生物化學酶的作用機制和酶的調(diào)節(jié)

生物化學課件酶的作用機制和酶的調(diào)節(jié)第1頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/152006-1-7一、酶的活性部位活性中心：酶分子中結(jié)合底物并起催化作用的少數(shù)氨基酸殘基，包括底物結(jié)合部位（決定酶的專一性）、催化部位（決定酶所催化反應的性質(zhì)）。頻率最高的活性中心的氨基酸殘基：Ser、His、Cys、Tyr、Asp、Glu、Lys。不需要輔酶的酶：活性中心是酶分子在三維結(jié)構(gòu)上比較靠近的少數(shù)幾個氨基酸殘基或是這些殘基的某些基團。需要輔酶的酶：輔酶分子或輔酶分子的某一部分結(jié)構(gòu)往往就是活性中心的組成部分。

（一）酶活性部位的特點第2頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月2006-1-7接觸殘基：R1、R2、R6、R8、R9、R163輔助殘基：R3、R4、R5、R164、R165結(jié)構(gòu)殘基：R10、R162、R169非貢獻殘基：其它第3頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月2006-1-7酶蛋白必需殘基非必需殘基活性中心活性中心外接觸殘基輔助殘基結(jié)構(gòu)殘基結(jié)合殘基催化基團（1）接觸殘基：結(jié)合基團，催化基團。（2）輔助殘基：不與底物接觸，輔助酶與底物結(jié)合，協(xié)助接觸殘基。上述兩類殘基構(gòu)成酶活性中心。（3）結(jié)構(gòu)殘基：維持酶分子三維構(gòu)象，與酶活性相關，但不在酶活性中心范圍內(nèi)，屬于酶活性中心以外的必需殘基。上述三類殘基統(tǒng)稱酶的必需基團（4）非貢獻殘基（非必需基團）可能在免疫，酶活性調(diào)節(jié)，運輸轉(zhuǎn)移，防止降解等方面起作用。第4頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月2006-1-7酶活性部位的特點：（1）活性部位在酶分子的總體中只占相當小的部分，往往只占整個酶分子體積的1%-2%

；（2）酶的活性部位是一個三維實體，具有三維空間結(jié)構(gòu)?；钚灾行牡目臻g構(gòu)象不是剛性的，在與底物接觸時表現(xiàn)出一定的柔性和運動性。（鄒承魯研究酶變性的工作）（3）通過誘導契合酶和底物結(jié)合；（4）酶的活性部位是位于酶表面的一個裂隙內(nèi)，裂隙內(nèi)是一個相當疏水的環(huán)境，從而有利于同底物的結(jié)合；（5）底物通過次級鍵較弱的力結(jié)合到酶上。第5頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月2006-1-7（二）研究酶活性部位的方法（1）通過酶的專一性：研究酶的專一性底物的結(jié)構(gòu)特點、酶的競爭性抑制劑結(jié)構(gòu)特點等。（2）酶的化學修飾法：例如1.用共價修飾的試劑作用于酶，查明保持酶活力的必需基團；2.親和標記（合成底物類似物）；3.—SH保護劑的使用。（3）X射線晶體衍射法（4）分子生物學的方法第6頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月2006-1-7二、酶催化反應的獨特性質(zhì)（1）酶反應分為兩類：僅涉及電子轉(zhuǎn)移和涉及電子和質(zhì)子兩者或者其他基團的轉(zhuǎn)移。（2）催化作用是以氨基酸側(cè)鏈上的功能基團和輔酶為媒介。（3）酶催化反應的最適pH范圍通常狹小。（4）酶分子很大，而活性部位通常只比底物稍大一些，一個巨大的酶結(jié)構(gòu)對穩(wěn)定活性部位的構(gòu)象是必要的。（5）酶具有復雜的折疊結(jié)構(gòu)。第7頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月2006-1-7三、影響酶催化效率的有關因素（一）底物和酶的鄰近效應與定向效應鄰近效應：酶與底物形成中間復合物后使底物之間、酶的催化基團與底物之間相互靠近，提高了反應基團的有效濃度。定向效應：由于酶的構(gòu)象作用，底物的反應基團之間、酶與底物的反應基團之間正確取向的效應。酶把底物分子從溶液中富集出來，使它們固定在活性中心附近，反應基團相互鄰近，同時使反應基團的分子軌道以正確方位相互交疊，反應易于發(fā)生。第8頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月2006-1-7鄰近效應與定向效應對反應速度的影響：①使底物濃度在活性中心附近很高

