第10章酶的作用機(jī)制和酶的調(diào)節(jié)

1、The Mechanism and Regulation of Enzyme CatalysislEnzyme active siteEnzyme active sitelUnique characters of enzyme Unique characters of enzyme catalysiscatalysisl Factors effecting enzyme Factors effecting enzyme catalysiscatalysislRegulation of EnzymesRegulation of EnzymeslIsozymeIsozymel10.1 10.1 酶

2、的活性部位酶的活性部位lEnzyme active siteEnzyme active sitel10.1.1 10.1.1 酶活性部位的特點(diǎn)酶活性部位的特點(diǎn)l酶分子中直接和底物結(jié)合，并和酶催化作用直接酶分子中直接和底物結(jié)合，并和酶催化作用直接有關(guān)的部位稱(chēng)為酶的有關(guān)的部位稱(chēng)為酶的活性部位活性部位(active site)(active site)或或活性中心活性中心(active center)(active center)lThe catalytic activity of enzymes depends on the integrity of their native protein co

3、nformation. lThe primary, secondary, tertiary, and quaternary structures of protein enzymes are essential to their catalytic activity. Native stateDenatured stateunfoldingrefoldingl一般是特異的一般是特異的氨基酸殘基比較氨基酸殘基比較集中的區(qū)集中的區(qū)域，即與酶活力直接相關(guān)的區(qū)域。域，即與酶活力直接相關(guān)的區(qū)域。l活性部位又分為：活性部位又分為：l1 1）結(jié)合部位結(jié)合部位（Binding site） -負(fù)責(zé)與底物負(fù)責(zé)與底

4、物 的結(jié)合，決定的結(jié)合，決定 酶的酶的專(zhuān)一性專(zhuān)一性。l2 2）催化部位催化部位( (Catalytic site) - -負(fù)責(zé)催化底負(fù)責(zé)催化底物鍵的斷裂形成新鍵，決定酶的物鍵的斷裂形成新鍵，決定酶的催化能催化能力力。酶的活性部位酶的活性部位Active siteBinding siteCatalytic siteBinding siteThe enzyme Dihydrofolate Reductase with its two substratesNADP+ (red) and tetrahydrofolate (yellow)Gly216Gly226Gly216Ser189Gly226Va

5、l216Thr226Ser189Binding siteThe binding site determines the substrate specificity of the enzymeElastase 彈性蛋白酶彈性蛋白酶Asp 102His 57 The catalytic site of Chymotrypsin （His 57, Asp 102, Ser 195）Catalytic site1. The active site takes up a relatively small part of the total volume of an enzyme. 2. The acti

6、ve site has three-dimensional structure which is formed by groups that come from different parts of the amino acid sequence.folding3. Active sites are clefts開(kāi)裂開(kāi)裂 or crevices裂縫裂縫. 4. Substrates are bound to enzymes by multiple weak attractions.5. The specificity of binding depends on the precisely de

7、fined arrangement of atoms in an active site. l酶的活性部位的共同點(diǎn)：酶的活性部位的共同點(diǎn)：l1 1）活性部位通常只占整個(gè)酶分子體積的）活性部位通常只占整個(gè)酶分子體積的1%-1%-l 2% 2%。酶分子的催化部位一般只有。酶分子的催化部位一般只有2323個(gè)氨個(gè)氨 l 基酸殘基組成?；釟埢M成。l2 2）酶的活性部位是一個(gè)）酶的活性部位是一個(gè)三維實(shí)體三維實(shí)體。l3 3）酶的活性部位并不是和底物的形狀正好互）酶的活性部位并不是和底物的形狀正好互l 補(bǔ)的，而是在酶和底物結(jié)合的過(guò)程中，底物補(bǔ)的，而是在酶和底物結(jié)合的過(guò)程中，底物l 分子或酶分子，有時(shí)是兩者

8、的分子或酶分子，有時(shí)是兩者的構(gòu)象構(gòu)象同時(shí)發(fā)生同時(shí)發(fā)生l 了一定的了一定的變化變化后才互補(bǔ)的。后才互補(bǔ)的。酶的活性部位酶的活性部位l4）酶的活性部位是位于酶分子表面的一個(gè)裂縫(crevice)內(nèi),是相當(dāng)疏水的區(qū)域,在裂縫內(nèi)底物有效濃度可達(dá)到很高。l5）底物通過(guò)次級(jí)鍵較弱的力結(jié)合到酶上。l6）活性部位具有柔性或可運(yùn)動(dòng)性。酶的活性部位酶的活性部位l10.1.2 10.1.2 研究酶活性部位的方法研究酶活性部位的方法l10.1.2.1 10.1.2.1 酶分子側(cè)鏈基團(tuán)的化學(xué)修飾法酶分子側(cè)鏈基團(tuán)的化學(xué)修飾法l選擇一種化合物，當(dāng)其與被研究的酶作用時(shí)能選擇一種化合物，當(dāng)其與被研究的酶作用時(shí)能專(zhuān)門(mén)與專(zhuān)門(mén)與活性

