下载文档原格式
酶的结构与功能酶是一类重要的蛋白质生物催化剂，它们在生物体内起到了至关重要的作用。
通过调节化学反应速率，酶使生物体能够维持正常的新陈代谢，并参与细胞的生长和分裂等基本过程。
酶的结构与功能密切相关，下面将介绍酶的结构层次、酶活性中心以及酶的功能调控等方面内容。
一、酶的结构层次酶的结构层次涉及到四个主要层次：原初结构、二级结构、三级结构和四级结构。
1. 原初结构原初结构是指酶的氨基酸序列，也被称为多肽链。
酶的结构和功能都由其氨基酸序列决定。
2. 二级结构酶的二级结构是指多肽链中部分区域的局部结构。
常见的二级结构有α-螺旋、β-折叠和随机卷曲等。
3. 三级结构酶的三级结构是指整个酶分子的空间构型，由多肽链在空间上的折叠形成。
具体的折叠方式决定了酶的活性。
4. 四级结构四级结构是指由两个或多个多肽链相互作用形成的具有功能的酶。
这些多肽链称为亚基，它们可以组装成多种复合酶。
二、酶的活性中心酶的活性中心是指酶分子上参与催化反应的特定位点。
酶的活性中心通常由一些特定的氨基酸残基组成，这些残基能够通过特定的化学反应来促进催化过程的进行。
酶的活性中心通常具有以下特点：1. 活性中心具有亲和力，能够与底物结合形成酶底物复合物。
2. 活性中心具有催化活性，能够促进底物发生化学反应，使反应速率加快。
3. 活性中心具有特异性，只针对特定的底物。
三、酶的功能调控酶的功能调控是一种能够有效调控酶活性和酶产物生成的机制。
酶的功能调控可以通过多种方式实现。
1. 底物浓度调控酶的活性通常受到底物浓度的调控。
当底物浓度较低时，酶的活性相对较低；而当底物浓度较高时，酶的活性则相对较高。
2. 酶的结构调控酶的结构调控是通过改变酶的构象来调控其活性。
例如，酶的结构在不同的温度和pH条件下可能会发生变化，从而影响酶的活性。
3. 酶的调控蛋白某些酶的活性还可以通过结合与之结合的调控蛋白得以调控。
这类调控蛋白可以激活或抑制酶的活性，实现对酶功能的调节。
酶的结构和功能酶是一类高度专一的分子催化剂，它们能够在生物体内加速化学反应的速率，使其能够在适宜的条件下进行。
酶的结构和功能是相互关联的，下面将对酶的结构和功能进行详细介绍。
酶的结构通常由蛋白质组成，可以是单个蛋白质分子，也可以是由多个蛋白质分子组成的复合物。
酶的立体结构具有高度的空间特异性，这对于其功能至关重要。
酶的结构通常可分为四个层次：一级结构、二级结构、三级结构和四级结构。
一级结构指的是蛋白质分子中的氨基酸序列，这种链状的结构决定了酶的二级、三级和四级结构。
二级结构是指蛋白质分子中氢键的形成，使部分氨基酸残基在空间上排列成α-螺旋或β-折叠的形式。
α-螺旋是一种像螺旋形的结构，β-折叠则是像折叠的结构。
二级结构的形成对于酶的功能非常重要，因为它能够保持酶的稳定性和活性。
三级结构是指一个或多个二级结构件的折叠和排列，形成一个特定的立体结构。
这种特定的立体结构决定了酶的活性中心的形状和环境，进而决定了酶与底物的相互作用。
四级结构是指由多个蛋白质分子相互作用形成的复合物。
这种复合物的形成能够增强酶的稳定性和活性。
酶的功能主要是通过其结构中的活性中心实现的。
活性中心是酶分子上的一个小区域，具有特定的空间结构，能与底物形成稳定的非共价键。
酶通过活性中心与底物结合，形成酶-底物复合物。
通过酶-底物复合物，酶能够降低底物分子的活化能，从而加速化学反应的速率。
酶的功能还受到一些其他因素的影响，包括温度、pH值、离子浓度和酶抑制剂的存在。
