酶活性中心示意图
S- S
活性中心外 必需基团 活 性 中 心 必 需 基 团
底物
结合基团
催化基团 肽链
活性中心
多肽链 底物分子 活性 中心 以外 必需 基团 酶活性中心 活性 催化基团 中心 必需 结合基团 基团
有的酶的必需基团 兼有两者的功能
胰凝乳蛋白酶活性部位示意图
一些酶活性中心的氨基酸残基
酶
糖原磷酸化酶 磷酸化酶b激酶 糖原合成酶 丙酮酸脱羧酶 磷酸果糖激酶 丙酮酸脱氢酶 HMG-CoA还原酶 HMG-CoA还原酶激酶 乙酰CoA羧化酶 脂肪细胞甘油三脂脂肪酶 黄嘌呤氧化酶
化学修饰类型
磷酸化/脱磷酸化 磷酸化/脱磷酸化 磷酸化/脱磷酸化 磷酸化/脱磷酸化 磷酸化/脱磷酸化 磷酸化/脱磷酸化 磷酸化/脱磷酸化 磷酸化/脱磷酸化 磷酸化/脱磷酸化 磷酸化/脱磷酸化 -SH/-S-S-
1
（接近过渡 CH 2 CH 2 态） 108
O
三）酸碱催化
酸碱催化是通过瞬间的向反应物提供质子或 从反应物接受质子以稳定过渡态，加速反应 的一类催化机制。
狭义的酸碱催化 H+、OH-
酸碱催化
广义的酸碱催化，质子受体和供体
酶蛋白中具有广义的酸碱催化的功能基：氨 基、羧基、巯基、酚羟基、咪唑基等。
His存在于许多酶的活性中心；咪唑基是催化中很活泼的一个催化 功能基，它既能供出质子又能接受质子，且速度十分迅速，所 以，His在Pr的含量虽小，往往位于活性中心。
研究酶活性部位的方法
1．分子侧链基团的化学修饰法 2、动力学参数测定法 3、射线晶体结构分析法 4、定点诱变法
二、酶反应的独特性质
• 酶反应；一类反应仅涉及电子转移，另一类 反应涉及电子和质子两者或其他基团的转移 • 酶催化作用以残基上的功能基团和辅酶为媒 介，如His, Ser, Cys, Lys, Glu, Asp • 酶催化反应的最适pH范围狭小 • 酶活性部位比底物稍大 • 酶除进行催化反应所必需的活性基团外，还 有其他因素，如使底物产生张力等作用因素
四）共价催化
共价催化又称亲核催化或亲电子催化，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 子中心或负电子中心，迅速形成不稳定的 共价中间复合物，稳定过渡态，加速反 应。 酶分子中的亲核基团有 Ser － OH 、 Cys － SH、His的咪唑基等。
共价亲电催化也包含辅酶产生的亲电中心；如 焦磷酸硫胺素和磷酸吡哆醛等。
三、影响酶催化效率的有关因素
酶的专一性和高效率是由酶分子的特殊 结构决定的，与多种因素有关。
过渡态
一）底物和酶的邻近效应与定向效应
底物分子结合在酶的活性部位上，使作用基团互相 邻近并定向，使反应速度大大增加。 邻近效应:指酶与底物结合形成中间复合物以后， 底物与底物（如双分子反应）、酶的催化基团与底 物之间结合于同一分子上，有效浓度极大的升高。 定向效应:指反应物的反应基团之间及酶的催化基 团与底物的反应基团之间的正确取位产生的效应。 Page等认为，邻位效应与定向效应在双分子反应中 起的促进作用，可加速反应104～108倍。
肌肉中磷酸化酶的磷酸化和去磷酸化过 程：
ATP ADP 蛋白激酶
E
磷酸化酶-b
E 磷蛋白磷酸酶 H2O
P 磷酸化酶-a
无活性
P
有活性
主要的化学修饰类型
• • • • • • 磷酸化／去磷酸化 乙酰化／去乙酰化 腺苷化／去腺苷化 尿苷酰化／去尿苷酰化 甲基化／去甲基化 S－S／－SH
酶促化学修饰对酶活性的调节
酶活性改变
激活/抑制 激活/抑制 抑制/激活 抑制/激活 抑制/激活 抑制/激活 抑制/激活 激活/抑制 抑制/激活 激活/抑制 脱氢酶/氧化酶
六、同工酶 Isozyme
能够催化相同的化学反应， 但是分子结构不同性部位在酶分子中只占一小部分（1％～2 ％） 2．酶活性部位是一个三维的特定空间结构 3．酶活性部位位于酶分子表面的一个裂缝内，裂 缝内往往是个疏水的微环境。 4．底物通过次级键结合到酶上，形成ES复合物。 5．酶活性部位是柔性或可运动性，即酶与底物结 合时构象发生一定的变化才互补。
电荷屏蔽作用
电荷屏蔽作用是酶中金属离子的一个重要功能。 多种激酶(如磷酸转移酶)的底物是 Mg2+－ATP复合 物。
O O P O O Mg
2+
O P O O
O P O H
O
CH 2
O
A
H OH
H H OH
金属酶中的金属离子与配体
金属离子 配体
Mn2+ Fe2+/Fe3+
酶或蛋白
Cu+/Cu2+ Co2+ Zn2+ Pb2+ Ni2+
