第十章 酶的作用機(jī)制和酶的調(diào)節(jié)

第十章酶的作用機(jī)制和酶的調(diào)節(jié)

第一節(jié)酶的活性部位及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

第二節(jié)酶催化反應(yīng)的特性

第三節(jié)影響酶催化效率的因素

第四節(jié)酶活性的調(diào)節(jié)控制

第五節(jié)同工酶

活性部位（活性中心）：指酶分子中直接與底物結(jié)合，并與酶催化作用直接有關(guān)的部位。第一節(jié)酶的活性部位及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)活性部位結(jié)合部位：負(fù)責(zé)與底物的結(jié)合，決定酶的專(zhuān)一性。催化部位：負(fù)責(zé)催化底物鍵的斷裂，形成新鍵，決定酶的催化能力。（1）酶活性中心的組成：由一些氨基酸殘基的側(cè)鏈基團(tuán)組成。對(duì)于結(jié)合酶，輔因子常常是活性中心的組成部分。這些基團(tuán)在一級(jí)結(jié)構(gòu)上可能相距很遠(yuǎn)，甚至可能不在一條肽鏈上，但在蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)上彼此靠近，形成具有一定空間結(jié)構(gòu)的區(qū)域。（2）酶活性中心的特點(diǎn)2.酶的活性部位是一個(gè)三維實(shí)體?；钚圆课坏腁A在一級(jí)結(jié)構(gòu)上可能相距甚遠(yuǎn)，甚至位于不同的肽鏈上。3.酶的活性部位并不是與底物的形狀正好互補(bǔ)，而是在酶與底物結(jié)合的過(guò)程中，底物分子或酶分子（或同時(shí)）的構(gòu)象發(fā)生變化才互補(bǔ)的，這個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程稱為誘導(dǎo)契合。

1.活性中心在酶分子總體積中只占相當(dāng)小的部分（約1%

2%），相當(dāng)于2

3個(gè)氨基酸殘基。5.底物與酶通過(guò)形成較弱鍵力的次級(jí)鍵相互作用并結(jié)合到酶的活性中心。6.酶活性部位具有柔性（或運(yùn)動(dòng)性）。

4.酶的活性是位于酶分子表面的一個(gè)裂縫內(nèi)，底物分子（或一部分）結(jié)合到裂縫內(nèi)并發(fā)生催化作用。裂縫內(nèi)是相當(dāng)疏水的區(qū)域。一．酶反應(yīng)可分成兩類(lèi)：反應(yīng)僅僅涉及到電子的轉(zhuǎn)移反應(yīng)涉及到電子和質(zhì)子兩者或其它基團(tuán)的轉(zhuǎn)移（大部分反應(yīng)屬于該類(lèi)型）二．酶的催化作用是由AA側(cè)鏈上的功能基團(tuán)和輔酶為媒介的。主要有：His、Ser、Cys、Lys、Glu、Asp。輔酶或金屬離子與酶協(xié)同在一起發(fā)揮作用，提供更多種類(lèi)的功能基團(tuán)。三．酶催化反應(yīng)的最適pH范圍通常是狹小的。第二節(jié)酶催化反應(yīng)的特性四．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。

五.酶除了具有進(jìn)行催化反應(yīng)所必需的活性基團(tuán)外，還有別的特性：1．在活性部位存在1個(gè)以上的催化基團(tuán)，能進(jìn)行協(xié)同催化；2．存在結(jié)合部位，因此底物分子可以以反應(yīng)中固有的方位結(jié)合在活性部位附近；3.在2個(gè)或2個(gè)以上底物分子參加的反應(yīng)中，存在1個(gè)以上的底物結(jié)合部位；4.有時(shí)，底物以某種方式結(jié)合到酶分子上，使底物分子中的鍵產(chǎn)生張力，從而有利于過(guò)渡態(tài)復(fù)合物的形成。

