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1、第11章 酶作用机制和酶活性调节,主要内容,酶的活性部位酶促反应机制酶活性的别构调节酶活性的共价调节同工酶,一、酶的活性部位,1.酶的活性部位（active site，活性中心active center）:是指酶分子的表面有一个必需基团比较集中、并构成一定的空间结构的微小区域，在这里必需基团参与和底物结合并完成把底物转变成产物的化学反应。,酶活性部位：结合部位+催化部位结合基团(binding group)：参与和底物结合的必需基团；决定酶的专一性。催化基团(catalytic group)：催化使底物转变为产物的化学反应的必需基团；决定酶的催化能力。必需基团：某些氨基酸残基的侧链、有时也包括
2、辅酶分子或它的基团。,酶分子中的残基分为四类：,接触残基：负责底物的结合与催化辅助残基：起协助作用；结构残基：维持酶的构象；非贡献残基：它的替换对活性无影响，但对酶的免疫、运输、调控与寿命等有作用。前二者构成活性中心，前三者称为酶的必需基团。,接触残基：R1、R2、R6、R8、R9、R163辅助残基：R3、R4、R5、R164、R165结构残基：R10、R162、R169非贡献残基：其它,2.酶活性部位的一般特点只占酶整体的相当小的一部分（1%2%）。是一个三维实体。底物结合的专一性决定于活性部位中精确地原子排列，即直接契合或诱导契合。大多数底物都是以相当弱的力与酶活性部位结合的，这些力与稳定
3、酶（蛋白质）三维结构的力基本相同。活性部位是酶分子表面的一个空穴或裂沟。疏水的微环境下有利于极性氨基酸残基发生结合和催化。,频率最高的活性中心的氨基酸残基：Ser、His、Cys、Tyr、Asp、Glu、Lys。,Glu,Ser,二、酶促反应机制,（一）基元催化的分子机制：基元催化:是由某些基团或小分子催化的反应，包括 酸碱催化 共价催化 金属离子催化（二）酶具有高催化能力的原因 邻近和定向效应 诱导契合和底物形变 电荷极化和多元催化 疏水的微环境的影响,1.酸碱催化（acid-base catalysis）暂时性地向底物提供质子或从底物接纳质子以稳定过渡态的一种催化机制。,H+和OH-的催化
4、作用,质子酸提供质子,或是质子碱接受质子的作用。,（一）基元催化的分子机制,2.共价催化（covalent catalysis）,A-X+E,X-E+B,催化剂通过与底物形成反应活性很高的共价过渡产物，使反应活化能降低，从而提高反应速度的过程。包括亲核催化（为主）和亲电催化。,亲核催化：由亲核催化剂（多电子）加速的反应，催化剂向反应物的亲电中心（常是碳原子核）提供电子，形成共价配位键，并产生一个不稳定的共价中间产物。酶上的亲核基团：丝氨酸羟基、半胱氨酸巯基、组氨酸咪唑基 底物的亲电中心：磷酰基、酰基和糖基。,亲电催化：由亲电催化剂（缺电子）加速的反应。通常涉及产生亲电中心的辅酶。如以磷酸吡哆醛
5、为辅酶的天冬氨酸转氨酶、丙氨酸消旋酶等。,3.金属离子催化（metal ion catalysis）需要金属的酶分类：金属酶：含紧密结合的金属离子，主要为稳定酶的天然构象所必需，如Fe2+、Cu2+、Zn2+、Mn2+、Co2+。金属激活酶：含松散结合的金属离子，可能只在催化期间结合，如Na+、K+、Mg2+、Ca2+。金属离子的作用：作为亲电催化剂稳定反应时形成的负电荷，以利于底物进入反应过渡态。,（二）酶具有高催化能力的原因,1.邻近效应与定向效应作用：使分子间的反应变成类似分子内的反应邻近效应（proximity effect）：中间复合物的形成使有效浓度极大升高。定向效应（orient
