第二篇 酶的結構與功能-酶的催化機制.ppt

1、酶的催化機制,酶催化機理研究的主要方法,（1）找出保守性的氨基酸殘基 （2）三維結構的研究 （3）定點突變 （4）動力學分析 （5）化學修飾,過渡態(tài)穩(wěn)定學說,根據過渡態(tài)理論，在任何一個化學反應體系中，反應物需要到達一個特定的高能狀態(tài)以后才能發(fā)生反應。這種不穩(wěn)定的高能狀態(tài)被稱為過渡態(tài)。達到過渡態(tài)要求反應物必須含有足夠的能量以克服活化能，然而，一個反應系統(tǒng)中各反應物分子具有不同的能量，只有某些反應物才含有足夠的能量去進行反應。 1946年Pauling 提出，酶與過渡態(tài)的親和力要比對基態(tài)（底物）的親和力高得多，酶的催化源于其對過渡態(tài)的穩(wěn)定作用。,化學反應的過渡態(tài)及 其前后的自由能變化,HA-HB

2、+ HCHA-HB-HC（過渡態(tài)）HB-HC + HA,酶促反應和非酶促反應過程的自由能變化,支持過渡態(tài)穩(wěn)定學說的證據,根據中間物的結構設計一種穩(wěn)定的過渡態(tài)類似物，以檢測它能否作為酶的抑制劑，以及抑制效果是不是比競爭性抑制劑強。因為如果酶促反應中的確存在所謂過渡態(tài)的中間物，那么由此人工設計得到的過渡態(tài)類似物只要遇到酶就會與活性中心緊密地結合，會牢牢地卡住酶的活性中心，使之無法完成反應，即成為酶的強抑制劑。 進一步證明過渡態(tài)類似物參與催化的證據是利用過渡態(tài)類似物作為抗原或半抗原，去免疫動物，由此產生的抗體可能有類似酶的催化作用。,脯氨酸消旋酶的過渡態(tài)及其過渡態(tài)類似物抑制劑,過渡態(tài)穩(wěn)定的化學機制,

3、與酶催化相關聯的過渡態(tài)穩(wěn)定是酶活性中心結構和反應性以及活性中心與結合底物之間的相互作用的必然結果。酶充分使用一系列的化學機制來實現過渡態(tài)的穩(wěn)定并由此加速反應。這些機制歸納起來主要有六種機制： （1）鄰近定向效應； （2）廣義的酸堿催化； （3）靜電催化； （4）金屬催化； （5）共價催化； （6）底物形變。,鄰近定向效應,鄰近定向效應是指兩種或兩種以上的底物（特別是雙底物）同時結合在酶活性中心上，相互靠近（鄰近），并采取正確的空間取向（定向），這樣大大提高了底物的有效濃度，使分子間反應近似分子內反應從而加快了反應速度。 底物與活性中心的結合不僅使底物與酶催化基團或其它底物接觸，而且強行“凍結”

4、了底物的某些化學建的平動和轉動，促使它們采取正確的方向，有利于鍵的形成。,廣義的酸堿催化,廣義的酸堿催化是指水分子以外的分子作為質子供體或受體參與催化，這種機制參與絕大多數酶的催化。蛋白質分子上的某些側鏈基團（如Asp、Glu和His）可以提供質子并將質子轉移到反應的過渡態(tài)中間物而達到穩(wěn)定過渡態(tài)的效果。如果一個側鏈基團的pKa值接近7，那么該側鏈基團就可能是最有效的廣義的酸堿催化劑。蛋白質分子上的His殘基的咪唑基就是這樣的基團，因此它作為很多酶的催化殘基。,廣義的酸堿催化,溶菌酶Glu35的廣義酸催化,溶菌酶的Glu 35被疏水氨基酸殘基所環(huán)繞,核糖核酸酶A的廣義酸堿催化,靜電催化,活性中心

5、電荷的分布可用來穩(wěn)定酶促反應的過渡態(tài)，酶使用自身帶電基團去中和一個反應過渡態(tài)形成時產生的相反電荷而進行的催化稱為靜電催化。 有時，酶通過與底物的靜電作用將底物引入到活性中心。,溶菌酶Glu35將質子交給糖苷鍵上的O原子以后，O因此帶上正電荷，隨后糖苷鍵斷裂，左邊的糖基1號位的C原子帶上正電荷，鄰近的Asp52的羧基本來于解離狀態(tài)，帶負電荷，起著中和正電荷穩(wěn)定過渡態(tài)的作用。,溶菌酶的最適pH與Glu35和Asp52的解離狀態(tài)有關,金屬催化,近三分之一已知酶的活性需要金屬離子的存在，這些酶分為兩類，一類為金屬酶，另一類為金屬激活酶。前者含有緊密結合的金屬離子，多數為過渡金屬，如Fe2+、Fe3+、

6、Cu2+、Zn2+、Mn2+或Co3+，后者與溶液中的金屬離子松散地結合，通常是堿金屬或堿土金屬，例如Na+、K+、Mg2+或Ca2+。 金屬離子參與的催化被稱為金屬催化。金屬離子以5種方式參與催化：（1）作為Lewis酸起作用；（2）與底物結合，促進底物在反應中正確定向；（3）作為親電催化劑，穩(wěn)定過渡態(tài)中間物上的電荷；（4）通過價態(tài)的可逆變化，作為電子受體或電子供體參與氧化還原反應；（5）酶結構的一部分。,金屬離子對于某些酶分子的結構十分重要,共價催化,共價催化是指酶在催化過程中必須與底物上的某些基團暫時形成不穩(wěn)定的共價中間物的一種催化方式。許多氨基酸殘基的側鏈可作為共價催化劑，例如Lys、His、Cys、Asp、Glu、Ser或Thr，此外，一些輔酶或輔基也可以作為共價催化劑，例如硫胺素焦磷酸（TPP）和磷酸吡哆醛。,幾種酶的共價催化,親核共價修飾反應,底物形變,底物形變是指當酶與底物相遇時，酶分子誘導底物分子內敏感鍵更加敏感