《生物化學(xué)》酶的作用機(jī)制和酶的調(diào)節(jié)

1、第二單元 酶第8章 酶通論第9章 酶促反應(yīng)動力學(xué)第10章 酶的作用機(jī)制和酶的調(diào)節(jié)第10章 酶的作用機(jī)制和酶的調(diào)節(jié)一、酶的活性部位(P384)二、酶催化反應(yīng)的獨特性質(zhì)(P387)三、影響酶催化效率的有關(guān)因素(P388)四、酶催化反應(yīng)機(jī)制的實例(P394)五、酶活性的調(diào)節(jié)控制(P413)六、同工酶(P428) 一、酶的活性部位概述(一)酶活性部位的特點(二)研究酶活性部位的方法概 述酶分子表現(xiàn)催化活性的關(guān)鍵部位是酶的活性中心（active center）或活性部位（active site），是指酶分子中與底物結(jié)合并起催化反應(yīng)的空間部位?；钚圆课挥?部分組成：結(jié)合部位：與底物結(jié)合的部位，它決定酶的專

2、一性。催化部位：催化底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的部位，它決定酶反 應(yīng)的性質(zhì)。 酶的活性部位是由少數(shù)幾個氨基酸組成，這幾個氨基酸可能位于同一條肽鏈上，也可能位于不同的肽鏈上，因此，酶的活性中心是一個三維的結(jié)構(gòu)。 這些活性中心的氨基酸殘基在一級結(jié)構(gòu)上可能相距很遠(yuǎn)，但通過多肽鏈的盤繞折疊，在空間結(jié)構(gòu)上都處于十分鄰近的位置。酶的活性中心示意圖front viewside view 胃蛋白酶原在pH5.0以下斷裂胃蛋白酶切去44個氨基酸片斷 溶菌酶必需基團(tuán) 酶的活性中心往往只是包括酶蛋白的幾個氨基酸殘基，而對于活性中心以外的氨基酸殘基，并非是可有可無的，有些氨基酸殘基也是酶表現(xiàn)催化活性所必需的，稱為必需基團(tuán)。因此酶

3、的活性中心屬于必需基團(tuán)的一部分，必需基團(tuán)還包括其它一些對酶活性必需的氨基酸殘基。 （一）酶活性部位的特點1、活性部位在酶分子的總體中只占相當(dāng)小的部分。2、酶的活性部位是一個三維實體。3、酶的活性部位并不是和底物的形狀正好互補的，而 是在酶和底物結(jié)合的過程中，底物分子或酶分子, 有時是二者構(gòu)象同時發(fā)生變化后才互補的。 （誘導(dǎo) 契合學(xué)說）。4、酶的活性部位位于酶分子表面的一個裂縫內(nèi)，底物 分子結(jié)合到裂縫內(nèi)并發(fā)生催化作用。5、底物通過次級鍵較弱的的力結(jié)合到酶上。6、酶活性部位具有柔性或可運動性。（二）研究酶活性部位的方法1、酶分子側(cè)鏈基團(tuán)的化學(xué)修飾法。2、動力學(xué)參數(shù)測定法。 活性部位的氨基酸殘基解離

4、狀態(tài)與酶的活性直接有 關(guān)，可測其動力學(xué)參數(shù)。3、X射線晶體結(jié)構(gòu)分析法4、定點誘變法 改變編碼蛋白質(zhì)基因DNA的順序，研究活性部位的氨 基酸。二、酶催化反應(yīng)的獨特性質(zhì)1、酶的反應(yīng)可分為兩類：一類僅涉及到電子的轉(zhuǎn)移；另一類涉及到質(zhì)子和電子兩者或其他基團(tuán)的轉(zhuǎn)移。大部分反應(yīng)屬第二類。2、酶的催化作用是由活性中心的氨基酸側(cè)鏈基團(tuán)和輔酶共同完成的。3、酶催化反應(yīng)的最適pH范圍通常是狹小的。4、與底物相比，酶分子往往很大，但活性部位通常只比底物稍微大一些。二、酶催化反應(yīng)的獨特性質(zhì)5、酶除了有進(jìn)行催化反應(yīng)所必需的活性部位以外，還有其他一些特性，使反應(yīng)更有利的進(jìn)行。通過以下4點完成： 在活性部位存在1個以上催化

5、基團(tuán)，能進(jìn)行協(xié)同催化； 存在結(jié)合部位，與底物具有互補識別功能； 多底物時，存在多個結(jié)合部位； 酶與底物結(jié)合使底物分子中的鍵產(chǎn)生張力，有利于形成ES復(fù)合物。三、影響酶催化效率的有關(guān)因素(一)底物和酶的鄰近效應(yīng)(approximation，proximity) 與定向效應(yīng)(orientation)（二）底物的形變(distortion)和誘導(dǎo)契合(induced fit)(三)酸堿催化(acid-base catalysis)(四)共價催化(covalent catalysis)(五)金屬離子催化(六)多元催化和協(xié)同效應(yīng)(七)活性部位微環(huán)境的影響 (一)底物和酶的鄰近效應(yīng)(approximatio