6、ation effect）：正确取位。,2.诱导契合和底物的形变,诱导契合（induced fit）：很多酶的活性部位并不直接与底物契合，必须在底物诱导下发生构象变化才能与底物贴切结合。底物的形变（substrate distortion）：底物一旦被结合上，酶就能使底物形变或扭曲。主要是电子的重新分配，产生所谓电子张力，使旧键弱化，并促使新键形成。,底物分子发生变形,底物和酶都发生变形,3.电荷极化和多元催化电荷极化为基元催化提供了催化基团，包括广义酸碱、亲核剂、亲电剂和金属离子。诱导契合为基元催化创造了空间条件：把催化基团定位于底物的敏感键。在酶促反应中经常几个催化基元配合在一起共同起作用
7、。多元催化提供了降低活化焓的途径，是使酶加速反应的重要因素之一。胰凝乳蛋白酶是通过活性部位中Asp102、His57、Ser195组成的“电荷中继网”催化肽键水解，包括亲核催化和广义碱催化的协同作用。P179,4.疏水的微环境的影响酶的活性部位常是一个低介电区域，即疏水基团衬里或环绕的区域。在疏水环境中底物分子与催化基团间的作用力比在极性环境中要强的多。疏水环境大大有利于酶的催化作用。上述加速酶促反应的诸因素，不是同时在一种酶中起作用。不同的酶，起作用的主要因素是不一样的，每种酶都有自己的特点。,别构调节酶原激活共价调节,控制酶的合成和降解速度,三、酶活性的别构调节,别构效应（alloster
8、ic effect）:很多寡聚酶，当它们的亚基上的配体结合部位与配体非共价可逆结合时，将发生构象变化并影响同一酶分子的其它亚基上的空（未被结合的）活性部位的亲和力，这一现象称为酶的别构效应，也称为别构相互作用或别构调节。,（一）酶的别构效应和别构酶,涉及酶与底物结合时催化部位和催化部位之间的相互作用,涉及酶与调节物结合时调节部位与活性部位之间的相互作用,别构酶的特点：,除有活性部位外，还有别构部位或调节部位；,一般是寡聚酶；,具有别构效应。,动力学特点：不遵循米-曼式方程，动力学曲线是S型（正协同效应）或表观双曲线（负协同效应）。,别构酶（alloseric enzyme，也称配体调节酶）：具
9、有别构效应的酶。,别构酶的协同效应,别构酶的一个亚基与其配体结合后，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。,导致相邻亚基对配体的亲和力增加，提高了酶的催化活性。,v-S曲线呈S形,亲和力减弱，降低了酶的催化活性,v-S曲线呈表观双曲线,正协同效应：使酶对S变化极为敏感。,负协同效应：使酶对S变化不敏感。,S形,表观双曲线,导致别构酶活性增加的配体，别构激活剂。,致使酶活性降低的配体，别构抑制剂,加入正效应物，向双曲线漂移，亲和力增大，酶活提高。,加入负效应物，亲和力减小，酶活降低。,（别构）效应物或（别构）调节剂：能引起别构效应的配体。通常为小分子的代谢物或辅因子。,底物兼作
10、效应物，再无其它调节物，只有同促效应,底物和异促调节物，即有同促效应又有异促效应,（二）协同性配体结合的模型,齐变模型渐变模型,齐变模型,齐变模型（concerted model，对称模型，MWC模型),1965年由J.Monod、J.Wyman和J.P.Changeux提出。,齐变模型别构酶是由数目不多的亚基组成的寡聚蛋白质，酶分子中亚基以旋转对称方式排列，因此至少有一个对称轴。每个亚基对每种配体至多只有一个结合部位。每种亚基以两种不同的构象态（R态和T态）存在，并且在无任何配体存在时，这两种构象态处于平衡中。R为松弛态，对底物的亲和力高；T为紧张态，对底物的亲和力低。R态和T态的转变是采取
