酶的结构与功能
酶的结构与功能
酶的结构与功能酶是一类重要的蛋白质生物催化剂，它们在生物体内起到了至关重要的作用。
通过调节化学反应速率，酶使生物体能够维持正常的新陈代谢，并参与细胞的生长和分裂等基本过程。
酶的结构与功能密切相关，下面将介绍酶的结构层次、酶活性中心以及酶的功能调控等方面内容。
一、酶的结构层次酶的结构层次涉及到四个主要层次：原初结构、二级结构、三级结构和四级结构。
1. 原初结构原初结构是指酶的氨基酸序列，也被称为多肽链。
酶的结构和功能都由其氨基酸序列决定。
2. 二级结构酶的二级结构是指多肽链中部分区域的局部结构。
常见的二级结构有α-螺旋、β-折叠和随机卷曲等。
3. 三级结构酶的三级结构是指整个酶分子的空间构型，由多肽链在空间上的折叠形成。
具体的折叠方式决定了酶的活性。
4. 四级结构四级结构是指由两个或多个多肽链相互作用形成的具有功能的酶。
这些多肽链称为亚基，它们可以组装成多种复合酶。
二、酶的活性中心酶的活性中心是指酶分子上参与催化反应的特定位点。
酶的活性中心通常由一些特定的氨基酸残基组成，这些残基能够通过特定的化学反应来促进催化过程的进行。
酶的活性中心通常具有以下特点：1. 活性中心具有亲和力，能够与底物结合形成酶底物复合物。
2. 活性中心具有催化活性，能够促进底物发生化学反应，使反应速率加快。
3. 活性中心具有特异性，只针对特定的底物。
三、酶的功能调控酶的功能调控是一种能够有效调控酶活性和酶产物生成的机制。
酶的功能调控可以通过多种方式实现。
1. 底物浓度调控酶的活性通常受到底物浓度的调控。
当底物浓度较低时，酶的活性相对较低；而当底物浓度较高时，酶的活性则相对较高。
2. 酶的结构调控酶的结构调控是通过改变酶的构象来调控其活性。
例如，酶的结构在不同的温度和pH条件下可能会发生变化，从而影响酶的活性。
3. 酶的调控蛋白某些酶的活性还可以通过结合与之结合的调控蛋白得以调控。
这类调控蛋白可以激活或抑制酶的活性，实现对酶功能的调节。
酶系统的结构和功能
酶系统的结构和功能酶是一类能帮助催化生化反应的蛋白质。
我们可以将酶比喻成是化学反应中都需要的“关键”，因为它们能够加速反应，从而使得生化反应在较短的时间内完成。
酶的功能是由它们特殊的结构所决定的。
这些结构在其中的典型表现是独有的三维空间构型，它们还具有着特殊的酶活性位点和催化中心。
酶的功能和催化反应的速率和选择性密切相关，同时由于它们能够在生命体内不断运作，因此酶活性的稳定性和可逆性也极为重要。
酶的结构和功能理解起来是一个十分复杂的过程，因此我们将从阐述酶分子的基本结构出发，来进一步深入地探讨酶的功能。
1. 酶的分子组成酶通常由一系列氨基酸残基组成，这些残基的排列顺序就构成了连通的链式结构，在空间上排列成三维构型。
除此之外，酶分子还包含一些辅助基元，如金属离子、辅酶等。
辅因子中最常见的是辅酶，它们是酶分子的非蛋白部分，常与蛋白质结合，而且对于酶的催化活性的发挥起着非常关键的作用。
2. 酶催化的机理酶对于特定反应的催化机理是非常复杂的。
首先，在酶的活性位点中，酶的底物会与酶分子结合，然后会形成一些中间体，从而最终产生反应产物。
这个过程可以分解成两个子过程，反应物在活性位点中结合，并形成一些反应合适的状态。
在酶的催化下，副产物的自由能发生了改变，从而增强了目标化学键断裂和生成。
强酸和弱酸酶的催化机理不同，前者3. 酶对底物的选择性酶对于底物的选择性是非常高的。
酶实际上是由于其活性位点的结构、朝向和电荷分布等因素导致的。
同时，所有的酶都有阈值活性，即所有底物的反应都与酶的最少量相关。
酶与生物学的关系非常密切，作为我们体内的“工厂”，其对于生命体的正常运转至关重要。
现代科学正在以飞速的速度不断深入探究酶系统，因此认识更多酶系统的细节和机理有助于我们更加深入地认识生物。
