酶作用機(jī)制和酶活性調(diào)節(jié)

酶作用機(jī)制和酶活性調(diào)節(jié)第1頁，共45頁，2023年，2月20日，星期二

一、酶的活性部位（activesite）

1、活性部位的概念酶的必需基團(tuán)(essentialgroup):

與酶活性有關(guān)的基團(tuán)酶的活性部位(activecenter):

由必需基團(tuán)構(gòu)成的與酶催化活性有關(guān)的特定區(qū)域。

第2頁，共45頁，2023年，2月20日，星期二酶分子非必需基團(tuán)必需基團(tuán)活性中心必需基團(tuán)活性中心外必需基團(tuán)結(jié)合基團(tuán)催化基團(tuán)非活性中心活性中心第3頁，共45頁，2023年，2月20日，星期二第4頁，共45頁，2023年，2月20日，星期二2、

酶活性中心的特點(diǎn)：

1）活性部位在酶分子的總體中占很小一部分，通常只占整個(gè)酶分子體積的1－2％。2）酶的活性部位是一個(gè)三維實(shí)體。3）酶和底物在結(jié)合過程中構(gòu)象（之一或同時(shí)）發(fā)生變化，促進(jìn)結(jié)合。4）底物通過次級(jí)鍵與酶結(jié)合。5）酶的活性部位位于酶分子的裂縫內(nèi)（疏水區(qū)域）。第5頁，共45頁，2023年，2月20日，星期二二、

酶促反應(yīng)機(jī)制酶的催化作用可能來自7個(gè)方面：第6頁，共45頁，2023年，2月20日，星期二1、

酸堿催化酶分子的一些功能基團(tuán)起瞬時(shí)質(zhì)子供體或質(zhì)子受體的作用。分為狹義的酸堿催化和廣義的酸堿催化。狹義的酸堿催化劑：即是H+與OH-。廣義的酸堿催化劑：是指能供給質(zhì)子（H+）與接受質(zhì)子的物質(zhì)。第7頁，共45頁，2023年，2月20日，星期二酶分子中可作為廣義酸堿的功能基團(tuán)：氨基、羧基、巰基、酚羥基、咪唑基等。見表3－1。第8頁，共45頁，2023年，2月20日，星期二其中，咪唑基是最常見、最有效的催化基團(tuán)：⑴組氨酸的咪唑基的解離常數(shù)為6，在生理pH條件下，既可以作質(zhì)子的供體，又可作質(zhì)子的受體。⑵咪唑基供給或接受質(zhì)子的速度幾乎相等而且最快。第9頁，共45頁，2023年，2月20日，星期二2、

共價(jià)催化酶提供親核基團(tuán)：Ser-OH，Cys-SH，His-N：等。（見圖11－4）。底物提供親電中心：磷?；?P=O），?；?C=O），糖基（Glc-C-）酶的親核基團(tuán)，與底物共價(jià)結(jié)合形成一個(gè)反應(yīng)活性很高的共價(jià)中間物（ES復(fù)合物）。第10頁，共45頁，2023年，2月20日，星期二3、活性中心金屬離子的催化作用大多數(shù)酶含有金屬離子。作為輔助因子的金屬離子有K+、Na+、Mg2+、Ca2+、Zn2+、Fe2+（Fe3+）等。按金屬離子與酶分子結(jié)合緊密強(qiáng)度不同，可將含金屬的酶分為金屬酶和金屬激活酶。金屬酶（metalloenzyme）是指金屬離子與酶結(jié)合緊密，提取過程中不易丟失，如羧基肽酶（Zn2+）、谷胱甘肽過氧化物酶(Se2-)、堿性磷酸酶(Mg2+)等。金屬酶中金屬離子與酶結(jié)合相當(dāng)牢固，而且加入游離金屬離子后其活性不會(huì)增加。有的金屬離子不與酶直接結(jié)合，但為酶活性所必需，這類酶稱為金屬激活酶（metalactivatedenzyme）。如丙酮酸羧化酶可被Mn2+激活，檸檬酸合酶可被K+激活等。

第11頁，共45頁，2023年，2月20日，星期二金屬離子作為輔助因子的作用機(jī)理如下：1、作為酶活性中心的催化基團(tuán)參與催化反應(yīng)、傳遞電子；2、作為連接酶與底物的橋梁，便于酶對(duì)底物起作用；3、穩(wěn)定酶的構(gòu)象所必需；4、中和陰離子，降低反應(yīng)中的靜電斥力。金屬離子在酶催化反應(yīng)中的作用示意圖

