生物化學(xué)酶的催化機(jī)制

生物化學(xué)酶的催化機(jī)制第1頁/共57頁酶催化機(jī)理研究的主要方法（1）找出保守性的氨基酸殘基得到不同生物來源的同一種酶的一級結(jié)構(gòu)以后，將它們進(jìn)行對比，找出高度保守的氨基酸，可以獲得一些可能與催化有關(guān)的氨基酸殘基的信息。在酶的進(jìn)化中，保守性越高的氨基酸殘基對酶的三維結(jié)構(gòu)和功能貢獻(xiàn)越大，這些氨基酸殘基很可能直接與酶的催化機(jī)制有關(guān)。例各種絲氨酸蛋白酶的一級結(jié)構(gòu)對比，His（組氨酸）57、Asp（天冬氨酸）102、Ser195不變，事實證明，這三種氨基酸殘基直接參與肽鍵的水解。第2頁/共57頁（2）三維結(jié)構(gòu)的研究酶的三維結(jié)構(gòu)決定了酶的功能，如果得到酶的三維結(jié)構(gòu)信息，對酶的催化機(jī)制的研究提供最直接的線索。獲得酶三維結(jié)構(gòu)的方法有X射線衍射和NMR。（3）定點(diǎn)突變分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展使對蛋白質(zhì)定點(diǎn)突變變的很容易，所以只要得到一個酶的基因，就可以對其氨基酸序列進(jìn)行任意的突變。如果對一個酶氨基酸殘基進(jìn)行有的放矢的突變，會對酶的作用機(jī)制研究提供有價值的信息。把胰蛋白酶活性中心裂縫底部的Asp189突變成不帶電荷或帶正電荷的氨基酸殘基，胰蛋白酶活性完全喪失。胰蛋白酶只水解堿性氨基酸殘基與其他氨基酸氨基形成肽鍵，所以Asp189通過側(cè)鏈的負(fù)電荷與底物上的堿性氨基酸殘基帶正電荷的側(cè)鏈結(jié)合。第3頁/共57頁（4）動力學(xué)分析動力學(xué)分析可以為研究酶的作用機(jī)制提供有用的數(shù)據(jù)。（5）化學(xué)修飾用雙功能試劑對酶的修飾有助于確定在三維結(jié)構(gòu)上相鄰的基團(tuán)。借助底物或競爭性抑制劑的保護(hù)，可以通過化學(xué)修飾確定活性中心的氨基酸殘基的性質(zhì)。例：假定一個酶分子上有6個Csy殘基，但又無法確定它的活性中心是否有或者有幾個Csy殘基，可以分別在有或無過量底物存在下，用碘代乙酸修飾酶，然后進(jìn)行對比，在底物保護(hù)的情況下，不能被修飾的Csy殘基就在活性中心。第4頁/共57頁過渡態(tài)穩(wěn)定學(xué)說根據(jù)過渡態(tài)理論，在任何一個化學(xué)反應(yīng)體系中，反應(yīng)物需要到達(dá)一個特定的高能狀態(tài)以后才能發(fā)生反應(yīng)。這種不穩(wěn)定的高能狀態(tài)被稱為過渡態(tài)。達(dá)到過渡態(tài)要求反應(yīng)物必須含有足夠的能量以克服活化能，然而，一個反應(yīng)系統(tǒng)中各反應(yīng)物分子具有不同的能量，只有某些反應(yīng)物才含有足夠的能量去進(jìn)行反應(yīng)。一個雙分子HA-HB和單原子HC之間形成一個新的HB-HC和HA

，反應(yīng)發(fā)生需要形成不穩(wěn)定的過渡態(tài)HA-HB-HCHA-HB+HC→HA-HB-HC（過渡態(tài)）→HB-HC+HA第5頁/共57頁

ΔG活為反應(yīng)活化能HA-HB-HC為過渡態(tài)中間物。過渡態(tài)中間物既不是產(chǎn)物，也不是底物，而是介于舊化學(xué)鍵減弱，新化學(xué)鍵開始形成的一種不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。活化能也不是反應(yīng)的總自由能變，自由能變與反應(yīng)平衡時底物濃度和產(chǎn)物濃度有關(guān)，而活化能與反應(yīng)速度有關(guān)。活化能越低含有足夠能量的反應(yīng)物分子越多，反應(yīng)發(fā)生的越快。提高溫度或其他因素的作用可以促進(jìn)更多的反應(yīng)物達(dá)到過渡態(tài)，提高反應(yīng)速度。所有的催化劑都是通過降低活化能加快反應(yīng)速率。