O H H O O
His12 Lys41
RNase A
H
His119
H 2O
CH 2
Py
O H H O OH
H
H
+
H H
His119
Lys41
P
结合P.402 RNaseA的水解机理来认 识活性中心 His12、Lys41、His119
胰 凝 乳 蛋 白 酶
丝氨酸蛋白酶
His57,Asp102,Ser195
共价催化
五）金属离子的催化
需要金属离子的酶几乎占1/3，金属酶分 1．金属酶：含紧密结合的金属离子，多属过渡金 属离子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＋ 金属离子以3种主要途径参与催化：a. 结合底物为 反应定向. b. 可逆地改变金属离子的氧化态调节氧 化还原反应. c. 静电作用稳定或屏蔽负电荷。
S
S
T型
R型
有一个结合位点S 3、R/T的三、四级结构及 催化活性不同 4、无RT杂合态
S
别构模型
别构酶的序变模型：在亚基与配体结合时，诱导T 态向R态转变，并影响邻近亚基对下一个配体的亲 和力，序变机制中有TR杂合态的存在。
S
S
S
S
T型
R型
序变模型；1、不存在配体时，别构酶只有一种构象（T)
2、别构酶构象以序变方式变化，有RT杂合态存在 3、亚基间的作用可以是正协同也可以是负协同 4、该模型适合于大多的别构酶
邻 近 效 应 与 定 向 效 应
缩 合 反 应
二）底物的形变和诱导契合学说 （ inducedfit） 酶结合底物时，酶中的某些基团可使底物分子内敏 感键中的某些基团的电子云密度增高或降低，产生 O O 电子张力，底物分子变形－过渡态，降低活化能。 OOP CH 3 O OCH 3 O P
水解速度
别构调节：酶分子的非催化部位与调节 物可逆地非共价结合后发生构象改变， 进而改变酶活性，称为酶的别构调节。 效应物（别构剂、调节物）：能使酶分 子发生别构作用的物质。 正效应物(别构激活剂)别构导致酶活增 加。 负效应物(别构抑制剂)别构导致酶活降 低。
生物界许多代谢途径的 关键酶利用别构调节来 控制代谢途径间的平衡 同促效应：底物对别构酶 的调节作用 异促效应：非底物分子调 节物对别构酶的调节作用
2、酶原激活
酶原和酶原的激活
酶原：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。 酶原激活的意义：在特定的环境和条件 下发挥作用；避免细胞自身消 化。
机体中的酶原激活
• • • • 使蛋白水解的消化酶 血液凝固系统的酶 蛋白激素 皮肤、骨骼中的纤维蛋白—胶原等
蛋白酶原激活
第十章 酶的作用机理和酶的调节
南京工业大学 制药与生命科学学院 何冰芳
酶的活性中心和必需基团
酶的特殊催化能力只局限一定区域 只有少数AA残基参与底物结合和催化作用。
一、酶的活性中心
酶的必需基团(essential group): 与酶活性直接有关的基团 酶的活性中心(active center): 由必需基团构成的与酶催化活性有关 的特定区域.
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。 酶催化反应往往是几个基元催化反应配合 在一起共同起作用。不同酶起主要作用的 因素不同。
七）活性部位微环境的影响
咪唑 丙酮酸脱氢酶 卟啉环，咪唑， 血红素， 含硫配体 氧化-还原酶， 过氧化氢酶 咪唑，酰胺 细胞色素氧化酶 卟啉环 变位酶 -NH3,咪唑,-(RS)2 碳酸酐酶,醇脱氢酶 -SH d-氨基α-酮戊二酸脱水酶 -SH 尿酶
对于需要辅酶的酶来说，活性中心就是辅酶分 子以及与辅酶分子紧密偶联的蛋白质结构区 域。
1．三、四级结构与酶活的关系－别构调整 活性部位; 结合底物和催化底物 调节部位；结合调节物和效应物 寡聚酶多为别构酶，由多亚基构成-次级键两部 位可在同一亚基上，也可在不同亚基上。 别构酶分子上可有一个以上的活性部位和调节 部位。两者在空间上是分开的，但可通过构象 上的变化产生相互影响，产生协同效应(正和负 协同)。
肠激酶或 胰蛋白酶
缬 天 天 天 天 赖 异 缬 甘
静电吸引 力或氢键
组 46
X 丝
183
S S
胰 蛋 白 酶 原 活性中心
-S-S-
游离的六肽
缬 天 天 天 天 赖
缬 异
X
组 丝
S S
胰 蛋 白 酶
-S-S-
胰蛋白酶原的激活过程
胰蛋白酶原
肠激酶
胰凝乳蛋白酶原 六肽 +
自 身 催 化
弹性蛋白酶原