第十一章 酶的作用机制和酶的调节

一、酶的活性中心一、酶的活性中心

二、酶的催化机理二、酶的催化机理

三、丝氨酸蛋白酶类三、丝氨酸蛋白酶类

四、酶活性的调节四、酶活性的调节

五、同工酶五、同工酶

• 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。

（一） 酶分子的结构特点

•酶分子中促使底物发生化学变化的部位称为催化部位。

•结合部位决定酶的专一性，•催化部位决定酶所催化反应的性质与能力。

2 ．催化部位 catalytic site

酶分子中的其他部位提供结构支持

酶的活性中心=结合部位+催化部位

酶活性中心的特点酶活性中心的特点

1.1.部分氨基酸，部分氨基酸， 1-2%1-2%

2.2.具有三维结构具有三维结构

3.3.通过诱导契合与底物互补通过诱导契合与底物互补

4.4.容纳底物的裂缝，以非极性基团为主。容纳底物的裂缝，以非极性基团为主。

5.5.通过次级键与底物相连通过次级键与底物相连

6.6.活性部位具有柔性与运动性，比酶分子活性部位具有柔性与运动性，比酶分子更敏感更敏感

•主要包括：•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：天门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

酶活性中心的必需基团

往往是几个氨基酸起作用往往是几个氨基酸起作用

第 11章 酶的作用机制和酶的调节

一、酶的活性中心一、酶的活性中心

二、酶的催化机理二、酶的催化机理

三、丝氨酸蛋白酶类三、丝氨酸蛋白酶类

四、酶活性的调节四、酶活性的调节

五、同工酶五、同工酶

二 . ——酶的催化机理

与酶的高效率有关的因素

a.底物与酶的靠近与定向

b.酶使底物的敏感键发生变形

c.共价催化

d.酸碱催化

e.低介电区域的活性中心

f.金属离子催化作用

g.多功能催化作用

•酶催化作用的本质是酶的活性中心与底物分子通过短程非共价力 (如氢键 ,离子键和疏水键等 )的作用，形成 E-S反应中间物，

•其结果使底物的价键状态发生形变或极化，起到激活底物分子和降低过渡态活

化能作用。

a.底物与酶的靠近（ proximity)

与定向 (orientation)

化学反应速度与底物浓度成正比

靠近：底物与酶的靠近使酶活性中心区域底物浓度增加

有报道：从 0.001mol/L~100mol/L

归功于 induced-fit ——，使分子间反应 分子内反应

诱导构象变化，正确地靠近与定向

分别使速率提高 1万倍

可以使反应速度增加 108倍

•在酶促反应中，底物分子结合到酶的活性中心，一方面底物在酶活性中心的有效浓度大大增加，有利于提高反应速度；

•另一方面，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。

邻近定向效应：酶与底物结合成中间产物过程中，底物分子从稀溶液中密集到活性中心区，并使活性中心的催化基团与底物的反应基团之间正确定向排列所产生的效应。

实验证据

•咪唑和对 -硝基苯酚乙酸酯的反应是一个双分子氨解反应 .

CH3 C O

O

NO2

N

NH

.. N

NH

COCH3

+ O- NO2+

N

NH

C O

O

NO2..

O

N

NH

+ O-NO2+

实验结果表明，分子内咪唑基参与的氨解反应 速度比相应的分子间反应速度大 24 倍。说

明咪唑基与酯基的相对位置对水解反应速度具有很大的影响。

b.酶使底物的敏感键发生变形（ distortion)——诱导契合酶与底物结合：

酶的构象发生改变，底物分子也发生变化

酶的某些基团作用于底物的敏感键，产生电子张力，使底物分子变形，形成相互契

—合的酶 底物复合体

“ ” “ ”张力 与 形变 ：酶与底物的结合，不仅酶分子发生构象变化，同样底物分子也会发生扭曲变形，使底物分子的某些键的键能减弱，产生键扭曲，降低了反应活化能。