9、部位氨基酸活性部位氨基酸殘基殘基側(cè)鏈基團(tuán)側(cè)鏈基團(tuán)共價(jià)結(jié)合，共價(jià)結(jié)合，然后將這個(gè)然后將這個(gè)帶標(biāo)記化合物的酶帶標(biāo)記化合物的酶水解，肽鍵被打水解，肽鍵被打開(kāi)，但標(biāo)記化合物共價(jià)鍵不被打開(kāi)，因此可以開(kāi)，但標(biāo)記化合物共價(jià)鍵不被打開(kāi)，因此可以分離得到帶有分離得到帶有標(biāo)簽標(biāo)簽的肽段，即可分析出活性部的肽段，即可分析出活性部位的氨基酸殘基。位的氨基酸殘基。l巰基、羥基、咪唑基、氨基、羧基和胍基巰基、羥基、咪唑基、氨基、羧基和胍基l化學(xué)修飾法有一定的缺陷：化學(xué)修飾有可能使化學(xué)修飾法有一定的缺陷：化學(xué)修飾有可能使活性部活性部位之外的某個(gè)氨基酸殘基的側(cè)鏈改變位之外的某個(gè)氨基酸殘基的側(cè)鏈改變，而影響酶分子，而影響酶分子

10、的正常結(jié)構(gòu)，因而導(dǎo)致酶活性的喪失。的正常結(jié)構(gòu)，因而導(dǎo)致酶活性的喪失。研究酶活性部位的方法研究酶活性部位的方法lA.A.非特異性共價(jià)修飾非特異性共價(jià)修飾l化學(xué)試劑已和活性部位基團(tuán)結(jié)合的鑒別：化學(xué)試劑已和活性部位基團(tuán)結(jié)合的鑒別：l一一. .酶活力的酶活力的喪失程度喪失程度和和修飾劑濃度修飾劑濃度成成一定的一定的比例比例關(guān)系。關(guān)系。l二二. . 底物底物或與活性部位結(jié)合的或與活性部位結(jié)合的可逆抑制劑可逆抑制劑可可保保 護(hù)共價(jià)修飾劑的抑制作用護(hù)共價(jià)修飾劑的抑制作用，此法不但可以肯定，此法不但可以肯定某種基團(tuán)是必需基團(tuán)，還可以確信此基團(tuán)某種基團(tuán)是必需基團(tuán)，還可以確信此基團(tuán) 位于酶的活性部位。位于酶的活性

11、部位。研究酶活性部位的方法研究酶活性部位的方法lB.B.特異性共價(jià)修飾特異性共價(jià)修飾l某一化學(xué)試劑專(zhuān)一地修飾酶活性部位的某一氨某一化學(xué)試劑專(zhuān)一地修飾酶活性部位的某一氨基酸殘基，使酶失活。基酸殘基，使酶失活。l二異丙基氟磷酸二異丙基氟磷酸(DFP)(DFP)能專(zhuān)一性地與能專(zhuān)一性地與酶活性部酶活性部位位的的絲氨酸殘基的羥基絲氨酸殘基的羥基共價(jià)結(jié)合，使酶活力喪共價(jià)結(jié)合，使酶活力喪失。失。l二異丙基磷?；付惐柞；?DIP(DIP酶酶) )研究酶活性部位的方法研究酶活性部位的方法lDFPDFP一般不與蛋白質(zhì)反應(yīng)，也不與胰凝乳蛋白一般不與蛋白質(zhì)反應(yīng)，也不與胰凝乳蛋白酶原和變性的胰凝乳蛋白酶反應(yīng)，