過渡態(tài)中間物化學(xué)反應(yīng)的過渡態(tài)及其前后的自由能變化第6頁/共57頁酶與過渡態(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。酶把反應(yīng)分成幾步，因為酶與過渡態(tài)的中間物結(jié)合比和基態(tài)（底物）的結(jié)合更牢、更好而穩(wěn)定反應(yīng)的過渡態(tài)，從而降低活化能，加快反應(yīng)速度。單底物反應(yīng)S→P：如果沒有酶，S要克服能障變?yōu)檫^渡態(tài)后再反應(yīng)生成P。如果有酶催化，通過分子碰撞，酶與底物先形成可逆復(fù)合物ES。ES形成的結(jié)合能一部分用來驅(qū)動過渡態(tài)復(fù)合物形成。經(jīng)過EP復(fù)合物，最終釋放出產(chǎn)物P和自由酶E。形成過渡態(tài)復(fù)合物需要的活化能比單獨(dú)形成過渡態(tài)底物所需的活化能低，導(dǎo)致總反應(yīng)活化能顯著下降，所以酶促反應(yīng)速率大大增加。但是，酶不能改變反應(yīng)的總自由能變，也就是它不影響反應(yīng)的平衡方向。第7頁/共57頁酶促反應(yīng)和非酶促反應(yīng)過程的自由能變化第8頁/共57頁過渡態(tài)穩(wěn)定的化學(xué)機(jī)制與酶催化相關(guān)聯(lián)的過渡態(tài)穩(wěn)定是酶活性中心結(jié)構(gòu)和反應(yīng)性以及活性中心與結(jié)合底物之間的相互作用的必然結(jié)果。酶充分使用一系列的化學(xué)機(jī)制來實現(xiàn)過渡態(tài)的穩(wěn)定并由此加速反應(yīng)。這些機(jī)制歸納起來主要有六種機(jī)制：（1）鄰近定向效應(yīng)；（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。第9頁/共57頁鄰近定向效應(yīng)鄰近定向效應(yīng)是指兩種或兩種以上的底物（特別是雙底物）同時結(jié)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(yīng)近似分子內(nèi)反應(yīng)從而加快了反應(yīng)速度。底物與活性中心的結(jié)合不僅使底物與酶催化基團(tuán)或其它底物接觸，而且強(qiáng)行“凍結(jié)”了底物的某些化學(xué)建的平動和轉(zhuǎn)動，促使它們采取正確的方向，有利于鍵的形成。第10頁/共57頁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(zhì)子供體或受體參與催化，這種機(jī)制參與絕大多數(shù)酶的催化。蛋白質(zhì)分子上的某些側(cè)鏈基團(tuán)（如Asp、Glu和His）可以提供質(zhì)子并將質(zhì)子轉(zhuǎn)移到反應(yīng)的過渡態(tài)中間物而達(dá)到穩(wěn)定過渡態(tài)的效果。如果一個側(cè)鏈基團(tuán)的pKa值接近7，那么該側(cè)鏈基團(tuán)就可能是最有效的廣義的酸堿催化劑。蛋白質(zhì)分子上的His組氨酸殘基的咪唑基就是這樣的基團(tuán)，因此它作為很多酶的催化殘基。第11頁/共57頁廣義的酸堿催化和特定的酸堿催化的差別：（1）特定酸堿催化是H+或OH-加速反應(yīng)，廣義的酸堿催化是酶分子上的酸性和堿性基團(tuán)催化反應(yīng)。（2）緩沖溶液對他們的影響不同。特定酸堿催化反應(yīng)速率只取決于pH，與緩沖溶液濃度無關(guān)，廣義的酸堿催化，緩沖溶液有助于通過提供或奪取質(zhì)子來穩(wěn)定過渡態(tài)，反應(yīng)速度取決于底物和酶的質(zhì)子化狀態(tài)，還取決于緩沖溶液的濃度。緩沖溶液濃度的升高提高了廣義酸堿催化的效率。第12頁/共57頁第13頁/共57頁靜電催化活性中心電荷的分布可用來穩(wěn)定酶促反應(yīng)的過渡態(tài)，酶使用自身帶電基團(tuán)去中和一個反應(yīng)過渡態(tài)形成時產(chǎn)生的相反電荷而進(jìn)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。