new第10章酶的作用機制和酶的調節(jié)

第10章酶的作用機制和酶的調節(jié)0（一）酶的活性中心（二）酶活性中心的結構特點（三）影響酶催化效率的有關因素（四）酶活性的調節(jié)控制基本概念：酶的活性中心是指結合底物和將底物轉化為產(chǎn)物的區(qū)域，通常是相隔很遠的氨基酸殘基形成的三維實體。酶的活性中心包括兩個功能部位：結合部位和催化部位。1．結合部位（Bindingsite）酶分子中與底物結合的部位或區(qū)域一般稱為結合部位。此部位決定酶的專一性。2．催化部位（catalyticsite）酶分子中促使底物發(fā)生化學變化的部位稱為催化部位。此部位決定酶所催化反應的性質。對于結合酶而言，還包括輔酶和輔基上的一些結構基團。（一）酶的活性中心必需基團:酶分子中有些基團若經(jīng)化學修飾（氧化、還原、酰化、烷化）使其改變，則酶的活性喪失，這些基團稱為必需基團。非必需基團：有的酶溫和水解掉幾個AA殘基，仍能表現(xiàn)活性，這些基團即非必需基團?；钚灾行膬?nèi)的必需基團結合基團(bindinggroup)與底物相結合催化基團(catalyticgroup)催化底物轉變成產(chǎn)物維持酶活性中心應有的空間構象所必需。活性中心外的必需基團底物活性中心以外的必需基團結合基團催化基團活性中心主要包括：親核性基團：絲氨酸的羥基，半胱氨酸的巰基和組氨酸的咪唑基。構成酶活性中心的常見基團：

（二）酶活性中心的結構特點1.活性中心只占酶分子總體積的很小一部分，往往只占整個酶分子體積的1%-2%。

某些酶活性部位的AA殘基

酶AA殘基數(shù)活性部位的AA殘基核糖核酸酶124

His12,His119,Lys41溶菌酶129Asp52,Glu35胰凝乳蛋白酶241His57,Asp102,Ser195胃蛋白酶348Asp32,Asp215木瓜蛋白酶212Cys25,His159羧肽酶A307Arg127,Glu270,Tyr248,Zn2+2.酶的活性部位是一個三維實體，具有三維空間結構?；钚灾行牡目臻g構象不是剛性的，在與底物接觸時表現(xiàn)出一定的柔性和運動性。3.酶的活性部位并不是和底物的形狀正好互補的，而是在酶和底物的結合過程中，底物分子或酶分子、有時是兩者的構象同時發(fā)生了一定的變化后才互補的，此時催化基團的位置正好處在所催化底物鍵的斷裂和即將生成鍵的適當位置，這個動態(tài)辨認過程稱為誘導契合（induced-fit）.（二）酶活性中心的結構特點4.酶的活性部位位于酶分子表面的一個裂隙（crevice）內(nèi).裂隙內(nèi)是一個相當疏水的環(huán)境，從而有利于同底物的結合。5.底物靠許多弱的鍵力與酶結合。氧離子洞

酶催化反應的獨特性質

（1）酶的催化作用是由氨基酸側鏈上的功能基團和輔酶為媒介的。主要的是His，Ser，Cys，Lys，Glu和Asp的側鏈常常直接參加催化過程。輔酶或金屬離子與酶協(xié)同在一起發(fā)揮作用，比只利用氨基酸側鏈來說，為催化過程提供了更多種類的功能基團。（2）酶催化反應的最適pH范圍通常是狹小的。（3）與底物相比較，酶分子很大，而活性部位通常只比底物稍大一些。這是因為在大多數(shù)情況下，只有活性部位圍著底物。此外，一個巨大的酶結構對穩(wěn)定活性部位的構象是必要的。酶比一般催化劑具有更高的催化效率主要有以下因素起作用：1、鄰近定向效應2、張力和形變3、酸堿催化4、共價催化5、金屬離子催化6、多元化催化和協(xié)同效應7、活性部位微環(huán)境的影響（三）影響酶催化效率的有關因素多元催化（一）鄰近定向效應在酶促反應中，由于酶和底物分子之間的親和性，底物分子有向酶的活性中心靠近的趨勢，最終結合到酶的活性中心，使底物在酶活性中心的有效濃度大大增加的效應叫做鄰近效應。有利于提高反應速度；定向效應：由于活性中心的立體結構和相關基團的誘導和定向作用，使底物分子中參與反應的基團相互接近，并被嚴格定向定位，使酶促反應具有高效率和專一性特點。（二）“張力”與“形變”實際上是酶與底物誘導契合的動態(tài)過程。酶-底復合物形成時，酶分子構象發(fā)生變化，底物分子也常常受到酶的作用而發(fā)生變化，甚至使底物分子發(fā)生扭曲變形，從而使底物分子某些鍵的鍵能減弱，產(chǎn)生鍵扭曲，有助于過渡態(tài)的中間產(chǎn)物形成,從而降低了反應的活化能。+-+-穩(wěn)定的底物通過電荷等相互作用，底物張力變形激活形成過渡態(tài)張力效應（strain）

