第十章酶作用机制及酶调节课件.ppt

1、第一节第一节 酶的活性部位及其结构特点酶的活性部位及其结构特点 第二节第二节 酶催化反应的特性酶催化反应的特性 第三节第三节 影响酶催化效率的因素影响酶催化效率的因素 第四节第四节 酶活性的调节控制酶活性的调节控制 第五节第五节 同同 工工 酶酶 活性部位（活性中心）：活性部位（活性中心）：指酶分子中直接与底物结合，并与酶催化作用直接有关指酶分子中直接与底物结合，并与酶催化作用直接有关的部位。的部位。第一节第一节 酶的活性部位及其结构特点酶的活性部位及其结构特点活性部位活性部位结合部位：负责与底物的结合，决定酶的结合部位：负责与底物的结合，决定酶的 专一性。专一性。催化部位：负责催化底物键的断

2、裂，形成催化部位：负责催化底物键的断裂，形成 新键，决定酶的催化能力。新键，决定酶的催化能力。（1 1）酶活性中心的组成：）酶活性中心的组成：由一些氨基酸残基的侧链基团组成。由一些氨基酸残基的侧链基团组成。对于结合酶，辅因子常常是活性中心的组成部分。对于结合酶，辅因子常常是活性中心的组成部分。这些基团在一级结构上可能相距很远，甚至可能不在一条肽链上，但在蛋白质空间结构这些基团在一级结构上可能相距很远，甚至可能不在一条肽链上，但在蛋白质空间结构上彼此靠近，形成具有一定空间结构的区域。上彼此靠近，形成具有一定空间结构的区域。（2 2）酶活性中心的特点）酶活性中心的特点2.2.酶的活性部位是一个三维

3、实体。活性部位的酶的活性部位是一个三维实体。活性部位的AAAA在一级结构上可能相距甚远，甚至位于在一级结构上可能相距甚远，甚至位于不同的肽链上。不同的肽链上。3.3.酶的活性部位并不是与底物的形状正好互补，而是在酶与底物结合的过程中，底物分子酶的活性部位并不是与底物的形状正好互补，而是在酶与底物结合的过程中，底物分子或酶分子（或同时）的构象发生变化才互补的，这个动态的过程称为诱导契合。或酶分子（或同时）的构象发生变化才互补的，这个动态的过程称为诱导契合。1.1.活性中心在酶分子总体积中只占相当小的部分（约活性中心在酶分子总体积中只占相当小的部分（约1%1%2%2%），相当于），相当于2 2 3

4、 3个氨基酸残个氨基酸残基。基。5.5.底物与酶通过形成较弱键力的次级键相互作用并结合到酶的活性中心。底物与酶通过形成较弱键力的次级键相互作用并结合到酶的活性中心。6.6.酶活性部位具有柔性（或运动性）。酶活性部位具有柔性（或运动性）。4.4.酶的活性是位于酶分子表面的一个裂缝内，底物分子（或一部分）结合到裂酶的活性是位于酶分子表面的一个裂缝内，底物分子（或一部分）结合到裂缝内并发生催化作用。裂缝内是相当疏水的区域。缝内并发生催化作用。裂缝内是相当疏水的区域。一酶反应可分成两类：一酶反应可分成两类：反应仅仅涉及到电子的转移反应仅仅涉及到电子的转移 反应涉及到电子和质子两者或其它基团的转移（大部

5、分反应属于该类型）反应涉及到电子和质子两者或其它基团的转移（大部分反应属于该类型）二酶的催化作用是由二酶的催化作用是由AAAA侧链上的功能基团和辅酶为媒介的。主要有：侧链上的功能基团和辅酶为媒介的。主要有：HisHis、SerSer、CysCys、LysLys、GluGlu、AspAsp。辅酶或金属离子与酶协同在一起发挥作用，提供更多种类的功。辅酶或金属离子与酶协同在一起发挥作用，提供更多种类的功能基团。能基团。三酶催化反应的最适三酶催化反应的最适pHpH范围通常是狭小的。范围通常是狭小的。第二节第二节 酶催化反应的特性酶催化反应的特性四与底物相比较，酶分子很大，而活性部位通常只比底物稍大一些