酶的结构功能和调节机制
酶的结构功能和调节机制酶是一种生物催化剂，它们能够促进化学反应的速率，同时又不被反应消耗掉。
酶的结构、功能和调节机制一直是生物学研究领域的热点之一。
在这篇文章中，我们将探讨酶的结构、功能和调节机制，以及这些机制是如何相互作用的。
一、酶的结构酶是由蛋白质构成的。
蛋白质分子是由氨基酸组成的，不同的氨基酸序列将形成特定的结构。
酶的结构可以分为四个不同的层级：原生、二级、三级和四级结构。
原生结构是指完全具备生物学活性的折叠蛋白质分子。
二级结构是指由相邻氨基酸残基之间的氢键形成的α-螺旋和β-折叠。
三级结构是指在酶分子中出现的局部子结构，如螺旋、转角、β-折叠、π-螺旋等。
四级结构则指酶分子的总体结构。
酶分子的四级结构往往由几个不同的蛋白质亚基组成。
这些亚基可以相互作用，以形成一个大的功能酶复合物。
例如，乳糖酶是由两个相同的亚基组成的，而葡萄糖-6-磷酸去氢酶则是由四个不同的亚基组成的。
二、酶的功能酶的基本功能是促进反应速率。
酶是否能完成这个任务，取决于其是否与底物分子具有足够的亲和力。
亲和力是指分子之间相互作用的强度。
酶的活性可以用酶促反应速率的增加程度来衡量。
当底物浓度增加时，反应速率也随之增加，直到酶的饱和点，此时酶完全饱和于底物分子。
每种酶都是高度专一性的。
这是由于酶在进化过程中一直与特定反应协同进化。
酶的专一性可以通过其它化学物质的活性抑制来研究。
抑制剂可以与特定的酶结合，从而防止酶催化底物反应。
常见的酶抑制剂包括竞争性抑制剂、非竞争性抑制剂和无逆转抑制剂。
三、酶的调节酶的活性受到许多调节因素的影响，包括温度、pH 值、离子强度和化学捆绑剂。
其中，温度和 pH 值特别重要，因为它们直接影响到酶分子的结构。
温度太高或太低都会损害酶的结构和活性。
酶的最适温度是在其特定反应的反应条件下工作的最佳温度。
酶有一个特定的反应 pH 值。
当 pH 值偏离其最适 pH 值时，酶的酶活性也会降低。
除了温度和 pH 值之外，酶还受到调节因子的影响。
酶的结构及其催化功能
酶的结构及其催化功能酶的结构及其催化功能一、引言酶是一类具有生物催化功能的蛋白质，其结构和催化方式对生命的维持和调控起着至关重要的作用。
本文将从酶的结构和催化功能两个方面进行阐述，以帮助读者更好地理解和认识酶的作用机制。
二、酶的结构酶分子主要由氨基酸组成，通常被折叠成特定的三维结构。
酶的结构可以分为四个级别：一级结构是由氨基酸序列所组成，二级结构主要有α-螺旋和β-折叠，三级结构是整个分子的空间结构，而四级结构则是由多个酶分子组合而成的酶复合体。
酶的结构决定了它的特异性和催化能力。
三、酶的催化功能1. 底物结合：酶通过与底物发生特定的非共价相互作用，使底物能够与酶结合形成酶底物复合物。
这种结合可以通过亲和作用、静电吸引力、氢键和疏水效应等方式实现。
2. 降解反应：酶能加速底物的降解反应。
酶通过调整底物的构象，降低活化能，使反应能够在细胞内或体外迅速进行。
例如，消化酶能将食物中的大分子降解为小分子，便于其吸收和利用。
3. 合成反应：酶能够催化底物的合成反应。
酶促合成反应主要包括水解、聚合和羧基化反应等，能够合成复杂的有机分子。
例如，DNA聚合酶能够合成新的DNA链，RNA聚合酶能够合成RNA链。
4. 转移反应：酶能够催化底物之间的转移反应。
酶能够促使底物的化学基团发生转移，从而产生新的化合物。
例如，氨基酸转氨酶能够将氨基酸的氨基团转移到α-酮酸上，形成新的氨基酸和酮酸。
5. 氧化还原反应：酶能够促进底物的氧化或还原反应。
酶通过调整底物的电子结构，参与电子传递过程，从而实现底物的氧化或还原。
例如，细胞色素酶能够将氧分子还原为水，同时产生能量。
