中南大学生物化学考研ch15酶特性和调控
生物化学中的酶调控机制
生物化学中的酶调控机制酶是生物体内的一类催化剂，具有提高化学反应速率、降低活化能等特点。
在生物体内，酶参与了许多重要的代谢途径，因此它们的活性需要受到调控，以维持正常的代谢水平。
酶的调控机制涉及了许多因素，包括基因调控、转录后修饰、孢霉素调控、抑制剂等，其中最为重要的是后者。
下面将对酶的调控机制进行详细介绍。
一、抑制剂调控抑制剂是一类化学物质，可以抑制酶的催化活性。
在生物体内，抑制剂的作用可分为竞争性抑制和非竞争性抑制两种。
竞争性抑制是指抑制剂与底物互相竞争结合活性中心，从而降低酶的催化作用。
非竞争性抑制是指抑制剂不与底物竞争结合，而是结合在酶的其他部位上，从而影响酶的构象，降低其催化活性。
抑制剂可以分为四类：竞争性抑制剂、非竞争性抑制剂、不可逆抑制剂和反式调节剂。
竞争性抑制剂的作用机理是通过与底物竞争结合酶的活性中心，降低酶催化的速率和效率。
例如，甲状腺素合成过程中的酪氨酸加氧酶就会受到碘离子的竞争性抑制。
碘离子与酶的活性中心结合，阻止了底物酪氨酸的结合，从而降低了酶的催化活性。
非竞争性抑制剂是指抑制剂不与底物竞争，而是结合在酶分子的其他部位上。
非竞争性抑制剂结合酶分子的特定部位会引起构象改变，从而影响酶的催化活性。
这种调控机制常见于代谢途径中的反馈抑制。
例如，异亮氨酸在合成过程中，苏氨酸通过非竞争性抑制作用，在酶的外侧结合，使酶构象发生改变，从而降低了酶的催化作用。
不可逆抑制剂是指抑制剂与酶结合后，不再与酶分离，从而形成永久性的抑制作用。
这种调控机制经常产生在毒性物质中。
例如，实验室中常用硝酸银作为环状核苷酸序列的植物病毒检测试剂，它可以与DNA中的鸟嘌呤结合形成永久性复合物，从而抑制DNA聚合酶的活性。
反式调节剂是指一种物质，与酶结合后改变酶的构象和催化特性，但与抑制剂不同的是，调节剂可以使酶的催化活性增强或者降低。
这种调控机制常见于代谢途径中的反馈激活。
例如，某些代谢途径中积累的底物，会通过反式调节作用激活之前被抑制的酶，从而加速代谢速率。
生物化学酶促反应动力学酶的作用机制和酶的调节讲课文档
初速度
产 酶促反应速度逐渐降低
物
0
时间
酶促反应的时间进展曲线
第十二页，共165页。
v 在其他因素不变的情况下，底物浓度对反应速度的 影响呈矩形双曲线关系。
V
反 应 初 速 度
0
底 物 浓 度 [S]
反应初速度随底物浓度变化曲线
第十三页，共165页。
V Vmax
[S] 当底物浓度较低时
反应速度与底物浓度成正比；反 应为一级反应。
活性部位基团）
第五十六页，共165页。
（1） 非专一性不可逆抑制剂
①重金属离子 Ag+ 、 Cu2+ 、 Hg2+ 、 Pb2+ 、 Fe3+
高浓度时可使酶蛋白变性失活； 低浓度时对酶活性产生抑制。
——通过加入EDTA解除
第五十七页，共165页。
②烷化剂（多为卤素化合物）
H2N-CH-COOH CH2 SH
单分子反应：A P
双分子反应：A+B P+Q
第四页，共165页。
• 单分子反应
v = kc
• 双分子反应
v = kc1c2 c 、c1、c2 ：反应物浓度（mol/l） k：比例常数/反应速率常数
第五页，共165页。
2.反应级数
能以v = kc表示，为一级反应； 能以v = kc1c2表示，则为二级反应； v 与反应物浓度无关，则为零级反应。
数。
[S]很大时， Vmax＝ k3[E] 。
k3表示当酶被底物饱和时，每秒钟每个酶分子转 换底物的分子数，
——又称为转换数、催化常数kcat kcat越大，酶的催化效率越高
第三十一页，共165页。
生物化学学习题酶的催化作用和调控机制
生物化学学习题酶的催化作用和调控机制酶是生物体内的一类特殊蛋白质，它在生物化学过程中起着催化和调控作用。
酶的催化作用和调控机制是生物化学学习中的重要内容。
本文将通过解答一些生物化学学习题，来探讨酶的催化作用和调控机制的原理和应用。
1. 什么是酶的催化作用？酶的催化作用是指酶作为催化剂，在生物化学反应中加速反应速率而本身不参与反应的过程。