當(dāng)?shù)孜锱c酶相遇時(shí)，可誘導(dǎo)酶活性中心的構(gòu)象發(fā)生相應(yīng)的變化，其上有關(guān)的各個(gè)基團(tuán)達(dá)到正確的排列和定向，因而使底物和酶能完全契合。當(dāng)反應(yīng)結(jié)束，產(chǎn)物從酶分子上脫落下來(lái)后，酶的活性中心又恢復(fù)成原來(lái)的構(gòu)象。第三節(jié)影響酶催化效率的因素酶促反應(yīng)使分子間反應(yīng)變?yōu)榉肿觾?nèi)反應(yīng)，使反應(yīng)速率大大提高。這一過(guò)程包括兩種效應(yīng)：鄰近效應(yīng)和定向效應(yīng)。

(1)鄰近效應(yīng)和定向效應(yīng)鄰近效應(yīng)：酶與底物結(jié)合形成ES后，使底物之間由于酶的催化基團(tuán)與底物結(jié)合于同一分子上而使有效濃度極大地提高，從而使反應(yīng)速率大大增加的一種效應(yīng)。定向效應(yīng)：反應(yīng)物的反應(yīng)基團(tuán)之間和酶的催化基團(tuán)與底物的反應(yīng)基團(tuán)之間的正確取位產(chǎn)生的效應(yīng)。這種正確定向取位在游離反應(yīng)中幾率很低，但在變成分子內(nèi)的反應(yīng)后則高得多。在雙分子反應(yīng)中，這兩種效應(yīng)的促進(jìn)作用分別可達(dá)104倍，共同的促進(jìn)作用可達(dá)108倍。

(2)底物的形變和誘導(dǎo)契合：

底物與酶結(jié)合酶分子構(gòu)象變化底物分子的敏感鍵

產(chǎn)生“張力”和“形變”敏感鍵斷裂誘導(dǎo)有利于

(3)酸堿催化酶活性部位上的某些基團(tuán)可以作為質(zhì)子供體(或質(zhì)子受體)對(duì)底物進(jìn)行酸或堿催化——酸堿催化在酶的活性中心上，有些基團(tuán)是質(zhì)子供體（酸催化基團(tuán)），可以向底物分子提供質(zhì)子，稱為（酸催化）有些催化基團(tuán)是質(zhì)子受體（堿催化基團(tuán)），可以從底物分子上接受質(zhì)子，稱為（堿催化）有時(shí)，酶活性部位上有幾個(gè)基團(tuán)分別作為質(zhì)子的供體和受體，同時(shí)進(jìn)行酸堿催化——酸堿共同催化如：His的咪唑基在中性條件下，有一半是酸形式、一半是堿形式。因此既可進(jìn)行酸催化，又可進(jìn)行堿催化。所以咪唑基是酶分子最有效、最活潑的一個(gè)功能基團(tuán)。在體內(nèi)的酶反應(yīng)以總酸堿催化為主（因生理?xiàng)l件的H+和OH-濃度很低）。在很多酶的活性部位存在幾種參與總酸堿催化作用的功能基，如：-NH3、-COOH、-SH、酚羥基及咪唑基，它們?cè)诮行缘膒H范圍內(nèi)作為質(zhì)子的供體或受體?？偹峄蚩倝A的催化可提高反應(yīng)速率102—105倍。酸堿催化專(zhuān)一的酸堿催化（狹義的酸堿催化）：在水溶液中通過(guò)高反應(yīng)性的H+和OH—進(jìn)行的催化?？偹釅A催化（廣義的酸堿催化）：通過(guò)H+和OH-