12、它也不和天酶原和變性的胰凝乳蛋白酶反應(yīng)，它也不和天然胰凝乳蛋白酶活性部位然胰凝乳蛋白酶活性部位SerSer195195以外的以外的2727個(gè)個(gè)SerSer結(jié)合，可見(jiàn)結(jié)合，可見(jiàn)活性部位活性部位SerSer處于一個(gè)特殊的結(jié)構(gòu)處于一個(gè)特殊的結(jié)構(gòu)中，對(duì)中，對(duì)DFPDFP敏感。敏感。l對(duì)含有對(duì)含有DFPDFP集團(tuán)的片段進(jìn)行分析，不僅知道該集團(tuán)的片段進(jìn)行分析，不僅知道該酶活性部位附近的氨基酸順序，也可得知酶活性部位附近的氨基酸順序，也可得知DIPDIP標(biāo)記在該酶分子的標(biāo)記在該酶分子的SerSer195195殘基上。殘基上。研究酶活性部位的方法研究酶活性部位的方法lC. C. 親和標(biāo)記親和標(biāo)記(affini

13、ty labeling)(affinity labeling)法法 l合成與合成與底物結(jié)構(gòu)相似底物結(jié)構(gòu)相似的的共價(jià)修飾劑共價(jià)修飾劑。l一一. .可以較專(zhuān)一地引入酶的活性部位，接近底可以較專(zhuān)一地引入酶的活性部位，接近底物結(jié)合位點(diǎn)。物結(jié)合位點(diǎn)。l二二. .具有活潑的化學(xué)基團(tuán)可以與活性部位的某具有活潑的化學(xué)基團(tuán)可以與活性部位的某一基團(tuán)結(jié)合形成穩(wěn)定的共價(jià)鍵。利用酶對(duì)底物一基團(tuán)結(jié)合形成穩(wěn)定的共價(jià)鍵。利用酶對(duì)底物的特殊親和力將酶加以修飾標(biāo)記，故稱(chēng)親和標(biāo)的特殊親和力將酶加以修飾標(biāo)記，故稱(chēng)親和標(biāo)記。試劑稱(chēng)記。試劑稱(chēng)“活性部位指示試劑活性部位指示試劑”。研究酶活性部位的方法研究酶活性部位的方法l胰凝乳蛋白酶胰凝

14、乳蛋白酶l對(duì)甲苯磺酰對(duì)甲苯磺酰LL苯丙氨酸乙酯苯丙氨酸乙酯(TPE)(TPE)是底物是底物l對(duì)甲苯磺酰對(duì)甲苯磺酰LL苯丙氨酰氯甲基酮苯丙氨酰氯甲基酮(TPCK)(TPCK)是是它的親和試劑它的親和試劑l可使組氨酸咪唑基烷化?？墒菇M氨酸咪唑基烷化。l鄒承魯鄒承魯 研究酶必需基團(tuán)的化學(xué)修飾和酶活性研究酶必需基團(tuán)的化學(xué)修飾和酶活性喪失的定量關(guān)系。喪失的定量關(guān)系。l圖圖p387p387l中科院鄒承魯：中科院鄒承魯：l科學(xué)家有責(zé)任說(shuō)明真相科學(xué)家有責(zé)任說(shuō)明真相l(xiāng)科學(xué)道德敗給了廣告科學(xué)道德敗給了廣告l中國(guó)科學(xué)院資深院士、第三世界科學(xué)院院士中國(guó)科學(xué)院資深院士、第三世界科學(xué)院院士，我國(guó)著名生物化學(xué)家鄒承魯我國(guó)著

15、名生物化學(xué)家鄒承魯11月月23日凌晨日凌晨5點(diǎn)點(diǎn)在北京逝世，享年在北京逝世，享年83歲。歲。l“拿著試管和燒瓶的戰(zhàn)士拿著試管和燒瓶的戰(zhàn)士”ll鄒承魯鄒承魯19231923年年5 5月月1717日生于山東日生于山東省青島市，祖籍江蘇無(wú)錫。省青島市，祖籍江蘇無(wú)錫。l19411941年，他畢業(yè)于由天津遷到重年，他畢業(yè)于由天津遷到重慶的南開(kāi)中學(xué)高中部；同年，考慶的南開(kāi)中學(xué)高中部；同年，考入設(shè)在昆明的由北京大學(xué)、清華入設(shè)在昆明的由北京大學(xué)、清華大學(xué)、南開(kāi)大學(xué)三校聯(lián)合組成的大學(xué)、南開(kāi)大學(xué)三校聯(lián)合組成的西南聯(lián)合大學(xué)西南聯(lián)合大學(xué)，就讀于化學(xué)系。，就讀于化學(xué)系。19461946年，在招考英庚款公費(fèi)出國(guó)留學(xué)生的考

