酶的作用機制和酶的調節(jié)

酶的作用機制和酶的調節(jié)第一頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期五2一.酶活性部位的特點1.只占酶分子總體積相當小的部分(1%-2%);2.是一個三維實體;3.通過誘導契合的動態(tài)過程形成;4.是位于酶分子表面的一個裂縫內(疏水區(qū)域),底物有效濃度高;5.底物通過次級鍵較弱地力結合到酶上;6.具有柔性或可運動性.第一節(jié)酶作用的機制第二頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期五3二.酶催化反應的獨特性質1.酶反應大部分反應涉及電子和質子或其他基團的轉移(速率108s-1),另有反應僅涉及電子的轉移(速率103s-1);2.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,Asp的側鏈直接參加反應;3.酶催化反應的最適pH范圍通常很狹小;4.與底物相比,酶分子很大;5.生物酶特有的有利條件,使上述反應進行更有利:(1)活性部位存在一個以上的催化基團,可進行協(xié)同催化;(2)存在結合部位,底物分子結合在活性部位附近;(3)存在一個以上的底物分子結合部位,可催化多底物反應;(4)底物與酶結合,使底物分子中的鍵產生張力,有利于過度態(tài)復合物的形成.第三頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期五4三.與酶催化高效率有關的因素(一)底物和酶的臨近效應和定向效應：臨近效應是在酶促反應中，底物分子結合到酶的活性中心，底物在酶活性中心的有效濃度大大增加，有利于提高反應速度；

酶和底物復合物的形成是把分子間的反應變?yōu)榉肿觾鹊姆磻倪^程,底物分子中參與反應的基團相互接近，并被嚴格定向定位。定向效應指反應物的反應基團之間、酶的催化基團與底物反應基團之間的正確取位產生的效應,使酶促反應具有高效率?？茖W家認為,如果臨近效應和定向效應的促進作用分別達到提高反應速率104倍,臨近效應加定向效應共同作用使反應速率升高108倍,這與酶提高催化效率計算數(shù)據(jù)很相近.(二)底物的“形變”和誘導契合：當酶遇到專一性底物時,酶中某些基團或離子使底物分子內敏感鍵中的某些基團的電子云密度增高或降低,產生“張力”,使敏感鍵的一端更加敏感,底物分子發(fā)生“形變”,底物接近過度態(tài),降低了反應活化能,使反應易于發(fā)生.如溶菌酶與底物結合引起D-糖環(huán)構象由椅式變?yōu)榘胍问降壤?均為X射線晶體結構分析證實.第四頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期五5(三)酸堿催化：是通過瞬時的向反應物提供質子或從反應物接受質子以穩(wěn)定過度態(tài),加速反應的機制.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.是指向反應物提供質子,或是從反應物接受質子的作用，達到降低反應活化能。酶活性部位上的某些基團可以作為良好的質子供體或受體對底物進行酸堿催化。在很多酶的活性部位存在酸堿催化功能基,如氨基,羧基,巰基,酚羥基和咪唑基,它們能在近中性pH的范圍,作為催化性的質子供體或受體.這類反應有:羧基的加成反應,酮基和烯醇的互變異構,肽和酯的水解,磷酸和焦磷酸參與的反應.酸堿催化可提高反應速率102-105.His殘基的咪唑基是酶的酸堿催化作用中最活潑的一個催化功能團。

廣義酸基團廣義堿基團（質子供體）（質子受體）第五頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期五6(四)共價催化(親核催化或親電子催化)催化劑通過與底物形成反應活性很高的共價過渡產物，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。在催化時,親核催化劑或親電子催化劑能分別放出電子或吸取電子,作用于底物的缺電中心或負電中心,迅速形成不穩(wěn)定的中間復合物,降低反應活化能,使反應加速.酶中參與共價催化的基團主要包括His的咪唑基，Cys的巰基，Asp的羧基，Ser的羥基等。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。第六頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期五7(五)金屬離子催化(六)多元催化和協(xié)同效應如親核催化和酸堿催化共同作用.(七)活性部位微環(huán)境活性部位位于疏水環(huán)境的裂縫中.由于在非極性環(huán)境中的介電常數(shù)比水的介電常數(shù)低,在非極性環(huán)境中的兩個帶電基團之間的靜電作用比在極性環(huán)境中中顯著提高.疏水的微環(huán)境有利于酶的催化作用.

第七頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期五8

第二節(jié)酶活性的調節(jié)控制和調節(jié)酶(一)別構調控－別構酶調節(jié)特點:（1）別構酶除了有活性中心外，還有別構中心；（2）該酶可在其分子內、不同的空間位置上的特定位點具有傳遞改變構象信息的能力；（3）酶的特殊結構具有在不同外界環(huán)境條件時，作出選擇，以達到對代謝過程的調節(jié)控制。

第八頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期五9別構酶的結構特征：

（1）已知的別構酶幾乎都是寡聚酶，由2個以上的亞基組裝而成，具有四級結構，分子較大，常常表現(xiàn)出單體酶沒有的特殊性質；（2）一般有兩個亞基，催化亞基有活性中心，決定反應的快慢，該酶可在幾秒可使酶活力改變，屬快速調節(jié)，是代謝過程關鍵步驟中發(fā)揮關鍵作用的關鍵酶。（3）別構酶在某些物質（如調節(jié)物）的作用下，構象改變，活力也發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱別構效應。（４）別構酶不遵循米氏方程。第九頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期五10

