第三节酶的作用机制和酶的调节

第三节酶的作用机制和酶的调节 • 酶的活性部位 • 影响酶催化效率的有关因素 • 酶活性的调节控制 • 同工酶

一、酶的活性部位 活性部位：酶分子中直接与底物结合，并和酶催化作用直接有关的部位。酶的活性部位的特点：（1）在酶分子的总体积中只占相当小的部分。（2）酶的活性部位是一个三维实体（3）酶的活性部位与底物的形状并不是正好互补（4）酶的活性部位位于酶分子表面的一个裂缝内（5）底物通过次级健结合到酶上

基本概念： 酶的活性中心包括两个功能部位：结合部位和催化部位。结合部位（ Binding site）酶分子中与底物结合的部位或区域。此部位决定酶的专一性。催化部位（ catalytic site ）酶分子中促使底物发生化学变化的部位。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。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。

专一性：识别底物并与之特异结合 结合基团活性部位催化性质：使底物的敏感健断裂催化基团必需基团维持酶的空间结构：主要是Cys上的-SH基

二、影响酶催化效率的有关因素： 1.底物与酶的邻近效应和定向效应邻近效应：在酶促反应中，由于酶和底物分子结合形成中间复合物以后，酶的催化基团与底物之间结合于同一分子而使有效浓度大大增加的效应叫做邻近效应。定向效应：由于酶和底物分子结合形成中间复合物以后，酶的催化基团和底物的反应基团正确定向排列产生使酶促反应易于进行的效应叫做定向效应。

2.酶使底物分子中的敏感键发生变形 酶-底复合物形成时，酶分子构象发生变化，底物分子也常常受到酶的作用而发生变化，甚至使底物分子发生扭曲变形，从而使底物分子某些键的键能减弱，产生键扭曲，有助于过度态的中间产物形成,从而降低了反应的活化能。

3.酸－碱催化 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。 His 是酶的酸碱催化作用中最活泼的一个催化功能团。(pK=6)

4.共价催化 又称亲核或亲电子催化。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，称为共价催化。 5.金属离子的催化作用金属离子的催化作用往往和酸的催化作用相似，有多种途径参加催化过程。（结合底物为反应定向；调节氧化还原反应；静电稳定或屏蔽负电荷）

6.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。（水的极性和形成氢键的能力都较强，能够减弱极性基团间的相互作用。）

7.多功能催化作用 • 酶的活性中心部位，一般都含有多个起催化作用的基团，这些基团在空间有特殊的排列和取向，可以对底物价键的形变和极化及调整底物基团的位置等起到协同作用，从而使底物达到最佳反应状态。

三、酶活性的调节控制 • 生物体内的各种生理活动均以一定的物质代谢为基础。为了适应某种生理活动的变化，需要对一定的代谢活动进行调节。 • 通过对酶的催化活性的调节，就可以达到调节代谢活动的目的。 • 可以通过改变其催化活性而使整个代谢反应的速度或方向发生改变的酶就称为限速酶或关键酶。

（一）别构调节（变构调节）： • 某些代谢物能与别构酶分子上的别构部位特异性结合，使酶的分子构象发生改变，从而改变酶的催化活性，这种调节作用就称为别构调节。 • 具有变构调节作用的酶就称为变构酶。 • 凡能使酶分子变构并使酶的催化活性发生改变的代谢物就称为变构剂（效应物）。

活性中心 变构中心变构酶结构上有活性中心和变构中心两个中心可位于不同亚基或同一亚基的不同部位上。对底物的结合和催化作用调节酶反应速度的作用别构酶一般都是寡聚酶。

协同效应： • 当变构酶的一个亚基与其配体（底物或变构剂）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，这种效应就称为变构酶的协同效应。 • 如果对相邻亚基的影响是导致其对配体的亲和力增加，则称为正协同效应；反之，则称为负协同效应。 • 如果调节物是底物则称为同促协同效应。 • 如果调节物是底物以外的其他代谢物则称为异促协同效应。

v [S]90%V —— ＜ 81 [S]10%V [S]90%V —— ＞ 81 [S]10%V [S] • 别构酶表现出与一般酶不同的性质，不遵循米氏方程，观察变构酶的底物浓度对酶促反应速度影响时，可发现ν～[S]为一“S”形曲线。这是由于底物对变构酶存在正协同效应。位点被90%饱和时的底物浓度协同指数Rs= =811/n 位点被10%饱和时的底物浓度 n为协同系数Hill系数别构酶鉴别 Rs=81 米氏酶 Rs<81 正协同别构酶 Rs>81 负协同别构酶 Hill =1 米氏酶 Hill>1 正协同别构酶 Hill<1 负协同别构酶

变构调节的方式： • 变构酶通常为代谢途径的起始关键酶，而变构剂则为代谢途径的终产物。因此，变构剂一般以反馈方式对代谢途径的起始关键酶进行调节，最常见的为负反馈调节。