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-++酶與過渡態(tài)的親和力大于酶與底物或產(chǎn)物的親和力因某一原子或原子團的極性而引起電子沿著原子鏈向某一方向移動的效應，稱為誘導效應。親電反應：由親電試劑進攻而發(fā)生的反應為親電反應。親核反應：由親核試劑進攻而發(fā)生的反應為親核反應。酸-堿催化可分為狹義的酸-堿催化和廣義的酸-堿催化。酶參與的酸-堿催化反應一般都是廣義的酸－堿催化方式。廣義酸－堿催化是指通過質子酸提供部分質子,或是通過質子堿接受部分質子的作用，達到降低反應活化能的過程。（三）酸－堿催化(acidbasecatalysis)廣義酸基團廣義堿基團（質子受體）（質子供體）酶分子中可以作為廣義酸、堿的基團His是酶的酸堿催化作用中最活潑的一個催化功能團。(pK=6)（四）共價催化（covalentcatalysis）催化劑通過與底物形成反應活性很高的共價過渡產(chǎn)物，使反應活化能降低，從而提高反應速度的過程，稱為共價催化。酶中參與共價催化的基團主要包括以下親核基團：His的咪唑基，Cys的硫基，Asp的羧基，Ser的羥基等；親電子基團：H+、Mg2+、Mn2+、Fe3+某些輔酶，如焦磷酸硫胺素和磷酸吡哆醛等也可以參與共價催化作用。（五）金屬離子的催化作用１.需要金屬的酶分類：（1）金屬酶(metalloenzyme):含緊密結合的金屬離子。如Fe2+、Fe3+、Cu2+、Zn2+、Mn2+（2）金屬-激活酶（metal-activatedenzyme）:含松散結合的金屬離子，如Na+K+Mg2+Ca2+2.金屬離子的催化作用：許多氧化-還原酶中都含有銅或鐵離子，它們作為酶的輔助因子起著傳遞電子的功能。許多激酶的底物為ATP-Mg2+復合物。（六）多元催化和協(xié)同效應酶的活性中心部位，一般都含有多個起催化作用的基團，這些基團在空間有特殊的排列和取向，可以對底物價鍵的形變和極化及調整底物基團的位置等起到協(xié)同作用，從而使底物達到最佳反應狀態(tài)。酶活性中心處于一個非極性環(huán)境中，從而有利于同底物的結合。（水的極性和形成氫鍵的能力都較強，能夠減弱極性基團間的相互作用。）（七）微環(huán)境的影響（酶活性中心是低介電區(qū)域）上面討論了與酶高催化效率有關的7個因素應該注意：不是同時在一個酶中起作用也不是一種因素在所有的酶中起作用對不同的酶，起主要作用的因素不同不同的酶各自都有其特點，可能分別受一種或幾種因素的影響。小結

酶的作用機制——要回答這一問題，要從以下幾個方面酶的催化作用——過渡態(tài)，分子活化能，酶與反應的過渡態(tài)互補，抗體酶中間產(chǎn)物學說誘導契合學說使酶具有高催化效率的7因素四、酶活性的調節(jié)控制（一）別構調節(jié)(allostericregulation)（二）酶原的激活（三）可逆的共價修飾非共價結合共價結合別構調節(jié)(allostericregulation)一些代謝物可與某些酶分子活性中心以外的部位可逆地結合，使酶構象改變，從而改變酶的催化活性，此種調節(jié)方式稱別構調節(jié)。（一）別構調節(jié)(allostericregulation)別構效應劑(allostericeffector)別構激活劑別構抑制劑（一）別構調節(jié)(allostericregulation)別構效應劑：引起別構效應的物質稱為效應物別構激活劑：凡是和酶分子結合后使酶反應速度加快的別構效應劑就稱為別構激活劑（正效應劑）別構抑制劑：（負效應劑）

別構酶(allostericenzyme)催化亞基調節(jié)亞基別構酶1、別構酶舉例——

大腸桿菌（E、coli）天冬氨酸轉氨甲酰酶（簡稱ATCase）

ATCase有二個底物和CTP、ATP二個別構效應劑——Asp、ATP是別構激活劑，CTP是別構抑制劑同促異促ATP+EC2.1.3.2，嘧啶核苷酸ATCase（天冬氨酸轉氨甲酰酶）ATCase的相對分子質量是310000，由12條多肽鏈組成每個調節(jié)亞基上有兩個別構效應劑（CTP、ATP）的結合部位

完整有活性的酶催化亞基（三聚體）調節(jié)亞基（二聚體）催化亞基2個三聚體調節(jié)亞基3個二聚體平視俯視別構酶的動力學特點同促效應異促效應S形曲線K系統(tǒng)、V系統(tǒng)同促酶的正協(xié)同性和負協(xié)同性Rs=[S]0.9[S]0.1米氏酶正協(xié)同性負協(xié)同性協(xié)同指數(shù)(cooperativityindex,CI)，又稱飽和比值（saturationratio，Rs）

