第10章 酶的作用机制和酶的调节
酶的作用和作用机理有哪些
酶的作用和作用机理有哪些
酶是一类生物大分子催化剂，在生物体内发挥着重要的作用。
酶通过降低活化能，加快化学反应速率，促进生物体内的代谢活动和生长发育过程。
酶的作用机理涉及酶与基质的结合、底物的结合与转化等关键步骤。
酶的作用
生物催化剂
酶作为生物体内的催化剂，能够在较低的温度和压力条件
下加速生物体内的化学反应，降低能量消耗，提高反应速率。
底物特异性
不同的酶对应不同的底物，具有底物特异性，只能催化特
定的反应。
反应后酶的再生
酶在反应中不消耗，反应后可以再次参与催化其他底物反应，实现循环利用。
酶的作用机理
酶与基质的结合
酶在活性位置与基质形成酶-基质复合物，通过特定的结合
方式促进底物分子准确定位到酶的活性部位。
底物结合与转化
酶与底物结合后，通过特异性的催化作用，降低化学反应
的活化能，促进底物分子的转化。
酶的构象变化
在底物与酶结合后，酶发生构象的变化，使底物更容易发生化学反应，从而加速反应速率。
不改变反应自由能变化
酶催化过程中不改变反应自由能变化，只是加速反应的过程，达到快速平衡。
综上所述，酶通过特定的作用机理促进生物体内复杂的代谢过程，加速化学反应速率，实现生命活动的正常进行。
对于生物体的生长、发育以及代谢过程都具有不可或缺的作用。
一酶的活性中心
第 10 章 酶 必需基团:酶分子中有些基团若经化学修饰（氧 的 化、还原、酰化、烷化）使其改变，则酶的活 作 性丧失，这些基团称为必需基团。 用 机 非必需基团：有的酶温和水解掉几个AA残基， 制 仍能表现活性，这些基团即非必需基团。 和 酶 的 调 节
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多 元 催 化
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第 10 章 酶 的 作 用 机 制 和 酶 的 调 节
（一）邻近定向效应
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的效应叫做邻近效应。 有利于提高反应速度； 定向效应：由于活性中心的立体结构和相关基 团的诱导和定向作用，使底物分子中参与反应 的基团相互接近，并被严格定向定位，使酶促 反应具有高效率和专一性特点。
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第 10 章 酶 的 作 用 机 制 和 酶 的 调 节
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第 10 章 酶 的 作 用 机 制 和 酶 的 调 节
（六） 多元催化和协同效应
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。
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。 对于结合酶而言，还包括辅酶和辅基上的一些结构基团。
酶的作用机理有哪些
酶的作用机理有哪些酶是一类具有生物催化功能的蛋白质，它在生物体内起着至关重要的作用。
酶通过降低反应的活化能，加速了生物体内的化学反应，实现了生物体内的新陈代谢、生长和繁殖等生命活动。
那么，酶的作用机理究竟是如何实现的呢？1. 酶的底物亲和力酶的底物亲和力是酶催化反应的基础。
酶能够特异性地结合其底物形成酶-底物复合物，并在复合物中使底物发生化学变化。
酶与底物之间的结合是通过酶的活性部位与底物的亲和作用实现的，这种亲和力保证了酶只在特定的底物上发挥作用。
2. 酶的催化作用酶能够降低反应的活化能，使底物之间更容易发生反应。
酶与底物结合后，通过调整底物的构型或提供辅助功能团，降低了化学反应的能量峰值，促使底物之间的键合和断裂更容易进行。