（二）可逆共价修饰调节： • 酶蛋白分子中的某些基团可以在其他酶的催化下发生可逆共价修饰，从而导致酶活性的改变，称为可逆共价修饰调节。 • 共价修饰调节也是体内快速调节代谢活动的一种重要的方式。 • 最常见的共价修饰方式有：磷酸化-脱磷酸化，-SH - -S-S-，乙酰化-脱乙酰化，腺苷化-脱腺苷化等。

共价修饰酶通常在两种不同的酶的催化下发生修饰或去修饰，从而引起酶分子在有活性形式与无活性形式之间进行相互转变。共价修饰酶通常在两种不同的酶的催化下发生修饰或去修饰，从而引起酶分子在有活性形式与无活性形式之间进行相互转变。

4ADP 4ATP 磷酸化酶磷酸酶磷酸化酶激酶磷酸化酶a 4H2O 4Pi 磷酸化酶b 磷酸化酶激酶(PhK) 磷酸化酶是糖的分解代谢一个关键酶，有具活性的磷酸化酶a和无活性的磷酸化酶b 2种存在形式，它们之间的转化是由磷酸化酶激酶来调节的。磷酸化酶b 去磷酸化，无活性磷酸化酶a 磷酸化，有活性

（三）酶原的激活： • 处于无活性状态的酶的前身物质就称为酶原。 • 酶原在一定条件下转化为有活性的酶的过程称为酶原的激活。 • 酶原的激活过程通常伴有酶蛋白一级结构的改变。 • 这个过程实质上是酶活性部位形成和暴露的过程。为不可逆的过程。胰蛋白酶/肠激酶胰蛋白酶原————————→胰蛋白酶+ N端6肽片段

消化系统蛋白酶原的激活 血液凝固系统的许多酶原的激活 • 酶原激活的机制为：酶原分子一级结构的改变导致了酶原分子空间结构的改变，使活性中心得以形成，故使其从无活性的酶原形式转变为有活性的酶。

胰蛋白酶原 肠激酶弹性蛋白酶原胰凝乳蛋白酶原胰凝乳蛋白酶弹性蛋白酶消化系统蛋白酶原的激活生理意义在于：保护自身组织细胞不被酶水解消化。胰腺的蛋白酶胰腺中存在胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶和弹性蛋白酶的酶原，它们转移到小肠后，首先是胰蛋白酶原被肠激酶断裂，然后胰蛋白酶进一步激活其它两个酶。胰蛋白酶

1 13 14 15 16 146147148149 245 胰蛋白酶在Arg15,Ile16断裂 1 13 14 15 16 146147148149 245 π-胰凝乳蛋白酶在Leu13,Tyr146和Asn148自我消化 1415 147148 Leu Ile Tyr Ala 1 13 16 146 149 245 A链 B链 C链胰凝乳蛋白酶的活化过程胰凝乳蛋白酶原（无活性） π-胰凝乳蛋白酶（有活性） α-胰凝乳蛋白酶（有活性）

激肽原---激肽释放酶 Ⅶ Ⅶa Ⅶa Ⅶ Ⅺ Ⅺa Ⅸ Ⅸa 凝血酶原（ Ⅱ ） Ⅸ Ⅸa Ⅷ Ⅷa Ⅹ Ⅹa 凝血酶（Ⅱa） Ⅹ Ⅴ Ⅴa 血纤蛋白原（ Ⅰ ）血纤蛋白（ Ⅰa ） Ⅷ Ⅷa 血液凝固机制内部途径损伤表面外部途径损伤交联血纤蛋白凝块

三、同工酶的调节 • 催化相同的化学反应，但其蛋白质分子的结构、理化性质及免疫性能等都存在明显差异的一组酶称为同工酶(isoenzyme)。 • 同工酶在体内的生理意义主要在于适应不同组织或不同细胞器在代谢上的不同需要。

骨骼肌型 x亚基心肌型 X X X x X LDH1(H4) LDH2 (M H3) LDH3 (M2H2) LDH4(M3H) LDH5(M4) LDHx (x4) M M M M M M M M M M M 睾丸、精子心肌 H H H H H H H H H H H 肝脏骨骼肌 • 乳酸脱氢酶同工酶（LDHs）为四聚体，在体内共有六种分子形式，即LDH1（H4），LDH2（H3M），LDH3（H2M2），LDH4（HM3），LDH5（M4）和LDHx。乳酸脱氢酶（LDH）：三种类型的亚基亚基组成表达方式主要分布

LDH有组织特异性， LDH1在心肌中相对含量高，而LDH5在骨骼肌和肝脏中相对含量高。因此，LDH同工酶相对含量的变化在一定程度上更敏感地反映某脏器的功能状况，临床上常利用这些同工酶在血清中相对含量的改变作为某脏器病变鉴别诊断的依据。

第三节酶的作用机制和酶的调节

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