底物分子结合在酶的底物结合中心 底物分子结合在酶的底物结合中心

使底物靠拢

使底物分子产生应力，变形

使底物分子电荷变化，电子张力

张力学说

• 这是一个形成内酯的反应。当 R＝ CH3时，其反 应速度比 R＝ H的情况快 315倍。

• 由于 -CH3体积比较大，与反应基团之间产生一种立体排斥张力，从而使反应基团之间更容易形成稳定的五元环过渡状态。

• 例如：溶菌酶与底物结合时底物糖环的构象由椅式 变为半椅式

R

C

R

CH2 OH

O

OH

H2O R

R

O

O

HH

Sreric strain

c.共价催化（ covalent catalysis)

酶与底物形成反应活性很高的共价过渡产物，使反应活化能降低，从而提高反应速度的过程，称为共价催化。

关键：降低活化能，越过能阈

Lewis的酸碱电子理论：酸是可以接受电子对的物质，而碱则是可以提供电子对的物质，前者是亲电物质，后者是亲核物质。共价催化又称亲核或亲电子催化。实际上也是酸碱催化。

Ser-OH

—CH2—S· ·

：H

—CH2—O· ·

：H

Cys-SH

—CH2—C=CH

HN N

CH

：His-咪唑基

亲核物质 亲电物质

酶中参与共价催化的亲核基 团主要包括 His 的咪唑

基， Cys 的巯基， Ser 的羟基等

攻击底物的亲电中心，如酰基，磷酰基、糖等。

酶分子中的亲核基团或亲电子基团对底物的电子受体或电子供体进行攻击，共价结合成中间过渡产物，供水或第二种底物作用

H2N CH C

CH2

OH

O

OH

OH

H2N CH C

CH2

OH

O

SH

SH

H2N CH C

CH2

OH

O

N

NH

N

NH

d.酸碱催化（ acid-base catalysis)

酸 -碱催化可分为狭义的酸 -碱催化和广义的酸 -碱催化。酶参与的酸 -碱催化反应一般都是广义的酸－碱催化方式。广义酸－碱催化是指通过质子酸提供部分质子 ,或是通过质子碱接受部分质子的作用，稳定过渡态，达到降低反应活化能的过程。意义：在近中性的 pH下创造了有利的催化环境

酸碱催化：通过想反应物（作为碱）提供质子或从反应物（作为酸）夺取质子来达到加速反应的一类催化。（广义酸碱催化， Bronsted的酸碱定义）

蛋白质中起酸或碱催化的功能基团有氨基、羧基、咪唑基、巯基和酚基。

影响酸碱催化反应速度的两种因素：（ 1）酸或碱的强度（ pK）；（ 2）质子传递的速度。 His的咪唑基最活跃。

• 广义酸基团 广义碱基 团（质子供体） （质子受

体）-COOH, -NH 3, -SH,+

OH NHN H+

-COO , -NH 2, -S , - .. -

O- NHN:

