第10章酶的作用机制和酶的调节

第10章酶的作用机制和酶的调节 一、酶的活性部位（一）基本概念：酶的活性部位也叫酶的活性中心，指酶分子上结合底物和将底物转化为产物的区域。对于不需要辅酶的酶来说，活性中心就是酶分子在三维结构上比较靠近的少数几个氨基酸残基或这些残基上的某些基团，它们在一结构上相距甚远，甚至位于不同的肽链上，通过盘绕、折叠而在空间构象上相互靠近；对于需要辅酶的酶来说，辅酶分子或其上的某一部分结构往往就是活性中心的组成部分。酶的活性中心包括两个功能部位：结合部位和催化部位。 1．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。此部位决定酶的专一性。 2．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。此部位决定酶所催化反应的性质。

必需基团:酶分子中有些基团若经化学修饰（氧化、还原、酰化、烷化）使其改变，则酶的活性丧失，这些基团称为必需基团。必需基团:酶分子中有些基团若经化学修饰（氧化、还原、酰化、烷化）使其改变，则酶的活性丧失，这些基团称为必需基团。 • 非必需基团：有的酶温和水解掉几个AA残基，仍能表现活性，这些基团即非必需基团。

（二）酶活性中心的结构特点 1.活性中心只占酶分子总体积的很小一部分，往往只占整个酶分子体积的1%-2%。某些酶活性部位的AA残基酶 AA残基数活性部位的AA残基核糖核酸酶 124 His12, His119, Lys41 溶菌酶 129 Asp52, Glu35 胰凝乳蛋白酶 241 His57, Asp102, Ser195 胃蛋白酶 348 Asp32, Asp215 木瓜蛋白酶 212 Cys25, His159 羧肽酶A 307 Arg127, Glu270,Tyr248,Zn2+

2.酶的活性部位是一个三维实体，具有三维空间结构。2.酶的活性部位是一个三维实体，具有三维空间结构。 3. 酶的活性部位并不是和底物的形状正好互补的，而是在酶和底物的结合过程中，底物分子或酶分子，有时是两者的构象同时发生了一定的变化后才互补的，此时催化基团的位置正好处在所催化底物键的断裂和即将生成键的适当位置，这个动态辨认过程称为诱导契合（induced-fit）。 4.酶的活性部位位于酶分子表面的一个裂隙（crevice）内。裂隙内是一个相当疏水的环境，从而有利于同底物的结合。 5.底物靠较弱的次级键与酶结合。 6.活性中心的空间构象不是刚性的，在与底物接触时表现出一定的柔性和运动性。

（三）研究酶活性部位的方法 • 1.酶分子侧链基团的化学修饰法 • （1）非特异性共价修饰 • 某些化学试剂能和酶蛋白中氨基酸残基的侧链基团反应而引起共价结合、氧化或还原等修饰反应，使基团的结构和性质发生改变。如果某基团修饰后不引起酶活力的变化，可以初步认为，此基团可能是非必需基团。反之，如修饰后引起酶活力的降低或丧失，则此基团可能是酶的必需基团。 • 修饰剂已和活性都位基团结合的鉴别标准有两个： • ①酶活力的丧失速率和修饰剂浓度成正比。 • ②底物或与活性部位结合的可逆抑制剂可保护共价修饰剂的抑制作用。

（2）特异性共价修饰。 • 某一种化学试剂专一地修饰酶活性部位的某一氨基酸残基，使酶失活。通过水解分离标记的肽段，即可判断出被修饰的酶活性部位的氨基酸残基。 • 二异丙基氟磷酸（DFP）能专一性地与酶活性部位的丝氨酸残基的羟基共价结合，使酶活力丧失。 • 如，DFP与胰凝乳蛋白酶作用（只和活性部位的丝氨酸残基的羟基结合）

（3）亲和标记法 利用一些与底物结构相似的共价修饰剂。这种修饰剂有两个特点：①可以较专一地引入酶的活性部位，接近底物给合位点。②具有活泼的化学基团，可以与活性部位的某一基团结合形成稳定的共价键。因其作用机制是利用酶对底物的特殊亲和力将酶加以修饰标记，故称为亲和标记。如，胰凝乳蛋白酶的亲和标记

