发生改变，从而导致酶的催化活性中心的构象发生改变而致酶活性的改变。

46. 协同效应： • 当变构酶的一个亚基与其配体（底物或变构剂）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，这种效应就称为变构酶的协同效应。 • 如果对相邻亚基的影响是导致其对配体的亲和力增加，则称为正协同效应；反之，则称为负协同效应。 • 如果是同种配体所产生的影响，则称为同促协同效应。如果是不同配体之间产生的影响则称为异促协同效应。

47. 观察变构酶的底物浓度对酶促反应速度影响时，可发现ν～[S]为一“S”形曲线。这是由于底物对变构酶存在同促正协同效应。

48. 变构调节的特点： ⑴ 酶活性的改变通过酶分子构象的改变而实现； ⑵ 酶的变构仅涉及非共价键的变化； ⑶ 调节酶活性的因素为代谢物； ⑷ 一般为多亚基蛋白 别构酶不符合米氏方程 为一非耗能过程；

49. 变构调节的方式： • 变构酶通常为代谢途径的起始关键酶，而变构剂则为代谢途径的终产物。因此，变构剂一般以反馈方式对代谢途径的起始关键酶进行调节，最常见的为负反馈调节。 值得注意的是，发生反馈抑制时，代谢终产物与酶结合时，是非共价结合，是可逆的。

50. 两种典型的别构酶 天冬氨酸转氨甲酰酶：ATCase 底物对酶的调节——同促效应（催化亚基） CTP抑制酶的活性；ATP激活——异促效应 降低或增加酶与底物的亲和性 CTP与ATP竞争酶的调节部位（调节亚基） 3-磷酸甘油醛脱氢酶：负协同效应的代表 对底物NAD+的变化不敏感 即使NAD+的浓度很低，也会进行糖酵解