高級生物化學酶作用機制與酶調(diào)節(jié)

1、高級生物化學酶作用機制與酶調(diào)節(jié)l酶分子中促使底物發(fā)生化學變化的部位稱為催酶分子中促使底物發(fā)生化學變化的部位稱為催化部位化部位。l通常將酶的結(jié)合部位和催化部位總稱為酶的活通常將酶的結(jié)合部位和催化部位總稱為酶的活性部位或活性中心。性部位或活性中心。l結(jié)合部位決定酶的專一性，結(jié)合部位決定酶的專一性，l催化部位決定酶所催化反應的性質(zhì)。催化部位決定酶所催化反應的性質(zhì)。l酶必需基團指酶活性中心實現(xiàn)催化作用酶必需基團指酶活性中心實現(xiàn)催化作用的必需的些氨基酸基團。的必需的些氨基酸基團。l主要包括：主要包括：l親核性基團：絲氨酸的羥基，半胱氨酸親核性基團：絲氨酸的羥基，半胱氨酸的巰基和組氨酸的咪唑基。的巰基和組

2、氨酸的咪唑基。H2NCHCCH2OHOOHOHH2NCHCCH2OHOSHSHH2NCHCCH2OHONNHNNH補：酶活性中心的必需基團補：酶活性中心的必需基團 順便復習一些重要順便復習一些重要AAAA的的R R基基l酸、堿性基團：天冬氨酸和谷氨酸的羧酸、堿性基團：天冬氨酸和谷氨酸的羧基，酪氨酸的酚羥基基，酪氨酸的酚羥基l賴氨酸的氨基，組氨酸的咪唑基。賴氨酸的氨基，組氨酸的咪唑基。H2NCHCCH2OHOCH2COHOH2NCHCCH2OHOCOHOCOOHH2NCHCCH2OHOCH2CH2CH2NH2NH2H2NCHCCH2OHOOHOHl某些酶分子中存在著一些可以與其他分子發(fā)生某些酶分

3、子中存在著一些可以與其他分子發(fā)生某種程度的結(jié)合的部位，從而引起酶分子空間某種程度的結(jié)合的部位，從而引起酶分子空間構(gòu)象的變化，對酶起激活或抑制作用。構(gòu)象的變化，對酶起激活或抑制作用。補：酶的調(diào)節(jié)部位補：酶的調(diào)節(jié)部位 Regulatory siteRegulatory sitel酶催化作用的本質(zhì)是酶的活性中心與底酶催化作用的本質(zhì)是酶的活性中心與底物分子通過短程非共價力物分子通過短程非共價力( (如氫鍵如氫鍵, ,離子離子鍵和疏水鍵等鍵和疏水鍵等) )的作用，形成的作用，形成E-SE-S反應中反應中間物。間物。l其結(jié)果使底物的價鍵狀態(tài)發(fā)生形變或極其結(jié)果使底物的價鍵狀態(tài)發(fā)生形變或極化，起到激活底物分子

4、和降低過渡態(tài)活化，起到激活底物分子和降低過渡態(tài)活化能作用?；茏饔?。 酶催化作用的本質(zhì)酶催化作用的本質(zhì)l（1 1）活性部位酶占總體很小部分：）活性部位酶占總體很小部分：1-2%1-2%l（2 2）酶活性部位是一個三維實體）酶活性部位是一個三維實體l（3 3）酶活性部位與底物通過誘導契合后）酶活性部位與底物通過誘導契合后結(jié)合結(jié)合l（4 4）酶活性部位是其表面一個裂縫，內(nèi)）酶活性部位是其表面一個裂縫，內(nèi)部非極性基團較多，是一疏水區(qū)域部非極性基團較多，是一疏水區(qū)域l（5 5）底物通過非共價與酶結(jié)合）底物通過非共價與酶結(jié)合l（6 6）活性部位具有柔性或可運動性）活性部位具有柔性或可運動性 酶活性部位的