2.动力学参数测定法 • 3.X-射线晶体衍射法 • 利用X-射线晶体衍射观察溶菌酶购三维结构可以看 • 出：溶菌酶活性部位有关氨基酸的排列位置；酶-底物复合物中，底物周围氨基酸的排列状况；根据被水解的糖苷键邻近氨基酸残基的分析，确定了溶菌酶的催化基团为Glu35和Asp52。再如，通过X射线晶体结构分析，表明胰凝乳蛋白酶活性部位由组成。这3个氨基酸残基联在一起形成一个“电荷中继网，使Ser95的羟基具有非常高的亲核化。

4.定点诱变法

二、影响酶催化效率的因素 （一）底物与酶的邻近效应（proximity effect）和定向效应（orientation effect） • 在酶促反应中，由于酶和底物分子之间的亲和性，底物分子有向酶的活性中心靠近的趋势，最终结合到酶的活性中心，使底物在酶活性中心的有效浓度大大增加，从而使反应速率大大增加的效应叫做邻近效应。有机化学模拟实验：咪唑催化乙酸对硝基苯酯

定向效应：当专一性底物向酶活性中心靠近时，会诱导酶分子构象发生改变，使酶活性中心的相关基团和底物的反应基团正确定向排列，同时使反应基团之间的分子轨道以正确方向严格定位，使酶促反应易于进行。定向效应：当专一性底物向酶活性中心靠近时，会诱导酶分子构象发生改变，使酶活性中心的相关基团和底物的反应基团正确定向排列，同时使反应基团之间的分子轨道以正确方向严格定位，使酶促反应易于进行。 • 例如：二羧酸单苯酯水解反应

（二）底物的形变（distortion）与诱导契合 • 当酶遇到其专一性底物时，酶中某些基团或离子可以使底物分子内敏感键中的某些基团的电子云密度增高或降低，产生“电子张力”，使敏感键的一端更加敏感，底物分子发生形变，底物比较接近它的过渡态，降低了反应话化能，使反应易于发生。例如，乙烯环磷酸酯的水解速率是磷酸二酯水解速率的108倍，这是因为环磷酸的构象更接近于过渡态。

酶与底物给合时，酶构象发生改变的同时，底物分子也发生形变，从而形成一个互相契合的酶-底物复合物，进一步转换成过渡态，大大增加了酶促反应速率。酶与底物给合时，酶构象发生改变的同时，底物分子也发生形变，从而形成一个互相契合的酶-底物复合物，进一步转换成过渡态，大大增加了酶促反应速率。

（三）酸－碱催化(acid base catalysis) • 酸-碱催化可分为狭义的酸-碱催化和广义的酸-碱催化。酶参与的酸-碱催化反应一般都是广义的酸－碱催化方式。 • 广义酸－碱催化是指通过质子酸提供部分质子,或是通过质子碱接受部分质子的作用，达到降低反应活化能的过程。

（三）酸－碱催化(acid base catalysis)

酶分子中可以作为广义酸、碱的基团

影响酸碱催化反应速率的因素有两个，即酸或碱的强度（pK值）及质子传递的速率。影响酸碱催化反应速率的因素有两个，即酸或碱的强度（pK值）及质子传递的速率。在起酸碱催化的功能基团中组氨酸咪唑基的解离常数约为6.0，因此在接近于生物体液pH的条件下，即在中性条件下，有一半以酸形式存在，另一半以碱形式存在，即可作为质子供体，又可作为质子受体在酶反应中发挥催化作用。同时咪唑基接受质子和供出质子的速率十分迅速，其半衰期小于10-10s。由于咪唑基有如此特点，所以在很多蛋白质中His含量虽少，却占很重要地位。

（四）共价催化（covalent catalysis） • 共价催化又称亲核催化或亲电子催化，在催化时，亲核催化剂或亲电子催化剂能分别放出电子或获得电子并作用于底物的缺电子中心或负电中心，迅速形成不稳定的共价中间复合物，降低反应活化能，使反应加速。 • 酶中参与共价催化的基团主要包括以下亲核基团：His 的咪唑基，Cys 的巯基，Asp 的羧基，Ser 的羟基等；亲电子基团：H+ 、Mg2+、 Mn2+ 、Fe3+ • 某些辅酶，如焦磷酸硫胺素和磷酸吡哆醛等也可以参与共价催化作用。