温度和 pH 值的改变能够影响酶的结构稳定性和活性中心的形状。
离子浓度的改变能够改变底物和酶之间的相互作用，影响酶催化的速率。
而酶抑制剂能够与酶结合，降低酶的活性。
总之，酶的结构和功能是密不可分的。
酶的结构决定了其功能，而其功能又依赖于其结构的稳定性和活性中心的形状。
对酶的结构和功能的深入理解对于研究和应用酶具有重要的意义。
酶的结构与功能酶是一种生物催化剂，它们在生物体内起到了至关重要的作用。
酶能够加速化学反应过程，降低反应所需的能量，使生物体能够在相对温和的条件下进行必要的生化反应。
酶的高效性来自于其特殊的结构与功能。
本文将探讨酶的结构与功能，并进一步了解酶在细胞代谢中的作用。
一、酶的结构酶是由蛋白质构成的，因此它们的基本结构与其他蛋白质类似。
酶分子通常由一个或多个多肽链组成，这些链通过肽键连接在一起形成特定的立体结构。
酶的结构可以分为四个层次：一级结构、二级结构、三级结构和四级结构。
1. 一级结构：一级结构是酶分子中氨基酸残基的线性排列，即多肽链的序列。
氨基酸的种类和顺序对酶的结构和功能起着重要的影响。
2. 二级结构：二级结构是指多肽链通过氢键的形成而折叠成α螺旋、β折叠等特殊的空间构型。
这种结构给予酶分子一定的稳定性和空间排列。
3. 三级结构：三级结构是酶分子中各个多肽链的折叠排列方式，形成具有独特空间结构的整体。
这种结构是酶分子的基本功能单位。
4. 四级结构：四级结构是由多个多肽链通过非共价相互作用而聚合形成的酶分子结构。
多个多肽链之间的互作用可以增强酶的稳定性和活性。
此外，酶分子上还有一些非氨基酸结构，如辅酶、金属离子等，它们可以与酶分子相互作用，进一步调节酶的结构和功能。
二、酶的功能酶的主要功能是催化生化反应，使其能在活细胞内快速而有效地进行。
酶通过特定的活性位点与底物结合，经过一系列反应步骤来催化底物的转化。
酶能够派生底物的能垒，从而降低化学反应所需的能量，提高反应速率。
不同的酶具有不同的底物特异性，即它们只对特定的底物具有催化活性。
这种特异性来源于酶的结构。
酶的活性位点具有与底物结构相匹配的空腔和功能性基团，使其能够与底物发生相互作用，并促使底物转化为产物。
酶的活性位点也是酶与底物之间的非共价相互作用的场所。
酶还可以通过调节细胞中代谢途径中的反应平衡来发挥作用。
通过参与代谢通路的调控，酶能够控制细胞内底物的浓度和反应速率，从而维持细胞代谢的平衡。
酶的分子结构与功能酶是一类特殊的蛋白质，具有催化生物化学反应的功能。
酶分子的结构与功能密切相关，下面将详细介绍酶的分子结构以及其与功能之间的关系。
一、酶的分子结构酶分子的结构主要包括四个层次：一级结构、二级结构、三级结构和四级结构。
1.一级结构：酶的一级结构是由氨基酸组成的线性多肽链。
酶分子中的氨基酸序列决定了其形状和功能。
2.二级结构：二级结构是由氨基酸之间的氢键相互作用形成的。
常见的二级结构包括α螺旋和β折叠。
α螺旋是由多个氨基酸残基在空间上形成螺旋状结构，β折叠是由多个氨基酸残基形成折叠状结构。
二级结构的形成使酶分子在空间上具有一定的结构稳定性。
3.三级结构：三级结构是由酶分子中不同区域之间的相互作用（包括氢键、离子键、范德华力等）形成的。
三级结构决定了酶分子的整体形状，包括酶分子的酶活中心的位置和相关功能区域的空间结构。
4.四级结构：一些酶分子由两个或多个亚基组成，每个亚基都具有一定的功能。