5、共同特點酶活性部位的共同特點l酶是專一性強，催化效率很高的生物催酶是專一性強，催化效率很高的生物催化劑，這是由酶分子的特殊結(jié)構(gòu)決定的?；瘎?，這是由酶分子的特殊結(jié)構(gòu)決定的。多種因素可以使酶反應加速：多種因素可以使酶反應加速：* *二、酶催化反應的獨特性質(zhì)二、酶催化反應的獨特性質(zhì)（自學，以增對酶催化作用所理解）（自學，以增對酶催化作用所理解）l鄰近效應：酶與底物形成復合物后，使底物和鄰近效應：酶與底物形成復合物后，使底物和底物之間（對多底物反應而言），酶的催化基底物之間（對多底物反應而言），酶的催化基團與底物之間結(jié)合于同一分子使反應有效濃度團與底物之間結(jié)合于同一分子使反應有效濃度大提高，有利于提高

6、反應速率大增加。大提高，有利于提高反應速率大增加。l定向效應：反應物的反應基團之間和酶的催化定向效應：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正確取位，使底物基團與底物的反應基團之間正確取位，使底物分子中參與反應的基團相互接近，并被嚴格定分子中參與反應的基團相互接近，并被嚴格定定位，使酶促反應具有高效率和專一性特點。定位，使酶促反應具有高效率和專一性特點。 CH3COONO2NNH.NNHCOCH3+O-NO2+乙酸對硝基苯酯以咪唑作為酶的催化反應是一個雙分子乙酸對硝基苯酯以咪唑作為酶的催化反應是一個雙分子氨解反應，若將咪唑連到其上，則反應加快氨解反應，若將咪唑連到其上，則反應加

7、快2424倍倍NNHCOONO2.ONNH+O-NO2+l該學說認為酶表面并沒有一種與底物互補的固該學說認為酶表面并沒有一種與底物互補的固定形狀，而只是由于底物的誘導才形成了互補定形狀，而只是由于底物的誘導才形成了互補形狀，同時底物了發(fā)生形變，接近其過渡態(tài)，形狀，同時底物了發(fā)生形變，接近其過渡態(tài)，降低了反應活化能，使反應易于發(fā)生降低了反應活化能，使反應易于發(fā)生. .l指通過瞬時的向反應物提供質(zhì)子或從反應物接指通過瞬時的向反應物提供質(zhì)子或從反應物接受質(zhì)子以穩(wěn)定過渡態(tài)，加速反應的催化機制。受質(zhì)子以穩(wěn)定過渡態(tài)，加速反應的催化機制。l酸酸- -堿催化可分為狹義的酸堿催化可分為狹義的酸- -堿催化和廣義

8、的酸堿催化和廣義的酸- -堿催化。酶參與的酸堿催化。酶參與的酸- -堿催化反應一般都是廣堿催化反應一般都是廣義的酸堿催化方式。義的酸堿催化方式。l廣義酸堿催化是指通過質(zhì)子酸提供部分質(zhì)子廣義酸堿催化是指通過質(zhì)子酸提供部分質(zhì)子, ,或是通過質(zhì)子堿接受部分質(zhì)子的作用，達到降或是通過質(zhì)子堿接受部分質(zhì)子的作用，達到降低反應活化能的過程低反應活化能的過程。3 3、 酸堿催化酸堿催化 l廣義酸基團廣義酸基團 廣義堿基團廣義堿基團（質(zhì)子供體）（質(zhì)子供體） （質(zhì)子受體）（質(zhì)子受體） -COOH, -NH3, -SH,+OHNHNH+-COO , -NH2, -S , -.-O-NHN:His His 是酶的酸堿

9、催化作用中最活潑的一個是酶的酸堿催化作用中最活潑的一個催化功能團。催化功能團。l基本原理：基本原理：l又稱親核催化或親電子催化，催化時，酶分子上親核又稱親核催化或親電子催化，催化時，酶分子上親核基團或親電子基團分別放出電子或汲取電子并作用于基團或親電子基團分別放出電子或汲取電子并作用于底物的缺電子或負電子中心，迅速形成不穩(wěn)定的共價底物的缺電子或負電子中心，迅速形成不穩(wěn)定的共價中間復合物，降低反應活化能，使反應加速。中間復合物，降低反應活化能，使反應加速。l酶上常見的親核基團：酶上常見的親核基團： Ser Ser 的羥基，的羥基， Cys Cys 的巰基，的巰基， His His 的咪唑基。的咪