以及能提供H+和OH-

的供體進(jìn)行的催化。影響酸堿催化速率的因素有兩個(gè)：（1）酸或堿的強(qiáng)度（pK值）；（2）質(zhì)子傳遞的速率；如：咪唑基接受和供出質(zhì)子的速率十分迅速，其半衰期<10-10s。所以，在很多蛋白質(zhì)中的His含量雖少，卻很重要。它在進(jìn)行過(guò)程中，可能不是作為一般的結(jié)構(gòu)蛋白成分，而是被選擇作為酶分子中的催化結(jié)構(gòu)而保留下來(lái)。

(4)共價(jià)催化某些酶在催化反應(yīng)時(shí)，本身能放出或吸取電子并作用于底物的缺電子或負(fù)電子中心，并與底物形成共價(jià)連結(jié)的共價(jià)中間物，使反應(yīng)活化能大大降低。按照酶對(duì)底物所攻擊的基團(tuán)的不同，該催化方式又分為親核催化（nucleophiliccatalysis）和親電子催化（cetecrophiliccatalysis）。

親核催化——是指酶攻擊底物的基團(tuán)是富電子的，這些基團(tuán)首先攻擊底物的親電子基團(tuán)（亦稱缺電子基團(tuán)）而形成酶—底物的共價(jià)復(fù)合物。親電催化——酶的缺電子基團(tuán)攻擊底物分子上富電子基團(tuán)而形成酶—底物共價(jià)中間產(chǎn)物。在酶的共價(jià)催化中，親核催化較為常見(jiàn)。酶蛋白上最常見(jiàn)的3種親核基團(tuán)：Ser的-OH、Cys的-SH、His的咪唑基。底物中典型的親電中心：磷?；?、?；吞腔?。胰凝乳蛋白酶（chymotrypsin）

(5)金屬離子催化：近1/3的酶催化活性需要金屬離子，根據(jù)金屬離子與蛋白質(zhì)作用強(qiáng)度可將需要金屬的酶分為2類(lèi)：金屬酶：含緊密結(jié)合的金屬離子，多是過(guò)渡金屬離子，如：Fe2+、Fe3+、Cu2+、Zn2+、Mn2+、Co3+。金屬—激活酶：含松散結(jié)合的金屬離子，常為堿或堿土金屬離子，如：Na+、K+、Mg2+、Ca2+。1．需要金屬的酶分類(lèi)：通過(guò)結(jié)合底物為反應(yīng)定向；通過(guò)可逆地改變金屬離子的氧化態(tài)調(diào)節(jié)氧化還原反應(yīng)；通過(guò)靜電穩(wěn)定或屏蔽負(fù)電荷；2．金屬離子以3種主要途徑參加催化過(guò)程：多元催化和協(xié)同效應(yīng)：在酶催化反應(yīng)中，常常是幾個(gè)基元催化反應(yīng)配合在一起作用?；钚圆课晃h(huán)境的影響：活性部位常是疏水環(huán)境，因?yàn)榻殡姵?shù)低，帶電基團(tuán)之間的靜電作用比較顯著。上述因素不是同時(shí)在一個(gè)酶中起作用，也不是一種因素在所有的酶中都起作用。有些酶的分子表面除了活性中心外，還具有重要的功能部位——調(diào)節(jié)中心調(diào)節(jié)中心可以與小分子的代謝物相結(jié)合，使酶分子的構(gòu)象發(fā)生改變，從而影響酶的活性。這種作用叫別構(gòu)效應(yīng)(又叫變構(gòu)效應(yīng))；具有別構(gòu)效應(yīng)的酶叫別構(gòu)酶，引起別構(gòu)的小分子物質(zhì)叫別構(gòu)劑(效應(yīng)物、調(diào)節(jié)物)。第四節(jié)酶活性的調(diào)節(jié)控制