酶分子中可以作为广义酸、碱的基团

His 是酶的酸碱催化作用中最活泼的一个催化功能团。

His 的咪唑基解离常数为 6.0，质子浓度与水中氢离子相近，一半以酸形式存在，一半以碱形式存在，既是质子供体，又是质子受体

供出或接受质子的速度十分迅速，半衰期<10-10秒

如溶菌酶，如溶菌酶， RNaseRNase等等

e.低介电区域的活性中心

——微环境的影响

很多酶的活性中心穴内是非极性的

酶的催化基团被低介电环境所包围，甚至将水分子排除在外

疏水环境中两个带电物之间的作用力比在极性环境中强，增加了酶与底物的反应力

f.金属离子催化作用

•金属离子可以和水分子的 OH-结合，使 水显示出更大的亲核催化性能。

1）提高水的亲核性能

22）络合物，稳定过渡态）络合物，稳定过渡态

3）电荷屏蔽作用

4）电子传递中间体

3）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。

A

HH

OH

H

OHH

O- - -

-O P O P O P O CH2

O OO

O O OMg

2+

4）电子传递中间体

•许多氧化 -还原酶中都含有铜或铁离子，它们作为酶的辅助因子起着传递电子的功能。

• 根据金属离子与酶蛋白结合程度，可分为两类：金属酶和金属激酶。

• 在金属酶中 , 酶蛋白与金属离子结合紧密。如Fe2+/ Fe3+

、 Cu+/Cu3、 Zn2+ 、 Mn2+、 Co2 等。• 金属激酶中的金属离子作为酶的辅助因子，在酶促反应中传递电子，原子或功能团。如碱金属和碱土金属

g.多功能催化作用•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。如：胰凝乳蛋白酶的电荷中继网Asp102， His57， Ser195协同作用亲核催化与碱催化

与酶的高效性有关的因素

不同的酶，引起其高效性的因素是不同的，可以受一种或几种因素的影响

a.底物与酶的靠近与定向

b.酶使底物的敏感键发生变形

c.共价催化

d.酸碱催化

e.低介电区域的活性中心

f.金属离子催化作用

g.多功能催化作用

108

103

第 11 章 酶的作用机制和酶的调节

一、酶的活性中心一、酶的活性中心

二、酶的催化机理二、酶的催化机理

三、丝氨酸蛋白酶类三、丝氨酸蛋白酶类

四、酶活性的调节四、酶活性的调节

五、同工酶五、同工酶

三 .丝氨酸蛋白酶类与胰蛋白酶家族

胰蛋白酶，胰凝乳蛋白酶和弹性蛋白酶是一组密切相关的水解酶类，它们的作用是水解肽链。胰蛋白酶在碱性氨基酸，即赖氨酸或精氨酸的羰基后侧切天肽链。胰凝乳蛋白酶在芳香氨基酸后侧切开肽链。弹性蛋白酶在它的水解位点上乎没有选择，但是它趋向于优先切开与小的不带电荷的侧链相邻的肽键。

X射线晶体衍射， His57， Ser195， Asp102

在三维结构中是很靠近的

His57， Ser195， Asp102构成一个氢键体系，催化三联体

叫电荷中继网， charge relay network

质子先从 Ser195 先到 His57 ，然后到 Asp102

1.水解反应的酰化阶段

Ser195对敏感肽键的羰基 C原子亲核攻击，底物的胺成分以氢键接到His57 ；羧基与 Ser195的 -OH成酯，Asp102的离子形式稳定的构型

2.水解反应的脱酰阶段

一系列的质子转移，水作用下，质子从 His57到 Ser195，羧酸和胺成分从酶中释放，酶又恢复自由状态

胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、弹性蛋白酶、枯草杆菌蛋白酶都具有 Asp-Ser-His电荷中继网 ,催化三联体

来自胰脏的三种酶 X射线衍射具有类似的三维结构

一级结构 40%相同

胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、弹性蛋白酶来源于相同的祖先，不同的专一性，叫酶的趋异进化

枯草杆菌蛋白酶与上述三种酶来源不同，但有相同的电荷中继网，类似的催化机制，叫酶的趋同进化

第 11 章 酶的作用机制和酶的调节

一、酶的活性中心一、酶的活性中心

二、酶的催化机理二、酶的催化机理

三、丝氨酸蛋白酶类三、丝氨酸蛋白酶类

四、酶活性的调节四、酶活性的调节

五、同工酶五、同工酶

可以通过改变其催化活性而使整个代谢反应的速度或方向发生改变的酶就称为限速酶或关键酶 。

四、酶活性的调节控制四、酶活性的调节控制

别构调节别构调节酶原激活酶原激活共价修饰共价修饰酶量调节酶量调节

一条代谢途径的终产物，有时可与该代谢途径的第一步反应的酶相结合，结合的结果使这个酶活性下降，从而使整条代谢途径的反应速度慢起来。这种情况又称为“ ”反馈抑制 。

负反馈负反馈

正反馈正反馈

结合使酶活性结合使酶活性增强增强

第一个酶（有活性）

第一个酶（无活性）

终产物

终产物（调节物） 结合在调节中心

调控部位：酶分子中存在着一些可以与其他分子发生某种程度的结合的部位，从而引起酶分子空间构象的变化，对酶起激活或抑制作用。

（一）变构调节（别构调节）：（一）变构调节（别构调节）：

某些代谢物能与变构酶分子上的变构部位特异性结合，使酶的分子构象发生改变，从而改变酶的催化活性以及代谢反应的速度，这种调节作用就称为变构调节(allosteric regulation) 。

