第十章 酶的作用机制和酶的调节

酶（enzyme）是由活细胞产生的、对其底物具有高度特异性和高度催化效能的蛋白质或RNA。酶的催化作用有赖于酶分子的一级结构及空间结构的完整。若酶分子变性或亚基解聚均可导致酶活性丧失。 [1] 酶属生物大分子，分子质量至少在1万以上，大的可达百万。

酶的作用机制和酶的调节

• 酶的活性部位
  • 酶活性部位的特点
    • 在酶分子中只占相当小的部分
    • 是一个三维实体
    • 酶与底物不是形状正好互补，而是改变之后才互补
    • 酶的活性部位位于酶分子表面的一个裂缝内
    • 底物与酶通过次级键较弱的力结合
    • 酶活性部位具有柔性或可运动性
  • 研究酶活性部位的方法
    • 酶分子侧链基团的化学修饰法
• 酶催化反应的独特性质
  • 1、酶反应可分为两类
    • 仅涉及电子转移
    • 涉及电子和质子两者或其它基团的转移
  • 2、催化作用是由氨基酸侧链上的功能基团和辅酶作为媒介的
  • 3、最适pH范围通常狭小
  • 4、与底物相比酶分子很大，但活性部位通常只比底物稍大一点
  • 5、除了催化反应的必需活性基团外，还有别的特性使反应更有利，具有4个有利条件：
    • 1、活性部位存在1个以上的催化基团，能协同催化
    • 2、存在有结合部位，底物分子可以反应中固有方位结合在活性部位附近
    • 3、在包含2个及以上的底物分子参与反应的情况中，存在1个以上底物分子结合的部位
    • 4、有时底物分子以某种方式被结合到酶分子上，使底物中的键产生张力，有利于过渡态复合物形成
• 影响酶催化效率的有关因素
  • 底物和酶的邻近效应与定向效应
    • 邻近效应
      • 酶与底物生成中间复合物后，使底物与底物之间，酶的催化基团与底物之间结合于同一分子而使有效浓度得以极大的升高，从而使反应速率大大增加。
    • 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。
  • 底物的形变和诱导契合
  • 酸碱催化
    • 通过瞬时的反应向底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。
      • 狭义酸碱催化
        • 水溶液中的氢离子和氢氧根
          • 表观速率常数仅依赖于pH
      • 广义酸碱催化
        • 通过氢离子和氢氧根以及能提供这些的供体进行的催化
          • 表观速率常数依赖于pH和缓冲液浓度
    • Brφnsted系数
      • 衡量酸碱强度对反应速率影响的灵敏度指标。（α、β值范围在0-1）
        • α或β≈1的总酸碱催化作用实际上是专一的酸碱催化作用。反应速率与浓度无关。
        • α或β≈0实际上是未被酸或碱催化的反应。
  • 共价催化
    • 亲核中心：Ser-OH，Cys-SH、His-咪唑基、Asp-COOH等
    • 亲电子基团：H、Mg、Mn、Fe（离子）
    • 某些辅酶、TPP、磷酸吡哆醛等
  • 金属离子催化
    • 金属酶
      • 含紧密结合的金属离子
    • 金属-激活酶
      • 含松散结合的金属离子
  • 多元催化和协同效应
    • 酶催化中常常是几个基元催化反应配合在一起共同起作用
  • 活性部位微环境的影响
    • 活性部位位于疏水环境的裂缝中
• 酶催化反应机制的实例
  • 溶菌酶
    • 催化某些细菌细胞壁多糖的水解。NAM C1-O-C4 NAG
    • 广义酸催化，正碳离子中间产物的形成与稳定
  • 胰核糖核酸酶A
    • 水解RNA的磷酸二酯酶，切开嘧啶核苷酸3’P-O键
    • 协同酸碱催化
  • 羧肽酶A
    • 外肽酶，催化肽链C末端肽键水解。对羧基末端芳香族或大的脂肪族侧链较敏感
    • 广义酸碱催化、金属酶（Zn）
  • 丝氨酸蛋白酶
    • 包括胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、弹性蛋白酶（消化酶）、凝血酶、枯草杆菌蛋白酶、纤溶酶、组织纤溶酶原激活剂， 乙酰胆碱酯酶是丝氨酸酯酶，有丝氨酸蛋白酶相关机制
    • 1、消化作用的丝氨酸蛋白酶
      • 胰蛋白酶
        • 裂解碱性氨基酸Arg或Lys羰基侧链肽
      • 胰凝乳蛋白酶
        • 裂解芳香氨基酸（Phe和Tyr羰基侧链）
      • 弹性蛋白酶
        • 裂解小的中性氨基酸残基羰基侧链肽
      • 催化三联体 Arp、His、Ser
    • 广义酸碱催化、共价催化（His咪唑基）
  • 天冬氨酸蛋白酶
    • 包括消化（胃蛋白酶和凝乳酶）、溶酶体蛋白的降解（组织蛋白酶D和E）、调节血压（肾素）
    • 非共价酶-底物中间物、广义酸碱催化
    • 催化二联体 两个Asp
• 酶活性调节控制
  • 别构调控
    • 举例
      • ATCase
        • CTP（异促抑制）、ATP（异促激活）、PALA（强抑制剂）、底物（同促）
      • 3-磷酸甘油醛脱氢酶
        • NAD+是同促、负协同，半位反应性（极端的负协同）。当其浓度很低时，不影响糖酵解进行。
    • 别构酶的性质
      • 一般都是寡聚酶，通过次级键由多亚基构成
      • 别构酶的动力学
        • [S]对v动力学曲线：S形曲线（正协同）、表观双曲线（负协同）
      • K型效应物和V型效应物
      • 脱敏作用
        • 脱敏后表现为米氏酶的双曲线
    • 别构模型
      • 协同模型/对称模型
        • 由底物调节的效应
      • 序变模型
        • 由非底物调节的效应
  • 酶原的激活
    • 有无活性状态转变成活性状态是不可逆的
    • 举例
      • 消化酶、血液凝固系统许多酶、蛋白激素（如胰岛素）、胶原、许多发育过程的酶（如胶原酶、蚕茧酶）
  • 可逆的共价修饰
    • 通过共价调节酶进行
      • 蛋白磷酸酶
        • 底物蛋白质被磷酸化的氨基酸残基有两类
          • “P-O”键连接
          • “P-N”键连接
      • 蛋白激酶
        • 被磷酸化的残基分为
          • Ser/Thr型
          • Tyr型
        • 是否有调节物分为
          • 信使依赖性蛋白激酶
            • 胞内信使（cAMP、cGMP、Ca、PKC等）
            • 激素或生长因子（表皮生长因子、胰岛素等）
          • 非信使依赖性蛋白激酶 （酪蛋白激酶、组蛋白激酶、糖原合成激酶…）
        • 几种重要的蛋白激酶
          • PKA、PKC、PhK、PTK
• 同工酶
  • 1、作为遗传标志
  • 2、同工酶和个体发育及组织分化密切相关
  • 3、同工酶与代谢调节
  • 4、同工酶与癌基因表达