多个亚基之间通过非共价键相互结合形成四级结构。
四级结构在一定程度上影响酶分子的稳定性和功能。
二、酶的功能酶的功能主要是催化反应，加速生物体内化学反应的速度。
常见的酶功能有以下几种：1.底物结合：酶与底物之间通过酶活中心的特异性结合，形成酶底物复合物。
酶底物复合物的形成使得底物分子更容易发生催化反应，从而加快了反应速度。
2.催化反应：酶通过改变底物分子的结构，同时提供了催化反应所需的活化能，从而加速了反应速率。
酶的催化作用可以分为两种方式：一种是通过底物分子的结构改变来降低催化反应所需的能量；另一种是通过提供特殊的环境条件来促使化学反应发生。
3.选择性催化：酶具有高度的选择性催化作用，对特定的底物能够选择性地催化特定的反应。
这种选择性使酶在复杂的生物体内能够准确地催化特定的反应，而不与其他底物产生干扰。
4.调控反应：酶在生物体内起到了调控化学反应的作用。
通过调控酶的活性，生物体能够根据需要增加或减少特定反应的速率。
酶的结构和功能调控机制酶是一种生物催化剂，它能够加速生物化学反应的进行，提高反应速率。
酶的结构和功能调控机制是研究酶学领域中的热点问题，其深入探究有重要的理论和实际应用价值。
一、酶的结构酶由蛋白质或核酸构成，具有特定的空间结构。
酶的结构可以分为四个层次：一级结构、二级结构、三级结构和四级结构。
一级结构是指酶分子的氨基酸序列，由蛋白质基因所决定。
二级结构是指氨基酸在空间中的排列方式，通常有α-螺旋和β-折叠。
三级结构是指酶分子的整体空间形态，主要由氨基酸残基之间的作用力决定。
四级结构是指由两个或多个蛋白质亚基组成的酶分子的整体空间结构。
酶的结构对其功能至关重要，因为酶分子的结构决定了其活性中心的空间和化学特性。
二、酶的功能酶的主要功能是催化生物化学反应，其反应速率比非催化情况下的速率要快得多。
酶催化反应的速率受多种因素的影响，包括物理条件（温度、pH值等）和化学条件（反应物浓度、反应物结构等）。
酶的催化机理多种多样，可以分为两类：酸碱催化和亲合催化。
酸碱催化是指酶分子中存在酸性或碱性氨基酸残基，它们能够提供或吸收质子以促使反应进行。
亲合催化是指酶分子通过与反应物间的氢键、非共价键等作用力相互结合，从而达到提高反应速率的效果。
三、酶的调控机制酶的调控机制主要包括底物浓度调控、信号调控和结构调控等。
底物浓度调控是指底物浓度对酶催化反应速率的调控作用。
当底物浓度增加时，酶催化反应速率也随之增加，直到反应达到饱和状态。
信号调控是指外源性信号分子（如激素、细胞因子等）对酶的活性进行调节。
这种调节方式通常通过在酶的结构上引入相互作用来实现。
结构调控是指酶分子在空间构型上的调节，通过与辅助分子的相互作用来实现酶催化功能的启动和终止。
四、酶的应用酶在生物工程、食品科学、医药化学等领域有广泛的应用。
例如，酶在面包和奶酪制作中被广泛使用，可以提高产品的质量和产量；酶在医学中的应用，如DNA酶和RNA酶，可以用于分析基因序列和研究生物分子的功能等。
第四章酶的结构和功能4.1 酶的活性中心4.1.1 酶的活性中心和必需基团的概念在酶蛋白中，只有少数特异的氨基酸残基与催化活性直接相关。
这些特异的氨基酸残基可以在肽链的一级结构上相距较远，但通过肽链的折叠、盘旋，使它们在空间上接近，形成活性中心（或称活性部位）。
组成活性中心的氨基酸残基有些执行结合底物的任务，有些执行催化反应的任务。
我们把组成活性中心的氨基酸残基的侧链基团及一些维持整个酶分子构象所必需的侧链基团称为必需基团。