酶能够降低活化能，使反应更容易发生。
酶与底物结合形成酶-底物复合物，通过调整底物分子的构象，提供合适的反应环境或为反应过程提供必要的功能基团，从而促进和加速生物化学反应。
2. 酶的催化过程中发生了哪些重要事件？酶的催化过程中，发生了以下几个重要事件：（1）底物与酶结合：酶通过底物识别位点与底物结合，形成酶-底物复合物。
（2）底物结构改变：酶可以通过改变底物分子的构象，使之更有利于反应发生。
（3）催化反应：酶通过提供功能基团、调节反应环境等方式催化底物的转化，包括底物的分解、合成、转移等。
（4）生成产物：反应发生后，产生新的物质，酶释放产物，恢复到催化循环中。
3. 酶的活性如何被调控？酶的活性可以通过多种方式被调控，包括：（1）温度：酶的活性随着温度的变化而变化。
适宜的温度范围内，酶的活性增加，但过高或过低的温度会使酶的活性降低甚至失活。
（2）pH值：酶对pH值也非常敏感，适宜的pH值范围内酶的活性最高，但过高或过低的pH值会影响酶的构象和功能基团的离子化状态，从而影响酶的活性。
（3）底物浓度：酶的活性受底物浓度调控。
在底物浓度适宜时，酶的催化作用展现最佳效果，但当底物浓度过高时，酶的活性可能受到抑制。
（4）辅因子：某些酶活性依赖于辅助因子的存在，例如金属离子、辅酶等。
这些辅因子能够与酶结合，形成活性辅因子-酶复合物，从而激活酶的催化作用。
4. 酶在生物体内的调控机制有哪些？酶在生物体内的调控机制有多种，包括：（1）底物浓度反馈抑制：当底物浓度过高时，产物可以通过反馈抑制的方式抑制酶的活性，从而保持底物的代谢平衡。
生物化学---酶催化作用的特点
一般称为结合部位。
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➢ 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。
通常将酶的结合部位和催 化部位总称为酶的活性部 位或活性中心。
结合部位决定酶的专一性， 催化部位决定酶所催化反
物四氢叶酸。
H
H2N
N NH H
N
N
CH2 NH H
OH H
COOH
CH2
O
CH2
C NH CH COOH
四氢叶酸的主要作用是作为一碳基团，如-CH3, -CH2-, -CHO 等的载体，参与多种生物合成过程。
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⑧ 维生素B12和B12辅酶 维生素B12又称为钴胺素。维生素B12分子中与
CHO
CH2NH2
HO
CH2 OH
H3C N
HO
CH2 OH
H3C N
维生素B6在体内经磷酸化作用转化为相应的磷酸脂，参 加代谢的主要的是磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺。磷酸吡哆 醛是氨基酸转氨作用、脱羧作用和消旋作用的辅酶。
HO H3C
CHO O
CH2 O P OH HO OH H3C
N
磷酸吡哆醛
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② 维生素B2和黄素辅酶 维生素B2又称核黄素，由核糖醇和6，7-二甲基异咯嗪
两部分组成。
缺乏时组织呼吸减弱，代谢强度降低。主要症状为口腔 发炎，舌炎、角膜炎、皮炎等。
OHOHOH O
CH2CHCHCHCH2OPOH
NN
OH
CH3
CO
请简述酶促反应的特点
请简述酶促反应的特点
酶促反应是生物化学反应中的重要组成部分，具有以下特点:
1. 高效性：酶促反应具有极高的催化效率，能够在短时间内显著提高反应速率，使得酶促反应在实际应用中具有广泛的应用价值。
2. 特异性：酶促反应具有高度的特异性，即酶只作用于特定结构的底物，生成一种特定结构的产物。
这种特异性是由于酶的构象和底物的结构相互匹配而产生的。
3. 可调节性：酶促反应具有可调节性，即可以通过改变反应条件，如温度、pH 值、催化剂等来调节反应速率和转化率。