②酶對底物分子的電子軌道具有導向作用

③酶使分子間反應轉(zhuǎn)變成分子內(nèi)反應④鄰近效應和定向效應對底物起固定作用第9頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月第10頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月2006-1-7（二）底物的形變和誘導契合酶中某些基團可使底物分子的敏感鍵中某些基團的電子云密度變化，產(chǎn)生電子張力，降低了底物的活化能。①酶從低活性形式轉(zhuǎn)變?yōu)楦呋钚孕问?，利于催化。②底物形變，利于形成ES復合物。③底物構(gòu)象變化，過度態(tài)結(jié)構(gòu)，大大降低活化能。第11頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月2006-1-7ZnZnGlu270Tyr248Arg145底物羧肽酶結(jié)合底物前后構(gòu)象變化第12頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月2006-1-7（三）酸堿催化酶分子的一些功能基團起瞬時質(zhì)子供體或質(zhì)子受體的作用。影響酸堿催化反應速度的兩個因素⑴酸堿強度(pK值）。組氨酸咪唑基的解離常數(shù)為6，在pH6附近給出質(zhì)子和結(jié)合質(zhì)子能力相同，是最活潑的催化基團。⑵給出質(zhì)子或結(jié)合質(zhì)子的速度。咪唑基最快，半壽期小于10-10秒第13頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月2006-1-7（四）共價催化酶作為親核基團或親電基團，與底物形成一個反應活性很高的共價中間物。酶親核基團：Ser-OH，Cys-SH，His-N、Asp-COOH；底物親電中心：磷?；?P=O），?；?C=O），糖基（Glu-C-OH）某些輔酶，如焦磷酸硫胺素和磷酸吡哆醛等也可以參與共價催化作用。催化劑通過與底物形成反應活性很高的共價過渡產(chǎn)物，使反應活化能降低，從而提高反應速度的過程，稱為共價催化。第14頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月2006-1-7（五）金屬離子催化金屬酶（metalloenzyme):含緊密結(jié)合的金屬離子，F(xiàn)e2+、Cu2+、Zn2+、Mn2+、Co3+。金屬-激活酶（metal-activatedenzyme):含松散結(jié)合的金屬離子，Na+、K+、Mg2+、Ca2+。金屬離子參加的四種主要催化途徑（1）通過結(jié)合底物為反應定向（2）通過自身價數(shù)的改變參加氧化還原反應（3）屏蔽底物或酶活性中心的負電荷（4）金屬離子通過水的離子化促進親核催化。第15頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月2006-1-7（六）多元催化和協(xié)同效應在酶催化反應中，常常是幾個基元催化反應配合在一起共同起作用。第16頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月2006-1-7（七）活性部位微環(huán)境的影響⑴疏水環(huán)境介電常數(shù)低，加強極性基團間的作用。⑵電荷環(huán)境在酶活性中心附近，往往有一電荷離子，可穩(wěn)定過渡態(tài)的離子第17頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月2006-1-7四、酶催化反應機制的實例（一）溶菌酶（lysozyme）NAG:N-乙酰氨基葡萄糖NAM:N-乙酰氨基葡萄糖乳酸第18頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月

溶菌酶-底物復合物

酶切位點第19頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月溶菌酶活性中心與底物結(jié)合示意圖Asp52Glu35（極性區(qū)）（非極性區(qū)）第20頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月溶菌酶催化反應機理C1+非極性區(qū)極性區(qū)HO-E環(huán)H2O（廣義酸堿催化）第21頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月2006-1-7（二）RNaseA

RNase-底物復合物第22頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月RNase活性中心的酸堿催化機理第23頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月核糖核酸鏈受Rnase水解的位點第24頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月2006-1-7（三）羧肽酶A

羧肽酶活性中心Zn2+的中心作用第25頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月2006-1-7羧肽酶活性中心必需基團與底物間的結(jié)合第26頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月2006-1-7ZnZn羧肽酶結(jié)合底物前后構(gòu)象變化第27頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月2006-1-7羧肽酶活性中心的共價催化機理

145第28頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月2006-1-7（四）絲氨酸蛋白酶（胰凝乳蛋白酶）胰凝乳蛋白酶分子中催化三聯(lián)體構(gòu)象His57Asp102Ser195Asp102His57Ser195His57102AspSer195A.酶分子中的電荷中繼網(wǎng)B.加上底物后，從Ser轉(zhuǎn)移一個質(zhì)子給His，帶正電荷的咪唑基通過帶負電荷的Asp靜電相互作用被穩(wěn)定Ser195102AspHis57底物第29頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月2006-1-7氫鍵體系-電荷中繼網(wǎng)第30頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月胰凝乳蛋白酶反應的詳細機制（1）結(jié)合底物His57質(zhì)子供體形成共價ES復合物C-N鍵斷裂底物第31頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月胰凝乳蛋白酶反應的詳細機制（2）

氨基產(chǎn)物釋放四面體中間物的瓦解水親核攻擊羧基產(chǎn)物釋放H2OR-NH2第32頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月2006-1-7五、酶活性的調(diào)節(jié)控制（一）別構(gòu)調(diào)控概念：酶分子的非催化部位與某些化合物可逆地非共價結(jié)合后導致酶分子發(fā)生構(gòu)象改變，進而改變酶的活性狀態(tài)，稱為酶的別構(gòu)調(diào)節(jié)(allostericregulation)，具有這種調(diào)節(jié)作用的酶稱別構(gòu)酶(allostericenzyme)。別構(gòu)酶促反應底物濃度和反應速度的關系不符合米氏方程，呈S型曲線。凡能使酶分子發(fā)生別構(gòu)作用的物質(zhì)稱為效應物(effector)，通常為小分子代謝物或輔因子。如因別構(gòu)導致酶活性增加的物質(zhì)稱為正效應物(positiveeffector)或別構(gòu)激活劑，反之稱負效應物(negativeeffector)或別構(gòu)抑制劑。別構(gòu)調(diào)節(jié)普遍存在于生物界，許多代謝途徑的關鍵酶利用別構(gòu)調(diào)節(jié)來控制代謝途徑之間的平衡，研究別構(gòu)調(diào)控有重要的生物學意義。第33頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月A--非調(diào)節(jié)酶B-正協(xié)同別構(gòu)酶的S形曲線