1960年，Koshland将酶分子中的氨基酸残基或其侧链基团分成4类：接触残基（直接与底物接触，参与结合或催化的残基；右图中的R1、R2、R6、R8、R9、R163、R164、R165），辅助残基（对接触残基的功能起辅助作用的残基，也位于活性中心；右图中的R4），结构残基（维持构象的残基，此为活性中心以外的必需基团；右图中的R10、R162、R169），非贡献残基（或称非必需残基，非必需只是对酶发挥活性而言，它们可能有其他作用，如识别自身物质、运输、防止降解等；右图中的R3、R5、R7）。
4.1.2 酶活性中心的拓扑学酶的活性中心可以设想为一个口袋或是一条沟槽，形状与底物相近。
不同的酶的口袋适合不同的底物。
口袋中有相应的结合残基与底物上的某些基团结合，发生反应的底物上的键与催化基团靠近。
亲水基团与亲水残基亲合，疏水基团与疏水残基亲合，带电荷的基团与带相反电荷的残基亲合。
例如羧肽酶A催化多肽链上羧基端氨基酸的水解。
当末端氨基酸是含有较大疏水基团的氨基酸时（苯丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸），反应速度很快。
但是当有这些较大疏水基团的氨基酸残基进入亚位点3～6时，就会减低酶对这些底物的亲和力。
说明羧肽酶A对底物的识别和结合有多个位点。
同时，苯丙氨酸是羧肽酶A的竞争性抑制剂。
4.2 酶活性中心化学基团的鉴定常用的方法有化学修饰法、反应动力学法和x-光晶体衍射法。
4.2.1化学修饰法酶分子中有许多氨基酸残基的侧链基团可以被化学修饰，如羟基、巯基、咪唑基、氨基、羧基等。
如果一个基团是必需的，则被修饰后酶活性会大大下降，甚至完全失活。
4.2.1.1 使用非特异性试剂对特殊基团的标记非特异性试剂可以修饰特定的某种基团，但不能区分活性中心内部和外部的基团。
如果某种基团只存在于活性中心，而其他部位没有，就可以用非特异性试剂修饰。
如木瓜蛋白酶（papain）分子中有7个半胱氨酸残基，其中的6个形成3对二硫键，只有一个以自由巯基的形式存在于活性中心（Cys22-63，Cys56-95，Cys153-200，自由Cys25；编号从N端开始往C端进行）。
在这种情况下就可以用任何一种硫氢基试剂来修饰，如用碘乙酸修饰。
碘乙酸对木瓜蛋白酶的活性中心无任何特殊亲和力，但由于这种特殊情况，仍然得到了巯基的修饰与酶活性的丧失相平行的结果。
另外，通过动力学实验证实，还有一个组氨酸残基的咪唑基位于木瓜蛋白酶活性中心的催化部位（木瓜蛋白酶共有212个氨基酸，有His81和His159两个His）。
Husain和Lowe用1,3-二溴丙酮修饰木瓜蛋白酶，在pH5.6，1克当量的试剂完全抑制了木瓜蛋白酶的活性。
对修饰后的酶进行氨基酸分析，发现少一个组氨酸。
在用1,3-二溴丙酮（2-14C）的修饰实验中，发现修饰剂连接了Cys-25和His-159两个残基，因此知道了这两个基团之间的距离在5A以内。
这个结论通过x-光衍射分析法又进一步得到了肯定。
由于酶活性部位微环境的影响，活性中心的基团对某一非特异性试剂的反应性可能会比活性中心以外的基团的反应性高或低。
如3-磷酸甘油醛脱氢酶的活性中心的Ser能优先地被14C-碘乙酸标记；牛胰核糖核酸酶活性中心的His能优先地被碘乙酸标记，其Lys-41的ε－NH2可优先地被氟二硝基苯标记。
也有些酶活性中心的基团对某种非特异性试剂的反应性很低。