具有变构调节作用的酶就称为变构酶 。

凡能使酶分子变构并使酶的催化活性发生改变的代谢物就称为变构剂。

变构调节广泛存在于生物界

变构调节的机制：

•变构酶一般是多亚基构成的聚合体，一些亚 基为催化亚基，另一些亚基为调节亚基。

•当调节亚基或调节部位与变构剂结合后，就可导致酶的空间构象发生改变，从而导致酶的催化活性中心的构象发生改变而致酶活性

的改变。

协同效应：协同效应：当变构酶的一个亚基与其配体（底物或变构剂）结合后，能够通过改变相邻亚基的构象而使其对配体的亲和力发生改变，这种效应就称为变构酶的协同效应 。如果对相邻亚基的影响是导致其对配体的亲和力增加，则称为正协同效应；反之，则称为负协同效应 。如果是同种配体所产生的影响，则称为同促协同效应。如果是不同配体之间产生的影响则称为异促协同效应 。

• 观察变构酶的底物浓度对酶促反应速度影响时，可发现 ν～ [S] “为一 S”形曲线。这是由于底物对变构酶存在同促

正协同效应。

变构调节的特点：变构调节的特点：

⑴ 酶活性的改变通过酶分子构象 的改变而实现；

⑵ 酶的变构仅涉及非共价键的变 化； ⑶ 调节酶活性的因素为代谢物 ；

⑷ 一般为多亚基蛋白别构酶不符合米氏方程为一非耗能 过程；

变构调节的方式：变构调节的方式：

变构酶通常为代谢途径的起始关键酶，而变构剂则为代谢途径的终产物。因此，变构剂一般以反馈方式对代谢途径的起始关键酶进行调节，最常见的为负反馈 调节。

值得注意的是，发生反馈抑制时，代谢终产物与酶结合时，是非共价结合，是可逆的。

两种典型的别构酶两种典型的别构酶

天冬氨酸转氨甲酰酶：天冬氨酸转氨甲酰酶： ATCaseATCase

——底物对酶的调节 同促效应（催化亚基）——底物对酶的调节 同促效应（催化亚基）

CTPCTP抑制酶的活性；抑制酶的活性； ATPATP ——激活 异促效应——激活 异促效应

降低或增加酶与底物的亲和性降低或增加酶与底物的亲和性

CTPCTP与与 ATPATP竞争酶的调节部位（调节亚基）竞争酶的调节部位（调节亚基）

3-3-磷酸甘油醛脱氢酶：磷酸甘油醛脱氢酶：负协同效应的代表负协同效应的代表

对底物对底物 NADNAD++的变化不敏感的变化不敏感

即使即使 NADNAD++的浓度很低，也会进行糖酵解的浓度很低，也会进行糖酵解

• “当存在异促正协同效应时， S”形曲线左移，酶促反应速度加快；当存在异促负协

“同效应时， S”形曲线右移，酶促反应速 度减慢。

（二）共价修饰调节：（二）共价修饰调节：

酶蛋白分子中的某些基团可以在其他酶的催化下发生共价修饰，从而导致酶活性的改变，称为共价修饰调节，可逆的 。

最常见的共价修饰方式有：磷酸化 -脱磷酸化， -SH - -S-S-，乙酰化 -脱乙酰化，腺苷化 -脱腺苷化等。

共价修饰的机制：

• 共价修饰酶通常在两种不同的酶的催化下发生修饰或去修饰，从而引起酶分子在有活

性形式与无活性形式之间进行相互转变。

蛋白质的磷酸化普遍存在蛋白质的磷酸化普遍存在

一种蛋白激酶可以有多个蛋白质底物一种蛋白激酶可以有多个蛋白质底物

自由的催化亚基才具有活性自由的催化亚基才具有活性