一．別構(gòu)調(diào)控：Sequentialfeedbackinhibition正效應(yīng)物（別構(gòu)激活劑）：因別構(gòu)導(dǎo)致酶活性增加的物質(zhì)。負(fù)效應(yīng)物（別構(gòu)抑制劑）：因別構(gòu)導(dǎo)致酶活性降低的物質(zhì)。別構(gòu)酶（變構(gòu)酶）——一些含有2個(gè)或2個(gè)以上亞基的寡聚酶，在變構(gòu)酶分子上，別構(gòu)效應(yīng)劑的調(diào)節(jié)部位一般遠(yuǎn)離活性中心，但活性部位與調(diào)節(jié)部位之間或者活性部位之間，存在著相互作用（別構(gòu)效應(yīng)，協(xié)同效應(yīng)）。調(diào)節(jié)物與酶分子的調(diào)節(jié)部位結(jié)合之后，引起酶分子構(gòu)象發(fā)生變化，從而提高或降低活性部位的酶活性。別構(gòu)酶的特點(diǎn)：變構(gòu)酶分子上除了活性中心外，還有調(diào)節(jié)中心。這兩個(gè)中心處在酶蛋白的不同部位，有的在不同的亞基上，有的在同一亞基上。變構(gòu)酶的v-[S]的關(guān)系不符合米氏方程，所以其曲線不是雙曲線型。已知的變構(gòu)酶都是寡聚酶。

[S]a:米氏酶b:別構(gòu)酶（正協(xié)同）

c:別構(gòu)酶（負(fù)協(xié)同）

c別構(gòu)酶與非調(diào)節(jié)酶動(dòng)力學(xué)曲線的比較abv由于別構(gòu)酶不符合米氏方程，因而被別構(gòu)酶催化反應(yīng)達(dá)到最大反應(yīng)速率一半時(shí)的底物濃度用[S]0.5或K0.5代替。為了區(qū)分米氏酶，用協(xié)同指數(shù)（CI）來(lái)鑒別不同的協(xié)同作用及程度。協(xié)同指數(shù)（CI）：酶分子中的結(jié)合位點(diǎn)被底物飽和90%和飽和10%時(shí)底物濃度的比值。（也稱為飽和比值（Rs））。位點(diǎn)被90%飽和時(shí)的底物濃度Rs==811/n

位點(diǎn)被10%飽和時(shí)的底物濃度n：協(xié)同系數(shù)（Hill系數(shù)）米氏酶的Rs=81；正協(xié)同的別構(gòu)酶的Rs<81，Rs越小，正協(xié)同誑應(yīng)越顯著；負(fù)協(xié)同的別構(gòu)酶的Rs>81，Rs越大，負(fù)協(xié)同效應(yīng)越顯著。也常用Hill系數(shù)（n）來(lái)判斷酶屬于哪一種類(lèi)型。米氏酶的n=1；正協(xié)同的酶的n>1；負(fù)協(xié)同的酶的n<1。別構(gòu)效應(yīng)的生理意義：酶對(duì)底物量的變化十分敏感。對(duì)米氏酶而言，[S]90％Vm/[S]10％Vm＝81，意思是[S]提高了81倍，v才提高9倍，說(shuō)明酶對(duì)[S]的變化很遲鈍。對(duì)于一般的別構(gòu)酶而言，[S]90％Vm/[S]10％Vm＝3，意思是[S]只要提高了3倍，v就能提高9倍，說(shuō)明酶對(duì)[S]的變化很敏感。3．K型效應(yīng)物和V型效應(yīng)物：K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。V型效應(yīng)物：凡是改變反應(yīng)的Vmax而不改變底物K0.5的效應(yīng)物。4．別構(gòu)經(jīng)加熱或化學(xué)試劑處理，或引起別構(gòu)酶解離，失去調(diào)節(jié)活性，稱之為脫敏作用。脫敏后的酶表現(xiàn)為米氏酶的動(dòng)力學(xué)雙曲線。