要充分利用高反应性的情况。
4.2.1.2 差示标记法这种方法是非特异性试剂标记法的一个发展。
它利用竞争性抑制剂或底物预先占据活性中心，使非特异性试剂只修饰活性中心以外的基团，然后透析除去保护剂（即竞争性抑制剂和底物），再用同位素标记的非特异性试剂修饰活性中心的基团。
经氨基酸分析可知哪些基团位于活性中心。
胰蛋白酶催化碱性氨基酸的羧基形成的肽键水解。
人们认为在胰蛋白酶的活性中心必有酸性基团存在。
ψ胰蛋白酶（Lys6-Ile7之间断裂成为β胰蛋白酶；Lys6-Ile7和Lys131-Ser132两处断裂成为α胰蛋白酶；Lys6-Ile7、Lys131-Ser132和Lys176-Asp177三处断裂成为ψ胰蛋白酶）失去了水解碱性氨基酸的羧基形成的肽键的能力，而保留了一般的酯酶活性，估计Asp177的β－COOH可能与结合底物有关（与底物中的碱性氨基酸结合）。
Eyl和Inagami的实验证明了上述推测。
他们用苯甲脒（benzamidine，C6H5C(=NH)NH2）作为β胰蛋白酶的竞争性抑制剂，以1-乙基-3-二甲氨丙基碳二亚胺为缩合剂（1-ethyl-3-dimethylaminopropylcarbodiimide，C2H5-N=C=N-(CH2)3-N(CH3)2），以甘氨酰胺（glycine amide）为修饰剂，以差示标记法证明了Asp177是结合底物的一个基团。
酶的羧基与甘氨酰胺以酰胺键结合后几乎完全抑制了酶水解N-α-苯甲酰基-L-精氨酸乙酯（N-α-benzoyl-L-arginineethyl ester）的能力。
有时加了保护剂后使有些活性中心外的可修饰基团不能被修饰，也有时不能完全阻止对活性中心基团的修饰，这是差示标记法的缺点。
4.2.1.3 亲和标记A．Ks型亲和标记亲和标记是以带有高反应性基团的底物类似物与酶的活性中心结合，然后高反应性基团与酶活性中心的基团反应，形成共价结合，这称为Ks型亲和标记。
如胰凝乳蛋白酶用TPCK亲和标记，胰蛋白酶用TLCK亲和标记。
再如磷酸丙糖异构酶的底物是，亲和标记物为。
B．Kcat型亲和标记Kcat型修饰剂的专一性不仅取决于修饰剂与酶结合的亲和力，而且取决于它作为酶的底物的有效性。
这种修饰剂具有潜在的化学反应基团，当它被酶作用后转变成有高度化学反应性能的基团，与酶的活性中心共价结合，因此这类化合物又称为“自杀底物（suicide substrate）”。
如3,5/4,6-环己烯四醇B环氧化物具有与葡萄糖吡喃环相似的结构，它对糖苷酶有很高的亲和力，分子内潜在的化学活性基团——环氧环在酶的催化作用下，发生类似底物质子化的变化而受到活化，变成对酶有高度反应活性的基团，能专一地不可逆地作用不同来源的β－葡萄糖苷酶。
C．光亲和标记一个在无光时稳定的化合物可逆地结合到酶的活性中心，照光后受光解激活，产生高反应性基团，与酶的活性中心共价结合。
常见的试剂是光解时给出高度易反应的碳烯的重氮化合物或硝烯的叠氮化合物。
在植物生理学中，用氚偶氮—IAA作光亲和标记试剂，经紫外光照射后，从番茄茎细胞质膜上分离出了IAA受体蛋白。
表、某些常用的修饰剂氨基酸残基修饰剂Cys 汞制剂，如对氯汞苯甲酸；二硫化物，如5,5＇－二硫二（2-硝基苯甲酸）；碘乙酰胺Lys 2,4,6-三硝基苯磺酸；磷酸吡哆醛（±还原试剂如NaBH4）His 二乙基焦碳酸盐；光氧化Arg 苯乙二醛；2,3-丁二酮Tyr 四硝基甲烷；N-乙酰咪唑Trp 碘；N-溴代丁二酰亚胺Asp, Glu 水溶性碳二亚胺＋亲核试剂如Gly甲酯鉴别化学修饰剂是否已经引入酶的活性中心，有下列两个标准：a．酶活性的丧失程度与修饰的程度成正比。