10、唑基。l底物上親電基團：磷酰基，?；?，糖基。底物上親電基團：磷酰基，酰基，糖基。 * *根據(jù)金屬離子與酶蛋白結(jié)合程度，可分為兩類：根據(jù)金屬離子與酶蛋白結(jié)合程度，可分為兩類：金屬酶和金屬金屬酶和金屬激活酶。激活酶。（1 1）金屬酶：酶蛋白與金屬離子結(jié)合緊密。如）金屬酶：酶蛋白與金屬離子結(jié)合緊密。如 FeFe2+2+/ Fe/ Fe3+ 3+ 、CuCu+ +/Cu/Cu3 3 、ZnZn2+ 2+ 、MnMn2+2+、CoCo2 2 等過等過渡態(tài)離子。渡態(tài)離子。（2 2）金屬）金屬激活酶：金屬離子與酶的結(jié)合一激活酶：金屬離子與酶的結(jié)合一般較松散。在溶液中，酶與這類離子結(jié)合而被般較松散。在溶液中，

11、酶與這類離子結(jié)合而被激活。如激活。如NaNa+ + 、K K+ +、 MgMg2+2+、 CaCa2+2+ 等。等。以以3 3種主要途徑參加催化過程：種主要途徑參加催化過程：（1 1）通過結(jié)合底物為反應定向通過結(jié)合底物為反應定向 l許多氧化許多氧化- -還原酶中都含有銅或鐵離子，還原酶中都含有銅或鐵離子，它們作為酶的輔助因子起著傳遞電子的它們作為酶的輔助因子起著傳遞電子的功能。功能。lFeFe3+3+ e e Fe Fe2+ 2+ lCuCu2+2+ e e Cu Cu+ + v電荷屏蔽作用是酶中金屬離子的一個重要功能。電荷屏蔽作用是酶中金屬離子的一個重要功能。 l如：如：Mg2+Mg2+AT

12、PATP復合物。復合物。 AHHOHHOHHO-OPOPOPOCH2OOOOOOMg2+l酶的活性中心部位，一般都含有多個起酶的活性中心部位，一般都含有多個起催化作用的基團，這些基團配合在一起催化作用的基團，這些基團配合在一起作用如胰凝乳蛋白酶通過作用如胰凝乳蛋白酶通過Asp102Asp102、His57His57和和Ser195Ser195組成的電荷中繼網(wǎng)催化肽鍵水組成的電荷中繼網(wǎng)催化肽鍵水解解。l酶的活性中心部位處于疏水環(huán)境裂縫中，酶的活性中心部位處于疏水環(huán)境裂縫中，是一個非極性環(huán)境，其介電常數(shù)較低，是一個非極性環(huán)境，其介電常數(shù)較低，從而使處于其中帶電基團之間的靜電作從而使處于其中帶電基團

13、之間的靜電作用比在極性環(huán)境中顯著增高，因此有利用比在極性環(huán)境中顯著增高，因此有利于催化反應于催化反應。l*溶菌酶，胰核糖核酸酶A，*羧肽酶A，絲氨酸蛋白酶族，天冬氨酸蛋白酶l（一）溶菌酶（一）溶菌酶l存在于蛋白清及眼淚，催化某些細菌胞壁多糖（N-乙酰葡糖胺NAG+N-乙酰胞壁酸NAM）水解，從而抗菌l，129個AA，單肽鏈，4對二硫鍵，表而有一裂縫，能容納多糖底物的6個單糖，為酶的活性部位。P395圖10-9見見P53圖圖1-31Glu35Glu35和和Asp52Asp52為活為活性部位必需性部位必需AAAA：Glu35-COOHGlu35-COOH提供提供H H+ +；Asp52-COOAs

14、p52-COO- -通過靜電通過靜電吸引穩(wěn)定正電荷；吸引穩(wěn)定正電荷；從而促進糖苷鍵斷從而促進糖苷鍵斷裂裂l124個個AA，單肽鏈，單肽鏈，4對二硫鍵對二硫鍵l水解水解RNA，專一切開，專一切開3P-O鍵，生成鍵，生成嘧啶核苷嘧啶核苷3-磷酸或以其結(jié)尾的寡聚磷酸或以其結(jié)尾的寡聚核苷酸核苷酸lHis119和和His12為酶活性中心必需氨為酶活性中心必需氨基酸（見下圖）基酸（見下圖）鋅離子在酶活性部位鋅離子在酶活性部位與與2His和和Glu配位連接配位連接底物（底物（Gly-Tyr）與酶誘導契合進行結(jié)合）與酶誘導契合進行結(jié)合P403-404由由145，248，270位位的的AA和底物結(jié)合，將和底物結(jié)

