new第10章酶的作用機(jī)制和酶的調(diào)節(jié)

第10章酶的作用機(jī)制和酶的調(diào)節(jié)0（一）酶的活性中心（二）酶活性中心的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（三）影響酶催化效率的有關(guān)因素（四）酶活性的調(diào)節(jié)控制基本概念：酶的活性中心是指結(jié)合底物和將底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的區(qū)域，通常是相隔很遠(yuǎn)的氨基酸殘基形成的三維實(shí)體。酶的活性中心包括兩個(gè)功能部位：結(jié)合部位和催化部位。1．結(jié)合部位（Bindingsite）酶分子中與底物結(jié)合的部位或區(qū)域一般稱為結(jié)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(xué)變化的部位稱為催化部位。此部位決定酶所催化反應(yīng)的性質(zhì)。對于結(jié)合酶而言，還包括輔酶和輔基上的一些結(jié)構(gòu)基團(tuán)。（一）酶的活性中心必需基團(tuán):酶分子中有些基團(tuán)若經(jīng)化學(xué)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(tuán)稱為必需基團(tuán)。非必需基團(tuán)：有的酶溫和水解掉幾個(gè)AA殘基，仍能表現(xiàn)活性，這些基團(tuán)即非必需基團(tuán)?；钚灾行膬?nèi)的必需基團(tuán)結(jié)合基團(tuán)(bindinggroup)與底物相結(jié)合催化基團(tuán)(catalyticgroup)催化底物轉(zhuǎn)變成產(chǎn)物維持酶活性中心應(yīng)有的空間構(gòu)象所必需?；钚灾行耐獾谋匦杌鶊F(tuán)底物活性中心以外的必需基團(tuán)結(jié)合基團(tuán)催化基團(tuán)活性中心主要包括：親核性基團(tuán)：絲氨酸的羥基，半胱氨酸的巰基和組氨酸的咪唑基。構(gòu)成酶活性中心的常見基團(tuán)：

（二）酶活性中心的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(gè)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(gè)三維實(shí)體，具有三維空間結(jié)構(gòu)?；钚灾行牡目臻g構(gòu)象不是剛性的，在與底物接觸時(shí)表現(xiàn)出一定的柔性和運(yùn)動(dòng)性。3.酶的活性部位并不是和底物的形狀正好互補(bǔ)的，而是在酶和底物的結(jié)合過程中，底物分子或酶分子、有時(shí)是兩者的構(gòu)象同時(shí)發(fā)生了一定的變化后才互補(bǔ)的，此時(shí)催化基團(tuán)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(dāng)位置，這個(gè)動(dòng)態(tài)辨認(rèn)過程稱為誘導(dǎo)契合（induced-fit）.（二）酶活性中心的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)4.酶的活性部位位于酶分子表面的一個(gè)裂隙（crevice）內(nèi).裂隙內(nèi)是一個(gè)相當(dāng)疏水的環(huán)境，從而有利于同底物的結(jié)合。5.底物靠許多弱的鍵力與酶結(jié)合。氧離子洞

酶催化反應(yīng)的獨(dú)特性質(zhì)