Rs=酶的飽和度為90%時的底物濃度酶的飽和度為10%時的底物濃度Rs=[S]90%Vm

[S]10%Vm

=[S]0.9[S]0.1酶的飽和度：指反應液中酶結合底物的位點數(shù)與底物結合位點總數(shù)的比值=81由米氏方程有所以，符合米氏方程動力學的非別構酶的Rs=81v=Vmax[S]Km+[S]所以有V=0.9Vm=Vm[S]0.9Km+[S]0.9即有[S]0.9=9km同理[S]0.1=19km具有正協(xié)同效應的別構酶Rs小于81，Rs愈小，正協(xié)同效應愈顯著；具有負協(xié)同效應的別構酶Rs大于81，Rs愈大，負協(xié)同效應愈顯著；酶的飽和度為90%時的底物濃度酶的飽和度為10%時的底物濃度=81Rs=異促效應K型效應物和V型效應物凡是改變底物的K0.5而不改變反應Vmax的效應物稱為K型效應物。反之，凡是改變底物的Vmax而不改變反應K0.5的效應物稱為V型效應物別構酶的意義底物、CTP、ATP都是ATCase的別構效應劑，對于ATCase來說，即意味著它們可以通過別構效應影響它的催化能力（活性）

負協(xié)同效應：對于保證體內(nèi)一些重要反應穩(wěn)定地連續(xù)進行很有意義正協(xié)同效應：增強對底物靈敏地調節(jié)酶活性很有意義[Asp]酶的別構效應小結別構效應包括：

1.正協(xié)同效應包括：同促正協(xié)同效應和異促正協(xié)同效應

2.負協(xié)同效應包括：同促負協(xié)同效應和異促負協(xié)同效應說明：別構效應也稱變構效應別構酶也稱變構酶別構酶主要具有以下幾個特點（性質

p418）：（1）一般是寡聚酶（2）具有別構效應——別構酶動力學別構酶的反應初速度（v）對底物（[S]）的作圖曲線不服從Michaelis一Menten關系式，不呈直角雙曲線

（3）別構酶的脫敏作用別構酶經(jīng)加熱或用化學試劑等處理，可引起別構酶解離，失去調節(jié)活性，稱為脫敏作用，脫敏后的酶表現(xiàn)為米氏酶的動力學[Asp]天冬氨酸轉氨甲酰酶用對羥汞苯甲酸處理別構酶的別構作用的學說主要有兩個學說：

協(xié)同模型（齊變模型，MWC）是由J.Monod,J.Wyman和J.P.Chengeux三人提出，所以以三人名字的首字命名

序變模型（循序模型，KNF）由D.Koshland等三人提出，也是以三人首字母命名齊變模型認為別構酶的所有亞基或者全部呈堅固緊密的、不利于結合底物的“T”狀態(tài)；或者全部是松散的、有利于結合底物的“R”狀態(tài)。這兩種狀態(tài)間的轉變對于酶的每個亞基是同時、同步的。TTRR變構激活劑和抑制劑的效應可以通過此模型說明如下：變構激活劑優(yōu)先與R型結合，即變構激活劑使平衡常數(shù)L變?。欢儤嬕种苿﹥?yōu)先與T型結合使L增大。這樣，齊變模型能夠很好地說明同促正協(xié)同效和異促正、負協(xié)同效應不能說明同促負協(xié)同效應TTRR序變模型

1.別構酶的每個亞基具有兩個可及的構象狀態(tài)（R和T）；

2.底物結合可以改變被結合亞基的構象，但是分子中其他亞基構象并不怎么改變；

3.在一個亞基中結合底物所引起的構象改變可以增加或減少同一分子中其他亞基的底物結合親和性ＴＴＳＴＲＲＲＳ序變模型能夠解釋同促正、負協(xié)同效應和異促正、負協(xié)同效應但難于象齊變模型那樣建立數(shù)學模型不論哪一個模型都難解釋所有變別構酶這些模型都顯過于簡單，目前尚缺乏更好的學說。（二）酶原的激活酶原(zymogen)有些酶在細胞內(nèi)合成或初分泌時只是酶的無活性前體，此前體物質稱為酶原。酶原的激活在一定條件下，酶原向有活性酶轉化的過程。酶原激活的機理酶原分子構象發(fā)生改變形成或暴露出酶的活性中心一個或幾個特定的肽鍵斷裂，水解掉一個或幾個短肽在特定條件下不可逆過程酶原的激活p423圖10-65胰蛋白酶原腸肽酶六肽+胰蛋白酶

胰凝乳蛋白酶原胰凝乳蛋白酶羧肽酶原羧肽酶彈性蛋白酶原彈性蛋白酶胰蛋白酶激活示意圖腸激酶酶原激活的生理意義1）避免細胞產(chǎn)生的酶對細胞進行自身消化，并使酶在特定的部位和環(huán)境中發(fā)揮作用，保證體內(nèi)代謝正常進行。2）有的酶原可以視為酶的儲存形式。在需要時，酶原適時地轉變成有活性的酶，發(fā)揮其催化作用。（三）酶的共價修飾調節(jié)共價修飾(covalentmodification)在其他酶的催化下，酶蛋白肽鏈上的一些基團可與某種化學基團發(fā)生可逆的共價結合，從而改變酶的活性，此過程稱為共價修飾。常見類型