6. 调节功能：酶还具有调节其他酶活性的功能。
酶可以通过调节底物和产物的浓度，调整酶的催化活性。
此外，酶还可以通过受体-配体相互作用、共价修饰和酶抑制剂等方式进行调节。
四、结论酶作为生物体内的催化剂，具有复杂而精细的结构和高效的催化功能。
酶的结构和催化方式对于生命的维持和调控至关重要。
酶的结构和功能
酶的结构和功能酶是一类高度专一的分子催化剂，它们能够在生物体内加速化学反应的速率，使其能够在适宜的条件下进行。
酶的结构和功能是相互关联的，下面将对酶的结构和功能进行详细介绍。
酶的结构通常由蛋白质组成，可以是单个蛋白质分子，也可以是由多个蛋白质分子组成的复合物。
酶的立体结构具有高度的空间特异性，这对于其功能至关重要。
酶的结构通常可分为四个层次：一级结构、二级结构、三级结构和四级结构。
一级结构指的是蛋白质分子中的氨基酸序列，这种链状的结构决定了酶的二级、三级和四级结构。
二级结构是指蛋白质分子中氢键的形成，使部分氨基酸残基在空间上排列成α-螺旋或β-折叠的形式。
α-螺旋是一种像螺旋形的结构，β-折叠则是像折叠的结构。
二级结构的形成对于酶的功能非常重要，因为它能够保持酶的稳定性和活性。
三级结构是指一个或多个二级结构件的折叠和排列，形成一个特定的立体结构。
这种特定的立体结构决定了酶的活性中心的形状和环境，进而决定了酶与底物的相互作用。
四级结构是指由多个蛋白质分子相互作用形成的复合物。
这种复合物的形成能够增强酶的稳定性和活性。
酶的功能主要是通过其结构中的活性中心实现的。
活性中心是酶分子上的一个小区域，具有特定的空间结构，能与底物形成稳定的非共价键。
酶通过活性中心与底物结合，形成酶-底物复合物。
通过酶-底物复合物，酶能够降低底物分子的活化能，从而加速化学反应的速率。
酶的功能还受到一些其他因素的影响，包括温度、pH值、离子浓度和酶抑制剂的存在。
温度和 pH 值的改变能够影响酶的结构稳定性和活性中心的形状。
离子浓度的改变能够改变底物和酶之间的相互作用，影响酶催化的速率。
而酶抑制剂能够与酶结合，降低酶的活性。
总之，酶的结构和功能是密不可分的。
酶的结构决定了其功能，而其功能又依赖于其结构的稳定性和活性中心的形状。
对酶的结构和功能的深入理解对于研究和应用酶具有重要的意义。
酶的结构和功能
酶的结构和功能酶是一类生物催化剂，它们在细胞中起着至关重要的作用。
本文将探讨酶的结构和功能，并通过对酶的研究来揭示其在生物体内的重要性。
一、酶的结构酶的结构通常包括蛋白质和非蛋白质组分。
蛋白质是酶的主要构成部分，它由一条或多条多肽链组成。
酶的多肽链可以分为一个或多个结构域，每个结构域都有特定的功能。
非蛋白质组分可以是辅酶、金属离子等，它们与蛋白质组成酶的辅助部分，对酶的催化活性起到重要的调节作用。
二、酶的功能酶具有高度的专一性和高效的催化活性。
它们可以促使生化反应的进行，降低能量的需求，并加速化学反应的速率。
酶可以作用于底物的特定化学键，通过改变反应的活化能，促使反应在细胞内的适宜条件下快速进行。
酶在生物体内起着非常重要的作用。
首先，酶催化合成反应，参与生物体内大量复杂分子的合成过程。
例如，DNA复制过程中的DNA聚合酶能够使得DNA链合成迅速进行，保证基因信息的传递准确性。
其次，酶能够催化降解反应，参与有机物的代谢和能量转化。
例如，消化系统中的消化酶能够将食物中的大分子物质降解为小分子物质，使其能够被身体吸收利用。
此外，酶还能调节细胞内代谢过程的平衡，维持生物体内稳定的内环境。
酶通过调控代谢途径中的关键酶活性，使细胞内各种代谢过程协调、平衡进行。
三、酶的调节酶的活性受到多种因素的影响，包括温度、pH值、金属离子和调节分子等。
其中，温度是一种重要的影响因素。
适宜的温度能够促进酶的活性，提高反应速率。