別構酶的性質

別構酶有和底物結合的活性部位，又有和調節(jié)物或效應物結合的調節(jié)部位．調節(jié)部位與活性部位雖然在空間上是分開的，但可互相影響，通過構相的變化，產生協(xié)同效應．可發(fā)生在底物－底物之間，調節(jié)物－底物之間，調節(jié)物－調節(jié)物之間，可以是正協(xié)同，或負協(xié)同．第十頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期五11

．

別構酶動力學

別構酶動力學曲線:正協(xié)同效應是S形曲線

別構酶與非別構酶動力學曲線的比較第十一頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期五12協(xié)同指數(shù)

(飽和比值saturationratioRs)協(xié)同指數(shù)可以鑒別不同的協(xié)同和協(xié)同程度

位點被90%飽和時的底物濃度

1Rs==81n

位點被10%飽和時的底物濃度

n代表協(xié)同系數(shù)(Hill系數(shù)),常用n判斷酶屬于哪一種類型.典型的米氏酶Rs=81,即符合米氏方程的酶n=1.

具有正協(xié)同效應的酶n>1;具有負協(xié)同效應的酶n<1.第十二頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期五13別構酶舉例：天冬氨酸轉氨甲酰酶，簡稱ATCase第十三頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期五14在E.coli中，ATCase催化嘧啶核苷酸生物合成的第一個關鍵的反應，是由氨甲酰磷酸和天冬氨酸生成氨甲酰天冬氨酸。ATCase的一個最有效的抑制劑是代謝途徑的終產物胞嘧啶三磷酸（CTP）。

ATP是嘌呤核苷酸合成途徑的終產物，是ATCase的激活劑，ATP對ATCase的激活作用可能是增強嘧啶核苷酸的生成以便使核酸合成所需要的兩種類型的核苷酸的供應達到平衡。ATCase催化反應中，速度對天冬氨酸濃度作圖得到的是S型曲線。CTP和ATP都影響底物天冬氨酸的結合。CTP使酶對天冬氨酸的Km值明顯增大，但并沒有改變Vmax，所以CTP是一個競爭性抑制劑，它結合在活性部位以外的部位。ATP的存在使得S型曲線向雙曲線漂移，降低了底物對酶結合的協(xié)同性。第十四頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期五15

(二)酶原激活的調節(jié)酶原：沒有活性的酶的前體。酶原的激活：酶原在一定條件下經(jīng)適當?shù)奈镔|作用可轉變成有活性的酶。酶原轉變成酶的過程稱為酶原的激活。本質：酶原的激活實質上是酶活性部位形成或暴露的過程。第十五頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期五16同功酶同功酶：能催化同一化學反應的一類酶?；钚灾行南嗨苹蛳嗤捍呋换瘜W反應。分子結構不同：理化性質和免疫學性質不同。第十六頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期五17

要點歸納

1.酶是生物催化劑。酶的顯著特點是催化效率高，具有底物和反應的特異性，以及可調節(jié)性。除了某些RNA之外，絕大部分酶是蛋白質，或是帶有輔助因子的蛋白質。酶可以按照它們催化的反應類型分為六大類：脫氫酶、轉移酶、水解酶、裂解酶、異構酶和合成酶。

2.比活是每毫克酶蛋白所具有的酶活力單位數(shù)，比活測定是酶純化的監(jiān)測指標，對同一種酶來說，比活越高，酶的純度越高。

3.酶和其他催化劑一樣，可以通過降低反應的活化能來提高反應速度，使反應快速達到平衡點，但酶不能改變平衡點。第十七頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期五18

4.酶活性部位是一個具有三維結構的疏水裂隙，除了含有疏水性氨基酸殘基，還含有少量的極性氨基酸殘基，極性氨基酸常常參與酶的催化反應。酶活性部位的可離子化和可反應的氨基酸殘基形成酶的催化中心。

5.酶催化的兩個主要模式是酸堿催化和共價催化。在酸堿催化中，活性部位的弱酸給出質子，而堿接收質子，質子轉移可以促進反應進行；在共價催化中，底物或底物中的質子與酶共價結合形成反應的中間產物。

6.酶促反應速度的提高很大程度上依賴于底物與酶的結合。底物靠近和定向于酶的活性部位，使得活性部位的反應物濃度急劇增高，將大大加速酶促反應的速度。底物誘導酶結合，一旦酶結合底物后又使底物變形，當?shù)孜镞_到過渡態(tài)時，酶對底物的親和力最大，使反應活化能降低，容易將底物轉化為產物。

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9.酶促反應速度受抑制劑的影響。酶抑制劑可分為可逆和不可逆抑制劑?？赡嬉种苿┡c酶非共價結合，可逆抑制包括競爭性抑制（Km增加，而Vmax不變）、非競爭性抑制（Vmax減少，Km不變）；不可逆抑制劑與酶活性部位的功能基團共價結合。利用不可逆抑制劑處理酶，有可能獲得活性部位氨基酸殘基的信息和解釋酶催化的機制。

10.酶促反應受pH和溫度的影響，大多數(shù)酶都存在一個最適pH和最適溫度，但最適pH和最適溫度都不是酶的特征常數(shù)。在最適pH和最適溫度下酶促反應具有最大反應速度，大多數(shù)酶的反應速度-pH以及反應速度-溫度曲線是鐘形曲線。第十九頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期五20

11.許多蛋白酶都是以酶原形式合成的，在合適的條件下酶原通過有選擇的蛋白水解被激活，這一過程稱為酶原激活。

12.某些酶是調節(jié)細胞內代謝速度的關鍵酶。在反饋抑制中，途徑的終產物往往抑制該途徑的第一個酶。別構酶的調節(jié)酶的活性受到特殊的調節(jié)劑調節(jié)，調節(jié)劑可逆地結合在別構