第14頁/共57頁溶菌酶Glu35將質(zhì)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(fù)電荷，起著中和正電荷穩(wěn)定過渡態(tài)的作用。第15頁/共57頁溶菌酶的最適pH與Glu35和Asp52的解離狀態(tài)有關(guān)第16頁/共57頁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(jié)合的金屬離子，多數(shù)為過渡金屬，如Fe2+、Fe3+、Cu2+、Zn2+、Mn2+或Co3+，后者與溶液中的金屬離子松散地結(jié)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）作為酸接受電子，使親核基團(tuán)或親核分子親核性更強(qiáng)；（2）與底物結(jié)合，促進(jìn)底物在反應(yīng)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(yīng)；（5）酶結(jié)構(gòu)的一部分。第17頁/共57頁第18頁/共57頁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(tuán)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(cè)鏈可作為共價催化劑，例如Lys賴氨酸、His組氨酸、Cys半胱氨酸、Asp天冬氨酸、Glu谷氨酸、Ser絲氨酸或Thr蘇氨酸，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。第19頁/共57頁幾種酶的共價催化第20頁/共57頁Y比X更好的離開基團(tuán)，X是比Z更好進(jìn)攻的基團(tuán)，共價中間物的反應(yīng)性比底物強(qiáng)。親核共價修飾反應(yīng)第21頁/共57頁底物形變底物形變是指當(dāng)酶與底物相遇時，酶分子誘導(dǎo)底物分子內(nèi)敏感鍵更加敏感，產(chǎn)生“電子張力”發(fā)生形變，比較接近它的過渡態(tài)。第22頁/共57頁底物形變第23頁/共57頁溶菌酶也利用這種方式進(jìn)行催化：與溶菌酶活性中心結(jié)合的6碳糖在溶菌酶的誘導(dǎo)下，從椅式構(gòu)象變成半椅式構(gòu)象而發(fā)生形變，周圍的糖苷鍵更容易發(fā)生斷裂。第24頁/共57頁幾種常見酶的結(jié)構(gòu)與功能第25頁/共57頁蛋白酶蛋白酶是催化肽鍵水解的一類酶的總稱。盡管肽鍵的水解在能量學(xué)上是十分有利的，但如果沒有蛋白酶的催化，一個肽鍵在中性pH和25℃條件下大概需要300年~600年的時間才能完成水解。根據(jù)活性中心催化基團(tuán)的性質(zhì)，蛋白酶可以分為四類：（1）絲氨酸蛋白酶——此類蛋白酶的催化基團(tuán)包括1個不可缺少的Ser殘基，DIFP是它們的不可逆抑制劑；（2）金屬蛋白酶——這類蛋白酶在活性中心結(jié)合金屬離子，其活性絕對需要金屬離子，因此金屬離子的螯合劑EDTA或鄰菲羅啉的存在可導(dǎo)致其活性的喪失；（3）天冬氨酸蛋白酶——其催化基團(tuán)包括兩個重要的Asp，在偏堿性的pH下無活性；（4）巰基蛋白酶——其催化基團(tuán)包括1個Cys的巰基，巰基試劑為它們的不可逆抑制劑。第26頁/共57頁所有蛋白酶在催化過程中都經(jīng)歷四面體的過渡態(tài)，該過渡態(tài)形成的原因是反應(yīng)涉及一個親核基團(tuán)進(jìn)攻肽鍵的羰基碳。如果是絲氨酸蛋白酶和巰基蛋白酶，進(jìn)攻的親核基團(tuán)分別是Ser殘基的羥基和Cys殘基的巰基，否則就是水分子。絲氨酸蛋白酶和巰基蛋白酶的催化機(jī)理中包括共價催化，脂?；甘敲概c底物的共價中間物，而金屬蛋白酶和天冬氨酸蛋白酶催化的反應(yīng)更為直接，沒有共價催化。第27頁/共57頁絲氨酸蛋白酶這一類蛋白酶以一個特定的Ser殘基作為必需的催化基團(tuán)，屬于該家族成員的有胰蛋白酶、糜蛋白酶、彈性蛋白酶、枯草桿菌蛋白酶、激肽釋放酶原、凝血酶、纖溶酶和組織型纖溶酶原激活劑。