然而，过高的温度会使酶的构象发生变化，导致其失去催化活性。
此外，pH值也是调节酶活性的重要因素。
不同的酶对于pH值有不同的适应性范围，超出该范围会影响酶的催化性能。
金属离子和调节分子可以作为辅助因子结合到酶的活性部位，调节酶的催化活性。
四、酶的应用酶在工业生产和日常生活中有许多应用。
例如，制药工业中使用酶来合成药物或提取药物成分，从而提高合成效率和纯度。
酶还可以用于食品工业中，例如制作面包和酒精发酵过程中，酶可以帮助分解葡萄糖、淀粉和蛋白质等成分，促进发酵反应。
酶工程第6章酶的结构与功能
3．X-光衍射分析法
用X射线衍射研究蛋白质的构象时，蛋白质 必须结晶。用波长很短的X射线（λ=0.154nm）照 射蛋白质晶体，发生散射，底片曝光后，得到衍 射图，再经计算机处理，绘出电子密度图，从中 构建出三维分子图像。
通过多种方法相互印证，可得出正确的结论。
肌红蛋白的X射线衍射图
部 分肽链的电子密度肌红蛋白分子中 图
某些常用的修饰剂
鉴别化学修饰剂是否已经 引入酶活性中心的标准
a．酶活性的丧失程度与修饰的程度成正比。 b．底物或可逆抑制剂可保护共价修饰剂的抑制作用。
分析化学修饰结果时 应注意的问题
对化学修饰实验得出的结论应非常慎重，因为 可能被修饰的基团位于活性中心以外的附近，由于 空间位阻使得底物无法进入活性中心，从而表现出 酶失去活性。活性中心往往有多个与底物结合的基 团，修饰其中的一个往往不能使酶失去活性，可能 导致结合力减弱，也可能改变被结合底物的专一性。
木瓜蛋白酶的非特异性试剂修饰
通过动力学实验证实，还有一个组氨酸残基的 咪唑基位于木瓜蛋白酶活性中心的催化部位（木瓜 蛋 白 酶 共 有 212 个 氨 基 酸 ， 有 His81 和 His159 两 个 His）。Husain和Lowe用1,3-二溴丙酮修饰木瓜蛋白 酶，在pH5.6，1克当量的试剂完全抑制了木瓜蛋白 酶的活性。对修饰后的酶进行氨基酸分析，发现少 一个组氨酸。在用1,3-二溴丙酮（2-14C）的修饰实验 中，发现修饰剂连接了Cys-25和His-159两个残基， 因此知道了这两个基团之间的距离在 5 以内。这个 结论通过x-光衍射分析法又进一步得到了肯定。
第六章 酶的结构和功能
一、酶的活性中心 二、酶活性中心化学基团的鉴定 三、组成酶活性中心的重要化学基团 四、酶促化学修饰和酶活性调节 五、酶的空间结构与功能的关系 六、酶催化作用的机制 七、羧肽酶A催化作用的机制
酶的结构与功能
1. 酶的组成成分
一. 酶的结构
根据组成成分，酶可分为两类：
单纯酶 —— 仅由蛋白质组成的酶。 结合酶 —— 除蛋白质外，还有非蛋白质成分。
全酶 = 酶蛋白 + 辅因子 辅因子有两种：
辅酶 —— 与酶蛋白结合较松弛的小分子有机物。
辅基 —— 与酶蛋白结合较紧密，常常以共价键结 合，包括小分子有机物及金属离子。
对于结合酶，辅因子常常是活性中心的组成部分。
1. 酶的活性中心
二. 酶的结构与功能
1. 酶的活性中心
二. 酶的结构与功能
The structure of a glycogen phosphorylase monomer
1. 酶的活性中心 （2）酶活性中心的特点
二. 酶的结构与功能
Substrates typically lose waters (of hydration 水合作用) in the formation of the ES complex
2. 变构酶
变构酶的特点：
二. 酶的结构与功能
已知的变构酶都是寡聚酶。
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。
变构酶的 v-[S] 的关系不符合米氏方程，所以 其曲线不是双曲线型。
2. 变构酶
Vmax 100%