6、。四与底物相比较，酶分子很大，而活性部位通常只比底物稍大一些。五五.酶除了具有进行催化反应所必需的活性基团外，还有别的特性：酶除了具有进行催化反应所必需的活性基团外，还有别的特性：1 1在活性部位存在在活性部位存在1 1个以上的催化基团，能进行协同催化；个以上的催化基团，能进行协同催化；2 2存在结合部位，因此底物分子可以以反应中固有的方位结合在活性部位附近；存在结合部位，因此底物分子可以以反应中固有的方位结合在活性部位附近；3.3.在在2 2个或个或2 2个以上底物分子参加的反应中，存在个以上底物分子参加的反应中，存在1 1个以上的底物结合部位；个以上的底物结合部位；4.4.有时，底物以某种

7、方式结合到酶分子上，使底物分子中的键产生张力，从而有利于过渡态有时，底物以某种方式结合到酶分子上，使底物分子中的键产生张力，从而有利于过渡态复合物的形成。复合物的形成。第三节第三节 影响酶催化效率的因素影响酶催化效率的因素 (1)(1)邻近效应和定向效应邻近效应和定向效应邻近效应：酶与底物结合形成邻近效应：酶与底物结合形成ESES后，使底物之间由于酶的催化基团与底物结合于同一分子上后，使底物之间由于酶的催化基团与底物结合于同一分子上而使有效浓度极大地提高，从而使反应速率大大增加的一种效应。而使有效浓度极大地提高，从而使反应速率大大增加的一种效应。定向效应：反应物的反应基团之间和酶的催化基团与底

8、物的反应基团之间的正确取位产生的定向效应：反应物的反应基团之间和酶的催化基团与底物的反应基团之间的正确取位产生的效应。这种正确定向取位在游离反应中几率很低，但在变成分子内的反应后则高得多。效应。这种正确定向取位在游离反应中几率很低，但在变成分子内的反应后则高得多。在双分子反应中，这两种效应的促进作用分别可达在双分子反应中，这两种效应的促进作用分别可达10104 4倍，共同的促进作用可达倍，共同的促进作用可达10108 8倍。倍。(2)(2)底物的形变和诱导契合：底物的形变和诱导契合：(3)(3)酸碱催化酸碱催化在体内的酶反应以总酸碱催化为主（因生理条件的在体内的酶反应以总酸碱催化为主（因生理条

9、件的H H+和和OHOH-浓度很低）。浓度很低）。在很多酶的活性部位存在几种参与总酸碱催化作用的功能基，如：在很多酶的活性部位存在几种参与总酸碱催化作用的功能基，如：-NH-NH3 3、-COOH-COOH、-SH-SH、酚羟、酚羟基及咪唑基，它们在近中性的基及咪唑基，它们在近中性的pHpH范围内作为质子的供体或受体。总酸或总碱的催化可提高反范围内作为质子的供体或受体。总酸或总碱的催化可提高反应速率应速率10102 210105 5倍。倍。酸碱催化酸碱催化专一的酸碱催化（狭义的酸碱催化）：在水溶液中通过高反应性的专一的酸碱催化（狭义的酸碱催化）：在水溶液中通过高反应性的H+H+和和OH OH