16、試中，年，在招考英庚款公費(fèi)出國(guó)留學(xué)生的考試中，他以他以第一名第一名的優(yōu)異成績(jī)被錄取。赴英后，師從英國(guó)的優(yōu)異成績(jī)被錄取。赴英后，師從英國(guó)劍橋大學(xué)著名生物化學(xué)家劍橋大學(xué)著名生物化學(xué)家D D基林基林(Keilin)(Keilin)教授。教授。19511951年，鄒承魯獲年，鄒承魯獲英國(guó)劍橋大學(xué)生物化學(xué)博士英國(guó)劍橋大學(xué)生物化學(xué)博士學(xué)位。學(xué)位。l19511951年回國(guó)后與王應(yīng)睞及汪靜合年回國(guó)后與王應(yīng)睞及汪靜合作純化了作純化了琥珀酸脫氫酶琥珀酸脫氫酶，并發(fā)現(xiàn)，并發(fā)現(xiàn)其輔基為與蛋白部分共價(jià)結(jié)合的其輔基為與蛋白部分共價(jià)結(jié)合的FADFAD。此外，他們對(duì)呼吸鏈及其。此外，他們對(duì)呼吸鏈及其他酶系也進(jìn)行了一系列的工作

17、，他酶系也進(jìn)行了一系列的工作，為我國(guó)為我國(guó)酶學(xué)及呼吸鏈的研究酶學(xué)及呼吸鏈的研究奠定奠定了良好基礎(chǔ)。了良好基礎(chǔ)。l19581958年，他參加發(fā)起年，他參加發(fā)起人工合成胰島素人工合成胰島素工作，工作，并負(fù)責(zé)胰島素并負(fù)責(zé)胰島素A A和和B B鏈鏈的拆合。這項(xiàng)工作的的拆合。這項(xiàng)工作的完成確定了胰島素全完成確定了胰島素全合成的路線，為胰島合成的路線，為胰島素的人工合成做出了素的人工合成做出了重要貢獻(xiàn)。重要貢獻(xiàn)。l10.1.2.2 10.1.2.2 定點(diǎn)誘變法定點(diǎn)誘變法l利 用利 用 定 點(diǎn) 突 變 技 術(shù)定 點(diǎn) 突 變 技 術(shù)（ s i t e d i r e c t e d s i t e d i r

18、 e c t e d mutagenesismutagenesis）, ,改變編改變編碼蛋白質(zhì)基因中的碼蛋白質(zhì)基因中的DNADNA序序列，研究酶活性部位的列，研究酶活性部位的氨基酸。氨基酸。l19871987年，年，CraikCraik將胰蛋白酶將胰蛋白酶AspAsp102102誘誘變?yōu)樽優(yōu)锳snAsn102102。l酶活性降低酶活性降低50005000倍。倍。l羧肽酶羧肽酶A A中中TyrTyr248248原認(rèn)為催化所必須，原認(rèn)為催化所必須，TyrTyr248248 的密碼子（的密碼子（T TA AT T）Phe Phe (T(TT TT)T)，k kcatcat 不變，不變，K Km m高

19、高6 6倍。倍。l10.2 10.2 酶催化反應(yīng)的獨(dú)特性質(zhì)酶催化反應(yīng)的獨(dú)特性質(zhì)lUnique characters of enzyme catalysisUnique characters of enzyme catalysisl1 1）酶反應(yīng)可分成兩類(lèi)：一類(lèi)反應(yīng)僅僅涉）酶反應(yīng)可分成兩類(lèi)：一類(lèi)反應(yīng)僅僅涉及到及到電子的轉(zhuǎn)移電子的轉(zhuǎn)移，反應(yīng)速率或轉(zhuǎn)換數(shù)在，反應(yīng)速率或轉(zhuǎn)換數(shù)在10108 8S S-1-1數(shù)量級(jí)；另一類(lèi)反應(yīng)涉及到數(shù)量級(jí)；另一類(lèi)反應(yīng)涉及到電子和電子和質(zhì)子兩者或其他基團(tuán)的轉(zhuǎn)移質(zhì)子兩者或其他基團(tuán)的轉(zhuǎn)移，反應(yīng)速率，反應(yīng)速率在在10103 3S S-1-1數(shù)量級(jí)。數(shù)量級(jí)。l2 2）酶的催化作用是