二. 酶的结构与功能
2. 变构酶
二. 酶的结构与功能
3. 诱导酶
二. 酶的结构与功能
诱导酶（inducenzyme）是细胞内在正常状态 下一类很少存在或没有的酶，当细胞中因加入了诱 导物后而被诱导产生的酶，它的含量在诱导物存在 下显著增高，这种诱导物往往是该酶底物的类似物 或底物本身。
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胰凝乳蛋白酶 溶菌酶 木瓜蛋白酶 碳酸酐酶
Ser195 Asp102 His57
Asp129 Glu35
Cys25 His159 His93- Zn – His95
| His117
（二）活性中心的研究方法
1．X—衍射 研究蛋白质结构 X—射线撞击原子中电子后,产生衍射
图,分析结构——空间结构
胱氨酸 赖氨酸
清华大学学术专著
蛋白质化学修饰
周海梦 王洪睿 编著 清华大学出版社，1998
3．动力学分析
酶蛋白——两性电解质——pH改变 基团解离状 态改变 导致酶活性变化 根据pH变化——研究pH和活性的关系 提供某 些基团pK 推断基团的作用 参数Vmax,Km与pH关系 解离基团
需供助其它方法，进行推断
肽段
分离P32 肽段→测一级结构
（3）亲和标记法
利用酶对S的特殊亲和力，将酶加以标记— —亲和标记。
Y Y
X
Y
Y X-Y
Y
亲和修饰剂： ①与S结构相似，与活性中心的氨基酸残基
亲和力大，而与活性中心以外的氨基酸残 基亲和力小。 ②具有活泼的化学基团（如卤素）可与活性 中心的基团形成稳定的共价键。
③不同部分的相同基团，修饰效果不同， 分子内部的必需基团，不易被修饰。
活性中心基团的鉴定标准
①失活程度与一定修饰剂浓度成一定比例
关系
②S或可逆抑制剂有保护作用（活性中心）。
先加S或竞Ⅰ 加共价修饰剂 去S或竞Ⅰ 活性不丧失
透析除
（2）差别修饰法（差别标记）
过量S 或 竞Ⅰ下加修饰剂 去除多余修饰剂及S 同位素修饰作用 则原来被保护基团带有同位素标记
X-射线衍射技术：用于蛋白质及核酸三维结构的确 定，至今已有数百种蛋白质的结构被确定，分辨率 为A的量级，但蛋白质结晶难度大
X-Ray Diffraction
2．化学修饰法
应用最早、最广泛——鉴定酶活中心
原理：酶分子上的侧链基团，被化 学试剂修饰后若活力下降或丧失——则 为必需基团。
（1）专一性氨基酸共价修饰法
某些试剂能与氨基酸残基的侧链基团反 应——引起共价结合、氧化、还原等，
使基团的结构和性质发生改变，视失活程 度，查找必需基团。
如①-NH2
试剂 ：乙酸酐 2，4—二硝基氟苯（DNFB） 异硫氰酸苯酯（PITC）
E-NH2 +
-N=C=S
S E - NH - C - NH-
②Ser-OH DIFP(二异丙基氟磷酸)
（贡献残基） structure residues 4.非贡献残基non-contributing residues
Common Features of the Active Sites
Active site
The active site is the region of the enzyme that binds the substrate, to form an enzyme-substrate complex, and transforms it into product. The active site is a three-dimensional entity, often a cleft or crevice on the surface of the protein, in which the substrate is bound by multiple weak interactions.