这种可调节性使得酶促反应在实际应用中具有更多的选择和灵活性。
4. 不稳定性：酶促反应具有一定的不稳定性，即酶和底物之间的反应速率随着反应时间的推移而逐渐下降。
这种不稳定性是由于酶的结构和底物的结构发生变化而产生的。
综上所述，酶促反应具有高效性、特异性、可调节性和不稳定性等特点，这些特点使得酶促反应在实际应用中具有广泛的应用价值。
酶促反应的机制和调控
酶促反应的机制和调控酶促反应是指在生物体内，酶催化下进行的各种生化反应。
由于酶催化反应速度快、特异性高、温度、酸碱度范围宽，因此在生命活动中发挥了重要的作用。
本文将介绍酶促反应的机制和调控。
一、酶促反应的机制酶促反应的机制是酶与底物结合，酶促使底物转化成产物，并在反应完成后与产物解离。
酶促反应遵循米氏方程的动力学规律，即酶催化下反应速率随底物浓度的增加而增加，直到反应饱和。
酶是一种以氨基酸为基本组成单位的大分子，其结构可以分为四个层次：一级结构、二级结构、三级结构和四级结构。
酶的活性部位通常位于酶的结构的一级、二级或三级结构上，一旦受到一些物理、化学或生物学上的外界因素的影响，就会导致其结构的改变，从而使其活性部位与底物分子结合，实现催化反应。
在酶催化下，底物分子进入酶分子的活性部位，与酶分子的氨基酸残基发生相互作用，从而形成底物-酶复合物，随后复合物发生化学反应，转化成产物-酶复合物。
反应完成后，产物从酶分子的活性部位中解离，酶分子重复地进行下一个反应。
酶促反应的反应速率依赖于温度、酸碱度、离子强度等环境因素的影响。
温度决定了反应速率的最大值，一般情况下，反应速率会随温度的升高而增加，但是当温度过高时，酶分子的结构会受到破坏，使酶的活性丧失，使反应速率降低。
酸碱度也会影响酶催化反应，过高或过低的酸碱度都会抑制酶的活性。
离子强度与温度、酸碱度一样，也会影响酶的催化活性，但是在不同的酶与底物组合中，其影响程度不同。
二、酶促反应的调控酶促反应的调控是指在生物体内，细胞对酶的活性和数量进行调节，以保证生命活动正常进行。
1. 酶的产生和代谢细胞通过调控转录和转导过程控制酶的合成，从而控制酶的量。
另外，生物体内还存在一种酶的降解作用——泛素依赖性蛋白酶（Ubiquitin-proteasome system），它能够将酶等蛋白质分解成小分子，从而维持细胞内的代谢平衡。
2. 酶的调控方式酶的活性可以通过非竞争性抑制、竞争性抑制、活性修饰等方式进行调控。
生物化学第五章酶
第二节 酶的命名和分类
1、习惯命名 2、国际系统命名法 3、国际系统分类法及酶的编号
1、习惯命名：
根据酶的底物命名：如：淀粉酶、蛋白酶； 根据酶所催化的反应性质命名：如：转氨酶； 综合上述两原则命名：如：乳酸脱氢酶； 上述命名加酶来源或酶的其它特点：胃蛋白酶、胰蛋白酶。
2、国际系统命名法
以酶所催化的整体反应为基础，规定每种酶的名称应当明 确标明酶的底物及催化反应的性质。如果一种酶催化两个底物 起反应，应在他们的系统名称中包括两种底物的名称，并以 “:”将他们隔开，若底物中有水可以略去不写。
（3）X-衍射直接探明活性中心。
1、活性中心的实质
活性中心即酶分子中在三维结构上相互靠近的 几个aa残基或其上的某些基团。 实例：胰凝乳蛋白酶
实验：酶蛋白经水解切去部分肽链后，残留部分仍有活性。 说明：参与催化反应的只是其中一小部分，即活性中心。
胰 凝 乳 蛋 白 酶 的 活 性 中 心
Ser
His 活性中心重要基团: His57 , Asp102 , Ser195
第五章 酶 (Enzyme)
主要内容：介绍酶的概念、作用特点 和分类、命名，讨论酶的结构特征和催化
功能以及酶专一性及高效催化的策略，进
而讨论影响酶作用的主要因素 。 对酶工程 和酶的应用作一般介绍。
思考题？
目
录
第一节 酶的概念及作用特点 第二节 酶的命名和分类 第三节 酶活力测定和分离纯化 第四节 酶催化作用的结构基础和高效催化的策略 第五节 酶促反应的动力学 第六节 重要的酶类及酶活性的调控 第七节 酶工程简介
