第十章酶的作用機制和酶的調節一、酶的活性部位二、酶催化反應的獨特性質三、影響酶催化效率的有關因素四、酶催化反應機制的實例五、酶活性的調節控制六、同工酶2/6/2023臺州學院生命科學與醫藥化工學院柯世省一、酶的活性部位活性中心：酶分子中結合底物并起催化作用的少數氨基酸殘基，包括底物結合部位（決定酶的專一性）、催化部位（決定酶所催化反應的性質）。頻率最高的活性中心的氨基酸殘基：Ser、His、Cys、Tyr、Asp、Glu、Lys。不需要輔酶的酶：活性中心是酶分子在三維結構上比較靠近的少數幾個氨基酸殘基或是這些殘基的某些基團。需要輔酶的酶：輔酶分子或輔酶分子的某一部分結構往往就是活性中心的組成部分。

（一）酶活性部位的特點2/6/2023臺州學院生命科學與醫藥化工學院柯世省接觸殘基：R1、R2、R6、R8、R9、R163輔助殘基：R3、R4、R5、R164、R165結構殘基：R10、R162、R169非貢獻殘基：其它2/6/2023臺州學院生命科學與醫藥化工學院柯世省酶蛋白必需殘基非必需殘基活性中心活性中心外接觸殘基輔助殘基結構殘基結合殘基催化基團（1）接觸殘基：結合基團，催化基團。（2）輔助殘基：不與底物接觸，輔助酶與底物結合，協助接觸殘基。上述兩類殘基構成酶活性中心。（3）結構殘基：維持酶分子三維構象，與酶活性相關，但不在酶活性中心范圍內，屬于酶活性中心以外的必需殘基。上述三類殘基統稱酶的必需基團（4）非貢獻殘基（非必需基團）可能在免疫，酶活性調節，運輸轉移，防止降解等方面起作用。2/6/2023臺州學院生命科學與醫藥化工學院柯世省酶活性部位的特點：（1）活性部位在酶分子的總體中只占相當小的部分，往往只占整個酶分子體積的1%-2%；（2）酶的活性部位是一個三維實體，具有三維空間結構。活性中心的空間構象不是剛性的，在與底物接觸時表現出一定的柔性和運動性。（鄒承魯研究酶變性的工作）（3）通過誘導契合酶和底物結合；（4）酶的活性部位是位于酶表面的一個裂隙內，裂隙內是一個相當疏水的環境，從而有利于同底物的結合；（5）底物通過次級鍵較弱的力結合到酶上。2/6/2023臺州學院生命科學與醫藥化工學院柯世省（二）研究酶活性部位的方法（1）通過酶的專一性：研究酶的專一性底物的結構特點、酶的競爭性抑制劑結構特點等。（2）酶的化學修飾法：例如1.用共價修飾的試劑作用于酶，查明保持酶活力的必需基團；2.親和標記（合成底物類似物）；3.—SH保護劑的使用。（3）X射線晶體衍射法（4）分子生物學的方法2/6/2023臺州學院生命科學與醫藥化工學院柯世省二、酶催化反應的獨特性質（1）酶反應分為兩類：僅涉及電子轉移和涉及電子和質子兩者或者其他基團的轉移。（2）催化作用是以氨基酸側鏈上的功能基團和輔酶為媒介。（3）酶催化反應的最適pH范圍通常狹小。（4）酶分子很大，而活性部位通常只比底物稍大一些，一個巨大的酶結構對穩定活性部位的構象是必要的。（5）酶具有復雜的折疊結構。2/6/2023臺州學院生命科學與醫藥化工學院柯世省三、影響酶催化效率的有關因素（一）底物和酶的鄰近效應與定向效應鄰近效應：酶與底物形成中間復合物后使底物之間、酶的催化基團與底物之間相互靠近，提高了反應基團的有效濃度。定向效應：由于酶的構象作用，底物的反應基團之間、酶與底物的反應基團之間正確取向的效應。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，反應基團相互鄰近，同時使反應基團的分子軌道以正確方位相互交疊，反應易于發生。2/6/2023臺州學院生命科學與醫藥化工學院柯世省鄰近效應與定向效應對反應速度的影響：①使底物濃度在活性中心附近很高