絲氨酸蛋白酶的催化機(jī)制屬于共價催化和廣義酸堿催化的混合體，由三個不變的氨基酸殘基構(gòu)成的催化三元體（Ser、His和Asp（天冬氨酸））起主導(dǎo)作用，這三個氨基酸殘基任何一種突變或修飾（例如，Ser被DIPF修飾）均可導(dǎo)致酶活性的喪失。第28頁/共57頁雖然各種絲氨酸蛋白酶具有高度的同源性，但構(gòu)成催化三元體的三個氨基酸殘基在肽鏈中的位置并不完全相同。然而，酶學(xué)家已達(dá)成共識，將這三個氨基酸殘基總是進(jìn)行一樣的編號，即His57、Asp102和Ser195。它們在催化中的具體功能是：（1）Ser195充當(dāng)進(jìn)攻底物的親核基團(tuán)；（2）His57作為廣義的酸堿催化劑；（3）Asp102的功能僅僅是定向His57，影響His的pKa，改變其酸堿性質(zhì)。第29頁/共57頁胰蛋白酶具有很深的底物結(jié)合口袋，而口袋的底部又是Asp，特別適合長的堿性氨基酸側(cè)鏈（Lys賴和Arg精）的結(jié)合；胰凝乳蛋白酶的底物結(jié)合口袋沒有胰蛋白酶深，但比它寬，而且口袋壁分布的是疏水氨基酸，所以特別適合芳香族氨基酸的結(jié)合；彈性蛋白酶的底物結(jié)合口袋非常淺，最適合結(jié)合側(cè)鏈較小的氨基酸殘基。第30頁/共57頁糜蛋白酶的催化經(jīng)歷了酯酰化酶共價中間物，全部反應(yīng)分五步：1、底物和活性中心的Ser195和Gly（甘）193殘基通過氫鍵形成ES復(fù)合物，疏水口袋正好能容納芳香環(huán)。2、親核的Ser195殘基進(jìn)攻羰基碳，形成第一個四面體的過渡態(tài)中間物。活性中心的三個氨基酸殘基依次參與此階段的反應(yīng)第31頁/共57頁糜蛋白酶催化的四面體中間物的形成糜蛋白酶催化形成的四面體中間物的穩(wěn)定第32頁/共57頁3、四面體中間物因肽氧負(fù)離子與Ser195以及Gly193之間形成氫鍵而穩(wěn)定。4、肽鍵斷裂，離開基團(tuán)從His57咪唑環(huán)上得到一個質(zhì)子。原來肽鍵羧基一側(cè)通過氫鍵以及與Ser195形成共價鍵仍與酶結(jié)合。5、水進(jìn)入活性中心，質(zhì)子化His57，使之成為酸。釋放出來的OH-親核進(jìn)攻留下來的多肽羰基碳，第二個四面體形的過渡態(tài)中間物形成。最后Ser195從His57重新獲得質(zhì)子，His仍然與它通過氫鍵相連，過渡態(tài)中間物瓦解，酯?；钢虚g物被水解。第33頁/共57頁天冬氨酸蛋白酶活性中心涉及兩個重要的Asp殘基，他們交替充當(dāng)廣義的酸堿催化劑。多數(shù)天冬氨酸蛋白酶都具有由兩葉（N端和C端各成一葉，每一葉相當(dāng)一個結(jié)構(gòu)域）組成的三級結(jié)構(gòu)，兩葉呈兩重對稱。屬于這一蛋白酶家族的有胃蛋白酶，腎素、組織蛋白酶等。在中性或偏酸條件下活性最高，與絲氨酸蛋白酶一樣，在功能上要么是消化酶，要么是調(diào)節(jié)酶。其催化機(jī)制為：第34頁/共57頁1、水和多肽底物進(jìn)入兩重對稱的活性中心。2、兩個Asp殘基的羧基具有不同的pKa。pKa高的Asp殘基上羧基作為廣義堿從水分子中抽取一個質(zhì)子，產(chǎn)生的OH-親核肽鍵上的羰基碳，形成氧負(fù)離子。后者親核進(jìn)攻活性中心pKa低的Asp215殘基上的羧基，奪取質(zhì)子。第二個Asp殘基充當(dāng)廣義酸，為氧負(fù)離子提供質(zhì)子，形成四面體狀中間物。3、Asp32和Asp215相互之間酸堿反應(yīng)，質(zhì)子從Asp32傳到Asp215。4、Asp32和Asp215的酸堿催化導(dǎo)致四面體中間物拆分，產(chǎn)物釋放，最后Asp32和Asp215再次進(jìn)行質(zhì)子交換，各自回到催化前狀態(tài)。第35頁/共57頁酶活性的調(diào)節(jié)機(jī)制第36頁/共57頁酶需要在正確的時間