（1）酶的催化作用是由氨基酸側(cè)鏈上的功能基團(tuán)和輔酶為媒介的。主要的是His，Ser，Cys，Lys，Glu和Asp的側(cè)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(cè)鏈來說，為催化過程提供了更多種類的功能基團(tuán)。（2）酶催化反應(yīng)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?yàn)樵诖蠖鄶?shù)情況下，只有活性部位圍著底物。此外，一個(gè)巨大的酶結(jié)構(gòu)對穩(wěn)定活性部位的構(gòu)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(yīng)2、張力和形變3、酸堿催化4、共價(jià)催化5、金屬離子催化6、多元化催化和協(xié)同效應(yīng)7、活性部位微環(huán)境的影響（三）影響酶催化效率的有關(guān)因素多元催化（一）鄰近定向效應(yīng)在酶促反應(yīng)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(jié)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(yīng)叫做鄰近效應(yīng)。有利于提高反應(yīng)速度；定向效應(yīng)：由于活性中心的立體結(jié)構(gòu)和相關(guān)基團(tuán)的誘導(dǎo)和定向作用，使底物分子中參與反應(yīng)的基團(tuán)相互接近，并被嚴(yán)格定向定位，使酶促反應(yīng)具有高效率和專一性特點(diǎn)。（二）“張力”與“形變”實(shí)際上是酶與底物誘導(dǎo)契合的動(dòng)態(tài)過程。酶-底復(fù)合物形成時(shí)，酶分子構(gòu)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(yīng)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(yīng)（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(tuán)的極性而引起電子沿著原子鏈向某一方向移動(dòng)的效應(yīng)，稱為誘導(dǎo)效應(yīng)。親電反應(yīng)：由親電試劑進(jìn)攻而發(fā)生的反應(yīng)為親電反應(yīng)。親核反應(yīng)：由親核試劑進(jìn)攻而發(fā)生的反應(yīng)為親核反應(yīng)。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(yīng)一般都是廣義的酸－堿催化方式。廣義酸－堿催化是指通過質(zhì)子酸提供部分質(zhì)子,或是通過質(zhì)子堿接受部分質(zhì)子的作用，達(dá)到降低反應(yīng)活化能的過程。（三）酸－堿催化(acidbasecatalysis)廣義酸基團(tuán)廣義堿基團(tuán)（質(zhì)子受體）（質(zhì)子供體）酶分子中可以作為廣義酸、堿的基團(tuán)His是酶的酸堿催化作用中最活潑的一個(gè)催化功能團(tuán)。(pK=6)（四）共價(jià)催化（covalentcatalysis）催化劑通過與底物形成反應(yīng)活性很高的共價(jià)過渡產(chǎn)物，使反應(yīng)活化能降低，從而提高反應(yīng)速度的過程，稱為共價(jià)催化。酶中參與共價(jià)催化的基團(tuán)主要包括以下親核基團(tuán)：His的咪唑基，Cys的硫基，Asp的羧基，Ser的羥基等；親電子基團(tuán)：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(jià)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(jié)合的金屬離子。如Fe2+、Fe3+、Cu2+、Zn2+、Mn2+（2）金屬-激活酶（metal-activatedenzyme）:含松散結(jié)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(fù)合物。（六）多元催化和協(xié)同效應(yīng)酶的活性中心部位，一般都含有多個(gè)起催化作用的基團(tuán)，這些基團(tuán)在空間有特殊的排列和取向，可以對底物價(jià)鍵的形變和極化及調(diào)整底物基團(tuán)的位置等起到協(xié)同作用，從而使底物達(dá)到最佳反應(yīng)狀態(tài)。酶活性中心處于一個(gè)非極性環(huán)境中，從而有利于同底物的結(jié)合。（水的極性和形成氫鍵的能力都較強(qiáng)，能夠減弱極性基團(tuán)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(guān)的7個(gè)因素應(yīng)該注意：不是同時(shí)在一個(gè)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(diǎn)，可能分別受一種或幾種因素的影響。小結(jié)