11、齐变的方式，无TR杂合态。蛋白质构象转变时，其分子对称性保持不变。,举例:天冬氨酸转氨甲酰酶，简称ATCase,ATP:正调节物，向双曲线漂移，亲和力增大，酶活提高。,CTP:负调节物，亲和力减小，酶活降低。,ATCase活性调节的机理:,渐变模型（sequential model，KNF 模型）,1966年由Koshland D E、Nemethy G和Filmer D提出。,渐变模型别构酶的每一亚基可以以两种构象态存在：无配体存在时：只以一种构象态（T态）存在；配体存在时：诱导T态向R态转变。底物或其他配体与别构酶的一个亚基结合，会通过诱导契合引起该亚基的构象方式转变，由T态R态，但不能改
12、变邻近的空位亚基的构象。酶分子中亚基构象的转变是逐个的、有序的，即采取渐变而不是齐变的方式进行，因此存在杂合态（TR态）。酶的一个亚基因底物结合引起的构象变化，经亚基-亚基相互作用增加或降低同一 酶分子中那些（个）空位亚基的结合亲和力。可能是正协同效应：下一亚基对配体有更大的亲和力；可能是负协同效应：降低亲和力。,举例:3-磷酸甘油醛脱氢酶,酶有4个亚基，可以和4个NAD+结合。结合第一个NAD+的解离常数最小，结合后降低其余空位亚基的结合亲和力。,（一）酶的可逆共价修饰,磷酸化，腺苷酰化，乙酰化，尿苷酰化，甲基化，糖基化。,共价调节酶（covalently modulated enzymes
13、）：酶分子通过其它的酶在其多肽链上某些基团进行可逆的共价修饰，使其在活性形式与非活性形式之间相互转变，从而调节酶活性。,五、酶活性的共价调节,蛋白质的磷酸化,举例:糖原磷酸化酶,含有一个磷酸化的Ser,磷酸化酶催化糖原分解。酶有二种形式：磷酸化酶a，高活性；磷酸化酶b，低活性。在磷酸化酶的激酶催化下,磷酸化酶b（二聚体）中,每个亚基的一个Ser残基的羟基,与ATP给出的磷酸基共价结合，从而使低活性的磷酸化酶b转变成高活性的磷酸化酶a（四聚体）。磷酸化酶的活性调节,是通过磷酸基与酶分子的共价结合（称为磷酸化）以及从酶分子中水解除去磷酸基来实现的。共价修饰是需要其它酶来催化的。,（二）酶原激活不可
14、逆共价调节,羧肽酶原,弹性蛋白酶原,胰蛋白酶原,胰凝乳蛋白酶原,胃蛋白酶原,例蛋白水解的消化酶类：胰凝乳蛋白酶。血液凝固系统：血纤蛋白凝块的形成。蛋白激素：前胰岛素原 胰岛素（有活性）。皮肤和骨骼中的纤维蛋白：前胶原 胶原。发育过程：蝌蚪变成蛙时的尾巴变化等。,动画,动画,通过肽链的剪切，改变蛋白的构象，从而形成或暴露酶的活性中心。,级联放大,起始酶,凝血酶原II,血液凝固的级联放大作用,凝血酶IIa,血纤蛋白原I,血纤蛋白Ia,重要生理意义由胰腺分泌的上述几种蛋白酶原，必须在肠道内经过激活之后才能水解蛋白质，这样，就保护了胰腺细胞不受蛋白酶的破坏，否则，将产生剧痛而又危及生命的急性胰腺炎。血
15、液中虽有凝血酶原，却不会在血管中引起大量凝血，妨碍血液循环。因为凝血酶原没有激活成凝血酶之故。当创伤出血时，大量凝血酶原被激活成凝血酶，从而促进了血液凝固。堵塞伤口，防止大量流血。,六、同功酶,同功酶(isozyme或isoenzyme)：是指催化相同的化学反应，但存在多种四级缔合形式，并因而在物理、化学和免疫学等方面有所差异的一组酶。同工酶普遍存在于生物界。涉及酶的种类也很多，几乎半数以上的酶都有同工酶。,LDH由4个亚基组成，亚基有M和H两种,不同器官中比例不同,乳酸脱氢酶（LDH）,动画,血液中LDH同功酶的测定常用于疾病诊断：,心肌损害时，LDH1被释放到血液中，血清中LDH1升高。肝脏受损时，血清中LDH5升高。,名词解释,酶的活性部位（Active site，活性中心）别构效应（allosteric effect）酶原（Zymogen，proenzyme）酶原激活(zymogen activation)齐变模型（concerted model，对称模型，MWC模型)渐变模型（sequential model，KNF 模型）同功酶（isozyme或isoenzyme）,
