酶的作用機制和酶的調節(jié)演示文稿

酶的作用機制和酶的調節(jié)演示文稿第一頁，共六十四頁。優(yōu)選酶的作用機制和酶的調節(jié)第二頁，共六十四頁。一、酶的活性部位二、酶催化反應的獨特性質三、影響酶催化效率的有關因素四、酶催化反應機制的實例五、酶活性機制的調節(jié)控制酶在醫(yī)學上的應用本章重點和知識點第三頁，共六十四頁。一、酶的活性部位酶分子上特異的氨基酸殘基比較集中的區(qū)域，即與酶活力直接相關的區(qū)域，稱為酶的活性部位（activesite）或活性中心(activecenter)。

（活性中心）活性中心內必需基團活性中心外必需基團

結合基團催化基團第四頁，共六十四頁。（一）酶活性部位的特點1、酶活性部位在酶分子的總體中只占相當小的部分（1-2%體積）；2、～是一個三維實體；并不是和底物的形狀正好互補，而有個動態(tài)的誘導契合過程；3、～是位于酶分子表面的一個裂縫內（疏水區(qū)）；4、底物通過次級鍵（較弱的力：氫鍵、鹽鍵、范德華力和疏水相互作用）結合到酶上；5、～具有柔性或可運動性。go第五頁，共六十四頁。back第六頁，共六十四頁。誘導契合假說：為了解釋酶能催化正反方向的反應，1964年Koshland提出“誘導契合”假說（induced-fithypothesis）。該假說認為當酶分子與底物分子接近時，酶蛋白受底物分子誘導，其構象發(fā)生有利于底物結合的變化，酶與底物在此基礎上互補契合進行反應。第七頁，共六十四頁。已糖激酶的誘導契合back第八頁，共六十四頁。（二）研究酶活性部位的方法1、化學修飾（共價標記）：確定被修飾基團與酶活性的關系；2、酶動力學分析：比較底物和抑制劑對酶反應的影響；3、Ｘ－射線晶體衍射分析：比較純酶與結合底物的酶的圖譜，解析酶分子的三維結構；4、定點誘變（分子生物學方法）：研究酶的結構和功能的關系；5、切除肽段：確定肽段與酶活性的關系。第九頁，共六十四頁。某些酶活性部位的氨基酸殘基第十頁，共六十四頁。第十一頁，共六十四頁。酶分子側鏈基團的化學修飾法：