10、进行的催化。进行的催化。总酸碱催化（广义的酸碱催化）：通过总酸碱催化（广义的酸碱催化）：通过H H+和和OHOH-以及能提供以及能提供H H+和和OHOH-的的供体进行的催化。供体进行的催化。影响酸碱催化速率的因素有两个：影响酸碱催化速率的因素有两个：（1 1）酸或碱的强度（）酸或碱的强度（pKpK值）；值）；（2 2）质子传递的速率；如：咪唑基接受和供出质子的速率十分迅速，其半衰期）质子传递的速率；如：咪唑基接受和供出质子的速率十分迅速，其半衰期1010-10-10s s。所以，。所以，在很多蛋白质中的在很多蛋白质中的HisHis含量虽少，却很重要。它在进行过程中，可能不是作为一般的结构蛋含

11、量虽少，却很重要。它在进行过程中，可能不是作为一般的结构蛋白成分，而是被选择作为酶分子中的催化结构而保留下来。白成分，而是被选择作为酶分子中的催化结构而保留下来。(4)(4)共价催化共价催化酶蛋白上最常见的酶蛋白上最常见的3 3种亲核基团：种亲核基团：SerSer的的-OH-OH、CysCys的的-SH-SH、HisHis的咪唑基。的咪唑基。底物中典型的亲电中心：磷酰基、酰基和糖基。底物中典型的亲电中心：磷酰基、酰基和糖基。(5)(5)金属离子催化：金属离子催化：多元催化和协同效应：多元催化和协同效应：在酶催化反应中，常常是几个基元催化反应配合在一起作用。在酶催化反应中，常常是几个基元催化反应

12、配合在一起作用。活性部位微环境的影响：活性部位微环境的影响：活性部位常是疏水环境，因为介电常数低，带电基团之间的静电作用比较显著。活性部位常是疏水环境，因为介电常数低，带电基团之间的静电作用比较显著。上述因素不是同时在一个酶中起作用，也不是一种因素在所有的酶中都起作用。上述因素不是同时在一个酶中起作用，也不是一种因素在所有的酶中都起作用。有些酶的分子表面除了活性中心外，还具有重要的功能部位有些酶的分子表面除了活性中心外，还具有重要的功能部位调节中心调节中心 调节中心可以与小分子的代谢物相结合，使酶分子的构象发生改变，从而影响酶调节中心可以与小分子的代谢物相结合，使酶分子的构象发生改变，从而影响

13、酶的活性。这种作用叫别构效应的活性。这种作用叫别构效应(又叫变构效应又叫变构效应)；具有别构效应的酶叫别构酶，引起别构的小分子物质叫别构剂具有别构效应的酶叫别构酶，引起别构的小分子物质叫别构剂(效应物、调节物效应物、调节物)。第四节第四节 酶活性的调节控制酶活性的调节控制 一别构调控：一别构调控：Sequential feedback inhibition正效应物（别构激活剂）：因别构导致酶活性增加的物质。正效应物（别构激活剂）：因别构导致酶活性增加的物质。负效应物（别构抑制剂）：因别构导致酶活性降低的物质。负效应物（别构抑制剂）：因别构导致酶活性降低的物质。别构酶（变构酶）别构酶（变构酶）一

14、些含有一些含有2 2个或个或2 2个以上亚基的寡聚酶，在变构酶分子上，别构效应个以上亚基的寡聚酶，在变构酶分子上，别构效应剂的调节部位一般远离活性中心，但活性部位与调节部位之间或者活性部位之间，存在着剂的调节部位一般远离活性中心，但活性部位与调节部位之间或者活性部位之间，存在着相互作用（别构效应，协同效应）。调节物与酶分子的调节部位结合之后，引起酶分子构相互作用（别构效应，协同效应）。调节物与酶分子的调节部位结合之后，引起酶分子构象发生变化，从而提高或降低活性部位的酶活性。象发生变化，从而提高或降低活性部位的酶活性。别构酶的特点：别构酶的特点：变构酶分子上除了活性中心外，还有调节中心。这两个中