和正確的地點(diǎn)有正確活性不合適的表達(dá)或激活導(dǎo)致細(xì)胞的癌變或死亡！第37頁/共57頁量變質(zhì)變調(diào)節(jié)速度慢，幾小時～幾天快速，幾秒鐘～幾分鐘能耗高（通常涉及酶基因表達(dá)，因此需要消耗大量ATP）低（除非使用抑制蛋白，因為在解除抑制的時候，通常需要將抑制蛋白水解）決定酶最高活性的主要因素酶合成與水解的相對速度已有的酶濃度活性變化持續(xù)時間長短酶的“量變”和“質(zhì)變”的比較第38頁/共57頁酶的“量變”改變酶量的方式有兩種，一種是通過同工酶，另外一種是通過控制酶基因的表達(dá)和酶分子的降解。第39頁/共57頁同工酶同工酶是指催化相同的反應(yīng)但性質(zhì)不同（Vmax和/或Km不同）的酶。它們可能以不同的量出現(xiàn)在一種動物不同的組織或器官，也可能出現(xiàn)在任何真核生物細(xì)胞不同的細(xì)胞器。例如，高等動物的乳酸脫氫酶（LDH）有五種形式—M4、M3H、M2H2、MH3和M4。M4由四個M亞基組成，主要存在于骨骼肌，H4由四個H亞基組成，主要存在于心臟。第40頁/共57頁乳酸脫氫酶催化的酶促反應(yīng)第41頁/共57頁酶的“質(zhì)變”別構(gòu)調(diào)節(jié)、共價修飾、水解激活、調(diào)節(jié)蛋白的結(jié)合和解離以及單體的聚合和解離。性質(zhì)別構(gòu)調(diào)節(jié)共價修飾水解激活可逆性是是否全或無否是是酶調(diào)節(jié)否是（蛋白質(zhì)激酶和磷蛋白磷酸酶）是（蛋白酶）酶活性的別構(gòu)調(diào)節(jié)、共價修飾和水解激活調(diào)節(jié)的異同第42頁/共57頁別構(gòu)調(diào)節(jié)別構(gòu)調(diào)節(jié)的原理在于一些酶除了活性中心以外，還含有所謂的別構(gòu)中心，該中心能夠結(jié)合一些特殊的配體分子（有時為底物）。當(dāng)別構(gòu)中心結(jié)合配體以后，酶構(gòu)象發(fā)生改變，從而影響到活性中心與底物的親和力，并最終導(dǎo)致酶活性發(fā)生變化。能夠進(jìn)行別構(gòu)調(diào)節(jié)的酶稱為別構(gòu)酶，與別構(gòu)中心結(jié)合調(diào)節(jié)酶活性的配體分子稱為別構(gòu)效應(yīng)物。起抑制作用的別構(gòu)效應(yīng)物稱為別構(gòu)抑制劑，起激活作用的別構(gòu)效應(yīng)物稱為別構(gòu)激活劑。由底物作為別構(gòu)效應(yīng)物產(chǎn)生的別構(gòu)效應(yīng)稱為同促效應(yīng)，否則，就稱為異促效應(yīng)。許多別構(gòu)酶具有多個別構(gòu)中心，能夠與不同的別構(gòu)效應(yīng)物結(jié)合。具有協(xié)同效應(yīng)的酶和無協(xié)同效應(yīng)的酶都可以受到別構(gòu)調(diào)節(jié)。第43頁/共57頁酶活性的反饋抑制別構(gòu)調(diào)節(jié)最多出現(xiàn)在代謝途徑中的反饋抑制，它是指一條代謝途徑（通常是合成代謝途徑）的終產(chǎn)物作為別構(gòu)抑制劑抑制代謝途徑前面限速酶的活性，因此也被稱為終產(chǎn)物抑制。第44頁/共57頁齊變學(xué)說解釋別構(gòu)效應(yīng)物的作用機(jī)理當(dāng)別構(gòu)效應(yīng)物在別構(gòu)中心與酶結(jié)合，誘導(dǎo)酶的構(gòu)想發(fā)生變化，打破R態(tài)酶和T態(tài)酶之間的平衡。如果是激活劑，則更容易與R態(tài)酶結(jié)合，將平衡向左移動，使更多的酶轉(zhuǎn)變?yōu)镽態(tài)，最終產(chǎn)生激活的效果。如果是抑制劑，則更容易與T態(tài)酶結(jié)合，使平衡向右移動，使更多的酶變成T態(tài)，產(chǎn)生抑制效果。第45頁/共57頁酶活性的別構(gòu)調(diào)節(jié)第46頁/共57頁激活物的存在意味著溶液中有更多的酶處于R態(tài)，這樣就省掉了底物去誘發(fā)T態(tài)向R態(tài)轉(zhuǎn)變，所以底物協(xié)同效應(yīng)下降。如果存在大量的激活劑，溶液中幾乎所有的酶都處于R態(tài)，所以底物結(jié)合不再產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，于是速率和底物曲線變成了雙曲線。而抑制劑作用相反，導(dǎo)致溶液中更多的酶處