习惯单位（U）:一定时间内将一定量的底物转化为产物所需 的酶量
国际单位（IU）：最适反应条件下（25℃），在1分钟内把
酶的基本性质实验——底物专一性、激活剂和抑制剂、最适温度
因此它们与Benedict试剂无呈色反应。
淀粉被淀粉酶水解，产物为葡萄糖；蔗糖被蔗糖酶水解，其产物为果糖和葡
萄糖，它们都为具有自由半缩醛羟基的还原糖，与Benedict试剂共热，即产生
红棕色Cu2O沉淀。本实验以此颜色反应观察淀粉酶、蔗糖酶对淀粉和蔗糖的水 解作用。
三、实验材料与试剂 1、实验材料 ⑴ 蔗糖酶液(样品Ⅳ）; ⑵ 新鲜唾液（含唾液淀粉酶）； 2、实验试剂 ⑴ 蔗糖酶液
在酶促反应过程中，酶的活性常受某些物质的影响，有些物质能使酶的 活性增加，称为激活剂；某些物质它们并不引起酶蛋白变性，但能使酶 分子上的某些必需基团（主要是指酶活性中心上的一些基团）发生变化， 因而引起酶活力下降，甚至丧失，致使酶反应速度降低，称为酶的抑制 剂。
酶的激活剂种类： 1、一些简单的无机离子，如Mg2+、Cl-等；
有些酶只有作用于底物的立体异构物中的一种，而对另一种则 全无作用。如酵母中的糖酶类只作用于D-型糖而不能作用于L-型 的糖。
本实验以唾液淀粉酶、蔗糖酶对淀粉、蔗糖水解反应的催化作用来观察 酶的专一性。采用Benedict试剂检测反应产物。
Benedict试剂是碱性硫酸铜溶液，具有一定的氧化能力，能与还原性糖
蒸馏水 Benedict试剂
记录观察结果
(ml) (ml)
3
2
2
2
摇匀，置沸水浴煮沸2～3min
注： ①检查目的：试剂是否有干扰因素存在。 ②也可对蔗糖酶液、唾液淀粉酶液进行检查是否也有干扰因素存在，请自己设计。
检查试剂
试管编号：
1
2
3
㈡淀粉酶的专一性 取三支试管，按下表操作：
试剂处理
试管编号
1
温度与酶活力的关系测定是选择一定的条件，把底物浓度、酶浓度、反应 时间、pH等固定在最适状态下，然后在一系列不同温度条件下，进行反应初 速度测定，以酶反应初速度对温度作图，可以得一个钟罩形的曲线，即为温 度—酶活性曲线，在某温度有一酶活力最大值，这个温度即为最适温度。
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(a) H3N+
Gly Arg Ala Ser Phe Gly Asn Lys Trp Glu Val COOTrypsin
H
Glyc ine 甘氨酸
COO-
CH
CH2OH Serine 丝氨酸
+H3N
COOCH CH2
+H3N
COOCH CH2
COO+H3N C H
COO+H3N C H
CH
CHOH
H3C CH3
CH3Valine 颉氨酸源自Threonine 苏氨酸
NH3+
COO-
CH
CH2 C CH
NH
Phenylalanine 苯丙氨酸
Control of enzyme action Control of enzyme amount 酶量的控制 Control of enzyme activity 酶活性的控制
Enzyme specificity
Specificity is the result of molecular recognition
Shape of the substrate and the active site of the enzyme are rigid and fixed, they fit together like a key into its lock
Induced-fit model 诱导-契合模型
Founder: Daniel E., Koshland Jr., 1958 Principle
Typical example
Serine proteases
Trypsin胰蛋白酶: cleaves C-terminal side of basic amino acid residues (Arg, Lys)