酶的作用機(jī)制——要回答這一問題，要從以下幾個(gè)方面酶的催化作用——過渡態(tài)，分子活化能，酶與反應(yīng)的過渡態(tài)互補(bǔ)，抗體酶中間產(chǎn)物學(xué)說誘導(dǎo)契合學(xué)說使酶具有高催化效率的7因素四、酶活性的調(diào)節(jié)控制（一）別構(gòu)調(diào)節(jié)(allostericregulation)（二）酶原的激活（三）可逆的共價(jià)修飾非共價(jià)結(jié)合共價(jià)結(jié)合別構(gòu)調(diào)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(jié)合，使酶構(gòu)象改變，從而改變酶的催化活性，此種調(diào)節(jié)方式稱別構(gòu)調(diào)節(jié)。（一）別構(gòu)調(diào)節(jié)(allostericregulation)別構(gòu)效應(yīng)劑(allostericeffector)別構(gòu)激活劑別構(gòu)抑制劑（一）別構(gòu)調(diào)節(jié)(allostericregulation)別構(gòu)效應(yīng)劑：引起別構(gòu)效應(yīng)的物質(zhì)稱為效應(yīng)物別構(gòu)激活劑：凡是和酶分子結(jié)合后使酶反應(yīng)速度加快的別構(gòu)效應(yīng)劑就稱為別構(gòu)激活劑（正效應(yīng)劑）別構(gòu)抑制劑：（負(fù)效應(yīng)劑）

別構(gòu)酶(allostericenzyme)催化亞基調(diào)節(jié)亞基別構(gòu)酶1、別構(gòu)酶舉例——

大腸桿菌（E、coli）天冬氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶（簡稱ATCase）

ATCase有二個(gè)底物和CTP、ATP二個(gè)別構(gòu)效應(yīng)劑——Asp、ATP是別構(gòu)激活劑，CTP是別構(gòu)抑制劑同促異促ATP+EC2.1.3.2，嘧啶核苷酸ATCase（天冬氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶）ATCase的相對分子質(zhì)量是310000，由12條多肽鏈組成每個(gè)調(diào)節(jié)亞基上有兩個(gè)別構(gòu)效應(yīng)劑（CTP、ATP）的結(jié)合部位

完整有活性的酶催化亞基（三聚體）調(diào)節(jié)亞基（二聚體）催化亞基2個(gè)三聚體調(diào)節(jié)亞基3個(gè)二聚體平視俯視別構(gòu)酶的動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)同促效應(yīng)異促效應(yīng)S形曲線K系統(tǒng)、V系統(tǒng)同促酶的正協(xié)同性和負(fù)協(xié)同性Rs=[S]0.9[S]0.1米氏酶正協(xié)同性負(fù)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(shí)的底物濃度酶的飽和度為10%時(shí)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(yīng)液中酶結(jié)合底物的位點(diǎn)數(shù)與底物結(jié)合位點(diǎn)總數(shù)的比值=81由米氏方程有所以，符合米氏方程動(dòng)力學(xué)的非別構(gòu)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(yīng)的別構(gòu)酶Rs小于81，Rs愈小，正協(xié)同效應(yīng)愈顯著；具有負(fù)協(xié)同效應(yīng)的別構(gòu)酶Rs大于81，Rs愈大，負(fù)協(xié)同效應(yīng)愈顯著；酶的飽和度為90%時(shí)的底物濃度酶的飽和度為10%時(shí)的底物濃度=81Rs=異促效應(yīng)K型效應(yīng)物和V型效應(yīng)物凡是改變底物的K0.5而不改變反應(yīng)Vmax的效應(yīng)物稱為K型效應(yīng)物。反之，凡是改變底物的Vmax而不改變反應(yīng)K0.5的效應(yīng)物稱為V型效應(yīng)物別構(gòu)酶的意義底物、CTP、ATP都是ATCase的別構(gòu)效應(yīng)劑，對于ATCase來說，即意味著它們可以通過別構(gòu)效應(yīng)影響它的催化能力（活性）

負(fù)協(xié)同效應(yīng)：對于保證體內(nèi)一些重要反應(yīng)穩(wěn)定地連續(xù)進(jìn)行很有意義正協(xié)同效應(yīng)：增強(qiáng)對底物靈敏地調(diào)節(jié)酶活性很有意義[Asp]酶的別構(gòu)效應(yīng)小結(jié)別構(gòu)效應(yīng)包括：