15、心处在酶蛋白的不同部位变构酶分子上除了活性中心外，还有调节中心。这两个中心处在酶蛋白的不同部位，有的在不同的亚基上，有的在同一亚基上。，有的在不同的亚基上，有的在同一亚基上。变构酶的变构酶的 v-S v-S 的关系不符合米氏方程，所以其曲线不是双曲线型。的关系不符合米氏方程，所以其曲线不是双曲线型。已知的变构酶都是寡聚酶。已知的变构酶都是寡聚酶。c别构酶与非调节酶动力学曲线的比较 由于别构酶不符合米氏方程，因而被别构酶催化反应达到最大反应速率一半时的底物浓由于别构酶不符合米氏方程，因而被别构酶催化反应达到最大反应速率一半时的底物浓度用度用SS0.50.5或或K K0.50.5代替。代替。为了区

16、分米氏酶，用协同指数（为了区分米氏酶，用协同指数（CICI）来鉴别不同的协同作用及程度。）来鉴别不同的协同作用及程度。协同指数（协同指数（CICI）：酶分子中的结合位点被底物饱和）：酶分子中的结合位点被底物饱和90%90%和饱和和饱和10%10%时底物浓度的比值。（也称时底物浓度的比值。（也称为饱和比值（为饱和比值（RsRs）。）。位点被位点被90%90%饱和时的底物浓度饱和时的底物浓度Rs=81Rs=811/n 位点被位点被10%10%饱和时的底物浓度饱和时的底物浓度n n：协同系数（：协同系数（HillHill系数）系数）米氏酶的米氏酶的Rs=81Rs=81；正协同的别构酶的正协同的别构酶

17、的Rs81Rs81Rs81，RsRs越大，负协同效应越显著。越大，负协同效应越显著。也常用也常用HillHill系数（系数（n n）来判断酶属于哪一种类型。）来判断酶属于哪一种类型。米氏酶的米氏酶的n=1n=1；正协同的酶的正协同的酶的n1n1；负协同的酶的负协同的酶的n1n1。别构效应的生理意义：酶对底物量的变化十分敏感。别构效应的生理意义：酶对底物量的变化十分敏感。对米氏酶而言，对米氏酶而言，SS9090VmVm/S/S1010VmVm8181，意思是，意思是SS提高了提高了8181倍，倍，v v才提高才提高9 9倍，说明酶对倍，说明酶对SS的变化很迟钝。的变化很迟钝。对于一般的别构酶而言

18、，对于一般的别构酶而言，SS9090VmVm/S/S1010VmVm3 3，意思是，意思是SS只要提高了只要提高了3 3倍，倍，v v就能提高就能提高9 9倍，倍，说明酶对说明酶对SS的变化很敏感。的变化很敏感。3 3K K型效应物和型效应物和V V型效应物：型效应物：K K型效应物：凡是改变底物的型效应物：凡是改变底物的K K0.50.5而不改变反应而不改变反应VmaxVmax的效应物。的效应物。V V型效应物：凡是改变反应的型效应物：凡是改变反应的VmaxVmax而不改变底物而不改变底物K K0.50.5的效应物。的效应物。4 4别构经加热或化学试剂处理，或引起别构酶解离，失去调节活性，称

19、之为脱敏作用。脱敏后别构经加热或化学试剂处理，或引起别构酶解离，失去调节活性，称之为脱敏作用。脱敏后的酶表现为米氏酶的动力学双曲线。的酶表现为米氏酶的动力学双曲线。三别构模型：三别构模型：1 1协同模型（对称模型、协同模型（对称模型、WMCWMC模型）：模型）：别构酶是由确定数目的亚基组成的寡聚酶，各亚基点有相等的地位，每个别构酶都有一个对别构酶是由确定数目的亚基组成的寡聚酶，各亚基点有相等的地位，每个别构酶都有一个对称轴。称轴。每个亚基对一种配体只有一个结合位点。每个亚基对一种配体只有一个结合位点。每种亚基有两种构象状态：每种亚基有两种构象状态：（A A）松弛型构象（）松弛型构象（R R型）