第12頁，共45頁，2023年，2月20日，星期二4、底物和酶的鄰近效應(yīng)與定向效應(yīng)鄰近效應(yīng)：酶與底物形成中間復(fù)合物后使底物之間、酶的催化基團(tuán)與底物之間相互靠近，提高了反應(yīng)基團(tuán)的有效濃度，從而增加反應(yīng)速率的一種效應(yīng)。定向效應(yīng)：由于酶的構(gòu)象作用，底物的反應(yīng)基團(tuán)之間、酶與底物的反應(yīng)基團(tuán)之間正確取向的效應(yīng)。酶把底物分子從溶液中富集出來，使它們固定在活性中心附近，反應(yīng)基團(tuán)相互鄰近，同時(shí)使反應(yīng)基團(tuán)的分子軌道以正確方位相互交疊，反應(yīng)易于發(fā)生，大大提高了酶的催化效率。

第13頁，共45頁，2023年，2月20日，星期二5、誘導(dǎo)契合和底物形變的催化效應(yīng)酶中某些基團(tuán)可使底物分子的敏感鍵中某些基團(tuán)的電子云密度變化，產(chǎn)生電子張力，底物分子發(fā)生形變。①酶從低活性形式轉(zhuǎn)變?yōu)楦呋钚孕问?，利于催化。②底物形變，利于形成ES復(fù)合物。③底物構(gòu)象變化，過渡態(tài)結(jié)構(gòu)，大大降低活化能。第14頁，共45頁，2023年，2月20日，星期二7、

活性部位疏水的微環(huán)境的影響疏水環(huán)境介電常數(shù)低，加強(qiáng)了極性基團(tuán)間的作用。6、多元協(xié)同催化第15頁，共45頁，2023年，2月20日，星期二三、

酶活性的別構(gòu)調(diào)節(jié)別構(gòu)酶：一般都是寡聚酶，通過次級(jí)鍵由多亞基構(gòu)成，這種酶除了有活性中心外，還有一個(gè)別構(gòu)中心，當(dāng)調(diào)節(jié)物結(jié)合到別構(gòu)中心上時(shí)，會(huì)引起酶分子構(gòu)象發(fā)生變化而導(dǎo)致酶活性的變化。別構(gòu)調(diào)節(jié)：調(diào)節(jié)物（效應(yīng)物）與別構(gòu)酶分子中的別構(gòu)中心（調(diào)節(jié)中心）非共價(jià)結(jié)合后，酶分子構(gòu)象發(fā)生改變，從而調(diào)節(jié)酶的活性，即別構(gòu)調(diào)節(jié)。第16頁，共45頁，2023年，2月20日，星期二別構(gòu)調(diào)節(jié)舉例：1.天冬氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶（ATCase）。它催化下列反應(yīng)：

此酶是合成CTP的多酶體系反應(yīng)序列中的第一個(gè)酶，系列反應(yīng)的終產(chǎn)物CTP是該酶的別構(gòu)抑制劑，而ATP則是它的別構(gòu)激活劑。

第17頁，共45頁，2023年，2月20日，星期二

ATCase由12條多肽鏈組成，其中6條形成2個(gè)三聚體稱催化亞基（每個(gè)三聚體有3個(gè)結(jié)合天冬氨酸的底物結(jié)合部位），6條形成3個(gè)二聚體稱調(diào)節(jié)亞基（每個(gè)二聚體有2個(gè)別構(gòu)效應(yīng)劑CTP或ATP的結(jié)合部位）。見下圖解：第18頁，共45頁，2023年，2月20日，星期二底物結(jié)合位點(diǎn)別構(gòu)劑結(jié)合位點(diǎn)第19頁，共45頁，2023年，2月20日，星期二

底物、CTP和ATP都可使ATCase產(chǎn)生別構(gòu)效應(yīng)。同促效應(yīng)：底物氨甲酰磷酸和天冬氨酸對(duì)ATCase呈S形正協(xié)同速率曲線，這種底物分子本身對(duì)別構(gòu)酶的調(diào)節(jié)作用稱為同促效應(yīng)；異促效應(yīng)：非底物分子作為調(diào)節(jié)物對(duì)別構(gòu)酶的調(diào)節(jié)作用稱為異促效應(yīng)

CTP終產(chǎn)物反饋抑制：通過降低酶與底物的親和力來抑制ATCase

。

ATP激活：增加酶與底物的親和力，是ATCase的激活劑。CTP和ATP對(duì)ATCase調(diào)節(jié)的生物學(xué)意義p188：第20頁，共45頁，2023年，2月20日，星期二多數(shù)別構(gòu)酶兼有同促效應(yīng)和異促效應(yīng)，它們既受底物分子的調(diào)節(jié)，又受底物以外的其它代謝物分子的調(diào)節(jié)。第21頁，共45頁，2023年，2月20日，星期二2、3-磷酸甘油醛脫氫酶—負(fù)協(xié)同效應(yīng)的別構(gòu)酶反應(yīng)式