共价修饰调节的特点：共价修饰调节的特点：

⑴ 酶以两种不同修饰和不同活性的形 式存在；

⑵ 有共价键的变 化； ⑶ 受其他调节因素 （如激素）的影响；

⑷ 一般为耗能过 程； ⑸ 存在放大效

应。

（三）酶原的激活：（三）酶原的激活：

处于无活性状态的酶的前身物质就称为酶原 。 酶原在一定条件下转化为有活性的酶的过程称为酶原的激活 。 酶原的激活过程通常伴有酶蛋白一级结

构的改变。

————————→ 胰蛋白酶原 胰蛋白酶 + N端 6 肽片段

• 酶原激活的机制为：酶原分子一级结构的改变导致了酶原分子空间结构的改变，使催化活性中心得以形成，故使其从无活性的酶原形式转

变为有活性的酶。• 酶原激活的生理意义在于：保护自身组织细胞 不被酶水解消化。

酶原的激活

——无活性的蛋白质经过局部断裂 有活性的酶

典型例子：溶血与凝血不能同时进行

如：凝血酶原在激活因子下断裂成 3段，其中两段通过二硫键形成有活性的凝血酶

凝血经过了 12个凝血因子的级联放大过程

溶血：纤溶酶原在纤溶酶原激活剂断裂，有活性

（四）、酶含量的调节（四）、酶含量的调节

酶含量的调节是指通过改变细胞中酶蛋白合成或降解的速度来调节酶分子的绝对含量，影响其催化活性，从而调节代谢

反应的速度。 酶含量的调节是机体内迟缓调节的重

要方式。

（一）酶蛋白合成的调节：（一）酶蛋白合成的调节：

酶蛋白的合成速度通常通过一些诱导剂或阻遏剂来进行调节。凡能促使基因转录增强，从而使酶蛋白合成增加的物质就称为诱导剂；反之，则称为阻遏

剂。酶的底物对酶蛋白的合成具有诱导作用；代谢终产物对酶的合成有阻遏作 用 。激素可以诱导关键酶的合成，也可阻

遏关键酶的合成 。

（二）酶蛋白降解的调节：（二）酶蛋白降解的调节：

通过调节酶的降解速度以控制酶的活性。

第 11 章 酶的作用机制和酶的调节

一、酶的活性中心一、酶的活性中心

二、酶的催化机理二、酶的催化机理

三、丝氨酸蛋白酶类三、丝氨酸蛋白酶类

四、酶活性的调节四、酶活性的调节

五、同工酶五、同工酶

在同一种属中，催化活性相同而酶蛋白的分子结构，理化性质及免疫学性质不同的一组酶称为同工酶 (isoenzyme) 。

同工酶在体内的生理意义主要在于适应不同组织或不同细胞器在代谢上的不同需

要。

五、同工酶五、同工酶

•乳酸脱氢酶同工酶（ LDHs）为四聚体，在体内 共 有 五 种 分 子 形 式 ， 即LDH1（ H4）， LDH2（ H3M）， LDH3（ H2M2

）， LDH4（ HM3）和 LDH5（ M4）。

心肌中以 LDH1含量最多， LDH1对乳酸的亲和力较高，因此它的主要作用是催化乳酸转变为丙酮酸再进一步

氧化分解，以供应心肌的能量。在 骨 骼 肌 中 含 量 最 多 的 是LDH5 ， LDH5 对丙酮酸的亲和力较高，因此它的主要作用是催化丙酮酸

转变为乳酸，以促进糖酵解的进行。

小结

一、酶的活性中心一、酶的活性中心

二、酶的催化机理二、酶的催化机理

三、丝氨酸蛋白酶类三、丝氨酸蛋白酶类

四、酶活性的调节四、酶活性的调节

五、同工酶五、同工酶