酶作用機制和酶活性調(diào)

酶作用機制和酶活性調(diào)

一、酶的活性部位（activesite）

1、活性部位的概念酶的必需基團(essentialgroup):

與酶活性有關(guān)的基團酶的活性部位(activecenter):

由必需基團構(gòu)成的與酶催化活性有關(guān)的特定區(qū)域。

第2頁,共42頁，2024年2月25日，星期天酶分子非必需基團必需基團活性中心必需基團活性中心外必需基團結(jié)合基團催化基團非活性中心活性中心第3頁,共42頁，2024年2月25日，星期天第4頁,共42頁，2024年2月25日，星期天2、

酶活性中心的特點：

1）活性部位在酶分子的總體中占很小一部分，通常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。3）酶和底物在結(jié)合過程中構(gòu)象（之一或同時）發(fā)生變化，促進結(jié)合。4）底物通過次級鍵與酶結(jié)合。5）酶的活性部位位于酶分子的裂縫內(nèi)（疏水區(qū)域）。第5頁,共42頁，2024年2月25日，星期天二、

酶促反應(yīng)機制酶的催化作用可能來自7個方面：第6頁,共42頁，2024年2月25日，星期天1、

酸堿催化酶分子的一些功能基團起瞬時質(zhì)子供體或質(zhì)子受體的作用。分為狹義的酸堿催化和廣義的酸堿催化。狹義的酸堿催化劑：即是H+與OH-。廣義的酸堿催化劑：是指能供給質(zhì)子（H+）與接受質(zhì)子的物質(zhì)。第7頁,共42頁，2024年2月25日，星期天酶分子中可作為廣義酸堿的功能基團：氨基、羧基、巰基、酚羥基、咪唑基等。見表3－1。第8頁,共42頁，2024年2月25日，星期天其中，咪唑基是最常見、最有效的催化基團：⑴組氨酸的咪唑基的解離常數(shù)為6，在生理pH條件下，既可以作質(zhì)子的供體，又可作質(zhì)子的受體。⑵咪唑基供給或接受質(zhì)子的速度幾乎相等而且最快。第9頁,共42頁，2024年2月25日，星期天2、

共價催化酶提供親核基團：Ser-OH，Cys-SH，His-N：等。（見圖11－4）。底物提供親電中心：磷?；?P=O），?；?C=O），糖基（Glc-C-）酶的親核基團，與底物共價結(jié)合形成一個反應(yīng)活性很高的共價中間物（ES復合物）。第10頁,共42頁，2024年2月25日，星期天3、活性中心金屬離子的催化作用大多數(shù)酶含有金屬離子。作為輔助因子的金屬離子有K+、Na+、Mg2+、Ca2+、Zn2+、Fe2+（Fe3+）等。按金屬離子與酶分子結(jié)合緊密強度不同，可將含金屬的酶分為金屬酶和金屬激活酶。金屬酶（metalloenzyme）是指金屬離子與酶結(jié)合緊密，提取過程中不易丟失，如羧基肽酶（Zn2+）、谷胱甘肽過氧化物酶(Se2-)、堿性磷酸酶(Mg2+)等。金屬酶中金屬離子與酶結(jié)合相當牢固，而且加入游離金屬離子后其活性不會增加。有的金屬離子不與酶直接結(jié)合，但為酶活性所必需，這類酶稱為金屬激活酶（metalactivatedenzyme）。如丙酮酸羧化酶可被Mn2+激活，檸檬酸合酶可被K+激活等。

第11頁,共42頁，2024年2月25日，星期天金屬離子作為輔助因子的作用機理如下：1、作為酶活性中心的催化基團參與催化反應(yīng)、傳遞電子；2、作為連接酶與底物的橋梁，便于酶對底物起作用；3、穩(wěn)定酶的構(gòu)象所必需；4、中和陰離子，降低反應(yīng)中的靜電斥力。金屬離子在酶催化反應(yīng)中的作用示意圖

