酶作用机制和活性调节

检验之星

一、名词解释

• 酶的活性中心（The activity center of the enzyme）
  特异的氨基酸残基比较集中的区域，即与酶活力直接相关的区域称为酶的活性部位或活性中心。通常又将活性部位分为结合部位和催化部位，前者负责与底物的结合，决定酶的专一性（与Km相关）；后者负责催化底物键的断裂形成新键，决定酶的催化能力（与kcat相关）。对于需要辅酶的酶来说，辅酶分子或辅酶分子上的某一部分结构，往往也是酶活性部位组成部分。
  
• 同促效应（homotropic effect）
  同促效应为别构效应的一种，涉及酶与底物结合时催化部位和催化部位之间的相互作用，即当一个效应物分子与酶结合之后，影响另一相同的效应物分子与酶的另一部位结合称为同促效应。同促效应一般分为同促正协同与同促负协同。若一个效应物分子与酶结合之后，促进另一相同的效应物分子与酶的另一部位的结合则为同促正协同效应，反之则为同促负协同效应。
  
• 异促效应（heterotropic effect）
  异促效应为别构效应的一种，涉及酶与调节物结合时调节部位与活性部位之间的相互作用，当一分子效应物和酶结合之后，影响到另一不同的效应物分子与酶的另一部位结合则称为异促效应。
  
• 酶原激活（activation of zymogen）
  是生物体的一种调控机制，一些酶（主要是蛋白酶）在细胞内以无活性的酶原形式被合成，需要通过水解（由其他蛋白酶催化或自我催化）去除一些氨基酸序列以后才会有活性，即由无活性状态转变成活性状态。与别构调节和可逆共价修饰不同，酶原激活过程是一种不可逆的共价调节过程，即酶原一旦被激活，就再也不可能回到原来无活性的酶原状态了。
  
• 激酶（kinase）
  是一类从高能供体分子转移磷酸基团到特定靶分子的酶，最大的激酶族群是蛋白激酶。其中作为离子通道或酶的活性部位的氨基酸序列和氨基酸结构发生了重要变化，从而诱导其活性产物的形成。激酶广泛分布于生物体内，参与细胞代谢过程的信号转导和调节，可将活性的代谢物转化为另一个活性的代谢物，促进各种生化反应的发生。
  
• 别构酶（allosteric enzyme）
  具有别构效应的酶称为别构酶。一般都是寡聚酶，通过次级键由多亚基构成。在别构酶分子上有和底物结合和催化底物的活性部位，也有和调节物或效应物结合的调节部位，这两种部位可能在同一亚基上，也可能分别位于不同亚基上。每个别构酶分子可以有一个以上的活性部位和调节部位，因此可以结合一个以上的底物分子和调节物分子。一种其活性受到结合在活性部位以外部位的其它分子调节的酶。
  
• 别构调控（allosteric regulation）
  酶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，称为酶的别构调节，又称为别构调控。具有这种调节作用的酶称为别构酶。凡能使酶分子发生别构作用的物质称为效应物或别构剂，通常为小分子代谢物（可以为底物也可以是产物）或辅因子。如因别构导致酶活性增加的物质称为正效应物或别构激活剂（多为底物），反之称为负效应物（多为产物）。
  

二、问答题

• 酶活性部位的特点？
  ①活性部位在酶分子的总体中只占相当小的部分，通常只占整个酶分子体积的1%~2%，酶分子中大多数氨基酸残基不与底物接触（注意丙氨酸也可以出现在活性中心，不能起催化作用，但可以用来和底物结合）。
  ②酶的活性部位是一个三维实体。酶的活性部位不是一个点，一条线，甚至也不是一个面。活性部位的三维结构是由酶的一级结构所决定且在一定外界条件下形成的。（活性部位的氨基酸残基在一级结构上可能相距甚远，甚至位于不同的肽链上，通过肽链的盘旋、折叠而在空间结构上相互靠近。）可以说没有酶的空间结构，也就没有酶的活性部位。一旦酶的高级结构受到物理或化学因素影响时，酶的活性部位遭到破坏，酶即失活。
  ③酶的活性部位并不是和底物的形状正好互补的，而是在酶和底物结合的过程中，底物分子或酶分子，有时是两者的构象同时发生了一定的变化后才互补的，这时催化基团的位置也正好在所催化底物键的断裂和即将生成键的适当位置。这个动态的辨认过程称为诱导契合。
  ④酶的活性部位是位于酶分子表面的一个空穴或裂缝内。底物分子（或一部分）结合到裂缝内并发生催化作用。裂缝内是相当疏水的区域，非极性基团较多，但在裂缝内也含有某些极性的氨基酸残基，以便与底物结合并发生催化作用。
  ⑤底物通过多种次级键较弱的力结合到酶上。酶与底物结合成[ES]复合物主要靠次级键：氢键、盐键、范德华力和疏水相互作用。
  ⑥酶活性部位具有柔性或可运动性。
  
