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1、七 酶的作用机制和调节,（一）.酶的活性中心（active center）,1、活性中心的概念,酶分子中直接与底物结合，并和酶催化作用直接有关的区域叫酶的活性中心（active center）或活性部位（active site)。,结合部位(Binding site)：酶分子中与底物结合的部位或区域一般称为结合部位。,催化部位(Catalytic site):酶分子中促使底物发生化学变化的部位称为催化部位。通常将酶的结合部位和催化部位总称为酶的活性部位或活性中心。结合部位决定酶的专一性，催化部位决定酶所催化反应的性质。,一些酶活性中心的氨基酸残基,酶 残基总数 活性中心残基牛胰核糖核酸酶 12
2、4 His12,His119,Lys41溶菌酶 129 Asp52,Glu35牛胰凝乳蛋白酶 245 His57,Asp102,Ser195牛胰蛋白酶 238 His46,Asp90,Ser183木瓜蛋白酶 212 Cys25,His159 弹性蛋白酶 240 His45,Asp93,Ser188枯草杆菌蛋白酶 275 His46,Ser221碳酸酐酶 258 His93-Zn-His95 His117,调控部位(Regulatory site):酶分子中存在着一些可以与其他分子发生某种程度的结合的部位，从而引起酶分子空间构象的变化，对酶起激活或抑制作用,酶表现催化活性不可缺少的基团。亲核性基
3、团：丝氨酸的羟基，半胱氨酸的巯基和组氨酸的咪唑基。,2.酶活性中心的必需基团,酸碱性基团：天门冬氨酸和谷氨酸的羧基，赖氨酸的氨基，酪氨酸的酚羟基，组氨酸的咪唑基和半胱氨酸的巯基等。,结合基团-专一性活性中心内必需基团 催化基团-催化能力活性中心外必需基团,活性中心内的必需基团,位于活性中心以外，维持酶活性中心应有的空间构象所必需。,活性中心外的必需基团,3.酶活性中心的特点,占酶分子的极小部分酶活性部位是三维实体诱导契合.构象改变酶活性部位位于酶分子的一个裂缝内底物通过次级键与酶结合活性部位具有柔性,酶的高效催化的结构,(二)、酶高效性的作用机理,1、底物和酶的邻近效应与定向效应2、底物的形变
4、与诱导契合3、酸碱催化4、共价催化5、活性中心金属离子6、活性部位微环境的影响,1、底物和酶的邻近效应与定向效应,邻近效应：酶与底物形成中间复合物后使底物之间、酶的催化基团与底物之间相互靠近，提高了反应基团的有效浓度。定向效应：由于酶的构象作用，底物的反应基团之间、酶与底物的反应基团之间正确取向的效应.,咪唑催化对硝基苯酯的水解，分子内反应比分子间反应快24倍。,邻羟基苯丙酸内脂的形成反应，两个甲基使羧基和羟基更好的定向，使反应速率提高2.51011,酶把底物分子从溶液中富集出来，使它们固定在活性中心附近，反应基团相互邻近，同时使反应基团的分子轨道以正确方位相互交叠，反应易于发生。,2、底物的
5、形变与诱导契合,酶与底物相互接近，结构相互诱导、相互变形，进而相互结合酶的构象改变有利于与底物的结合底物在酶的诱导下发生变形，处于过渡态，易受到催化基团的攻击,脯氨酸消旋酶的过渡态类似物与酶的亲和力远大于其底物，说明酶可以引起底物的形变。,小牛小肠腺苷脱氨酶的过渡态类似物与酶的亲和力远大于其底物，说明酶可以引起底物的形变。,3、酸碱催化,酸碱催化是通过瞬时向反应物提供或接受质子以稳定过渡态，加速反应的一种催化机制。,影响酸碱催化反应速度的因素,酸碱强度(pK值）组氨酸咪唑基的解离常数为6，在pH6附近给出质子和结合质子能力相同，是最活泼的催化基团。给出质子或结合质子的速度。咪唑基最快，半寿期小