20、：有利于结合底物或调节物；型）：有利于结合底物或调节物；（B B）紧张型构象（）紧张型构象（T T型）：不利于底物或调节物的结合。它们在三级和四级结构及催化活力上都型）：不利于底物或调节物的结合。它们在三级和四级结构及催化活力上都不同。两种状态可以事业互变，这取决于外蚧条件和亚基间的相互作用。构象的转变是同步不同。两种状态可以事业互变，这取决于外蚧条件和亚基间的相互作用。构象的转变是同步的（齐变式的），不存在的（齐变式的），不存在TRTR杂合态。杂合态。当蛋白质由一种构象态转变为另一构象态时，分子对称性保持不变，因此称之为对称模型。当蛋白质由一种构象态转变为另一构象态时，分子对称性保持不变，因

21、此称之为对称模型。2 2序变模型（序变模型（KNFKNF模型）：模型）：当配体不存在时，别构酶只有一种构象状态（当配体不存在时，别构酶只有一种构象状态（T T态），而不是处于态），而不是处于R R、T T的平衡状态，只有当的平衡状态，只有当配体与之结合后才诱导配体与之结合后才诱导T T态向态向R R态转变。态转变。别构酶的构象是以序变方式进行的。存在各种别构酶的构象是以序变方式进行的。存在各种TRTR型杂合态。型杂合态。亚基间的相互作用可能是正协同效应，也可能是负协同效应，前者导致下一亚基对配体有更亚基间的相互作用可能是正协同效应，也可能是负协同效应，前者导致下一亚基对配体有更大的亲和力，后者

22、降低亲和力。大的亲和力，后者降低亲和力。非底物调节的效应，用序变模式说明较好。该模型可适用于大多数别构酶。非底物调节的效应，用序变模式说明较好。该模型可适用于大多数别构酶。氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸天冬氨酸天冬氨酸三磷酸三磷酸 胞苷胞苷氨甲酰天冬氨酸氨甲酰天冬氨酸1.天冬氨酸转氨甲酰酶，简称ATCase四别构酶实例：四别构酶实例：+ATP+CTP E.coli的的ATCase的亚基排列的亚基排列3r2+2c3 r6c6磷酸化磷酸化腺苷酰化腺苷酰化尿苷酰化尿苷酰化糖基化糖基化甲基化甲基化五可逆的共价修饰：五可逆的共价修饰：（一）磷酸化和去磷酸化：（一）磷酸化和去磷酸化：1.1.蛋白质的磷酸化和去磷酸化

23、：蛋白质的磷酸化和去磷酸化：由蛋白激酶催化的把由蛋白激酶催化的把ATPATP或或GTPGTP的的位磷酸基转移到底物蛋白质的位磷酸基转移到底物蛋白质的AAAA上的过程。其上的过程。其逆过程是逆过程是去磷酸化（由蛋白磷酸酶催化）去磷酸化（由蛋白磷酸酶催化）在生理条件下，几乎所有的蛋白激酶都以在生理条件下，几乎所有的蛋白激酶都以ATPATP为磷酸基的供体，且都需要为磷酸基的供体，且都需要MgMg2+2+，其功能是，其功能是ATPATP被利用前首先要与被利用前首先要与MgMg2+2+形成形成ATP-MgATP-Mg2+2+复合物。复合物。根据被磷酸化的根据被磷酸化的AAAA分类：分类：（1 1）Thr

24、Thr、SerSer、TyrTyr、AspAsp、GluGlu的的POPO键连接；键连接；（2 2）LysLys、ArgArg、HisHis的的PNPN键连接。键连接。被磷酸化的被磷酸化的AAAA附近的附近的AAAA组组成和顺序常是激酶识别的区成和顺序常是激酶识别的区域域蛋白质的高级结构也对激蛋白质的高级结构也对激酶的识别产生很大影响。酶的识别产生很大影响。Regulation of glycogen phosphorylase activity2 2蛋白激酶：蛋白激酶：蛋白激酶是一个非常大的家族，目前已经发现至少蛋白激酶是一个非常大的家族，目前已经发现至少200200多种蛋白激酶。该家族的酶