20、由氨基酸側(cè)鏈上的功）酶的催化作用是由氨基酸側(cè)鏈上的功能基團(tuán)和輔酶為媒介的。主要的是能基團(tuán)和輔酶為媒介的。主要的是HisHis、 SerSer、CysCys、LysLys、GluGlu和和AspAsp。l3 3）酶催化反應(yīng)的最適）酶催化反應(yīng)的最適pHpH范圍通常是狹小的范圍通常是狹小的。l4 4）與底物相比較，酶分子很大，而）與底物相比較，酶分子很大，而活性部活性部位位通常只比底物大一點(diǎn)。通常只比底物大一點(diǎn)。酶催化反應(yīng)的獨(dú)特性質(zhì)酶催化反應(yīng)的獨(dú)特性質(zhì)l10.3 10.3 影響酶催化效率的有關(guān)因素影響酶催化效率的有關(guān)因素lFactors effecting enzyme catalysisFacto

21、rs effecting enzyme catalysisl10.3.1酶和底物的鄰近效應(yīng)與定向效應(yīng)l鄰近效應(yīng)鄰近效應(yīng) 有效濃度有效濃度得以極大的升高，從而使反應(yīng)速率得以極大的升高，從而使反應(yīng)速率大大增加大大增加如如乙酸對(duì)硝基苯脂乙酸對(duì)硝基苯脂以以咪唑咪唑催化水解的反應(yīng)。催化水解的反應(yīng)。l底物有效濃度增加底物有效濃度增加2424倍，反應(yīng)速率加快倍，反應(yīng)速率加快2424倍。倍。l咪唑催化對(duì)咪唑催化對(duì)- -硝基苯酚乙酸酯水解的反應(yīng)：硝基苯酚乙酸酯水解的反應(yīng)：l將咪唑和對(duì)將咪唑和對(duì)- -硝基苯酚乙酸酯結(jié)合到一個(gè)分子上后，反應(yīng)硝基苯酚乙酸酯結(jié)合到一個(gè)分子上后，反應(yīng)速率增加速率增加2424倍倍。CH3C

22、OON O2NN H.NN HCOCH3+O-N O2+NNHCOONO2.ONNH+O-NO2+l定向反應(yīng)定向反應(yīng) 正確取位正確取位產(chǎn)生的效應(yīng)產(chǎn)生的效應(yīng)l例如，酯與羧基結(jié)合形成酐的反應(yīng)相對(duì)速度和結(jié)構(gòu)關(guān)系例如，酯與羧基結(jié)合形成酐的反應(yīng)相對(duì)速度和結(jié)構(gòu)關(guān)系. .l10.3.210.3.2底物的形變和誘導(dǎo)契合底物的形變和誘導(dǎo)契合l敏感鍵敏感鍵l“電子張力電子張力”l底物底物分子發(fā)生形變底物底物分子發(fā)生形變影響酶催化效率的有關(guān)因素影響酶催化效率的有關(guān)因素 誘導(dǎo)契合學(xué)說(shuō)誘導(dǎo)契合學(xué)說(shuō) （1958， Daniel E. Koshland)： 該學(xué)說(shuō)認(rèn)為酶表面并沒(méi)該學(xué)說(shuō)認(rèn)為酶表面并沒(méi)有一種與底物互補(bǔ)的固有一種

23、與底物互補(bǔ)的固定形狀，而只是由于底定形狀，而只是由于底物的誘導(dǎo)才形成了互補(bǔ)物的誘導(dǎo)才形成了互補(bǔ)形狀。形狀。 In many enzymes, the active sites have shapes complementary to those of their substrates only after the substrates are bound (the induced fit). Weak interactions between substrates and enzymes may generate conformational changes on the enzyme for

24、 the induced fit effect. Induced fit may serve to bring specific functional groups on the enzyme into the proper orientation定向定向 and position (alignment調(diào)整為直線調(diào)整為直線) to catalysis (need to overcome the entropy熵熵 increase). The induced conformation of enzyme active site is complementary not to the subst

25、rates per se本身本身 but to the transition states.l酸堿催化酸堿催化是通過(guò)瞬時(shí)的向反應(yīng)物提供質(zhì)子或從是通過(guò)瞬時(shí)的向反應(yīng)物提供質(zhì)子或從反應(yīng)物接受質(zhì)子以穩(wěn)定過(guò)渡態(tài)，加速反應(yīng)的一反應(yīng)物接受質(zhì)子以穩(wěn)定過(guò)渡態(tài)，加速反應(yīng)的一類(lèi)催化機(jī)制。類(lèi)催化機(jī)制。l專(zhuān)一的酸堿催化專(zhuān)一的酸堿催化或或狹義的酸堿催化狹義的酸堿催化?；瘜W(xué)反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)無(wú)催化劑無(wú)催化劑催化劑（催化劑（H+）蔗糖水解蔗糖水解1339.8 kJ/mol104.7 kJ/molReactionNo catalystH+Hydrolysis of sucrose1339.8 kJ/mol104.7 kJ/molTh