②酶對底物分子的電子軌道具有導向作用

③酶使分子間反應轉變成分子內反應④鄰近效應和定向效應對底物起固定作用2/6/2023臺州學院生命科學與醫藥化工學院柯世省2/6/2023臺州學院生命科學與醫藥化工學院柯世省（二）底物的形變和誘導契合酶中某些基團可使底物分子的敏感鍵中某些基團的電子云密度變化，產生電子張力，降低了底物的活化能。①酶從低活性形式轉變為高活性形式，利于催化。②底物形變，利于形成ES復合物。③底物構象變化，過度態結構，大大降低活化能。2/6/2023臺州學院生命科學與醫藥化工學院柯世省ZnZnGlu270Tyr248Arg145底物羧肽酶結合底物前后構象變化2/6/2023臺州學院生命科學與醫藥化工學院柯世省（三）酸堿催化酶分子的一些功能基團起瞬時質子供體或質子受體的作用。影響酸堿催化反應速度的兩個因素⑴酸堿強度(pK值）。組氨酸咪唑基的解離常數為6，在pH6附近給出質子和結合質子能力相同，是最活潑的催化基團。⑵給出質子或結合質子的速度。咪唑基最快，半壽期小于10-10秒2/6/2023臺州學院生命科學與醫藥化工學院柯世省（四）共價催化酶作為親核基團或親電基團，與底物形成一個反應活性很高的共價中間物。酶親核基團：Ser-OH，Cys-SH，His-N、Asp-COOH；底物親電中心：磷酰基（-P=O），酰基（-C=O），糖基（Glu-C-OH）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。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。2/6/2023臺州學院生命科學與醫藥化工學院柯世省（五）金屬離子催化金屬酶（metalloenzyme):含緊密結合的金屬離子，Fe2+、Cu2+、Zn2+、Mn2+、Co3+。金屬-激活酶（metal-activatedenzyme):含松散結合的金屬離子，Na+、K+、Mg2+、Ca2+。金屬離子參加的四種主要催化途徑（1）通過結合底物為反應定向（2）通過自身價數的改變參加氧化還原反應（3）屏蔽底物或酶活性中心的負電荷（4）金屬離子通過水的離子化促進親核催化。2/6/2023臺州學院生命科學與醫藥化工學院柯世省（六）多元催化和協同效應在酶催化反應中，常常是幾個基元催化反應配合在一起共同起作用。2/6/2023臺州學院生命科學與醫藥化工學院柯世省（七）活性部位微環境的影響⑴疏水環境介電常數低，加強極性基團間的作用。⑵電荷環境在酶活性中心附近，往往有一電荷離子，可穩定過渡態的離子2/6/2023臺州學院生命科學與醫藥化工學院柯世省四、酶催化反應機制的實例（一）溶菌酶（lysozyme）NAG:N-乙酰氨基葡萄糖NAM:N-乙酰氨基葡萄糖乳酸2/6/2023臺州學院生命科學與醫藥化工學院柯世省

溶菌酶-底物復合物

酶切位點2/6/2023臺州學院生命科學與醫藥化工學院柯世省溶菌酶活性中心與底物結合示意圖Asp52Glu35（極性區）（非極性區）2/6/2023臺州學院生命科學與醫藥化工學院柯世省溶菌酶催化反應機理C1+非極性區極性區HO-E環H2O（廣義酸堿催化）2/6/2023臺州學院生命科學與醫藥化工學院柯世省（二）RNaseA

RNase-底物復合物2/6/2023臺州學院生命科學與醫藥化工學院柯世省RNase活性中心的酸堿催化機理2/6/2023臺州學院生命科學與醫藥化工學院柯世省核糖核酸鏈受Rnase水解的位點2/6/2023臺州學院生命科學與醫藥化工學院柯世省（三）羧肽酶A

羧肽酶活性中心Zn2+的中心作用2/6/2023臺州學院生命科學與醫藥化工學院柯世省羧肽酶活性中心必需基團與底物間的結合2/6/2023臺州學院生命科學與醫藥化工學院柯世省ZnZn羧肽酶結合底物前后構象變化2/6/2023臺州學院生命科學與醫藥化工學院柯世省羧肽酶活性中心的共價催化機理