確定被修飾基團與酶活性的關系可被化學修飾的基團：巰基、羥基、咪唑基、氨基、羧基和胍基等；（1）非特異性共價修飾；（2）特異性共價修飾。如：二異丙基氟磷酸（DFP）：專一性地與酶活性部位的Ser殘基的羥基共價結合，使酶活力喪失；（3）親和標記(affinitylabeling)法。如：TPCK與胰凝乳蛋白酶的底物TPE結構相似，TPCK與該酶保溫后，酶活性部位殘基被烷化，活性喪失。back第十二頁，共六十四頁。二、酶催化反應的獨特性質1、酶反應分兩類：一類僅涉及到電子轉移，另一類涉及到電子和質子兩者或者其他基團的轉移；2、酶催化作用是由AA側鏈上的功能基團和輔酶為媒介的，如H,S,C,K,E和D等的側鏈；3、最適pH范圍通常狹小；4、與底物相比，酶分子很大，但活性部位通常只比底物稍大一些；5、酶除催化反應所必需的活性基團外，還有別的特性（協(xié)同催化、底物結合部位、過渡態(tài)復合物等），使復雜反應能按一定途徑進行。back第十三頁，共六十四頁。三、影響酶催化效率的有關因素酶能執(zhí)行多種催化方式：酶提高反應速度的基本機制包括酶的活性部位結合底物后使底物產生鄰近、軌道定向、應力等多種效應，它們增加反應物的有效碰撞，或者使受作用的化學鍵變形、削弱，或者使受作用的化學基團增加反應性，活性部位的催化基團可能提供共價催化（如親核、親電）、酸堿催化、絡合催化等多種斷裂鍵的方式。最終結果是穩(wěn)定過渡態(tài)，使底物易于達到過渡態(tài)，降低反應活化能。第十四頁，共六十四頁。（一）底物和酶的鄰近效應（approximation,proximity）與定向效應(orientation)鄰近效應：ES復合物形成后，底物等的有效濃度升高使反應速率增加的效應；定向反應：反應物的反應基團之間和酶的催化基團與底物的反應基團之間的正確取位產生的效應。第十五頁，共六十四頁。（二）底物的形變（distortion）和誘導契合(inducedfit)張力學說：酶的活性中心與底物結合后，底物分子中不穩(wěn)定的化學鍵受到牽拉或變形，從而易于斷裂；第十六頁，共六十四頁。（三）酸堿催化（acid-basecatalysis）廣義的酸：提供質子；廣義的堿：接受質子酸堿催化（多元催化）：酶蛋白中有好幾種可以起廣義酸堿催化作用的功能基，如氨基、羧基、巰基、酚羥基及咪唑基等。第十七頁，共六十四頁。（四）共價催化（covalentcatalysis）底物與酶形成反應活性很高的共價中間物，易變成過渡態(tài)，大大降低反應活化能；第十八頁，共六十四頁。第十九頁，共六十四頁。（五）金屬離子催化：為反應定向、調節(jié)氧化還原反應、靜電穩(wěn)定或屏蔽負電荷等；（六）多元催化和協(xié)同效應；（七）活性部位微環(huán)境的影響：表面效應：活性中心多為“疏水口袋”，低介電環(huán)境中的基團之間的反應會得到加強。back第二十頁，共六十四頁。四、酶催化反應機制的實例（一）溶菌酶(lysozyme)第二十一頁，共六十四頁。椅式半椅式第二十二頁，共六十四頁。（二）胰核糖核酸酶Ａ（pancreaticribonucleaseA,RNaseA）水解RNA的磷酸二酯酶;被測定順序的第二個蛋白質,也即第一個酶;124AA,4對二硫鍵;專一性地切開嘧啶核苷酸3’P-O鍵，生成3’-嘧啶核苷酸或以其結尾的寡聚核苷酸。化學修飾法研究：用碘乙酸處理，羧甲基化的His119是主要產物，羧甲基化的His12較少。兩者均無活性，推測His1219和His12為酶活性的必需基團第二十三頁，共六十四頁。RNase水解（Ala20-Ser21）得到S肽（20肽）和S蛋白（104肽），變性分離后無活性，但在中性下二肽段共同保溫，則S肽和S蛋白依靠次級鍵結合，可恢復全部活性，叫做RNaseS第二十四頁，共六十四頁。（三）羧肽酶Ａ（carboxypeptidaseA）外肽酶,催化肽鏈C端的肽鍵水解；催化作用必需的3個基團：Zn2+、Arg127的胍基和Glu270的羧基；第二十五頁，共六十四頁。羧肽酶Ａ的催化機制1、活化的水的親核O原子攻擊底物羰基C原子；同時Glu270作為廣義堿，從Zn2+結合水，吸取一個質子形成帶負電荷四面體過渡態(tài)中間物，通過Zn2+和Arg127帶正電的側鏈的靜電相互作用得以穩(wěn)定；2、Glu270的羧基作為廣義酸提供質子給肽的－NH基，肽鍵斷裂，釋放出aa,擴散離開，完成水解。第二十六頁，共六十四頁。（四）絲氨酸蛋白酶（Serineproteases）絲氨酸蛋白酶類是一個最有特色的酶家族。該家族包括胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、彈性蛋白酶、凝血酶、枯草桿菌蛋白酶、纖溶酶、組織纖溶蛋白酶原激活劑和乙酰膽堿酯酶（非蛋白水解酶）等；這個酶家族都有相似的酶催化機制，以酶的活性部件的絲氨酸-OH為親核基團。反應中產生穩(wěn)定的?；负退拿骟w中間物過渡態(tài)。第二十七頁，共六十四頁。1、His57作為一個廣義堿從Ser195吸取一個質子，促進Ser195親核攻擊要斷裂肽鍵的羰基C；2、His57作為廣義酸供質子供給肽的酰胺氮，得到共價的質化胺，形成四面體中間物；3、His57再作為廣義堿接受水的質子；4、His57再作為廣義酸供質子給Ser的O；5、中間體瓦解，產物胺解離釋放。Ser-His-Asp催化三聯(lián)體第二十八頁，共六十四頁。絲氨酸蛋白酶的催化機制：典型的酸－堿催化和共價催化的例子。CatalyticMechanismofSerineProteases第二十九頁，共六十四頁。第三十頁，共六十四頁。back胰凝乳蛋白酶Asp189胰蛋白酶Ser189Ser189有利于結合正電荷的Lys,Arg，裂解堿性AA疏水AA環(huán)繞的口袋，大得足以容納一個芳香殘基，裂解芳香AA（Phe,Tyr）Gly216Gly226Gly216Gly226Thr226Val216淺口袋，開口處有大的Thr和Val，故僅能容納小的AA彈性蛋白酶第三十一頁，共六十四頁。五、酶活性的調節(jié)控制通過對酶的催化活性的調節(jié)，就可以達到調節(jié)代謝活動的目的?？梢酝ㄟ^改變其催化活性而使整個代謝反應的速度或方向發(fā)生改變的酶就稱為限速酶或關鍵酶。有些酶活性是可以自身調節(jié)的，這種酶稱為調節(jié)酶有兩類調節(jié)酶，即別構調節(jié)酶和共價調節(jié)酶。第三十二頁，共六十四頁。酶活性的調節(jié)方式：一、酶結構調節(jié)（通過對現(xiàn)有酶分子結構的影響來改變酶的催化活性的調節(jié)方式，是一種快速調節(jié)方式）（一）別構調節(jié)（正、負協(xié)同效應，正、負反饋調節(jié)）；（二）共價修飾調節(jié)；（三）酶原激活；二、酶含量調節(jié)（通過改變細胞中酶蛋白合成或降解的速度來調節(jié)酶分子的絕對含量，影響其催化活性，從而調節(jié)代謝反應的速度）；（遲緩）三、同工酶調節(jié)。back第三十三頁，共六十四頁。一、酶結構調節(jié)