15、合，將進一步由鋅離子，進一步由鋅離子，Arg127，Glu270對底物催化對底物催化l包括：胰蛋白酶，胰凝乳蛋白酶，包括：胰蛋白酶，胰凝乳蛋白酶，彈性蛋白酶等彈性蛋白酶等l三種酶分子量范圍在，具有相似順三種酶分子量范圍在，具有相似順序和三級結(jié)構(gòu)序和三級結(jié)構(gòu)三種酶的底物結(jié)合口袋三種酶的底物結(jié)合口袋非常非常保守保守胰凝乳蛋白酶上的催化基團胰凝乳蛋白酶上的催化基團（胰凝乳蛋白酶）胰凝胰凝乳蛋乳蛋白酶白酶催化催化反應反應的詳?shù)脑敿殭C細機制制l（一）別構(gòu)調(diào)控（一）別構(gòu)調(diào)控l1 1、別構(gòu)調(diào)節(jié)：酶分子的非催化部位與某、別構(gòu)調(diào)節(jié)：酶分子的非催化部位與某些化合物可逆地非共價結(jié)合后發(fā)生構(gòu)象些化合物可逆地非共價結(jié)合

16、后發(fā)生構(gòu)象的改變，進而改變酶活性狀態(tài)的作用。的改變，進而改變酶活性狀態(tài)的作用。l2 2、別構(gòu)酶：具有上述這種調(diào)節(jié)作用的酶。、別構(gòu)酶：具有上述這種調(diào)節(jié)作用的酶。l3 3、效應物：能使酶分子發(fā)生別構(gòu)作用的、效應物：能使酶分子發(fā)生別構(gòu)作用的物質(zhì)。可分為正效應物（別構(gòu)激活劑）物質(zhì)。可分為正效應物（別構(gòu)激活劑）和負效應物（別構(gòu)抑制劑）。和負效應物（別構(gòu)抑制劑）。l* *ATCase, 3-ATCase, 3-磷酸甘油醛脫氫酶磷酸甘油醛脫氫酶1、天冬氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶（、天冬氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶（ATCase)（1）合成途徑終產(chǎn)物）合成途徑終產(chǎn)物CTP對該酶有反饋抑制作用，對該酶有反饋抑制作用，ATP與與CTP競爭

17、調(diào)節(jié)部位，可阻止競爭調(diào)節(jié)部位，可阻止CTP的抑制作用的抑制作用異促效應異促效應（2）含）含2個催化亞個催化亞基基3條肽鏈條肽鏈和和3個個調(diào)節(jié)亞基調(diào)節(jié)亞基2條肽鏈條肽鏈，催化亞基無與催化亞基無與ATP或或CTP結(jié)合能力；結(jié)合能力；調(diào)節(jié)亞基可結(jié)合調(diào)節(jié)亞基可結(jié)合ATP或或CTP，無催，無催化能力。調(diào)節(jié)亞基化能力。調(diào)節(jié)亞基與與ATP或或CTP結(jié)合結(jié)合為非共價為非共價。l（1 1）一般都是寡聚酶，通過次級鍵由多）一般都是寡聚酶，通過次級鍵由多亞基構(gòu)成。亞基構(gòu)成。l（2 2）別構(gòu)酶動力學曲線不是雙曲線，不）別構(gòu)酶動力學曲線不是雙曲線，不符合米氏方程，正協(xié)同效應為符合米氏方程，正協(xié)同效應為S S形典線，形典