26、e changes of activation energy in the absence and presence of catalystGeneral acid-base catalysisGeneral acid-base catalysisl總酸堿催化總酸堿催化或或廣義的酸堿催廣義的酸堿催化化l氨基、羧基、氨基、羧基、巰基、酚羥基巰基、酚羥基及咪唑基及咪唑基His His 是酶是酶的酸堿催的酸堿催化作用中化作用中最活潑的最活潑的氨基酸殘氨基酸殘基?；?。General acid-base catalysisGeneral acid-base catalysis Acid catalysi

27、s is a process in which partial proton transfer from catalyst to reactant lowers the free energy of a reactions transition state. A reaction may also be stimulated by base catalysis if its rate is increased by partial proton abstraction by catalyst. Some reactions may be simultaneously 同時(shí)地同時(shí)地 subjec

28、t to both processes: a concerted協(xié)作的協(xié)作的 acid-base catalyzed reaction. Many biochemical reactions involve the formation of unstable charged intermediates that tend to break down rapidly to their constituent reactant species, thus impeding阻礙阻礙 the reaction.? Charged intermediates can often be stabilize

29、d by transferring protons to or from the substrate or intermediate to form a species that breaks down to products more readily than to reactants.General acid-base catalysisGeneral acid-base catalysisIn the active site of an enzyme, a number of amino acid side chains can similarly act as proton donor

30、s and acceptors. These groups can be precisely positioned in an enzyme active site to allow proton transfers, providing rate enhancements of the order of 102 to 105.General acid-base catalysisGeneral acid-base catalysisl10.3.4 10.3.4 共價(jià)催化共價(jià)催化lCovalent catalysisCovalent catalysisl共價(jià)催化，親核催化，親電子催化共價(jià)催化，

31、親核催化，親電子催化l不穩(wěn)定的不穩(wěn)定的共價(jià)中間復(fù)合物共價(jià)中間復(fù)合物l底物中典型的親底物中典型的親電中心：電中心：磷?；?、磷?；?、酰基和糖基?；吞腔鵯現(xiàn)已知現(xiàn)已知100100多種多種酶在催化過(guò)程中酶在催化過(guò)程中形成共價(jià)中間物。形成共價(jià)中間物。l底物與酶分子中底物與酶分子中親核基團(tuán)分別形親核基團(tuán)分別形成?；甚；z氨酸、絲氨酸、酰基?；腚装彼?、半胱氨酸、磷酸絲氨酸、磷磷酸絲氨酸、磷酸組胺酸和西佛酸組胺酸和西佛堿。堿。Covalent catalysisCovalent catalysis磷?；柞；；；腔腔?Some enzymes accelerate reactions by fo

32、rming transient covalent intermediates with the substrates - covalent catalysis.Covalent catalysisCovalent catalysis Reaction mechanisms of covalent catalysis are somewhat arbitrarily classified as occurring with either nucleophilic catalysis or electrophilic catalysis. Amino acid side chains (e.g.,

33、 Ser, Cys, His) and prosthetic groups can function as nucleophiles in forming covalent intermediates with substrates. Free enzyme is always regenerated at the end of the reaction.Covalent catalysisCovalent catalysisl10.3.5 10.3.5 金屬離子催化金屬離子催化l1/3的酶催化需要金屬離子：l金屬酶：含緊密結(jié)合的金屬離子l金屬-激活酶： 含松散結(jié)合的金屬離子 Many enz

34、ymes have metal ions in their active site playing important roles in catalysis. Metal ions can be tightly bound to the enzyme or taken up from the solution along with the substrate. Metal ions can participate in catalysis in several ways.Metal ion catalysisMetal ion catalysis Metal ions (bound to th

35、e enzymes) can help orient使朝向使朝向 the substrate for reaction or stabilize charged reaction transition states.AHHOHHOHHO-OPOPOPOCH2OOOOOOMg2+Mg2+-ATPMetal ion catalysisMetal ion catalysis Metal ions can mediate oxidation-reduction reactions by reversibly change their oxidation states (electron donor a

36、nd acceptor).l10.3.6 10.3.6 多元催化和協(xié)同效應(yīng)多元催化和協(xié)同效應(yīng)l多種作用配合在一起起作用：l胰凝乳蛋白酶： Asp102 /His57/Ser159:l電荷中繼網(wǎng)（親核催化和堿催化）ll lMost enzymes may use a combination of several catalytic strategies to bring about a rate enhancement.lChymotrypsin uses both covalent catalysis and general acid-base catalysis.lOnce a substr

