酶的作用機(jī)制和酶的調(diào)節(jié)演示文稿

酶的作用機(jī)制和酶的調(diào)節(jié)演示文稿第一頁，共六十四頁。優(yōu)選酶的作用機(jī)制和酶的調(diào)節(jié)第二頁，共六十四頁。一、酶的活性部位二、酶催化反應(yīng)的獨特性質(zhì)三、影響酶催化效率的有關(guān)因素四、酶催化反應(yīng)機(jī)制的實例五、酶活性機(jī)制的調(diào)節(jié)控制酶在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)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(guān)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(nèi)必需基團(tuán)活性中心外必需基團(tuán)

結(jié)合基團(tuán)催化基團(tuán)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(dāng)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(bǔ)，而有個動態(tài)的誘導(dǎo)契合過程；3、～是位于酶分子表面的一個裂縫內(nèi)（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(jié)合到酶上；5、～具有柔性或可運(yùn)動性。go第五頁，共六十四頁。back第六頁，共六十四頁。誘導(dǎo)契合假說：為了解釋酶能催化正反方向的反應(yīng)，1964年Koshland提出“誘導(dǎo)契合”假說（induced-fithypothesis）。該假說認(rèn)為當(dāng)酶分子與底物分子接近時，酶蛋白受底物分子誘導(dǎo)，其構(gòu)象發(fā)生有利于底物結(jié)合的變化，酶與底物在此基礎(chǔ)上互補(bǔ)契合進(jìn)行反應(yīng)。第七頁，共六十四頁。已糖激酶的誘導(dǎo)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(xué)修飾（共價標(biāo)記）：確定被修飾基團(tuán)與酶活性的關(guān)系；2、酶動力學(xué)分析：比較底物和抑制劑對酶反應(yīng)的影響；3、Ｘ－射線晶體衍射分析：比較純酶與結(jié)合底物的酶的圖譜，解析酶分子的三維結(jié)構(gòu)；4、定點誘變（分子生物學(xué)方法）：研究酶的結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系；5、切除肽段：確定肽段與酶活性的關(guān)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(cè)鏈基團(tuán)的化學(xué)修飾法：