6、于10-10秒。,4、共价催化,酶部分残基侧链作为亲核基团或亲电基团，与底物形成一个反应活性很高的共价中间物。酶亲核基团：Ser-OH，Cys-SH，His-N：底物亲电中心：磷酰基（P=O）酰基（C=O）糖基（Glu-C-OH）,酶的亲核中心X未成键电子对进攻底物的亲电中心，形成共价结合，迅速形成不稳定的中间复合物，降低反应活化能，促进产物生成。,5、活性中心金属离子的催化作用,金属酶（metalloenzyme):含紧密结合的金属离子Fe2+、Cu2+、Zn2+、Mn2+、Co3+金属-激活酶（metal-activated enzyme):含松散结合的金属离子Na+、K+、Mg2+、Ca
7、2+（1）通过结合底物为反应定向（2）通过自身价数的改变参加氧化还原反应（3）屏蔽底物或酶活性中心的负电荷,多个基元催化反应结合催化,6、多元催化和协同效应,7、活性中心的微环境,酶的活性中心周围的环境是一个非极性环境，即低介电环境，在低的介电环境中排斥水分子，酶催化基团和底物分子的敏感键之间有很大的反应力，有助于加速酶促反应。,八酶催化反应机制的实例,溶菌酶(Lysozyme),1922年Fleming在鼻黏液中发现一种具有溶解细菌能力的酶，定名为溶菌酶。随后又在鸡蛋清中发现了这种酶，是自然界分布很广的一种酶。溶菌酶是第一个用X-射线法阐明其全部结构和功能的酶。,（）.溶菌酶的结构,溶菌酶相
8、对分子量，由个氨基酸残基所组成四对二硫键。活性中心的氨基酸残基是Glu35和Asp52。,酶活性中心的Glu35处于非极性区，其羧基呈不解离状态，而Asp52处于极性区，羧基呈解离状态。,（）溶菌酶的底物,N-乙酰氨基葡萄糖(NAG)N-乙酰氨基葡萄糖乳酸(NAM),NAG和NAM交替排列形成多聚物，它们之间通过-1,4糖苷键相连。溶菌酶的最适小分子底物为NAG-NAM交替形成的六糖。,（）溶菌酶与底物复合物,大多数极性氨基酸残基分布在分子的表面，非极性氨基酸残基分布在分子的内部。Glu35和Asp52 是活性中心的氨基酸残基。,底物D糖环构象发生变化,溶菌酶底物D糖环变形模型图,椅式：C5、
9、C1、C2 和 O不在同一平面,C5向前移动，O原子向后移动,半椅式：C5、C1、C2 和 O在同一平面上,溶菌酶的活性中心的氨基酸残基与底物敏感键既靠近又定向。,Glu,35,C,O,C,1,C,4,H,O,E,O,H,(NAG),NAG,O,O,H,O,C,O,-,Asp,52,Asp,52,-,C,O,O,O,NAG,D,H,O,E,O,H,C,4,C,1,O,C,Glu,35,-,H,OH,-,+,H,2,O,+,H,非极性区,极性区,(NAG),O,3,3,a.Glu35的羧基向底物D糖环和E糖环之间的糖苷键上的氧原子提供一个质子，氧原子与D糖环C1的糖苷键断开，b.D糖环的C1 带
10、上正电荷成为正碳离子。Asp52上的-COO-起着协调糖苷键断裂和稳定正碳离子的作用。,D,Glu,35,C,O,O,H,O,C,1,H,O,H,D,(NAG),3,O,C,O,-,Asp,52,最后，来自环境中的水分子上的H+与Glu35的-COO-结合，水分子上的HO-与正碳离子结合，至此，一次反应完成，细胞壁打开一个缺口。经多次重复作用，细菌的细胞壁溶解。,（）溶菌酶的作用机制,靠近与定向 底物形变 酸碱催化,九、酶活性的调节控制和调节酶,1、别构效应的调控2、酶原的激活3、共价调节,调节对象：关键酶调节方式：调节酶浓度 调节酶活性,一般位于代谢途径的起始或分支处；催化单向不可逆反应；活