第12頁,共42頁，2024年2月25日，星期天4、底物和酶的鄰近效應(yīng)與定向效應(yīng)鄰近效應(yīng)：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(yīng)基團的有效濃度，從而增加反應(yīng)速率的一種效應(yīng)。定向效應(yīng)：由于酶的構(gòu)象作用，底物的反應(yīng)基團之間、酶與底物的反應(yīng)基團之間正確取向的效應(yīng)。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(yīng)基團相互鄰近，同時使反應(yīng)基團的分子軌道以正確方位相互交疊，反應(yīng)易于發(fā)生，大大提高了酶的催化效率。

第13頁,共42頁，2024年2月25日，星期天5、誘導契合和底物形變的催化效應(yīng)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(chǎn)生電子張力，底物分子發(fā)生形變。①酶從低活性形式轉(zhuǎn)變?yōu)楦呋钚孕问剑诖呋?。②底物形變，利于形成ES復合物。③底物構(gòu)象變化，過渡態(tài)結(jié)構(gòu)，大大降低活化能。第14頁,共42頁，2024年2月25日，星期天7、

活性部位疏水的微環(huán)境的影響疏水環(huán)境介電常數(shù)低，加強了極性基團間的作用。6、多元協(xié)同催化第15頁,共42頁，2024年2月25日，星期天三、

酶活性的別構(gòu)調(diào)節(jié)別構(gòu)酶：一般都是寡聚酶，通過次級鍵由多亞基構(gòu)成，這種酶除了有活性中心外，還有一個別構(gòu)中心，當調(diào)節(jié)物結(jié)合到別構(gòu)中心上時，會引起酶分子構(gòu)象發(fā)生變化而導致酶活性的變化。別構(gòu)調(diào)節(jié)：調(diào)節(jié)物（效應(yīng)物）與別構(gòu)酶分子中的別構(gòu)中心（調(diào)節(jié)中心）非共價結(jié)合后，酶分子構(gòu)象發(fā)生改變，從而調(diào)節(jié)酶的活性，即別構(gòu)調(diào)節(jié)。第16頁,共42頁，2024年2月25日，星期天別構(gòu)調(diào)節(jié)舉例：1.天冬氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶（ATCase）。它催化下列反應(yīng)：

此酶是合成CTP的多酶體系反應(yīng)序列中的第一個酶，系列反應(yīng)的終產(chǎn)物CTP是該酶的別構(gòu)抑制劑，而ATP則是它的別構(gòu)激活劑。

第17頁,共42頁，2024年2月25日，星期天

ATCase由12條多肽鏈組成，其中6條形成2個三聚體稱催化亞基（每個三聚體有3個結(jié)合天冬氨酸的底物結(jié)合部位），6條形成3個二聚體稱調(diào)節(jié)亞基（每個二聚體有2個別構(gòu)效應(yīng)劑CTP或ATP的結(jié)合部位）。見下圖解：第18頁,共42頁，2024年2月25日，星期天底物結(jié)合位點別構(gòu)劑結(jié)合位點第19頁,共42頁，2024年2月25日，星期天

底物、CTP和ATP都可使ATCase產(chǎn)生別構(gòu)效應(yīng)。同促效應(yīng)：底物氨甲酰磷酸和天冬氨酸對ATCase呈S形正協(xié)同速率曲線，這種底物分子本身對別構(gòu)酶的調(diào)節(jié)作用稱為同促效應(yīng)；異促效應(yīng)：非底物分子作為調(diào)節(jié)物對別構(gòu)酶的調(diào)節(jié)作用稱為異促效應(yīng)

CTP終產(chǎn)物反饋抑制：通過降低酶與底物的親和力來抑制ATCase

。

ATP激活：增加酶與底物的親和力，是ATCase的激活劑。CTP和ATP對ATCase調(diào)節(jié)的生物學意義p188：第20頁,共42頁，2024年2月25日，星期天多數(shù)別構(gòu)酶兼有同促效應(yīng)和異促效應(yīng)，它們既受底物分子的調(diào)節(jié)，又受底物以外的其它代謝物分子的調(diào)節(jié)。第21頁,共42頁，2024年2月25日，星期天2、3-磷酸甘油醛脫氫酶—負協(xié)同效應(yīng)的別構(gòu)酶反應(yīng)式