DFP对 胰凝乳蛋白酶——S（Phe，Trp，Tyr） 胰蛋白酶——S（Lys Arg）都抑制，
而亲和试剂则能分开。
例：胰凝乳蛋白酶
S为芳香族氨基酸—aa（其它物质）形
成的肽键
↑
肽键
酯键
O
CH2 CH C NH
O=S=O
OH
酰胺 乙酯
NH2 O-CH2-CH3
甲苯磺酰苯丙酰胺 为最佳 S
甲苯磺酰苯丙酸乙酯
如NaBH4）
His
二乙基碳酸丁二酮
Tyr
四硝基甲烷，N-乙酰咪唑，碘
Trp
N-溴代琥珀酰亚胺
Asp（Glu）水溶性羰二亚胺
但解释修饰效果须十分小心，因为： ①任何一种修饰剂不是绝对专一的
②有些修饰剂引起蛋白质构象变化——失 活， 因此不一定是活性中心基团被共价 修饰
第二节 酶的结构与功能
①酶催化作用的结构基础 ②酶催化作用的机制
一、活性中心（active site）
（一）活性中心的概念
酶分子中各种残基的作用
1960年Koshland将酶分子氨基酸残基或其 侧链基团分为四类。
1.接触残基 contact residues 2.辅助残基 auxiliary residues 3.结构残基 contributing residues
CH 3
TPCK（甲苯磺酰苯丙氨酰氯甲酮）
O
CH2 CH C CH2 Cl
NH O=S=O
亲和试剂 用甲苯磺酰－L－苯丙氨酸为基本
结构，将羧基换成氯甲基酮—活
泼烷化剂
CH3
表 一些酶的亲和试剂
酶 胰凝乳蛋白酶
胰蛋白酶
亲和试剂 被修饰的残基
TPCK TLCK
His Ser195 His
天冬氨酸转氨酶 β-溴丙酮酸 β-氯丙氯酸
表 重要基团的非特异共价修饰试剂
被修饰的基团 氨基
Lys or N-末端aa
试剂 乙酸酐 顺丁烯二酸 亚硝酸 DNFB
PITC
胍基 Arg
羧基 Asp Glu
丙二醛
cyclohexanedione 环己二酮
Phenylglyoxal 苯甲酰甲醛
硫化二亚胺
对溴苯酰甲基溴
咪唑基 His
酚基 Tyr
DIFP — P, P32 — 差别
酶蛋白 保护剂（S 或竞Ⅰ）
保护活性中心aa残基（Ser-OH） 加DIFP（非标记）
结合活性中心以外的Ser—OH 去除DIFP 去除保护剂 加DIFP32
置换活性中心保护剂，活性中心被标记（P32）
含有P32 的活性中心的酶蛋白
完全水解
部分水解
鉴定aa- P32
溴丙酮 碘乙酸 二硝基氟苯
碘重N化合物 四硝基甲烷
吲哚基 Trp 二硫键
巯基 Cys
2-羟 — 5-硝基溴苯
乙硫醇 二硫赤藓醇 碘乙酸（酰胺）二酰亚胺 N-乙基顺丁烯
表 各种氨基酸侧链的修饰剂
Cys
汞化物，如对-氯汞苯甲酸；二硫化物，
如5，5-二硫双（2-硝基苯甲酸）；碘
乙酰胺
Lys
三硝基苯磺酸，吡哆醛磷酸（还原剂，
实际上化学修饰法也需动力学分析判断结果