Chymotrypsin 胰凝乳蛋白酶: cleaves C-terminal side of aromatic amino acid residues (Phe, Trp, Tyr)
The “lock and key” hypothesis The “induced fit” hypothesis
There are two models of binding of a substrate to an enzyme
Lock-and-key model 锁和钥匙模型
Founder: Emil Fisher, 1894 Principle
COO-
CH (CH2)4 NH3+
Carbamidine
NH2
Lysine 赖氨酸
Trp, Tyr, Phe
O OC
GlySer
COO+H3N C H
CH3 Alanine 丙氨酸 Gly, Ala
VaTl hr
Asp
COONH3+ C H
CH2 COO-
Aspartate 天冬氨酸
COO+H3N C H +H3N
of specificity among the serine proteases trypsin, chymotrypsin and elastase. 请比较丝氨酸胰蛋白 酶、胰凝乳蛋白酶、弹性蛋白酶在特异性机制的区 别
+H3N
Arginie 精氨酸
COO-
CH (CH2)3
+H3N
NH C NH2+
H3N+ Gly Arg COO- + H3N+ Ala Ser Phe Gly Asn Lys COO+ H3N+ Trp Glu Val COO-
(b) H3N+
Gly Arg Ala Ser Phe Gly Asn Lys Trp Glu Val COOChymotrypsin
H3N+
Gly Arg Ala
The induced fit model (ex. of hexokinase)
Before glucose binding
After glucose binding
Substrate is highly specific to its enzyme
The specificity between enzyme and its substrate depends on the properties and spatial arrangement of the amino acid residues forming the active site of an enzyme
OH
Tyrosine 酪氨酸
Tryptophan 色氨酸
Control of enzyme action
Control of enzyme amount
Binding of substrate induces a conformational change in the active site of enzyme.
Enzyme may distort the substrate, forcing it into a conformation similar to that of the transition state.
Biochemistry
For Speciality of Biotechnology or Bioengineering at CSU Mr. XIA Jinlan
Contents
Enzyme specificity (self-study) 酶的特异 性(自学) The “lock and key” hypothesis 锁钥假设 The “induced fit” hypothesis 诱导契合假设
Ser Phe COO-
+ H3N+
Gly Asn Lys Trp COO-
+ H3N+ Glu Val COO-
(c)
Gly Arg
Ala Ser Phe Gly Asn Lys
Gly Arg Ala Ser Phe
Gly Asn Lys Trp
Trp Glu Val Glu Val
Question: Please compare the difference in mechanism