酶的作用机制和酶的调节

别构激活剂 别构抑制剂
（2）别构酶的动力学
S形曲线（正协同） 表观双曲线（负协同效应）
（二）酶原的激活
酶原(zymogen)：酶的无活性的前体
酶原的激活：由无活性的酶原转变为有活性 的酶的过程。酶原激活的实质是酶活性部位 的形成或暴露至分子的表面。
酶原激活的意义：在特定的环境和条件下发 挥作用；避免细胞自身消化；也可保证某些 特殊生理过程的正常进行，如凝血作用；有 的酶原可以视为酶的储存形式。
溶菌酶催化底物C1-O键裂解
五、酶活性的调节控制
（一）别构调控（allosteric regulation）
定义 别构调节：酶分子的非催化部位与某些
化合物可逆地非共价结合后发生构象的 改变，进而改变酶活性状态。 别构酶：具有别构现象的酶。 别构剂：能使酶分子发生别构作用的物
质。通常为小分子代谢物或辅因子
白
S
酶
SS
胰蛋白酶原
肠激酶
胰凝乳蛋白酶原
α-胰凝乳蛋白酶 +两个二肽
自
六肽
身 催
+
化
胰蛋白酶
弹性蛋白酶原 弹性蛋白酶 + 碎片
羧基肽酶原A
羧基肽酶A + 碎片
肠激酶启动的酶原激活
出血性胰腺炎发病机制？
凝血机制：1、受伤血管收缩减少血流；2、血小板粘聚成
栓堵住伤口；3、凝血相关因子的级联激活作用
蛋白激酶，磷酸化
酶
磷酸酶，脱磷酸化
酶-P
由核苷三磷酸（ATP）提供磷酸基，都需Mg2+。
酶的活性形式： 可能是磷酸化也可能是脱磷酸化
底物蛋白质被磷酸化的氨基酸残基有两类： （1）“P-O”键连接，如Thr, Ser, Tyr, Asp, Glu…… （2）“P-N”键连接，如Lys, Arg, His……
Gluγ-COOH、Cys-SH、Asp-COOH
位于活性中心 必需基团
活性中心以外， 稳定分子构象
非必需基团
活性中心以外 的必需基团
结合基团
底物 催化基团 活性中心
（一） 酶活性部位的特点
1、活性部位只占相当小的部分 几个残基+辅助因子（单纯/结合） 2、在空间构象上集中到一起形成一个三 维实体（单体/寡聚） 3、与底物诱导契合 4、位于酶表面裂缝 (crevice)内 5、通过次级键与底物结合 6、活性中心构象具有柔性或可运动性
酶原激活的机理:
酶原 在特定条件下
一个或几个特定的肽键断裂，水解 掉一个或几个短肽
分子构象发生改变
形成或暴露出酶的活性中心
胰蛋白酶的激活
肠激酶（激活作用）
缬天天天天赖 异 缬甘 组
胰
丝
S
蛋
白
S SS
酶 原
活性中心
为缬什天么不天直天接以天酶赖形式存缬在呢甘？组 保护正常组织不受伤害。 异 丝
胰
S
蛋
诱导契合：当底物和酶接触时，可诱导酶分子的构象变化， 使酶活性中心的各种基团处于和底物互补契合的正确空间位 置，有利于催化。
四、酶催化反应机制的实例
（一）溶菌酶（lysozyme）
Alexander Fleming
由129个氨基 酸残基组成的 单肽链蛋白质， 含4对二硫键。
存在鸡蛋清和眼泪中
溶菌酶生物学功能是催化水解细菌细胞壁多糖
3. 几种重要的蛋白激酶
（1）蛋白激酶A（PKA）或cAMP依赖性蛋白激酶（cAPK)
激活：磷酸化酶激酶、甘油三酯酶、酪氨酸羟化酶、RNA 聚合酶II等，
抑制：糖原合成酶、乙酰CoA羧化酶、丙酮酸激酶等。
（2）蛋白激酶C（PKC)
广泛分布在真核细胞特别是哺乳动物细胞的一种蛋白激酶， 以无活性形式存在胞液中，当被Ca2+等激活后转移到膜上， PKC对调节细胞代谢，分化，生长，增殖及信号转导等起 重要作用。
③ 在2个或2个以上底物反应时，存在1个以上的底物分子 结合部位
④ 底物结合到酶分子后，底物分子中的键产生张力，有 利于过渡态复合物的形成。
三、影响酶催化效率的有关因素
（一）底物和酶的邻近效应和定向效应
邻近效应：酶与底物形成复合物后，底物与底物、催化基 团与底物之间结合于同一分子（酶）而使有效浓度极大增 加，从而使反应速率大增的效应。
二、酶催化反应的独特性质
• 酶催化反应的某些独特性质为许多反应所共有，可 概括如下：
1. 酶反应可分成两类，一类仅涉及电子转移（速率：108 s-1数 量级）；另一类涉及电子和质子两者或者其他基团的转移 （速率：103 s-1数量级）大部分反应属于第二类。
2. 酶的催化作用是由氨基酸侧链上的功能基团和辅酶为媒介的。
O
O
O
O
N
O- P O P O P O H2C O -
O-
O-
O-
OH OH
调节亚基 催化亚基