1452/6/2023臺州學院生命科學與醫藥化工學院柯世省（四）絲氨酸蛋白酶（胰凝乳蛋白酶）胰凝乳蛋白酶分子中催化三聯體構象His57Asp102Ser195Asp102His57Ser195His57102AspSer195A.酶分子中的電荷中繼網B.加上底物后，從Ser轉移一個質子給His，帶正電荷的咪唑基通過帶負電荷的Asp靜電相互作用被穩定Ser195102AspHis57底物2/6/2023臺州學院生命科學與醫藥化工學院柯世省氫鍵體系-電荷中繼網2/6/2023臺州學院生命科學與醫藥化工學院柯世省胰凝乳蛋白酶反應的詳細機制（1）結合底物His57質子供體形成共價ES復合物C-N鍵斷裂底物2/6/2023臺州學院生命科學與醫藥化工學院柯世省胰凝乳蛋白酶反應的詳細機制（2）氨基產物釋放四面體中間物的瓦解水親核攻擊羧基產物釋放H2OR-NH22/6/2023臺州學院生命科學與醫藥化工學院柯世省五、酶活性的調節控制（一）別構調控概念：酶分子的非催化部位與某些化合物可逆地非共價結合后導致酶分子發生構象改變，進而改變酶的活性狀態，稱為酶的別構調節(allostericregulation)，具有這種調節作用的酶稱別構酶(allostericenzyme)。別構酶促反應底物濃度和反應速度的關系不符合米氏方程，呈S型曲線。凡能使酶分子發生別構作用的物質稱為效應物(effector)，通常為小分子代謝物或輔因子。如因別構導致酶活性增加的物質稱為正效應物(positiveeffector)或別構激活劑，反之稱負效應物(negativeeffector)或別構抑制劑。別構調節普遍存在于生物界，許多代謝途徑的關鍵酶利用別構調節來控制代謝途徑之間的平衡，研究別構調控有重要的生物學意義。2/6/2023臺州學院生命科學與醫藥化工學院柯世省A--非調節酶B-正協同別構酶的S形曲線

別構酶與米氏酶的動力學曲線比較當底物濃度發生很小的變化時，別構酶就極大地控制著反應速度。在正協同效應中使得酶反應速度對底物濃度的變化極為敏感。2/6/2023臺州學院生命科學與醫藥化工學院柯世省區分酶的類型有兩種標準a.Koshland標準：CI（cooperativityindex）協同指數：酶分子中的結合位點被底物飽和90%和10%時底物濃度的比值。亦稱飽和比值Rs(saturationratio)

Rs=

酶與底物結合達90%飽和度時底物濃度酶與底物結合達10%飽和度時底物濃度Rs=81米氏類型酶Rs81具有正協同效應的別構酶Rs81具有負協同效應的別構酶b.Hill系數：Hill系數=1米氏類型酶Hill系數1具有正協同效應的別構酶Hill系數1具有負協同效應的別構酶2/6/2023臺州學院生命科學與醫藥化工學院柯世省1--非調節酶2--正協同別構酶3--負協同別構酶

正、負協同別構酶與非調節酶的動力學曲線比較

具有負協同效應的酶在底物濃度較低的范圍內酶活力上升快，但再繼續下去，底物濃度雖有較大的提高，但反應速度升高卻較小。使得酶反應速度對底物濃度的變化不敏感2/6/2023臺州學院生命科學與醫藥化工學院柯世省天冬氨酸轉氨甲酰酶（ATCase）ATCaseATP+氨甲酰磷酸天冬氨酸CTP-UTPUMP氨甲酰天冬氨酸2/6/2023臺州學院生命科學與醫藥化工學院柯世省E.coli的ATCase的亞基排列c:催化亞基（catalyticsubunit）r:調節亞基（regulativesubunit）2/6/2023臺州學院生命科學與醫藥化工學院柯世省ATCase半分子（c3r3)的結構2/6/2023臺州學院生命科學與醫藥化工學院柯世省ATCase的別構過渡作用低催化活性構象T(tense)-態CCCCCC

RRRRRRCCCCCC高催化活性構象R(relax)-態RRRRRRPALA2/6/2023臺州學院生命科學與醫藥化工學院柯世省PALA(N-磷乙酰-L-天冬氨酸)結合到ATCase活性中心的模型2/6/2023臺州學院生命科學與醫藥化工學院柯世省ATCase變構效應的動力學特征ATP（正效應劑）CTP（負效應劑）低催化活性構象T(tense)-態CCCCCC