4個(gè)亞基，理論上可以結(jié)合4個(gè)NAD+，但從第三個(gè)亞基開始，解離常數(shù)迅速增大，因此，酶再要結(jié)合第三、第四個(gè)難度就加大，每個(gè)酶只能結(jié)合2分子的NAD+，即此酶結(jié)合NAD+的位點(diǎn)，只有一半能與NAD+起反應(yīng)——叫半部位反應(yīng)性—極端的負(fù)協(xié)同效應(yīng)意義：第22頁，共45頁，2023年，2月20日，星期二別構(gòu)效應(yīng)有下面幾種類型：

1.同促效應(yīng)：調(diào)節(jié)物就是底物，所有的別構(gòu)酶都有此效應(yīng)。①正協(xié)同效應(yīng)：提高了酶的催化活性。

②負(fù)協(xié)同效應(yīng)：降低了酶的催化活性。（此種酶極少。）

2.異促效應(yīng)：調(diào)節(jié)物是其它物質(zhì)。

第23頁，共45頁，2023年，2月20日，星期二3、

別構(gòu)酶的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性質(zhì)

（1）

已知的別構(gòu)酶都是寡聚酶，通過次級(jí)鍵結(jié)合；（2）具有活性中心和別構(gòu)中心（調(diào)節(jié)中心），活性中心和別構(gòu)中心處在不同的亞基上或同一亞基的不同部位上。（3）多數(shù)別構(gòu)酶不止一個(gè)活性中心，活性中心間有同位效應(yīng)，底物就是調(diào)節(jié)物：有的別構(gòu)酶不止一個(gè)別構(gòu)中心，可以接受不同的代謝物的調(diào)節(jié)。（4）不遵循米氏方程，動(dòng)力學(xué)曲線是S型（正協(xié)同效應(yīng)）或表觀雙曲線（負(fù)協(xié)同效應(yīng)）。第24頁，共45頁，2023年，2月20日，星期二4、別構(gòu)酶的動(dòng)力學(xué)曲線①大多數(shù)別構(gòu)酶具有正協(xié)同效應(yīng)（酶分子結(jié)合一分子底物或效應(yīng)物后，酶的構(gòu)象發(fā)生變化，這種新的構(gòu)象有利于后續(xù)分子與酶的結(jié)合，大大促進(jìn)后續(xù)分子與酶的親合性），正協(xié)同效應(yīng)的別構(gòu)酶是S型曲線：當(dāng)?shù)孜餄舛劝l(fā)生較小變化時(shí)，別構(gòu)酶可以極大程度地控制反應(yīng)速度。②負(fù)協(xié)同效應(yīng)的別構(gòu)酶是表觀雙曲線：在底物濃度較低的范圍內(nèi)酶活力上升快，但再繼續(xù)下去，底物濃度雖有較大的提高，但反應(yīng)速度的升高卻較小。使得酶反應(yīng)速度對(duì)底物濃度的變化不敏感1.非別構(gòu)酶2.正協(xié)同性3.負(fù)協(xié)同性第25頁，共45頁，2023年，2月20日，星期二5、別構(gòu)酶的鑒定

雙倒數(shù)作圖不是直線

第26頁，共45頁，2023年，2月20日，星期二（一）

酶的可逆共價(jià)修飾酶的共價(jià)修飾（covalentmodification）：指在專一性酶的催化下，某些小分子基團(tuán)共價(jià)地結(jié)合到被修飾的酶分子上，使被修飾酶的活性發(fā)生改變，從而調(diào)節(jié)酶活性。2.共價(jià)修飾的類型：

磷酸化/去磷酸化（主要存在于高等動(dòng)、植物細(xì)胞中）腺苷?；?去腺苷酰化；（主要存在細(xì)菌中）乙酰化/去乙?；?；甲基化/去甲基化；四、酶活性的共價(jià)調(diào)節(jié)第27頁，共45頁，2023年，2月20日，星期二3.蛋白質(zhì)的磷酸化與去磷酸化修飾分別由蛋白激酶和蛋白磷酸酶催化。