4個亞基，理論上可以結(jié)合4個NAD+，但從第三個亞基開始，解離常數(shù)迅速增大，因此，酶再要結(jié)合第三、第四個難度就加大，每個酶只能結(jié)合2分子的NAD+，即此酶結(jié)合NAD+的位點，只有一半能與NAD+起反應(yīng)——叫半部位反應(yīng)性—極端的負協(xié)同效應(yīng)意義：第22頁,共42頁，2024年2月25日，星期天別構(gòu)效應(yīng)有下面幾種類型：

1.同促效應(yīng)：調(diào)節(jié)物就是底物，所有的別構(gòu)酶都有此效應(yīng)。①正協(xié)同效應(yīng)：提高了酶的催化活性。

②負協(xié)同效應(yīng)：降低了酶的催化活性。（此種酶極少。）

2.異促效應(yīng)：調(diào)節(jié)物是其它物質(zhì)。

第23頁,共42頁，2024年2月25日，星期天3、

別構(gòu)酶的結(jié)構(gòu)特點和性質(zhì)

（1）

已知的別構(gòu)酶都是寡聚酶，通過次級鍵結(jié)合；（2）具有活性中心和別構(gòu)中心（調(diào)節(jié)中心），活性中心和別構(gòu)中心處在不同的亞基上或同一亞基的不同部位上。（3）多數(shù)別構(gòu)酶不止一個活性中心，活性中心間有同位效應(yīng)，底物就是調(diào)節(jié)物：有的別構(gòu)酶不止一個別構(gòu)中心，可以接受不同的代謝物的調(diào)節(jié)。（4）不遵循米氏方程，動力學曲線是S型（正協(xié)同效應(yīng)）或表觀雙曲線（負協(xié)同效應(yīng)）。第24頁,共42頁，2024年2月25日，星期天4、別構(gòu)酶的動力學曲線①大多數(shù)別構(gòu)酶具有正協(xié)同效應(yīng)（酶分子結(jié)合一分子底物或效應(yīng)物后，酶的構(gòu)象發(fā)生變化，這種新的構(gòu)象有利于后續(xù)分子與酶的結(jié)合，大大促進后續(xù)分子與酶的親合性），正協(xié)同效應(yīng)的別構(gòu)酶是S型曲線：當?shù)孜餄舛劝l(fā)生較小變化時，別構(gòu)酶可以極大程度地控制反應(yīng)速度。②負協(xié)同效應(yīng)的別構(gòu)酶是表觀雙曲線：在底物濃度較低的范圍內(nèi)酶活力上升快，但再繼續(xù)下去，底物濃度雖有較大的提高，但反應(yīng)速度的升高卻較小。使得酶反應(yīng)速度對底物濃度的變化不敏感1.非別構(gòu)酶2.正協(xié)同性3.負協(xié)同性第25頁,共42頁，2024年2月25日，星期天5、別構(gòu)酶的鑒定

雙倒數(shù)作圖不是直線

第26頁,共42頁，2024年2月25日，星期天（一）

酶的可逆共價修飾酶的共價修飾（covalentmodification）：指在專一性酶的催化下，某些小分子基團共價地結(jié)合到被修飾的酶分子上，使被修飾酶的活性發(fā)生改變，從而調(diào)節(jié)酶活性。2.共價修飾的類型：

磷酸化/去磷酸化（主要存在于高等動、植物細胞中）腺苷酰化/去腺苷?；唬ㄖ饕嬖诩毦校┮阴；?去乙?；?；甲基化/去甲基化；四、酶活性的共價調(diào)節(jié)第27頁,共42頁，2024年2月25日，星期天3.蛋白質(zhì)的磷酸化與去磷酸化修飾分別由蛋白激酶和蛋白磷酸酶催化。