RRRRRRCCCCCC高催化活性構象R(relax)-態RRRRRRVmax1/2VmaxKm2/6/2023臺州學院生命科學與醫藥化工學院柯世省別構酶的齊變模型SSSSSSSSSST狀態（對稱亞基）R狀態（對稱亞基）SSSS對稱亞基對稱亞基齊步變化2/6/2023臺州學院生命科學與醫藥化工學院柯世省別構酶的序變模型SSSSSSSSSSSSSS亞基全部處于R型亞基全部處于T型依次序變化2/6/2023臺州學院生命科學與醫藥化工學院柯世省（二）酶的共價修飾

某些酶可以通過其它酶對其多肽鏈上某些基團進行可逆的共價修飾，使其處于活性與非活性的互變狀態，從而調節酶活性。這類酶稱為共價修飾酶。目前發現有數百種酶被翻譯后都要進行共價修飾，其中一部分處于分支代謝途徑，成為對代謝流量起調節作用的關鍵酶或限速酶。

由于這種調節的生理意義廣泛，反應靈敏，節約能量，機制多樣，在體內顯得十分靈活，加之它們常受激素甚至神經的指令，導致級聯放大反應，所以日益引人注目。AP1GEDCBHEa-bEc-dEc-g關鍵酶（限速酶）P22/6/2023臺州學院生命科學與醫藥化工學院柯世省蛋白質的磷酸化和脫磷酸化

蛋白激酶ATPADP蛋白質蛋白質Pn蛋白磷酸酶nPiH2O第一類：Ser/Thr型第二類：Tyr型第一類：Ser/Thr型第二類：Tyr型第三類：雙重底物型2/6/2023臺州學院生命科學與醫藥化工學院柯世省反應類型共價修飾被修飾的氨基酸殘基共價修飾反應的例子磷酸化腺苷酰化尿苷酰化Tyr,Ser,Thr.HisTyrTyr甲基化GluS-腺苷-MetS-腺苷-同型Cys2/6/2023臺州學院生命科學與醫藥化工學院柯世省ATPADP腎上腺素或胰高血糖素132102104106108葡萄糖456

級聯系統調控糖原分解示意圖意義：由于酶的共價修飾反應是酶促反應，只要有少量信號分子（如激素）存在，即可通過加速這種酶促反應，而使大量的另一種酶發生化學修飾，從而獲得放大效應。這種調節方式快速、效率極高。腎上腺素或胰高血糖素1、腺苷酸環化酶（無活性）腺苷酸環化酶（活性）2、ATPcAMPR、cAMP3、蛋白激酶（無活性）蛋白激酶（活性）4、磷酸化酶激酶（無活性）磷酸化酶激酶（活性）5、磷酸化酶b（無活性）磷酸化酶a（活性）6、糖原6-磷酸葡萄糖1-磷酸葡萄糖葡萄糖血液ATPADP（極微量）（大量）2/6/2023臺州學院生命科學與醫藥化工學院柯世省（三）酶原的激活體內合成出來的酶，有時不具有生物活性，經過蛋白水解酶專一作用后，構象發生變化，形成活性中心，變成有活性的酶。這個不具活性的蛋白質稱為酶原（zymogen或proenzyme），這個過程稱為酶原的激活。該變化過程，是生物體的一種調控機制。這種調控作用的特點是，蛋白質由無活性狀態轉變成活性狀態是不可逆的。2/6/2023臺州學院生命科學與醫藥化工學院柯世省牛胰蛋白酶2/6/2023臺州學院生命科學與醫藥化工學院柯世省胰蛋白酶原胰蛋白酶六肽腸激酶活性中心胰蛋白酶原的激活示意圖

2/6/2023臺州學院生命科學與醫藥化工學院柯世省胰蛋白酶原胰蛋白酶六肽腸激酶胰蛋白酶對各種胰臟蛋白酶的激活作用

胰凝乳蛋白酶原胰凝乳蛋白酶彈性蛋白酶原彈性蛋白酶羧肽酶原羧肽酶2/6/2023臺州學院生命科學與醫藥化工學院柯世省六、同工酶存在于同一種屬或不同種屬，同一個體的不同組織或同一組織、同一細胞，具有不同分子形式但卻能催化相同的化學反應的一組酶，稱之為同工酶（isoenzyme）。乳酸脫氫酶是研究的最多的同工酶。生物學功能：遺傳的標志和個體