三．別構(gòu)模型：1．協(xié)同模型（對(duì)稱模型、WMC模型）：別構(gòu)酶是由確定數(shù)目的亞基組成的寡聚酶，各亞基點(diǎn)有相等的地位，每個(gè)別構(gòu)酶都有一個(gè)對(duì)稱軸。每個(gè)亞基對(duì)一種配體只有一個(gè)結(jié)合位點(diǎn)。每種亞基有兩種構(gòu)象狀態(tài)：（A）松弛型構(gòu)象（R型）：有利于結(jié)合底物或調(diào)節(jié)物；（B）緊張型構(gòu)象（T型）：不利于底物或調(diào)節(jié)物的結(jié)合。它們?cè)谌?jí)和四級(jí)結(jié)構(gòu)及催化活力上都不同。兩種狀態(tài)可以事業(yè)互變，這取決于外蚧條件和亞基間的相互作用。構(gòu)象的轉(zhuǎn)變是同步的（齊變式的），不存在TR雜合態(tài)。當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)由一種構(gòu)象態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粯?gòu)象態(tài)時(shí)，分子對(duì)稱性保持不變，因此稱之為對(duì)稱模型。2．序變模型（KNF模型）：當(dāng)配體不存在時(shí)，別構(gòu)酶只有一種構(gòu)象狀態(tài)（T態(tài)），而不是處于R、T的平衡狀態(tài)，只有當(dāng)配體與之結(jié)合后才誘導(dǎo)T態(tài)向R態(tài)轉(zhuǎn)變。別構(gòu)酶的構(gòu)象是以序變方式進(jìn)行的。存在各種TR型雜合態(tài)。亞基間的相互作用可能是正協(xié)同效應(yīng)，也可能是負(fù)協(xié)同效應(yīng)，前者導(dǎo)致下一亞基對(duì)配體有更大的親和力，后者降低親和力。非底物調(diào)節(jié)的效應(yīng)，用序變模式說(shuō)明較好。該模型可適用于大多數(shù)別構(gòu)酶。氨甲酰磷酸天冬氨酸三磷酸胞苷氨甲酰天冬氨酸1.天冬氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶，簡(jiǎn)稱ATCase四．別構(gòu)酶實(shí)例：+ATP+CTP

E.coli的ATCase的亞基排列3r2+2c3r6c6磷酸化腺苷?；蜍挣；腔谆澹赡娴墓矁r(jià)修飾：（一）磷酸化和去磷酸化：

1.蛋白質(zhì)的磷酸化和去磷酸化：由蛋白激酶催化的把ATP或GTP的γ位磷酸基轉(zhuǎn)移到底物蛋白質(zhì)的AA上的過(guò)程。其逆過(guò)程是去磷酸化（由蛋白磷酸酶催化）在生理?xiàng)l件下，幾乎所有的蛋白激酶都以ATP為磷酸基的供體，且都需要Mg2+，其功能是ATP被利用前首先要與Mg2+形成ATP-Mg2+復(fù)合物。根據(jù)被磷酸化的AA分類(lèi)：（1）Thr、Ser、Tyr、Asp、Glu的P—O鍵連接；（2）Lys、Arg、His的P—N鍵連接。被磷酸化的AA附近的AA組成和順序常是激酶識(shí)別的區(qū)域蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)也對(duì)激酶的識(shí)別產(chǎn)生很大影響。Regulationofglycogenphosphorylaseactivity2．蛋白激酶：蛋白激酶是一個(gè)非常大的家族，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)至少200多種蛋白激酶。該家族的酶在結(jié)構(gòu)上具有很大的相似性，特別是催化亞基或催化部分。根據(jù)底物蛋白被磷酸化的AA可分為：Ser型和Tyr型。根據(jù)是否有調(diào)節(jié)物來(lái)分信使依賴性蛋白激酶非信使依賴性蛋白激酶胞內(nèi)信使依賴性蛋白激酶激素或生長(zhǎng)因子依賴性蛋白激酶3．幾種重要的蛋白激酶：蛋白激酶A（cAMP依賴性蛋白激）：蛋白激酶C：磷酸化酶激