6、n proximity) 與定向效應(yīng)(orientation) 酶和底物復(fù)合物的的形成過程既是專一性的識別過程,更重要的是分子間反應(yīng)變成分子內(nèi)反應(yīng)的過程。鄰近效應(yīng)：是指酶與底物結(jié)合形成中間復(fù)合物后，使底物和底物之間（雙分子反應(yīng)），酶的催化基團(tuán)與底物之間結(jié)合有嚴(yán)格的定向，使有效濃度得以極大的升高，從而使反應(yīng)速率大大增加的一種效應(yīng)。定向效應(yīng)：反應(yīng)物的反應(yīng)基團(tuán)之間以及酶的催化基團(tuán)與底物之間的正確取位產(chǎn)生的效應(yīng)。 （二）底物的形變(distortion)和 誘導(dǎo)契合(induced fit)誘導(dǎo)契合 “張力”與“形變” 底物與酶的結(jié)合，不僅誘導(dǎo)酶分子發(fā)生構(gòu)象變化, 同樣底物分子也會發(fā)生扭曲變形,使底物

7、分子的敏感鍵產(chǎn)生“張力”, 甚至“形變”，某些鍵的鍵能減弱, 從而促進(jìn)酶-底物中間產(chǎn)物進(jìn)入過渡態(tài)（降低了反應(yīng)活化能）。(三)酸堿催化(acid-base catalysis)酸堿催化是酶通過瞬時地向底物提供或接受質(zhì)子以形成穩(wěn)定過渡態(tài)，加速反應(yīng)的一類催化機(jī)制。 在水溶液中通過高反應(yīng)性的質(zhì)子和氫氧離子進(jìn)行的催化稱為專一的酸堿催化或狹義的酸堿催化。 通過H+和OH-以及能提供H+和OH-的供體進(jìn)行的催化稱為總酸堿催化或廣義的酸堿催化。 廣義酸基團(tuán) （質(zhì)子供體） 廣義堿基團(tuán)（質(zhì)子受體）(四)共價催化(covalent catalysis) 共價催化又稱親核催化或親電子催化,在催化時,親核催化劑或親電子

8、催化劑能分別放出電子或汲取電子并作用于底物的缺電子中心或負(fù)電中心,迅速形成不穩(wěn)定的共價中間復(fù)合物,降低反應(yīng)活化能,使反應(yīng)加速。(五)金屬離子催化1、需要金屬的酶分類（1）金屬酶含緊密結(jié)合的金屬離子，多屬于過渡金屬離子如，F(xiàn)e2+、Fe3+、Cu2+、Zn2+、Mn2+或Co3+。（2）金屬-激活酶含松散結(jié)合的金屬離子，通常為堿和堿土金屬離子，如Na+、K+、Mg2+或Ca2+。2、金屬離子以三種主要途徑參加催化過程：（1）通過結(jié)合底物為反應(yīng)定向（2）通過可逆的改變金屬離子的氧化態(tài)調(diào)節(jié)氧化還原反應(yīng)（3）通過靜電穩(wěn)定或屏蔽負(fù)電荷(五)金屬離子催化四、酶催化反應(yīng)機(jī)制的實例 (一)溶菌酶(Lysozy

9、me) (二)胰核糖核酸酶A (pancreatic ribonucleaseA，RNase A) (三)羧肽酶A(carboxypeptidase A) (四)絲氨酸蛋白酶(serine proteases) (五)天冬氨酸蛋白酶(aspartic proteases)舉例溶菌酶（lysozyme）1922年Fleming在鼻黏液中發(fā)現(xiàn)一種具有溶解細(xì)菌能力的酶，定名為溶菌酶。隨后又在雞蛋清中發(fā)現(xiàn)了這種酶，是自然界分布很廣的一種酶。酶分子特征： 1條肽鏈 129 AA, 4個-S-S-作用：水解細(xì)菌胞壁多糖 N-乙酰氨基葡萄糖 NAG 細(xì)菌胞壁多糖 N-乙酰氨基葡糖乳酸NAM 主要催化因素:

10、Glu35 提供一質(zhì)子對底物進(jìn)行酸堿催化； 酶使底物分子的糖環(huán)發(fā)生形變（椅式半椅式） 由129個氨基酸構(gòu)成的單鏈蛋白，含4個二硫鍵。催化水解N-乙酰氨基葡萄糖(NAG)和N-乙酰氨基葡糖乳酸（NAM）之間的糖苷鍵 。細(xì)胞壁多糖由NAG和NAM聚合而成。P 395 圖10 - 9 溶菌酶(Lysozyme)溶菌酶 (lysozyme) ： 從 P397圖10-13可見， NAG和NAM多聚糖鏈（虛線條）橫穿溶菌酶分子。溶菌酶和底物的復(fù)合物見P397圖10-13溶菌酶 P396 圖10-10 水解N-乙酰氨基葡萄糖(NAG)和N-乙酰氨基葡糖乳酸（NAM）之間的糖苷鍵溶菌酶催化機(jī)理催化機(jī)理 : 酶