11、性较低，活性最低者又称为限速酶；是可调节酶。,关键酶（Key enzyme),可以通过改变其催化活性而使整个代谢反应的速度或方向发生改变的酶，称为限速酶或关键酶。,1、别构调控与别构酶,别构酶又称为变构酶，指酶分子的非催化部位与某些化合物可逆地非共价结合后，引起酶的构象的改变，进而改变酶的活性状态，酶的这种调节作用称为别构调节(allosteric regulation)。具有变构调节的酶称别构酶(allosteric enzyme)。凡能使酶分子发生别构作用的物质称为别构剂(effector)。,（1）概念,(2)别构酶,别构酶一般是多亚基构成的聚合体，一些亚基为催化亚基，另一些亚基为调节亚
12、基。当调节亚基或调节部位与变构剂结合后，就可导致酶的空间构象发生改变，从而导致酶的催化活性中心的构象发生改变而致酶活性的改变。,(3)协同效应,当变构酶的一个亚基与其配体（底物或变构剂）结合后，能够通过改变相邻亚基的构象而使其对配体的亲和力发生改变，这种效应就称为变构酶的协同效应。如果对相邻亚基的影响是导致其对配体的亲和力增加，则称为正协同效应；反之，则称为负协同效应。,(4)别构酶的结构特点和性质,已知的别构酶都是寡聚酶，通过次级键结合。具有活性中心和调节中心，活性中心和调节中心处在不同的亚基上或同一亚基的不同部位上。调节物多为小分子调节部位多为代谢途径的第一步或交汇点动力学特点：不遵循米氏
13、方程，动力学曲线是S型或表观双曲线稳定特性：室温稳定，0不稳定,别构酶与非调节酶动力学曲线的比较,别构酶举例：天冬氨酸转氨甲酰酶，简称ATCase,2.酶原的激活,没有活性的酶的前体称为酶原。酶原转变成有活性的酶的过程称为酶原 的激活.该过程实质上是酶活性部位形成和暴露的过程。,具有不可逆性。消化系统中的酶（胰蛋白酶，胰凝乳蛋白酶，胃蛋白酶）酶原激活的生理意义a.保护组织器官本身免受酶的水解破坏；b.保证酶在特定时空发挥催化作用；c.酶原可视作酶的储存形式。,酶原的激活的生理意义,（1）胰蛋白酶原的激活,胰蛋白酶对各种胰脏蛋白酶原的激活,概念：共价调节酶通过其它酶对其多肽链上某些基团进行可逆的
14、共价修饰，使其处于活性与非活性的状态，从而起到调节酶的作用，称为可逆的共价调节。特点：共价修饰酶通常有活性与非活性两种形式，两种形式之间转换的正、逆反应是由不同的酶催化产生。种类：磷酸化、腺苷酰化、尿苷酰化、ADP-糖基化、甲基化等,3、可逆的共价修饰,蛋白质的磷酸化主要由蛋白激酶催化磷酸化主要以P-O键或P-N键连接,磷酸化,腺苷酰化,尿苷酰化,ADP糖基化,甲基化,蛋白质的磷酸化,蛋白质,NTP,NDP,Pi,H2O,蛋白质-Pi,蛋白激酶,蛋白磷酸酶,（1）Thr、Ser、Tyr、Asp、Glu P-O键结合（2）Lys、Arg、His P-N,蛋白激酶有一定的底物特异性，识别特定的氨基
15、酸序列（保守序列）,（2）蛋白激酶,底物被磷酸化的氨基酸残基Ser/ThrTyr调节物信使依赖性非信使依赖性,蛋白酶A（Krebs)糖代谢调节酶,磷酸化酶激酶,使酶活化,磷酸化增加活性,磷酸化降低活性,4.同工酶(isoenzyme),同工酶(isoenzyme)是指催化的化学反应相同，酶蛋白的分子组成形式、理化性质和免疫学性质不同的一组酶。这类酶存在于生物的同一种属或同一个体的不同组织、甚至同一组织或细胞中.,*举例：乳酸脱氢酶(LDH1 LDH5),乳酸脱氢酶同工酶形成示意图,多肽,亚基,mRNA,四聚体,结构基因,a b,生理意义 在代谢调节上起着重要的作用；同工酶谱的改变有助于对疾病的诊断；同工酶可以作为遗传标志，用于遗传分析研究。,基本要求1.掌握酶活性部位的概念。2.掌握酶催化反应机制和实例。3.掌握影响酶催化效率的有关因素。4.掌握别构酶、酶原激活和共价修饰酶。,