• 影响酶高效催化效率有关的因素有哪些？
  答：与酶催化速率有关的因素主要有以下几个方面:
  （1）底物和酶的邻近效应与定向效应：酶和底物复合物的形成过程既是专一性的识别过程，更重要的是分子间反应变成分子内反应的过程。在这一过程中包括两种效应:邻近效应和定向效应。
  ①邻近效应是由于底物和酶的亲和性，底物有向酶的活性中心靠近和结合的倾向，它的直接结果是底物在活性部位的“有效浓度”比底物在溶液中的浓度要高得多，因此反应速率增加。
  ②定向效应是指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。本质上是由于两个底物被束缚在酶的表面上引起的，因此一个分子间的反应变成了一个类似分子内的反应。
  （2）底物的形变和诱导契合：
  ①底物形变指酶与底物互相接近时，两者在结构上相互诱导、相互变性、相互适应，进而形成ES复合物，进一步转换成过渡态而大大增加酶促反应速率。它使酶分子催化基团（包括向底物提供广义酸碱催化和共价催化的基团）进入适当位置以削弱反应键。
  ②酶的活性部位并不是和底物的形状正好互补的，而是在酶和底物结合的过程中，底物分子或酶分子，有时是两者的构象同时发生了一定的变化后才互补的，这时催化基团的位置也正好在所催化底物键的断裂和即将生成键的适当位置。这个动态的辨认过程称为诱导契合。
  （3）酸碱催化：酸碱催化是通过瞬时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。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，达到降低反应活化能的过程。（His 是酶的酸碱催化作用中最活泼的一个催化功能团，可以作为质子供体，也可以作为质子受体，其给出或得到电子速度也最快）
  （4）共价催化：又称亲核催化或亲电子催化。催化时，酶分子上亲核基团或亲电子基团分别放出电子或汲取电子并作用于底物的缺电子或负电子中心，迅速形成不稳定的共价中间复合物（中间复合物处于低能级的状态），降低反应活化能，使反应加速。许多酶催化的基团转移反应都是通过共价催化方式进行的。（酶上常见的亲核基团：Ser 的羟基，Cys的巯基，His的咪唑基；亲电基团：辅酶磷酸吡哆醛、焦磷酸硫胺素等。常见的天冬氨酸转氨酶就属于共价催化范畴。）
  （5）金属离子催化：金属离子以3种主要途径参加催化过程:
  ①通过结合底物使反应定向；
  ②通过可逆地改变金属离子的氧化态调节氧化还原反应；
  ③通过静电稳定或屏蔽负电荷，作用比质子强，不少金属离子有络合作用，并且在中性pH溶液中，H+浓度很低，但金属离子却容易维持一定浓度。金属离子通过电荷的屏蔽促进反应。金属离子通过水的离子化促进亲核催化。
  （6）多元催化和协同效应：酶催化反应中常常几个基元催化反应配合在一起共同起作用，加速酶反应。
  （7）活性部位微环境的影响：在酶分子的表面有一个裂缝，而活性部位就位于疏水环境的裂缝中，大大有利于酶的催化作用。
  
• 生物体内存在大量的别构酶有什么生物学意义？
  

答：在生物体内无时无刻不进行着大量的化学反应，生物机体要想保持稳定，必须在合适的时间合适的地点进行相应的化学反应，而酶能够调节化学反应。酶本身的调节方式有很多，通过改变构象来调节酶活性是最快的一种。
①别构调节是指酶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，称为酶的别构调节，又称为别构调控。具有这种调节作用的酶称为别构酶。凡能使酶分子发生别构作用的物质称为效应物或别构剂，通常为小分子代谢物（可以为底物也可以是产物）或辅因子。如因别构导致酶活性增加的物质称为正效应物或别构激活剂（多为底物），反之称为负效应物（多为产物）。
②酶的别构调节的生物学意义在于通过正协同作用使代谢途径适合体内的代谢需要；通过负协同作用保证在特殊情况下，体内的基本代谢途径的畅通，增加生物的适应能力。别构调节普遍存在于生物界，许多代谢途径的关键酶利用别构调节来控制代谢途径之间的平衡。基因表达不论是调节蛋白质对转录水平的控制，还是转录后的加工，或者是偶联的转录-翻译衰减机制的控制都直接或间接与别构调节有关。、

资料整理来自：求臻生物考研

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