ATCase由催化亚基和调节亚基构成：
➢ 大亚基为催化亚基，有催化活性， 不与ATP和CTP结合；
➢小亚基为调节亚基，无催化活性， 能与ATP和CTP结合;
3、 别构酶的性质
（1）多亚基
一部分亚基有活性中心， 另一部分有别构调节中心
主要是磷酸化Ser、Thr，个别为Tyr。被磷酸化的残基 可以是一个、两个或多个。
多数蛋白激酶表现一定的底物特异性，但是很少绝对 特异性。底物蛋白质被磷酸化的氨基酸残基附近的氨 基酸组成和顺序有其共有的特性。见下表
X代表任何的氨基酸；B代表任何疏水氨基酸；Sp, Tp, 和Yp表 示已经磷酸化的Ser, Thr和Tyr残基。
别
别
别
别
别
别
别
1. 天冬氨酸转氨甲酰酶（ATCase)
O H2N C O
COO-
-OOC
+ + O
P OO-
H3N+
CH2
Zn2+
C COO-
Pi
ATCase
H
H2N
O C NH
CH2 C COO-
CTP反馈抑制ATCase
O HN
O
COO N
H
ATP 别构激活剂 CTP 别构抑制剂
NH2
N
CTP（嘧啶生物合成的终端产物)
（3）磷酸化酶激酶（PhK)
是糖原代谢中一个关键的调节酶，其催化的反应是通过磷 酸化作用使无活性的磷酸化酶b转化成有活性的磷酸化酶a， 从而加强糖原分解代谢
六、同工酶（isoenzyme）
（一）定义：
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。
（二）特点：
邻近效应和定向效应对酶促反应的影响：提高有效浓度、
正确取位；变分子间反应为分子内反应。Page等认为
两类效应在双分子反应中起的促进作用至少分别达到104倍。
酶催化效率提高的实质：底物分子结合在酶的活性部位，作用 基团互相邻近并定向，大大提高了酶的催化效率。
（二）底物的形变和诱导契合
酶与专一性底物结合后，酶的基团或离子使底物的某些 基团的电子云密度增高或降低，产生“电子张力”，使 底物分子发生形变而接近过渡态，反应容易发生。
（三）可逆的共价修饰
共价调节酶
——通过其它酶对其多肽链上的某些基 团进行可逆的共价修饰。
可逆的共价修饰，使酶处于活性/非活性 的互变状态，从而调节酶的活性。
可逆的共价修饰形式有5～6种，其中最重要的一种是磷酸 化修饰。
1. 蛋白质的磷酸化
蛋白质的磷酸化与脱磷酸化是生物体普遍的调节方式，几 乎涉及所有的生理及病理过程，在细胞信号转导过程极其 重要，真核细胞1/2到1/3的蛋白质可以磷酸化。
1、都是寡聚酶 2、不同的亚基组成 3、不同亚基的活性中心非常相似 4、组织分布部位不同 5、所催化的反应有侧重点
如：
生理及临床意义同工酶可以来自为 酶遗传标志，用于遗传分 活
析研究；
性
心肌梗塞酶谱
用于解释发育和
组织分化过程中阶段
正常酶谱
特有的代谢特征；
在代谢调节上起
肝病酶谱
着重要的作用；
同工酶谱的改变
有助于对疾病（尤其
12 3 4 5
是癌症）的诊断。
心肌梗塞和肝病病人血清LDH同工酶谱的变化
a
2
12
b
酶活性 酶活性
3
1 4 5
3 45
迁移位置 (a)
迁移位置
LDH同工酶电泳图谱
(b)
（a）正常人LDH同工酶电泳图谱,（b）心肌梗塞病人血清LDH同工酶电泳图谱
有 机 化 学 模 式 实 验
催化中邻近效应的一个例子：（a）游离的咪唑催化乙酸对 硝基苯酯的速度较慢；（b）变成分子内反应后要快24倍
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。
定向效应的一个例子：邻羟 苯丙酸的内酯形成，当两个 甲基取代了苯环邻近的碳原 子上的氢，使羧基与羟基之 间更好定向时，两个速率常 数之比为2.5 × 1011 。
2. 蛋白激酶
一个非常大的家族，已发现至少200种，结构上有很大的相似 性，进化上相关。根据底物磷酸化类型分为：Ser/Thr型和 Tyr型。根据调节物分为：
激素/生长因子依赖性
信使
cAMP依赖性
蛋 依赖性
（PKA）
白 激
胞内信使 cGMP依赖性
酶
（PKG)
非信使 依赖性
Ca2+ /磷脂依赖性 （PKC)
3. 酶催化反应的最适pH范围通常是狭小的
4. 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。
5. 酶除活性基团外，还有别的特性使反应进行更有利，并使更 复杂的多底物反应按一定途径进行。