18、線，負協(xié)同效應為表觀雙曲線。負協(xié)同效應為表觀雙曲線。l補（補（3 3）酶上含催化亞基和調(diào)節(jié)亞基，效）酶上含催化亞基和調(diào)節(jié)亞基，效應物和調(diào)節(jié)亞基以非共價結(jié)合，改變酶應物和調(diào)節(jié)亞基以非共價結(jié)合，改變酶的構(gòu)象，影響其與底物結(jié)合，從南昌調(diào)的構(gòu)象，影響其與底物結(jié)合，從南昌調(diào)節(jié)催化反應。節(jié)催化反應。1、非別構(gòu)酶、非別構(gòu)酶2、正協(xié)同效應、正協(xié)同效應 別構(gòu)酶別構(gòu)酶3、負協(xié)同效應、負協(xié)同效應別構(gòu)酶別構(gòu)酶l（1 1）協(xié)同模型（）協(xié)同模型（WMCWMC模型）：又稱齊變模型）：又稱齊變模型，即在酶活性調(diào)節(jié)中，當?shù)鞍踪|(zhì)構(gòu)模型，即在酶活性調(diào)節(jié)中，當?shù)鞍踪|(zhì)構(gòu)象變化時各亞基幾乎同時從一種構(gòu)象轉(zhuǎn)象變化時各亞基幾乎同時從一種構(gòu)象

19、轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N構(gòu)象。變?yōu)榱硪环N構(gòu)象。l（2 2）序變模型（）序變模型（KNFKNF模型）：各亞基的模型）：各亞基的構(gòu)象以序變方式進行。構(gòu)象以序變方式進行。l分別見后圖分別見后圖l1 1、酶原的激活：體內(nèi)合成的蛋白質(zhì)，有、酶原的激活：體內(nèi)合成的蛋白質(zhì)，有時不具有生物活性，經(jīng)過蛋白水解酶專時不具有生物活性，經(jīng)過蛋白水解酶專一作用后，構(gòu)象發(fā)生變化，形成酶的活一作用后，構(gòu)象發(fā)生變化，形成酶的活性部位，變成具有活性的酶的過程。這性部位，變成具有活性的酶的過程。這個不具生物活性的蛋白質(zhì)稱為前體。若個不具生物活性的蛋白質(zhì)稱為前體。若活性蛋白是酶，該前體稱為酶原?；钚缘鞍资敲福撉绑w稱為酶原。l2 2、舉例：胰

20、凝乳蛋白酶原的激活，胰蛋、舉例：胰凝乳蛋白酶原的激活，胰蛋白酶的激活，胃蛋白酶的激活白酶的激活，胃蛋白酶的激活 -胰凝乳蛋白酶活性胰凝乳蛋白酶活性最高，但不穩(wěn)定最高，但不穩(wěn)定 -胰凝乳蛋白酶穩(wěn)定，胰凝乳蛋白酶穩(wěn)定，活性只有活性只有 的的40%-腸激酶腸激酶胃蛋白酶的激活l機體為會么先產(chǎn)生酶原后再經(jīng)過剪切加機體為會么先產(chǎn)生酶原后再經(jīng)過剪切加工形成活性酶，為會么不直接產(chǎn)生活性工形成活性酶，為會么不直接產(chǎn)生活性酶，其生理意義何在？酶，其生理意義何在？l1 1、共價調(diào)節(jié)酶：可被共價修飾而改變酶、共價調(diào)節(jié)酶：可被共價修飾而改變酶活性?；钚?。l2 2、可逆的共價修飾：通過其它酶對其多、可逆的共價修飾：通過

21、其它酶對其多肽鏈上某些基團進行可逆的共價修飾，肽鏈上某些基團進行可逆的共價修飾，使酶處于活性與非活性的互變狀態(tài)，從使酶處于活性與非活性的互變狀態(tài)，從而調(diào)節(jié)酶活性。而調(diào)節(jié)酶活性。l3 3、例如：蛋白激酶通過蛋白磷酸化和去、例如：蛋白激酶通過蛋白磷酸化和去磷酸化來失現(xiàn)酶活性與非活性的互變。磷酸化來失現(xiàn)酶活性與非活性的互變。l1 1、同工酶：指能催化相同化學反應，但其蛋、同工酶：指能催化相同化學反應，但其蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)和免疫性能等方面都白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)和免疫性能等方面都存在明顯差異的一組酶。存在明顯差異的一組酶。l2 2、存在：、存在：（1 1）同一個體的不同組織中；）同一個體的不同組織中；l （2 2）同一組織、同一細胞的不）同一組織、同一細胞的不l 同亞細胞結(jié)構(gòu)中。同亞細胞結(jié)構(gòu)中。l3 3、例如：、例如：LDHLDH（乳酸脫氫酶）有（乳酸脫氫酶）有5 5種同工酶：種同工酶：LDH1LDH1（H4H4），），LDH2LDH2（MH3MH3），），L