（一）別構調節(jié)（變構調節(jié)）：某些代謝物能與變構酶分子上的變構部位特異性結合，使酶的分子構象發(fā)生改變，從而改變酶的催化活性以及代謝反應的速度，這種調節(jié)作用就稱為別構調節(jié)(allostericregulation)。具有別構調節(jié)作用的酶就稱為別構酶。凡能使酶分子別構并使酶的催化活性發(fā)生改變的代謝物就稱為別構效應劑。別構酶的別構部位（非底物結合部位）非共價結合別構調節(jié)物，并通過異促協(xié)同，改變酶與底物的結合，引起酶活性的抑制或激活。第三十四頁，共六十四頁。1．別構調節(jié)的機制：別構酶一般是多亞基構成的聚合體，一些亞基為催化亞基，另一些亞基為調節(jié)亞基。當調節(jié)亞基或調節(jié)部位與別構劑結合后，就可導致酶的空間構象發(fā)生改變，從而導致酶的催化活性中心的構象發(fā)生改變而致酶活性的改變。別構效應劑催化亞基底物調節(jié)亞基第三十五頁，共六十四頁。2．協(xié)同效應：當別構酶的一個亞基與其配體（底物或別構劑）結合后，能夠通過改變相鄰亞基的構象而使其對配體的親和力發(fā)生改變，這種效應就稱為別構酶的協(xié)同效應。如果對相鄰亞基的影響是導致其對配體的親和力增加，則稱為正協(xié)同效應；反之，則稱為負協(xié)同效應。第三十六頁，共六十四頁。3.別構調節(jié)的方式：別構酶通常為代謝途徑的起始關鍵酶，而變構劑則為代謝途徑的終產物。因此，別構劑一般以反饋方式對代謝途徑的起始關鍵酶進行調節(jié)，最常見的為負反饋調節(jié)。

4．別構調節(jié)的特點：⑴酶活性的改變通過酶分子構象的改變而實現(xiàn)；⑵酶的變構僅涉及非共價鍵的變化；⑶調節(jié)酶活性的因素為代謝物；⑷為一非耗能過程；⑸無放大效應。第三十七頁，共六十四頁。別構酶的動力學別構酶大都不遵循米氏動力學。有正協(xié)同效應的別構酶其v-[S]曲線具有S形，負協(xié)同則類似雙曲線，說明酶對底物濃度的敏感性不同。某些寡聚酶解離成單體后，失去了別構調節(jié)能力，但仍保留活性，其v-[S]曲線為米氏曲線。第三十八頁，共六十四頁。別構效應物別構效應物，也稱別構調節(jié)物。根據他們對別構酶的動力學過程的影響分為K系和V系。K系改變酶的K0.5，不改變Vmax；V系改變Vmax，不改變K0.5。第三十九頁，共六十四頁。同別構效應同別構效應的別構效應物為協(xié)同底物，即一底物分子結合促進其他底物分子與酶結合。因此，同別構效應是別構激活，其v-[S]曲線具有Ｓ形。第四十頁，共六十四頁。異別構效應異別構效應的別構調節(jié)物結構上不同于底物，異別構效應可能是別構抑制或別構激活。代謝途徑中代謝終產物對早期酶的別構調節(jié)都是別構抑制。第四十一頁，共六十四頁。例1：天冬氨酸轉氨酶

（ATCase,aspartatetranscarbamylase）天冬氨酸轉氨酶是研究得比較清楚的別構酶。催化氨甲酰磷酸與天冬氨酸反應生成氨甲酰天冬氨酸。該反應是嘧啶核苷酸生物合成途徑的第一步。圖示該途徑終產物CTP對ATCase的別構抑制。第四十二頁，共六十四頁。CTP和ATP對ATCase調節(jié)的生物學意義：1、ATP信號激活作用，提供DNA復制的能量，導致需求的嘧啶核苷酸的合成；2、CTP的反饋抑制則保證當嘧啶核苷酸充足時不需要該途徑繼續(xù)合成N-氨甲酰天冬氨酸及其后續(xù)中間物。ATP激活ATCaseCTP反饋抑制ATCaseATP與CTP相互競爭調節(jié)部位，高水平ATP可阻止CTP對ATCase的抑制作用第四十三頁，共六十四頁。ATCase中亞基的排列：