確定被修飾基團(tuán)與酶活性的關(guān)系可被化學(xué)修飾的基團(tuán)：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(jié)合，使酶活力喪失；（3）親和標(biāo)記(affinitylabeling)法。如：TPCK與胰凝乳蛋白酶的底物TPE結(jié)構(gòu)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(yīng)的獨特性質(zhì)1、酶反應(yīng)分兩類：一類僅涉及到電子轉(zhuǎn)移，另一類涉及到電子和質(zhì)子兩者或者其他基團(tuán)的轉(zhuǎn)移；2、酶催化作用是由AA側(cè)鏈上的功能基團(tuán)和輔酶為媒介的，如H,S,C,K,E和D等的側(cè)鏈；3、最適pH范圍通常狹??；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(yīng)所必需的活性基團(tuán)外，還有別的特性（協(xié)同催化、底物結(jié)合部位、過渡態(tài)復(fù)合物等），使復(fù)雜反應(yīng)能按一定途徑進(jìn)行。back第十三頁，共六十四頁。三、影響酶催化效率的有關(guān)因素酶能執(zhí)行多種催化方式：酶提高反應(yīng)速度的基本機(jī)制包括酶的活性部位結(jié)合底物后使底物產(chǎn)生鄰近、軌道定向、應(yīng)力等多種效應(yīng)，它們增加反應(yīng)物的有效碰撞，或者使受作用的化學(xué)鍵變形、削弱，或者使受作用的化學(xué)基團(tuán)增加反應(yīng)性，活性部位的催化基團(tuán)可能提供共價催化（如親核、親電）、酸堿催化、絡(luò)合催化等多種斷裂鍵的方式。最終結(jié)果是穩(wěn)定過渡態(tài)，使底物易于達(dá)到過渡態(tài)，降低反應(yīng)活化能。第十四頁，共六十四頁。（一）底物和酶的鄰近效應(yīng)（approximation,proximity）與定向效應(yīng)(orientation)鄰近效應(yīng)：ES復(fù)合物形成后，底物等的有效濃度升高使反應(yīng)速率增加的效應(yīng)；定向反應(yīng)：反應(yīng)物的反應(yīng)基團(tuán)之間和酶的催化基團(tuán)與底物的反應(yīng)基團(tuán)之間的正確取位產(chǎn)生的效應(yīng)。第十五頁，共六十四頁。（二）底物的形變（distortion）和誘導(dǎo)契合(inducedfit)張力學(xué)說：酶的活性中心與底物結(jié)合后，底物分子中不穩(wěn)定的化學(xué)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(zhì)子；廣義的堿：接受質(zhì)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(yīng)活性很高的共價中間物，易變成過渡態(tài)，大大降低反應(yīng)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(yīng)定向、調(diào)節(jié)氧化還原反應(yīng)、靜電穩(wěn)定或屏蔽負(fù)電荷等；（六）多元催化和協(xié)同效應(yīng)；（七）活性部位微環(huán)境的影響：表面效應(yīng)：活性中心多為“疏水口袋”，低介電環(huán)境中的基團(tuán)之間的反應(yīng)會得到加強(qiáng)。back第二十頁，共六十四頁。四、酶催化反應(yīng)機(jī)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(zhì),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(jié)尾的寡聚核苷酸?；瘜W(xué)修飾法研究：用碘乙酸處理，羧甲基化的His119是主要產(chǎn)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(tuán)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(jié)合，可恢復(fù)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(tuán)：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(jī)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(jié)合水，吸取一個質(zhì)子形成帶負(fù)電荷四面體過渡態(tài)中間物，通過Zn2+和Arg127帶正電的側(cè)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(zhì)子給肽的－NH基，肽鍵斷裂，釋放出aa,擴(kuò)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(jī)制，以酶的活性部件的絲氨酸-OH為親核基團(tuán)。反應(yīng)中產(chǎn)生穩(wěn)定的酰化酶和四面體中間物過渡態(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(zhì)子，促進(jìn)Ser195親核攻擊要斷裂肽鍵的羰基C；2、His57作為廣義酸供質(zhì)子供給肽的酰胺氮，得到共價的質(zhì)化胺，形成四面體中間物；3、His57再作為廣義堿接受水的質(zhì)子；4、His57再作為廣義酸供質(zhì)子給Ser的O；5、中間體瓦解，產(chǎn)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(jī)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(jié)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(diào)節(jié)控制通過對酶的催化活性的調(diào)節(jié)，就可以達(dá)到調(diào)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(yīng)的速度或方向發(fā)生改變的酶就稱為限速酶或關(guān)鍵酶。有些酶活性是可以自身調(diào)節(jié)的，這種酶稱為調(diào)節(jié)酶有兩類調(diào)節(jié)酶，即別構(gòu)調(diào)節(jié)酶和共價調(diào)節(jié)酶。第三十二頁，共六十四頁。酶活性的調(diào)節(jié)方式：一、酶結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)（通過對現(xiàn)有酶分子結(jié)構(gòu)的影響來改變酶的催化活性的調(diào)節(jié)方式，是一種快速調(diào)節(jié)方式）（一）別構(gòu)調(diào)節(jié)（正、負(fù)協(xié)同效應(yīng)，正、負(fù)反饋調(diào)節(jié)）；（二）共價修飾調(diào)節(jié)；（三）酶原激活；二、酶含量調(diào)節(jié)（通過改變細(xì)胞中酶蛋白合成或降解的速度來調(diào)節(jié)酶分子的絕對含量，影響其催化活性，從而調(diào)節(jié)代謝反應(yīng)的速度）；（遲緩）三、同工酶調(diào)節(jié)。back第三十三頁，共六十四頁。一、酶結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)

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

4．別構(gòu)調(diào)節(jié)的特點：⑴酶活性的改變通過酶分子構(gòu)象的改變而實現(xiàn)；⑵酶的變構(gòu)僅涉及非共價鍵的變化；⑶調(diào)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(yīng)。第三十七頁，共六十四頁。別構(gòu)酶的動力學(xué)別構(gòu)酶大都不遵循米氏動力學(xué)。有正協(xié)同效應(yīng)的別構(gòu)酶其v-[S]曲線具有S形，負(fù)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(gòu)調(diào)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(gòu)效應(yīng)物別構(gòu)效應(yīng)物，也稱別構(gòu)調(diào)節(jié)物。根據(jù)他們對別構(gòu)酶的動力學(xué)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(gòu)效應(yīng)同別構(gòu)效應(yīng)的別構(gòu)效應(yīng)物為協(xié)同底物，即一底物分子結(jié)合促進(jìn)其他底物分子與酶結(jié)合。因此，同別構(gòu)效應(yīng)是別構(gòu)激活，其v-[S]曲線具有Ｓ形。第四十頁，共六十四頁。異別構(gòu)效應(yīng)異別構(gòu)效應(yīng)的別構(gòu)調(diào)節(jié)物結(jié)構(gòu)上不同于底物，異別構(gòu)效應(yīng)可能是別構(gòu)抑制或別構(gòu)激活。代謝途徑中代謝終產(chǎn)物對早期酶的別構(gòu)調(diào)節(jié)都是別構(gòu)抑制。第四十一頁，共六十四頁。例1：天冬氨酸轉(zhuǎn)氨酶