激酶：將ATP上的Pi轉(zhuǎn)移到底物上的轉(zhuǎn)移酶類（蛋白激酶、己糖激酶、丙酮酸激酶等）。

第28頁,共42頁，2024年2月25日，星期天

例如：

糖原磷酸化酶b

(無活性)糖原磷酸化酶a（有活性）ATPADPPiH2O糖原的分解磷酸化酶激酶磷酸化酶磷酸酶第29頁,共42頁，2024年2月25日，星期天

4.級聯(lián)系統(tǒng)（cascadesystem）：

在連鎖代謝反應(yīng)中一個酶被激活后，連續(xù)地發(fā)生其它酶被激活，導致原始調(diào)節(jié)信號的逐級放大。這樣的連鎖代謝反應(yīng)系統(tǒng)稱為級聯(lián)系統(tǒng)。

第30頁,共42頁，2024年2月25日，星期天（二）酶原的激活---不可逆共價調(diào)節(jié)某些酶先以無活性的酶原形式合成和分泌，然后在到達作用部位時由另外的物質(zhì)作用，使其失去部分肽段從而暴露活性中心形成有活性的酶分子的過程。其實質(zhì)是酶原被修飾時形成了正確的分子構(gòu)象和活性中心。酶分子的特定結(jié)構(gòu)和酶的活性中心的形成是酶分子具有催化活性的基本保證。1.消化系統(tǒng)中的酶原激活如胃蛋白酶原是無活性的，它在胃液中經(jīng)胃酸（PH<5）的作用或有活性的胃蛋白酶的作用時，酶原會被激活，失去44個氨基酸殘基后轉(zhuǎn)變?yōu)橛谢钚缘奈傅鞍酌浮?/p>

第31頁,共42頁，2024年2月25日，星期天

血液凝固的機理凝血因子（12種，凝血酶原致活因子）

凝血酶原凝血酶

血纖蛋白原血纖蛋白

交聯(lián)，形成血纖蛋白凝塊2.凝血系統(tǒng)中的酶原的激活第32頁,共42頁，2024年2月25日，星期天（1）凝血酶原在血凝中的作用在凝血酶原致活因子催化下，凝血酶原分子中的兩個肽鍵Arg274—Thr275、Arg323—Ile324斷裂，釋放出N端的274個a.a后，由肽A和肽B組裝成有活性的凝血酶形式。凝血酶：兩條多肽鏈（A、B）二硫鍵相聯(lián)，A鏈含49個a.a；B鏈含259個a.a。其作用位點只斷裂Arg－Gly鍵。

第33頁,共42頁，2024年2月25日，星期天（2）血纖蛋白原在血凝中的作用

從血纖蛋白原的二條α鏈和二條β鏈的N端各斷裂一個特定的肽鍵Arg—Gly，釋放出二個血纖肽A（19個氨基酸）和二個血纖肽B（21個氨基酸）后，形成有活性的血纖蛋白。第34頁,共42頁，2024年2月25日，星期天在凝血因子XIIIa（纖維蛋白穩(wěn)定因子）作用下，血纖蛋白單體間形成共價健（Gln-Lys結(jié)合），生成交聯(lián)的血纖蛋白凝塊。第35頁,共42頁，2024年2月25日，星期天五、同工酶

同工酶：能催化相同的化學反應(yīng)，但其酶蛋白本身的分子結(jié)構(gòu)理化性質(zhì)和免疫性能等方面存在明顯差異的一組酶。存在于生物的同一種屬或同一個體的不同組織中，甚至同一組織、同一細胞中。研究意義：作為遺傳的標志；作為臨床診斷指標；研究某些代謝調(diào)節(jié)機制。第36頁,共42頁，2024年2月25日，星期天乳酸脫氫酶同工酶形成示意圖

多肽亞基mRNA四聚體結(jié)構(gòu)基因ab實例：乳酸脫氫酶第37頁,共42頁，2024年2月25日，星期天哺乳動物乳酸脫氫酶有5種

CH3CHOH-COO-+NAD+LDH