这种催化作用使得生物体内的反应能够在较温和的条件下进行，节省了能量消耗。
3. 酶的稳定性酶在反应中本身并不消耗，反复使用并保持稳定是酶作用的重要机理之一。
酶在一定的温度和pH范围内能够保持其催化活性，这得益于酶分子的空间构象稳定以及酶的特定结构对环境条件的适应性。
4. 酶的调控机制酶的活性往往受到多种调控因素的影响，如温度、pH值、离子浓度、辅因子、抑制物等。
这些因素能够改变酶的构象或与酶结合，进而影响酶的活性。
酶在生物体内往往处于动态平衡状态，在不同的条件下能够调整自身的活性以适应生物体的需要。
综上所述，酶的作用机理主要包括底物亲和力、催化作用、稳定性和调控机制等几个方面。
了解酶的作用机理有助于我们更好地理解生物体内的化学反应过程，同时也为生物医学和生物工程领域的研究提供了重要理论基础。
酶的作用机理
酶的作用机理
酶是一类生物大分子催化剂，能够在生物体内加速化学反应速度，并在反应结束后不被消耗或改变。
酶在生物体内扮演着至关重要的角色，而其作用机理是通过一系列复杂的过程来实现的。
酶的结构
酶通常由蛋白质组成，蛋白质是由氨基酸组成的多肽链。
酶的活性部位是其结构中特定的区域，这里的氨基酸序列决定了酶的特定催化活性。
酶在反应过程中与底物结合形成酶-底物复合物，通过与底物分子的作用来催化反应。
酶的作用过程
酶的作用过程可以分为几个关键步骤：
1.底物结合：酶通过与底物特定的结合方式形成酶-底
物复合物。
2.过渡态形成：酶通过调整底物分子的构象，降低反
应所需的活化能，促进反应速率。
3.反应催化：酶引导底物分子以特定方式相互作用，
使得反应发生特定的化学变化。
4.产物释放：反应结束后，酶释放产生的产物，准备
接受新的底物继续催化反应。
酶与底物的相互作用
酶与底物之间的相互作用是通过亲和性来实现的。
亲和力越高，酶对底物的结合效率就越高，反之亦然。
酶结合底物后会发生构象变化，从而稳定底物分子在合适的位置和构象以促进反应的进行。
酶的催化机理
酶催化反应的机理可以分为两种：锁-键模型和诱导拟合模型。
在锁-键模型中，酶和底物之间的结合就像锁和钥匙的关系，具有高度特异性。
而在诱导拟合模型中，酶在与底物结合后发生构象变化，从而调整底物的构象以促进反应。
总的来说，酶通过其特殊的结构和活性部位，在生物体内实现了高效的催化作用，从而调节并加速生物体内的代谢和生化反应，对维持生命活动起着至关重要的作用。
第10章 酶的作用机制和酶的调节
10第十章 酶的作用机制和酶的调节
第十章酶的作用机制和酶的调节目的和要求：理解、掌握酶活性部位的相关概念和特点；掌握酶催化高效性的相关机理；了解几种酶的催化机制，理解结构和功能的适应性；了解酶活性的调节方式，掌握酶活性的别构调节、可逆共价调节和酶原激活调节方式及生物代谢中的作用。
一、酶的活性部位㈠酶的活性部位的特点1、概念：三维结构上比较接近的少数特异的氨基酸残基参与底物的结合与催化作用，这一与酶活力直接相关的区域称酶的活性部位。
结合部位：专一性催化部位：催化能力，对需要辅酶的酶分子，辅酶或其一部分就是活性中心的组成部分；组成酶活性部位的氨基酸数目对不同酶而言存在差异，占整个酶氨基酸残基小部分酶活性部位的基团：亲核性基团，丝氨酸的羟基，半胱氨酸的巯基和组氨酸的咪唑基。
酸碱性基团：天冬氨酸和谷氨酸的羧基，赖氨酸的氨基，酪氨酸的酚羟基，组氨酸的咪唑基和半胱氨酸的巯基等。
2、特点⑴活性部位在酶分子的总体中只占相当小的部分（1%～2%）⑵酶的活性部位是一个三维实体⑶酶的活性部位并不是和底物的形状互补的⑷酶的活性部位是位于酶分子表面的一个裂隙内⑸底物通过次级键结合到酶上⑹酶活性部位具有柔性㈡研究酶活性部位的方法1、酶分子基团的侧链化学修饰⑴非特异性共价修饰：活力丧失程度与修饰剂浓度有正比关系；底物或可逆的抑制剂可保护共价修饰剂的修饰作用。
⑵特异性共价修饰：分离标记肽段，可判断活性部位的氨基酸残基，如二异丙基氟磷酸（DFP）专一性与胰凝乳蛋白酶活性部位丝氨酸残基的羟基结合。