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

2.負(fù)協(xié)同效應(yīng)包括：同促負(fù)協(xié)同效應(yīng)和異促負(fù)協(xié)同效應(yīng)說明：別構(gòu)效應(yīng)也稱變構(gòu)效應(yīng)別構(gòu)酶也稱變構(gòu)酶別構(gòu)酶主要具有以下幾個(gè)特點(diǎn)（性質(zhì)

p418）：（1）一般是寡聚酶（2）具有別構(gòu)效應(yīng)——?jiǎng)e構(gòu)酶動(dòng)力學(xué)別構(gòu)酶的反應(yīng)初速度（v）對底物（[S]）的作圖曲線不服從Michaelis一Menten關(guān)系式，不呈直角雙曲線

（3）別構(gòu)酶的脫敏作用別構(gòu)酶經(jīng)加熱或用化學(xué)試劑等處理，可引起別構(gòu)酶解離，失去調(diào)節(jié)活性，稱為脫敏作用，脫敏后的酶表現(xiàn)為米氏酶的動(dòng)力學(xué)[Asp]天冬氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶用對羥汞苯甲酸處理別構(gòu)酶的別構(gòu)作用的學(xué)說主要有兩個(gè)學(xué)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(rèn)為別構(gòu)酶的所有亞基或者全部呈堅(jiān)固緊密的、不利于結(jié)合底物的“T”狀態(tài)；或者全部是松散的、有利于結(jié)合底物的“R”狀態(tài)。這兩種狀態(tài)間的轉(zhuǎn)變對于酶的每個(gè)亞基是同時(shí)、同步的。TTRR變構(gòu)激活劑和抑制劑的效應(yīng)可以通過此模型說明如下：變構(gòu)激活劑優(yōu)先與R型結(jié)合，即變構(gòu)激活劑使平衡常數(shù)L變小；而變構(gòu)抑制劑優(yōu)先與T型結(jié)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(fù)協(xié)同效應(yīng)不能說明同促負(fù)協(xié)同效應(yīng)TTRR序變模型

1.別構(gòu)酶的每個(gè)亞基具有兩個(gè)可及的構(gòu)象狀態(tài)（R和T）；

2.底物結(jié)合可以改變被結(jié)合亞基的構(gòu)象，但是分子中其他亞基構(gòu)象并不怎么改變；

3.在一個(gè)亞基中結(jié)合底物所引起的構(gòu)象改變可以增加或減少同一分子中其他亞基的底物結(jié)合親和性ＴＴＳＴＲＲＲＳ序變模型能夠解釋同促正、負(fù)協(xié)同效應(yīng)和異促正、負(fù)協(xié)同效應(yīng)但難于象齊變模型那樣建立數(shù)學(xué)模型不論哪一個(gè)模型都難解釋所有變別構(gòu)酶這些模型都顯過于簡單，目前尚缺乏更好的學(xué)說。（二）酶原的激活酶原(zymogen)有些酶在細(xì)胞內(nèi)合成或初分泌時(shí)只是酶的無活性前體，此前體物質(zhì)稱為酶原。酶原的激活在一定條件下，酶原向有活性酶轉(zhuǎn)化的過程。酶原激活的機(jī)理酶原分子構(gòu)象發(fā)生改變形成或暴露出酶的活性中心一個(gè)或幾個(gè)特定的肽鍵斷裂，水解掉一個(gè)或幾個(gè)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(xì)胞產(chǎn)生的酶對細(xì)胞進(jìn)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(jìn)行。2）有的酶原可以視為酶的儲(chǔ)存形式。在需要時(shí)，酶原適時(shí)地轉(zhuǎn)變成有活性的酶，發(fā)揮其催化作用。（三）酶的共價(jià)修飾調(diào)節(jié)共價(jià)修飾(covalentmodification)在其他酶的催化下，酶蛋白肽鏈上的一些基團(tuán)可與某種化學(xué)基團(tuán)發(fā)生可逆的共價(jià)結(jié)合，從而改變酶的活性，此過程稱為共價(jià)修飾。常見類型