由催化亞基和調節(jié)亞基構成2個C3（催化亞基）3個γ2（調節(jié)亞基）第四十四頁，共六十四頁。ATCase催化肽鏈(c)與調節(jié)肽鏈(γ)的關系每個催化鏈含有1個氨甲酰結合結構域（N端）和1個Asp結合結構域（C端）γ鏈domain1,有CTP結合部位γ鏈domain2,與催化鏈互作第四十五頁，共六十四頁。PALA（N-（膦乙?；?L-Asp）：酶的強抑制劑，與雙底物的復合物及過渡態(tài)類似，與酶結合緊密；這種不發(fā)生反應的雙底物類似物在ATCase的構象研究中很有價值。第四十六頁，共六十四頁。ATCase的構象改變（1）

PALA的結合導致每條催化鏈的三級結構發(fā)生重要變化，酶由T型變成R型無配基的T態(tài)有配基的R態(tài)第四十七頁，共六十四頁。ATCase的構象改變（2）用雙底物類似物的結合實驗和Ｘ－射線晶體結構研究揭示ATCase在別構轉變中，調節(jié)亞基和催化亞基都經歷了大的構象變化，結果催化亞基的催化鏈彼此靠近形成了最優(yōu)化的活性部位。ATCase的別構效應是在相當大的立體空間范圍內起著調節(jié)活性的作用。底物的協(xié)同結合和CTP的反饋抑制是通過長距離而傳遞的。通過肽鏈之間的各個表面的相互作用，信息從一個催化亞基的活性部位傳遞到其他催化亞基的活性部位。第四十八頁，共六十四頁。解釋別構酶協(xié)同轉變的兩個模型back第四十九頁，共六十四頁。2006年12月14日,第25,26學時（第13次課）第五十頁，共六十四頁。（二）共價修飾調節(jié)：酶蛋白分子中的某些基團可以在其他酶的催化下發(fā)生共價修飾，從而導致酶活性的改變，稱為共價修飾調節(jié)。共價修飾調節(jié)也是體內快速調節(jié)代謝活動的一種重要的方式。共價調節(jié)酶的多肽鏈接受其它酶的可逆或不可逆修飾作用，從而使酶獲得或失去催化活性。能進行共價調節(jié)的酶至少存在兩種不同的形式，即有活性或高活性形式和無活性或低活性形式。最常見的共價修飾方式有：磷酸化-脫磷酸化，-SH，-S-S-，乙?；?脫乙?；?，腺苷化-脫腺苷化等。第五十一頁，共六十四頁。1．共價修飾的機制：共價修飾酶通常在兩種不同的酶的催化下發(fā)生修飾或去修飾;酶分子在有活性形式與無活性形式之間進行相互轉變。第五十二頁，共六十四頁。2．共價修飾調節(jié)的方式：共價修飾調節(jié)一般與激素的調節(jié)相聯(lián)系，其調節(jié)方式為級聯(lián)反應。第五十三頁，共六十四頁。3．共價修飾調節(jié)的特點：⑴酶以兩種不同修飾和不同活性的形式存在；⑵有共價鍵的變化；⑶受其他調節(jié)因素（如激素）的影響；⑷一般為耗能過程；⑸存在放大效應。第五十四頁，共六十四頁。蛋白質磷酸化和去磷酸化（1）磷酸化和去磷酸化是一種廣泛的共價調節(jié)方式。可供磷酸化的蛋白質側鏈有：（1）Ser-OH、Thr-OH、Tyr-OH（P-O鍵連接）；（2）His的咪唑基（P-N鍵連接）。第五十五頁，共六十四頁。蛋白質磷酸化和去磷酸化（2）圖中顯示一個由于激素和細胞膜受體結合后引起的細胞內一系列蛋白質連續(xù)磷酸化過程。這些蛋白質由于磷酸化而激活。催化蛋白質磷酸化的蛋白激酶構成了級聯(lián)系統(tǒng)。MAP即有絲分裂原激活蛋白，MAP被MAPK激活。有活性的MAP促進一系列基因轉錄表達，引起細胞分裂。第五十六頁，共六十四頁。酪氨酸激酶(PTK

,proteintyrosinekinase)作用原理back第五十七頁，共六十四頁。（三）酶原激活：處于無活性