11、使底物分子的糖環(huán)發(fā)生形變（椅式半椅式）催化機(jī)理 : Glu35 提供質(zhì)子對底物進(jìn)行酸堿催化； (二)胰核糖核酸酶A 124個氨基酸構(gòu)成HisHisLys His12, Lys41, His119作為活性部位在空間結(jié)構(gòu)上靠近。見P401圖10-23胰核糖核酸酶A水解RNA的磷酸二酯鍵五、酶活性的調(diào)節(jié)控制 (一) 別構(gòu)調(diào)控(allosteric regulation) (二) 酶原的激活 (三) 可逆的共價修飾 (reversible coralent modification) (一) 別構(gòu)調(diào)控(allosteric regulation) 某些化合物與酶分子的非催化部位可逆的非共價結(jié)合后，使酶

12、分子構(gòu)象發(fā)生改變,進(jìn)而改變酶活性狀態(tài),稱為酶的別構(gòu)調(diào)節(jié)。具有這種調(diào)節(jié)作用的酶稱為別構(gòu)酶。凡能使酶分子發(fā)生別構(gòu)效應(yīng)的物質(zhì)稱為效應(yīng)物（effector）或別構(gòu)劑，通常為小分子代謝物或輔因子。因別構(gòu)導(dǎo)致酶活性增加的物質(zhì)稱為正效應(yīng)物或別構(gòu)激活劑，反之稱為負(fù)效應(yīng)物或別構(gòu)抑制劑。（二）酶原激活 某些酶，特別是一些與消化作用有關(guān)的酶，在最初合成和分泌時，沒有催化活性。這種沒有活性的酶的前體稱為“酶原”。酶原在一定條件下經(jīng)適當(dāng)?shù)奈镔|(zhì)作用可轉(zhuǎn)變成有活性的酶。酶原轉(zhuǎn)變成酶的過程稱為酶原的激活。 例：胰蛋白酶原和胰凝乳蛋白酶原的激活 （如圖所示）酶原激活牛胰蛋白酶原胰蛋白酶原激活示意圖 賴?yán)i天天天天甘異賴?yán)i天天天天

13、纈組絲SSSS46183甘異纈組絲SSSS腸激酶胰蛋白酶原活性中心胰蛋白酶原的激活過程胰蛋白酶胰蛋白酶原的激活過程 胰凝乳蛋白酶原激活胰凝乳蛋白酶原是245個氨基酸組成的一條多肽鏈。在激活過程中，從多肽鏈中切去2個二肽（14-15，147-148），形成3個肽段，通過二硫鍵連接。胰凝乳蛋白酶 活性中心形成胰凝乳蛋白酶原激活后(三) 可逆的共價修飾 (reversible coralent modification) 這種調(diào)控作用通過共價調(diào)節(jié)酶進(jìn)行。 共價調(diào)節(jié)酶,這類酶以共價鍵與調(diào)節(jié)劑結(jié)合時，其活性會在活性與非活性形式之間相互轉(zhuǎn)變，從而調(diào)節(jié)酶的活性。這類調(diào)節(jié)劑多為磷酸根基團(tuán)。 動物組織中的糖原磷

14、酸化酶是典型的共價調(diào)節(jié)酶。它具有2種形式：磷酸化酶a（活性）和磷酸化酶b（非活性）。這2種形式在其它酶的作用下通過加上磷酸根基團(tuán)或去除磷酸根基團(tuán)而發(fā)生互相轉(zhuǎn)變。六、同工酶 同工酶是指能催化同一種化學(xué)反應(yīng)，但其酶蛋白本身的分子結(jié)構(gòu)組成不同的一組酶。 目前研究得較多的是乳酸脫氫酶（LDH）。哺乳動物的LDH有5種，催化共同的反應(yīng)：5種LDH的組成不同，都由4個亞基構(gòu)成。這些亞基分為2類：M型（骨骼肌型）和H型（心肌型）。因此5種LDH的亞基組成為：M4 、M3H、 M2H2 、MH3、H4。（如圖所示） 5種同工酶雖然催化同一種化學(xué)反應(yīng)，但其氨基酸組成和順序不同，電泳行為也不同。臨床意義心肌梗死和肝病病人血清LDH同工酶譜的變化1酶活性心肌梗死酶譜正常酶譜肝病酶譜2345活性中心或活性部位S-S活性中心外必需基團(tuán)結(jié)合基團(tuán)催化基團(tuán)活性中心必需基團(tuán)底物 肽鏈活性中心酶活性中心示意圖酶活性中心廣義酸堿基團(tuán) 氨基酸殘基廣義酸的形式（質(zhì)子供體）廣義堿的形式（質(zhì)子受體）酶的活性中心示意圖4.5 酶催化的機(jī)制一、 過渡態(tài)穩(wěn)定作用 反應(yīng)總能量改變 非催化反應(yīng)活化能