底物中典型的亲电中心，包括磷酰基、酰基和糖基底物中典型的亲电中心，包括磷酰基、酰基和糖基亲

(五) 金属离子的催化作用 １.需要金属的酶分类：（1）金属酶－metalloenzyme:含紧密结合的金属离子。如Fe2+、Fe3+、Cu2+、Zn2+、Mn2+、Co3+ （2）金属-激活酶（metal-activated enzyme）:含松散结合的金属离子，如Na+ 、K+ 、Mg2+ 、Ca2+ 2.金属离子的催化作用： • 许多氧化-还原酶中都含有铜或铁离子，它们作为酶的辅助因子起着传递电子的功能。 • 许多激酶的底物为ATP-Mg2+复合物。 • 金属离子通过水的离子化促进亲核催化。

金属离子的催化作用

（七）微环境的影响（酶活性中心是低介电区域）（七）微环境的影响（酶活性中心是低介电区域）酶活性中心处于一个非极性环境中，从而有利于同底物的结合。在非极性环境中两个带电基团之间的静电作用比在极性环境中显著增高。当底物分子与酶的活性部位相结合，就被埋没在疏水环境中，这里底物分子与催化基团之间的作用力将比活性部位极性环境的作用力要强得多。这一疏水的微环境大大有利于酶的催化作用。

三、

五、酶活性的调节控制 （一）别构调控 1、别构酶的概念别构酶也称变构酶，它是代谢过程中的关键酶。除了具有酶的活性部位外，还有一个调节部位。通过效应物（调节物）和酶的别构部位的结合来调节其活性，从而调节酶反应速度和代谢过程。 2、别构效应（allosteric effect）：调节物或效应物与酶分子上的别构中心结合后，诱导出或稳定住酶分子的某种构象，使酶活性中心对底物的结合和催化作用受到影响，从而调节酶反应速度及代谢过程，此效应即为酶的别构效应。凡能使酶分子发生别构作用的物质称为效应物或别构剂，通常为小分子代谢物或辅因子。如因别构导致酶活性增加的物质称为正效应物或别构激活剂。反之称为负效应物或别构抑制剂。

3.别构酶的性质 （1）别构酶一般都是寡聚酶，通过次级键由多亚基构成在别构酶分子上L有和底物结合和催化底物的活性部位，也有和调节物或效应物结合的调节部位，这两种都位可能在同一亚基上，也可能分别位于不同亚基止。每个别构酶分子可以有一个以上的活性都位和调节部位，因此可以结合一个以上的底物分子和调节物分子。在同促别构酶中活性部位和调节部位是相同的。词节部位与活性部位虽然在空间上是分开的，但这两个部位可相互影响，通过构象的变化，产生协同效应。可发生在底物-底物，调节物-底物，调节物-调节物之间，可以是正协同也可以是负协同。（2）别构酶的动力学别构酶的[S]对v的动力学曲线不是双曲线，而是S形曲线（正协同）或表观双曲线（负协同），二者均不符合米氏方程。

大多数别构酶具有正协同效应（酶分子结合一分子底物或效应物后，酶的构象发生变化，这种新的构象有利于后续分子与酶的结合，大大促进后续分子与酶的亲合性），其初速度与底物浓度的关系呈S形的v-[S]曲线。大多数别构酶具有正协同效应（酶分子结合一分子底物或效应物后，酶的构象发生变化，这种新的构象有利于后续分子与酶的结合，大大促进后续分子与酶的亲合性），其初速度与底物浓度的关系呈S形的v-[S]曲线。当底物浓度发生很小的变化时，别构酶就极大地控制着反应速度。在正协同效应中使得酶反应速度对底物浓度的变化极为敏感。

另一类别构酶具有负协同效应，其动力学曲线在表现上与双曲线相似，但意义不同另一类别构酶具有负协同效应，其动力学曲线在表现上与双曲线相似，但意义不同  具有负协同效应的酶在底物浓度较低的范围内酶活力上升快，但再继续下去，底物浓度虽有较大的提高，但反应速度升高却较小。使得酶反应速度对底物浓度的变化不敏感正负 [s]

第10章 酶的 作用机制和酶的调节