b．底物或可逆抑制剂可保护共价修饰剂的抑制作用。
对化学修饰实验得出的结论应非常慎重，因为可能被修饰的基团位于活性中心以外的附近，由于空间位阻使得底物无法进入活性中心，从而表现出酶失去活性。
活性中心往往有多个与底物结合的基团，修饰其中的一个往往不能使酶失去活性，可能导致结合力减弱，也可能改变被结合底物的专一性。
被修饰的氨基酸残基的位号可通过肽链的部分消化分析得到。
4.2.2 动力学分析法动力学分析法是利用改变酶反应介质的pH，观察其对酶催化能力的影响。
酶蛋白分子中含有许多可解离的基团，pH改变必然会影响这些基团的解离状态。
当活性中心的必需基团的解离状态发生变化时，会直接影响到酶的催化能力。
因此，通过pH～酶催化活性关系的研究，可能得到与催化直接相关的某些基团的pK值，进而推断这些基团的种类。
pK值的测定以后再述。
各基团的pK值有一理论值，但由于微环境的影响，实测的pK值往往与理论值有偏差，导致分析基团种类的困难，这时需要用其他方法辅助分析，如测该基团的解离热函△H，或加有机溶剂，改变溶液的电导率，作pH依存关系实验，从pK的变化来协助推断基团种类。
表、各种氨基酸残基的pK值与解离热函△H4.2.3 x-光衍射分析法通过多种方法相互印证，可得出正确的结论。
4.3 组成酶活性中心的重要化学基团酶活性中心有7种氨基酸残基参加的频率最高，它们是Ser、His、Cys、Tyr、Asp、Glu、Lys。
同一类酶往往含有相同的活性中心基团。
如胰凝乳蛋白酶和胰蛋白酶活性中心含有丝氨酸残基，称为丝氨酸蛋白酶；胃蛋白酶和木瓜蛋白酶活性中心含有半胱氨酸残基，称为半胱氨酸蛋白酶。
在脱氢酶活性中心往往含有酪氨酸残基。
这些知识可以为未知活性中心基团的酶的研究提供线索。
同位素标记活性中心基团后，用蛋白酶部分水解，得到同位素标记的肽段，分析其氨基酸顺序，可以了解活性中心附近的氨基酸顺序。
实验表明，同类酶不仅有相同的活性中心基团，而且附近的氨基酸顺序也很相似。
表、一些丝氨酸蛋白酶活性中心丝氨酸附近的肽链组成*表示有催化活性的丝氨酸残基表、一些半胱氨酸蛋白酶活性中心的半胱氨酸残基附近的氨基酸顺序*表示有催化活性的半胱氨酸残基4.4 酶促化学修饰和酶活性调节前述化学修饰是人工所为，本节介绍的是天然过程。
有些酶刚合成时是以酶原的形式存在，需要经过一个酶原激活过程；还有些酶需要经过共价修饰才能激活。
4.4.1 酶原的激活4.4.1.1 酶原生物体内大多数酶当它们自发地（有些在分子伴侣的指导协助下）折叠成特定的三维结构时，即获得了全部酶活力。
也有一些酶刚合成出来是没有活性的前体，称为酶原。
当酶原在特定的（体内）位置被水解断裂一个和一些肽键，就成为了有活性的酶。
如人的胃肠道中有许多蛋白酶，包括胃蛋白酶、胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、羧肽酶和弹性蛋白酶等，它们在细胞内刚合成时，是酶原形式，当分泌到胃肠道中后，受到胃肠道中蛋白酶的作用，肽键断裂，转变成活性酶。
这样可以避免这些酶对分泌器官的破坏。
4.4.1.2 酶原激活的机制表、一些蛋白酶的酶原及其性质其他组织组织蛋白酶A 5 尚未知4.4.2 共价修饰调节共价修饰调节中最重要的也是最主要的是磷酸化/脱磷酸化。