⑶亲和标记：利用底物类似物和酶活性部位的特殊亲和力将酶加以修饰标记来研究酶活性部位的方法。
修饰剂的特点：①结构与底物类似，能专一性引入到酶活性部位；②具活泼化学基团，能与活性部位某一氨基酸共价结合，相应的试剂称“活性部位指示剂”。
胰凝乳蛋白酶和胰蛋白酶，TPE是酶的底物，TPCK是酶的亲和试剂，当酶与TPCK温浴后，酶活性丧失，这种结合具有空间结构的需求，同时也阻止其他试剂如DFP结合。
《生物化学》酶的作用机制和酶的调节
side view
胃蛋白酶原
在pH5.0以下断裂 切去44个氨基酸片断
胃蛋白酶
溶菌酶
必需基团
酶的活性中心往往只是包括酶蛋白的几个氨基酸残 基，而对于活性中心以外的氨基酸残基，并非是可有可无 的，有些氨基酸残基也是酶表现催化活性所必需的，称为 必需基团。因此酶的活性中心属于必需基团的一部分，必 需基团还包括其它一些对酶活性必需的氨基酸残基。
(五)金属离子催化
1、需要金属的酶分类 （1）金属酶 含紧密结合的金属离子，多属于过渡金 属离子如，Fe2+、Fe3+、Cu2+、Zn2+、 Mn2+或Co3+。 （2）金属-激活酶 含松散结合的金属离子，通常为碱和碱 土金属离子，如Na+、K+、Mg2+或Ca2+。
(五)金属离子催化
2、金属离子以三种主要途径参加催化过程： （1）通过结合底物为反应定向 （2）通过可逆的改变金属离子的氧化态调 节氧化还原反应 （3）通过静电稳定或屏蔽负电荷
（一）酶活性部位的特点
1、活性部位在酶分子的总体中只占相当小的部分。 2、酶的活性部位是一个三维实体。 3、酶的活性部位并不是和底物的形状正好互补的，而 是在酶和底物结合的过程中，底物分子或酶分子, 有 时是二者构象同时发生变化后才互补的。 （诱导 契合学说）。 4、酶的活性部位位于酶分子表面的一个裂缝内，底物 分子结合到裂缝内并发生催化作用。 5、底物通过次级键较弱的的力结合到酶上。 6、酶活性部位具有柔性或可运动性。
广义酸基团 （质子供体） 广义碱基团（质子受体）
(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汲 取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。
酶的作用和作用机理
酶的作用和作用机理
在生物化学领域中，酶是一类高效的催化剂，对生物体内各种生物化学反应起着至关重要的作用。
酶在细胞内起到了调控代谢途径、合成分子和分解废物等重要功能。
本文将探讨酶的作用与作用机理。
酶的作用
酶在生物体内参与了各个生物化学反应，可以加速反应速率，降低活化能，从而促进生物体的正常代谢。
以消化系统为例，唾液中的唾液淀粉酶可以催化淀粉分解成葡萄糖，使得食物中的多糖得以被吸收。
类似地，胃蛋白酶可以将蛋白质分解成氨基酸，以供生物体合成自身所需的蛋白质。
此外，酶还可以通过调控代谢路径来维持细胞内的稳态。
例如，ATP合成酶和ATP分解酶协调合成和分解ATP，保持细胞内ATP的水平，从而满足细胞对能量的需求。
酶的作用机理
酶的作用机理主要是通过诱导适当的环境条件，使得底物能够更容易地进入酶的活性中心，并促使反应发生。
酶的活性中心通常是一个具有特定结构的裂解活性相对较高的部分。
酶的活性中心与底物结合后形成酶底物复合物，而这个复合物的形成使得反应能够以更少的活化能发生。
此外，酶的活性会受到温度、pH值等环境条件的影响。
一般来说，酶对于适宜的温度和pH值会有最高的活性，当环境条件偏离适宜范围时，酶的活性会受到影响。
这也是为什么在一些生物学实验中，需要严格控制温度和pH值的原因。
总的来说，酶作为生物体内重要的催化剂，在调控细胞代谢、合成和分解各种生物分子等方面发挥着非常重要的作用。
通过了解酶的作用和作用机理，可以更好地理解生物体内种种生物化学过程的本质。
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第10章酶的作用机制和酶的调节