（ATCase,aspartatetranscarbamylase）天冬氨酸轉(zhuǎn)氨酶是研究得比較清楚的別構(gòu)酶。催化氨甲酰磷酸與天冬氨酸反應(yīng)生成氨甲酰天冬氨酸。該反應(yīng)是嘧啶核苷酸生物合成途徑的第一步。圖示該途徑終產(chǎn)物CTP對ATCase的別構(gòu)抑制。第四十二頁，共六十四頁。CTP和ATP對ATCase調(diào)節(jié)的生物學(xué)意義：1、ATP信號激活作用，提供DNA復(fù)制的能量，導(dǎo)致需求的嘧啶核苷酸的合成；2、CTP的反饋抑制則保證當(dāng)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A(yù)TCaseCTP反饋抑制ATCaseATP與CTP相互競爭調(diào)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(diào)節(jié)亞基構(gòu)成2個C3（催化亞基）3個γ2（調(diào)節(jié)亞基）第四十四頁，共六十四頁。ATCase催化肽鏈(c)與調(diào)節(jié)肽鏈(γ)的關(guān)系每個催化鏈含有1個氨甲酰結(jié)合結(jié)構(gòu)域（N端）和1個Asp結(jié)合結(jié)構(gòu)域（C端）γ鏈domain1,有CTP結(jié)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(qiáng)抑制劑，與雙底物的復(fù)合物及過渡態(tài)類似，與酶結(jié)合緊密；這種不發(fā)生反應(yīng)的雙底物類似物在ATCase的構(gòu)象研究中很有價值。第四十六頁，共六十四頁。ATCase的構(gòu)象改變（1）

PALA的結(jié)合導(dǎo)致每條催化鏈的三級結(jié)構(gòu)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(gòu)象改變（2）用雙底物類似物的結(jié)合實驗和Ｘ－射線晶體結(jié)構(gòu)研究揭示ATCase在別構(gòu)轉(zhuǎn)變中，調(diào)節(jié)亞基和催化亞基都經(jīng)歷了大的構(gòu)象變化，結(jié)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(gòu)效應(yīng)是在相當(dāng)大的立體空間范圍內(nèi)起著調(diào)節(jié)活性的作用。底物的協(xié)同結(jié)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(gòu)酶協(xié)同轉(zhuǎn)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(xué)時（第13次課）第五十頁，共六十四頁。（二）共價修飾調(diào)節(jié)：酶蛋白分子中的某些基團(tuán)可以在其他酶的催化下發(fā)生共價修飾，從而導(dǎo)致酶活性的改變，稱為共價修飾調(diào)節(jié)。共價修飾調(diào)節(jié)也是體內(nèi)快速調(diào)節(jié)代謝活動的一種重要的方式。共價調(diào)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(jìn)行共價調(diào)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?；佘栈?脫腺苷化等。第五十一頁，共六十四頁。1．共價修飾的機(jī)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(jìn)行相互轉(zhuǎn)變。第五十二頁，共六十四頁。2．共價修飾調(diào)節(jié)的方式：共價修飾調(diào)節(jié)一般與激素的調(diào)節(jié)相聯(lián)系，其調(diào)節(jié)方式為級聯(lián)反應(yīng)。第五十三頁，共六十四頁。3．共價修飾調(diào)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(diào)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(yīng)。第五十四頁，共六十四頁。蛋白質(zhì)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(diào)節(jié)方式?？晒┝姿峄牡鞍踪|(zhì)側(cè)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(zhì)磷酸化和去磷酸化（2）圖中顯示一個由于激素和細(xì)胞膜受體結(jié)合后引起的細(xì)胞內(nèi)一系列蛋白質(zhì)連續(xù)磷酸化過程。這些蛋白質(zhì)由于磷酸化而激活。催化蛋白質(zhì)磷酸化的蛋白激酶構(gòu)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(jìn)一系列基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)，引起細(xì)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