37、ate is bound to an enzyme, properly positioned catalytic functional groups aid in the cleavage and formation of bonds by a variety of mechanisms, including general acid-base catalysis, covalent catalysis, and metal ion catalysis.lThese are distinct from mechanisms based on binding energy, because th

38、ey generally involve transient covalent interaction (bond) with a substrate or group transfer to or from a substrate.lIn many cases, these reactions occur only in the enzyme active site.l10.3.7 10.3.7 活性部位微環(huán)境的影響活性部位微環(huán)境的影響l非極性環(huán)境非極性環(huán)境中兩個(gè)帶電集團(tuán)之間的中兩個(gè)帶電集團(tuán)之間的靜電作用比在極性環(huán)境中高靜電作用比在極性環(huán)境中高，疏水疏水微環(huán)境有利于酶的作用微環(huán)境有利于酶的作

39、用。l10.5 10.5 酶活性的調(diào)節(jié)控制酶活性的調(diào)節(jié)控制l別構(gòu)調(diào)節(jié)l酶原的激活l可逆的共價(jià)修飾lThe enzymatic activity of some enzymes are precisely and tightly regulated in living organisms to meet physiological requirements. To change the quantity and distribution of enzymes. To change the activity of a single enzyme.To change the structure of

40、 enzymes.To directly influence the interaction between enzymes and substrates. Allosteric regulation Reversible covalent modifications Activation of zymogens酶原酶原l10.5.1 10.5.1 別構(gòu)調(diào)節(jié)別構(gòu)調(diào)節(jié)lallosteric regulationallosteric regulationl酶分子的非催化部位與某些化合物可逆地非共酶分子的非催化部位與某些化合物可逆地非共價(jià)地結(jié)合后發(fā)生價(jià)地結(jié)合后發(fā)生構(gòu)像的改變構(gòu)像的改變，進(jìn)而改變酶的，

41、進(jìn)而改變酶的活活性 狀 態(tài)性 狀 態(tài) ， 稱(chēng) 為 酶 的， 稱(chēng) 為 酶 的 別 構(gòu) 調(diào) 節(jié)別 構(gòu) 調(diào) 節(jié) 別 構(gòu) 酶別 構(gòu) 酶 （allosteric enzymeallosteric enzyme）l正效應(yīng)物正效應(yīng)物（postitive effectorpostitive effector）別構(gòu)激活劑）別構(gòu)激活劑l負(fù)效應(yīng)物負(fù)效應(yīng)物（negative effectornegative effector）別構(gòu)抑制劑）別構(gòu)抑制劑l同促效應(yīng)同促效應(yīng)l異促效應(yīng)異促效應(yīng)Allosteric regulationAllosteric regulation Allosteric enzymes (simil

42、ar to hemoglobin) are regulated by reversible, noncovalent binding of modulators (allosteric modulators or allosteric effectors) The allosteric modulators are often small metabolites or cofactors. The modulators for allosteric enzymes may be inhibitory or stimulatory (negative or positive effector).

43、l 天冬氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶天冬氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶lAspartate transcarbamylaseAspartate transcarbamylase (ATCase) (ATCase)Allosteric regulationAllosteric regulationAllosteric regulationAllosteric regulationFeedback inhibitionc: 催化肽鏈；催化肽鏈；r:調(diào)節(jié)肽鏈調(diào)節(jié)肽鏈催化亞基催化亞基調(diào)節(jié)亞基調(diào)節(jié)亞基CTP 是酶的抑制劑是酶的抑制劑ATP 是酶的激活劑是酶的激活劑異促效應(yīng)異促效應(yīng)（heterotropic effect）：非底物分：

44、非底物分子的調(diào)節(jié)物對(duì)別構(gòu)子的調(diào)節(jié)物對(duì)別構(gòu)酶的調(diào)節(jié)作用。酶的調(diào)節(jié)作用。l10.5.1.3 10.5.1.3 別構(gòu)酶的性質(zhì)別構(gòu)酶的性質(zhì)l一般都是一般都是寡聚酶寡聚酶l別構(gòu)酶的動(dòng)力學(xué)別構(gòu)酶的動(dòng)力學(xué)l協(xié)同指數(shù)協(xié)同指數(shù)(cooperativity index,CI)(cooperativity index,CI)：鑒別不同的協(xié)同作用及協(xié)同的程度。鑒別不同的協(xié)同作用及協(xié)同的程度。l又稱(chēng)飽和比值又稱(chēng)飽和比值R Rs s 位點(diǎn)被位點(diǎn)被90%90%飽和時(shí)的底物濃度飽和時(shí)的底物濃度CI=RCI=Rs s= = 位點(diǎn)被位點(diǎn)被10%10%飽和時(shí)的底物濃度飽和時(shí)的底物濃度 =81=811/n1/nln n協(xié)同系數(shù)協(xié)同系