教学目的：掌握酶的活性部位结构与功能、酶活性的别构调节、酶原激活，了解酶高效性原因
教学重点：酶活性部位的结构与功能及酶的活性的别构调节
教学难点：酶活性的别构调节
教学方法：多媒体
教学内容：
一、酶的活性部位及确定方法
（一）酶活性部位概念及特点
1、酶的活性中心(活性部位):指酶分子中的表面有一个必需基团比较集中、并构成一定空间结构的微小区域。
酶活性中心的基团,按其功能可分为结合基团和催化基团。
活性中心的基团都是维持酶活性的必需基团，
2、酶活性部位的共同点：
（1）酶活性部位仅占酶体积的很小一部分，通常只占整个酶分子体积的1~2%，酶分子是大分子物质，由很多氨基酸构成，而活性部位仅由几个氨基酸残基组成
催化部位一般由2~3个氨基酸残基组成。
结合部位氨基酸残基数目，不同的酶有所不同。
可能是一个，也可能是多个。
（2）酶的活性部位具有三维结构，构成酶活性中心的基团，可位于同一条肽链上，也可位于不同的肽链上，在一级结构上可能相距甚远，但在空间结构上位置必须相互靠近；酶的空间结构受物理或化学因素影响时，酶的活性部位可能会遭破坏，酶会失活。
（3）活性中心的结合基团与底物专一性结合，这需要活性部位的基团精确排列。
活性部位具有一定的柔韧性,活性部位的结构并不是与底物的结构正好互补。
在酶与底物结合过程中，酶活性中心的构象在底物的诱导下可发生形变，然后嵌合互补形成中间产物，而底物在酶活性中心的诱导下也可发生形变，变的易与酶结合，有时是两者的构象同时发生变化后才互补契合（诱导契合学说）。
（4）酶活性部位位于酶分子表面的一个裂缝内，底物分子或底物分子的一部分结合到裂缝中，裂缝内的非极性基团较多，形成一个疏水环境，提高与底物的结合能力，也有极性的氨基酸残基，以便与底物结合并催化底物发生反应。
（5）底物通过较弱的次级键与酶结合。
组成酶活性中心的氨基酸残基，常见的有：组氨酸、赖氨酸、天冬氨酸、谷氨酸、丝氨酸、半胱氨酸和酪氨酸
3、研究酶活性部位的方法
（1）共价修饰
（2）亲和标记法
（3）切除法
（4）X射线晶体结构分析法
二、酶促反应机制
（一）基元催化的分子机制：酶的催化作用包括若干基元催化。
1、酸碱催化
2、共价催化
3、金属离子催化
（二）酶具有高催化能力的原因
1、底物与酶的邻近效应与定向效应
2 、底物分子中的敏感键发生“张力”与“形变”
3、电荷极化和多元催化
4、酶活性部位微环境的影响
二、酶活性的别构调节
（一）酶的别构效应
别构调节酶又叫配体调节酶或变构酶,别构酶的活性部位与调节部位。
别构剂（或效应物），凡能使酶分子发生别构效应的物质叫别构物或效应物；因别构效应导致酶活性增加的物质叫正效应物或别构激活剂，因别构效应导致酶活性降低的物质叫负效应物或别构抑制剂。
别构物可以是代谢的中间产物或终产物或底物或其它物质。
如果别构物是底物，这种别构调节叫同促别构效应；这种酶分子上有两个以上底物结合部位，当一个底物与酶的一个亚基结合后，可以改变另一底物分子与酶的另一亚基结合，如果一个亚基的活性部位与底物结合后，增加了其余亚基上空活性部位与另一底物结合，这种调节叫正同促效应（或正协同同促作用），这种酶叫正同促别构酶（或正协同同促酶），如果降低了其余亚基上空活性部位与另一底物结合，叫负同促效应（负协同同促作用），这种酶叫负同促效应酶（或负协同同促酶）。
如果别构物不是底物，这种调节属于异促别构效应。
这种酶的活性部位可与底物结合，调节部位与效应物结合，这种酶叫异促效应酶。
如天冬氨酸转氨甲酰酶的底物——天冬氨酸，效应物是CTP和ATP，即效应物不是底物。
很多别构酶既具有同促效应又具有异促效应。
既受底物分子的调节，也受底物分子以外的其它代谢分子调节。
(二) 别构酶的特点
1、已知的别构酶都是寡聚酶
2、别构酶的动力学，是“S”形曲线，“S”曲线的特点：在某一底物浓度范围内，只要[S]有较小的改变就能引起酶促反应速度较大的改变。