激酶：將ATP上的Pi轉(zhuǎn)移到底物上的轉(zhuǎn)移酶類（蛋白激酶、己糖激酶、丙酮酸激酶等）。

第28頁，共45頁，2023年，2月20日，星期二

例如：

糖原磷酸化酶b

(無活性)糖原磷酸化酶a（有活性）ATPADPPiH2O糖原的分解磷酸化酶激酶磷酸化酶磷酸酶第29頁，共45頁，2023年，2月20日，星期二

4.級(jí)聯(lián)系統(tǒng)（cascadesystem）：

在連鎖代謝反應(yīng)中一個(gè)酶被激活后，連續(xù)地發(fā)生其它酶被激活，導(dǎo)致原始調(diào)節(jié)信號(hào)的逐級(jí)放大。這樣的連鎖代謝反應(yīng)系統(tǒng)稱為級(jí)聯(lián)系統(tǒng)。

第30頁，共45頁，2023年，2月20日，星期二（二）酶原的激活---不可逆共價(jià)調(diào)節(jié)某些酶先以無活性的酶原形式合成和分泌，然后在到達(dá)作用部位時(shí)由另外的物質(zhì)作用，使其失去部分肽段從而暴露活性中心形成有活性的酶分子的過程。其實(shí)質(zhì)是酶原被修飾時(shí)形成了正確的分子構(gòu)象和活性中心。酶分子的特定結(jié)構(gòu)和酶的活性中心的形成是酶分子具有催化活性的基本保證。1.消化系統(tǒng)中的酶原激活如胃蛋白酶原是無活性的，它在胃液中經(jīng)胃酸（PH<5）的作用或有活性的胃蛋白酶的作用時(shí)，酶原會(huì)被激活，失去44個(gè)氨基酸殘基后轉(zhuǎn)變?yōu)橛谢钚缘奈傅鞍酌浮?/p>

第31頁，共45頁，2023年，2月20日，星期二

血液凝固的機(jī)理凝血因子（12種，凝血酶原致活因子）

凝血酶原凝血酶

血纖蛋白原血纖蛋白

交聯(lián)，形成血纖蛋白凝塊2.凝血系統(tǒng)中的酶原的激活第32頁，共45頁，2023年，2月20日，星期二（1）凝血酶原在血凝中的作用在凝血酶原致活因子催化下，凝血酶原分子中的兩個(gè)肽鍵Arg274—Thr275、Arg323—Ile324斷裂，釋放出N端的274個(gè)a.a后，由肽A和肽B組裝成有活性的凝血酶形式。凝血酶：兩條多肽鏈（A、B）二硫鍵相聯(lián)，A鏈含49個(gè)a.a；B鏈含259個(gè)a.a。其作用位點(diǎn)只斷裂Arg－Gly鍵。

第33頁，共45頁，2023年，2月20日，星期二（2）血纖蛋白原在血凝中的作用

從血纖蛋白原的二條α鏈和二條β鏈的N端各斷裂一個(gè)特定的肽鍵Arg—Gly，釋放出二個(gè)血纖肽A（19個(gè)氨基酸）和二個(gè)血纖肽B（21個(gè)氨基酸）后，形成有活性的血纖蛋白。第34頁，共45頁，2023年，2月20日，星期二在凝血因子XIIIa（纖維蛋白穩(wěn)定因子）作用下，血纖蛋白單體間形成共價(jià)?。℅ln-Lys結(jié)合），生成交聯(lián)的血纖蛋白凝塊。第35頁，共45頁，2023年，2月20日，星期二五、同工酶

同工酶：能催化相同的化學(xué)反應(yīng)，但其酶蛋白本身的分子結(jié)構(gòu)理化性質(zhì)和免疫性能等方面存在明顯差異的一組酶。存在于生物的同一種屬或同一個(gè)體的不同組織中，甚至同一組織、同一細(xì)胞中。研究意義：作為遺傳的標(biāo)志；作為臨床診斷指標(biāo)；研究某些代謝調(diào)節(jié)機(jī)制。第36頁，共45頁，2023年，2月20日，星期二乳酸脫氫酶同工酶形成示意圖

多肽亞基mRNA四聚體結(jié)構(gòu)基因ab實(shí)例：乳酸脫氫酶第37頁，共45頁，2023年，2月20日，星期二哺乳動(dòng)物乳酸脫氫酶有5種

CH3CHOH-COO-+NAD+LDHCH3COCOO-+NADH+H+MMMM（M4）

HMMM（HM3）

HHMM（H2M2）

HHHM（H3M）

HHHH（H4）第38頁，共45頁，2023年，2月20日，星期二乳酸脫氫酶同工酶電泳圖譜+–H4MH3M2H2M3HM4點(diǎn)樣線第39頁，共45頁，2023年，2月20日，星期二不同組織中LDH同工酶的電泳圖譜LDH1(H4)LDH2(H3M)LDH3(H2M2)LDH4(HM3)LDH5(M4)心肌腎肝骨骼肌血清-+原點(diǎn)第40頁，共45頁，2023年，2月20日，星期