45、數(shù)(Hill(Hill系數(shù)系數(shù)) )l米氏類(lèi)型的酶米氏類(lèi)型的酶 R Rs s=81=81l正協(xié)同效應(yīng)的酶正協(xié)同效應(yīng)的酶R Rs s818181l別構(gòu)酶的性質(zhì)別構(gòu)酶的性質(zhì)l別構(gòu)模型別構(gòu)模型l別構(gòu)模型別構(gòu)模型10.5.2 Activation of zymogens10.5.2 Activation of zymogens10.5.2.110.5.2.1消化系統(tǒng)蛋白酶原的激活消化系統(tǒng)蛋白酶原的激活胰凝乳蛋白酶原（紫）與胰凝乳蛋白酶（綠）的構(gòu)象比較胰凝乳蛋白酶原（紫）與胰凝乳蛋白酶（綠）的構(gòu)象比較Proteolytic activation of chymotrypsinogenActivation

46、 of zymogensActivation of zymogensActivation of zymogensActivation of zymogens10.5.2.210.5.2.2凝血機(jī)制凝血機(jī)制凝血機(jī)制：凝血機(jī)制：被傷害的血管收縮以減少血液的流失被傷害的血管收縮以減少血液的流失血小板粘聚形成栓塞堵住傷口血小板粘聚形成栓塞堵住傷口通過(guò)一連串通過(guò)一連串酶原激活反應(yīng)酶原激活反應(yīng)和凝血因子和凝血因子的作用使血液凝聚的作用使血液凝聚Activation of zymogensActivation of zymogens Many enzymes are activated by specifi

47、c proteolytic cleavage. These enzymes are synthesized as inactive precursors called zymogens. They are activated by cleavage of one or several specific peptide bonds. Proteolytic activation, in contrast with allosteric control and reversible covalent modification, can occur just once in the life of

48、the enzyme molecule - irreversible process.Activation of zymogensActivation of zymogens(The digestive enzymes that hydrolyze proteins are synthesized as zymogens in the stomach and pancreas.(Blood clotting is mediated by a cascade of proteolytic activation.(Some protein hormones are synthesized as i

49、nactive precursors (e.g., insulin is derived from proinsulin by proteolytic removal of a peptide).lSpecific proteolysis is a common means of activating enzymes and other proteins in biological systems.l10.5.3 10.5.3 可逆的共價(jià)修飾可逆的共價(jià)修飾lReversible covalent modificationsReversible covalent modificationsl通過(guò)

50、共價(jià)調(diào)節(jié)酶進(jìn)行通過(guò)共價(jià)調(diào)節(jié)酶進(jìn)行l(wèi)已知的修飾類(lèi)型：已知的修飾類(lèi)型：l磷酸化磷酸化l腺苷?；佘挣；痩尿苷?；蜍挣；痩 ADP-ADP-核糖基化核糖基化l甲基化甲基化 Reversible covalent modificationsReversible covalent modificationsl10.5.3.110.5.3.1蛋白質(zhì)的磷酸化蛋白質(zhì)的磷酸化蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)ATPADPnPH2OPi蛋白激酶蛋白磷酸酶l糖原磷酸化酶（無(wú)活性）l 糖原磷酸化酶-P(有活性)l底物被蛋白質(zhì)磷酸化的氨基酸有底物被蛋白質(zhì)磷酸化的氨基酸有l(wèi)Ser ,Thr, TyrSer ,Thr, Tyr The act

51、ivity of many enzymes are regulated by reversible covalent modifications (the covalent attachment of another molecule). Modifying groups include phosphoryl, adenylyl, uridylyl, methyl, and adenosine diphosphate ribosyl groups. These groups are generally linked to and removed from the regulatory enzy

52、me by separate enzymes.Reversible covalent modificationsReversible covalent modificationsPhosphorylationPhosphorylationPhosphorylationPhosphorylation Phosphorylation, the most common reversible covalent modification, is a highly effective means of switching the activity of target enzymes.J The addition of