对于负协同酶，v对[S]作图，类似于米氏双曲线，但又不完全相同，我们叫“表观双曲线”，
3、对于异促别构酶，调节物对别构酶的底物饱和曲线影响比较复杂，可将异促效应酶和异促效应物分为K系统和V系统寻找共性
K系统的效应物叫K型效应物，凡是改变底物的K0.5而不改变反应的Vmax的效应物叫K型效应物；异促激活剂的K0.5变小，异促抑制剂的K0.5变大。
V系统的V型型效应物，凡是改变Vmax而不改变K0.5的效应物为V型效应物，异促激活剂的Vmax变大，异促抑制剂的Vmax变小。
目前常用齐变模型和序变模型解释别构酶的调节机制。
1、齐变模型（协同模型、对称模型或WMC模型）：
2、序变模型（或渐变模型或KNF模型）
三、别构酶举例——天冬氨酸转氨甲酰酶(ATCase)
1、ATCase的结构
2、催化特点：
四、酶的共价修饰调节
（一）酶的可逆共价修饰调节（化学修饰调节）
1、概念：通过其它酶对酶分子中的某些基团进行化学修饰，使酶处于活性和无活性的互变状态，达到调节酶活性的目的。
2、特点：
（1）被修饰的酶有活化型和非活化型两种，在特定酶催化下可互变。
（2）在特定酶催化下，被修饰酶可逆地与某一化学基团结合，改变酶分子构象，影响
酶活性，不涉及共价键变化
（3）磷酸化的化学修饰要消耗能量，一个亚基进行磷酸化要消耗一个ATP。
（4）化学修饰具有放大作用。
（5）共价修饰常见的几种形式
•磷酸化与脱磷酸化
•甲基化与脱甲基化
•腺苷化与脱腺苷化
•-SH与-S-S-的互变
（二）酶原的激活——不可逆共价调节
无活性的酶是有活性酶的前体称为酶原。
酶原转变成有活性的酶的过程称为酶原的激活。
这个过程实质上是酶活性中心的形成和暴露的过程。
1、胰凝乳蛋白酶的活化
胰凝乳蛋白酶在胰脏中合成，以酶原的形式分泌到十二指肠中，在这里被激活。
该酶原是含245个氨基酸残基的一条肽链组成，由5个二硫键维系立体结构。
当此酶原受到胰蛋白酶作用后，在Arg15与Ile16间的肽键切断，产生具有很高催化活性的π-胰凝乳蛋白酶，但不稳定。
此π-胰凝乳蛋白酶再作用于其它π-胰凝乳蛋白酶，使其失去2个二肽（Ser14-Arg15和Thr147-Asn148),形成稳定的α-胰凝乳蛋白酶，α-胰凝乳蛋白酶由3条肽链（A、B、C）组成，在A与B、B与C肽链之间有二硫键相连。
α-胰凝乳蛋白酶只有π-胰凝乳蛋白酶活性的40%，但它能稳定存在。
2、胃蛋白酶的激活
胃蛋白酶原是胃壁细胞分泌的，在胃腔中被激活。
胃蛋白酶原由392个氨基酸残基组成。
胃蛋白酶原的激活过程是：在胃酸（HCI)或本身作用下，从N-末端水解下44个氨基酸残基——碱性的前体多肽片段，变成高度酸性的有活性的胃蛋白酶。
在pH高（中性）时，切下的碱性前体多肽片段中的6个Lys和Arg的侧链与胃蛋白酶的Glu和Asp侧链的羧基形成盐键，这时胃蛋白酶原无活性，在pH1~2时，羧基质子化，碱性前体多肽片段不能与胃蛋白酶Glu和Asp的羧基结合，而从胃蛋白酶上解离下来，酶原构象变化，形成和暴露出酶的活性中心，将前体水解，酶原表现出活性的酶。
3、胰蛋白酶原的激活
胰蛋白酶原是在胰脏中合成的，在肠腔中在有Ca2+的环境中由肠激酶或胰蛋白酶激活。
胰蛋白酶的激活过程是：肠激酶或胰蛋白酶在Lys6-Ile7切断肽键，即从N-末端切下一个6肽，导致酶的构象发生变化，使组氨酸、丝氨酸的氨基酸的残基互相靠近，构成活性中心。
完成酶原激活。
胰蛋白酶在胰脏分泌蛋白酶原激活过程中具有重要作用。
五、同工酶(isoenzyme)
1、概念：能催化相同的化学反应，但在蛋白质分子结构、理化性质和免疫性能等方面都存在明显差异的一组酶。
如：乳酸脱H酶是由四个亚基组成的寡聚酶，亚基分为两种，H型（心肌型）、M型（骨骼肌型），后来在鼠、兔和动物睾丸及精子中发现了乳酸脱H酶的另一种同工酶，即LDH—X，也是四聚体，构成LDH-X的亚基称为C亚基。
2、生物学功能
本章作业：P195第1、2、3题。