25、在结构上多种蛋白激酶。该家族的酶在结构上具有很大的相似性，特别是催化亚基或催化部分。具有很大的相似性，特别是催化亚基或催化部分。根据底物蛋白被磷酸化的根据底物蛋白被磷酸化的AAAA可分为：可分为：SerSer型和型和TyrTyr型。型。根据是否有调节物来分根据是否有调节物来分 信使依赖性蛋白激酶信使依赖性蛋白激酶 非信使依赖性蛋白激酶非信使依赖性蛋白激酶 胞内信使依赖性胞内信使依赖性蛋白激酶蛋白激酶 激素或生长因子激素或生长因子依赖性蛋白激酶依赖性蛋白激酶 3 3几种重要的蛋白激酶：几种重要的蛋白激酶：蛋白激酶蛋白激酶A A（cAMPcAMP依赖性蛋白激）：依赖性蛋白激）：蛋白激酶蛋白激酶C

26、C：磷酸化酶激酶：磷酸化酶激酶：a)a)蛋白酪氨酸激酶：蛋白酪氨酸激酶：（二）（二）酶原的激活酶原的激活催化相同的化学反应，但其蛋白质分子结构、理化性质和免疫性能等方面都存在明显差催化相同的化学反应，但其蛋白质分子结构、理化性质和免疫性能等方面都存在明显差异的一组酶。异的一组酶。不同点：体外：理化性质不同点：体外：理化性质 体内：催化特性、分布的部位、体内：催化特性、分布的部位、生物学功能生物学功能 每组同工酶中各种酶的异同：每组同工酶中各种酶的异同：相同点：催化相同的化学反应相同点：催化相同的化学反应,大多数是寡聚酶。大多数是寡聚酶。第五节第五节 同工酶同工酶 LDHLDH是是1959195

27、9年发现的第一个同工酶。年发现的第一个同工酶。由由4 4个亚基组成的寡聚酶，亚基分为个亚基组成的寡聚酶，亚基分为M M型和型和H H型。型。因此可以装配成五种四聚体：因此可以装配成五种四聚体：H H4 4(LDH(LDH1 1)、H H3 3M(LDHM(LDH2 2)、H H2 2M M2 2(LDH(LDH3 3)、HMHM3 3(LDH(LDH4 4、M M4 4(LDH(LDH5 5)不同的不同的LDHLDH分布在不同组织中。例如，脊椎动物心脏中主要是分布在不同组织中。例如，脊椎动物心脏中主要是 LDHLDH1 1，而骨骼肌的则是，而骨骼肌的则是LDHLDH5 5。乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶

28、 (lactate dehydrogenase(lactate dehydrogenase，LDH)LDH)对于适应不同的组织、器官的不同生理需要非常重要；是代谢调节的一对于适应不同的组织、器官的不同生理需要非常重要；是代谢调节的一种重要方式。种重要方式。同工酶的作用：同工酶的作用：同工酶物理性质差异：同工酶物理性质差异：aaaa组成和顺序不同组成和顺序不同催化特性不同催化特性不同电泳行为不同电泳行为不同组织、器官中分布不同组织、器官中分布不同生理功能不同生理功能不同 是研究代谢调节、个体发育、细胞分化、分子遗传等方面的有力工具。是研究代谢调节、个体发育、细胞分化、分子遗传等方面的有力工具。研究蛋白质结构和功能的好材料。研究蛋白质结构和功能的好材料。在临床医学、农业遗传育种、病理分析上都有应用价值在临床医学、农业遗传育种、病理分析上都有应用价值 。同工酶可作为遗传标志。同工酶可作为遗传标志。