別構(gòu)酶與米氏酶的動力學曲線比較當?shù)孜餄舛劝l(fā)生很小的變化時，別構(gòu)酶就極大地控制著反應速度。在正協(xié)同效應中使得酶反應速度對底物濃度的變化極為敏感。第34頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月2006-1-7區(qū)分酶的類型有兩種標準a.Koshland標準：CI（cooperativityindex）協(xié)同指數(shù)：酶分子中的結(jié)合位點被底物飽和90%和10%時底物濃度的比值。亦稱飽和比值Rs(saturationratio)

Rs=

酶與底物結(jié)合達90%飽和度時底物濃度酶與底物結(jié)合達10%飽和度時底物濃度Rs=81米氏類型酶

Rs81具有正協(xié)同效應的別構(gòu)酶

Rs81具有負協(xié)同效應的別構(gòu)酶b.Hill系數(shù)：Hill系數(shù)=1米氏類型酶

Hill系數(shù)1具有正協(xié)同效應的別構(gòu)酶

Hill系數(shù)1具有負協(xié)同效應的別構(gòu)酶第35頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月1--非調(diào)節(jié)酶2--正協(xié)同別構(gòu)酶3--負協(xié)同別構(gòu)酶

正、負協(xié)同別構(gòu)酶與非調(diào)節(jié)酶的動力學曲線比較

具有負協(xié)同效應的酶在底物濃度較低的范圍內(nèi)酶活力上升快，但再繼續(xù)下去，底物濃度雖有較大的提高，但反應速度升高卻較小。使得酶反應速度對底物濃度的變化不敏感第36頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月天冬氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶（ATCase）ATCaseATP+氨甲酰磷酸天冬氨酸CTP-UTPUMP氨甲酰天冬氨酸第37頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月2006-1-7E.coli的ATCase的亞基排列c:催化亞基（catalyticsubunit）r:調(diào)節(jié)亞基（regulativesubunit）第38頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月2006-1-7ATCase半分子（c3r3)的結(jié)構(gòu)第39頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月2006-1-7ATCase的別構(gòu)過渡作用低催化活性構(gòu)象T(tense)-態(tài)CCCCCC

RRRRRRCCCCCC高催化活性構(gòu)象R(relax)-態(tài)RRRRRRPALA第40頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月2006-1-7PALA(N-磷乙酰-L-天冬氨酸)結(jié)合到ATCase活性中心的模型第41頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月ATCase變構(gòu)效應的動力學特征ATP（正效應劑）CTP（負效應劑）低催化活性構(gòu)象T(tense)-態(tài)CCCCCC

RRRRRRCCCCCC高催化活性構(gòu)象R(relax)-態(tài)RRRRRRVmax1/2VmaxKm第42頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月別構(gòu)酶的齊變模型SSSSSSSSSST狀態(tài)（對稱亞基）R狀態(tài)（對稱亞基）SSSS對稱亞基對稱亞基齊步變化第43頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月2006-1-7別構(gòu)酶的序變模型SSSSSSSSSSSSSS亞基全部處于R型亞基全部處于T型依次序變化第44頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月2006-1-7（二）酶的共價修飾

某些酶可以通過其它酶對其多肽鏈上某些基團進行可逆的共價修飾，使其處于活性與非活性的互變狀態(tài)，從而調(diào)節(jié)酶活性。這類酶稱為共價修飾酶。目前發(fā)現(xiàn)有數(shù)百種酶被翻譯后都要進行共價修飾，其中一部分處于分支代謝途徑，成為對代謝流量起調(diào)節(jié)作用的關鍵酶或限速酶。

由于這種調(diào)節(jié)的生理意義廣泛，反應靈敏，節(jié)約能量，機制多樣，在體內(nèi)顯得十分靈活，加之它們常受激素甚至神經(jīng)的指令，導致級聯(lián)放大反應，所以日益引人注目。AP1GEDCBHEa-bEc-dEc-g關鍵酶（限速酶）P2第45頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月2006-1-7蛋白質(zhì)的磷酸化和脫磷酸化

蛋白激酶ATPADP蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)Pn蛋白磷酸酶nPiH2O第一類：Ser/Thr型第二類：Tyr型

第一類：Ser/Thr型第二類：Tyr型第三類：雙重底物型第46頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月反應類型共價修飾被修飾的氨基酸殘基共價修飾反應的例子磷酸化腺苷?；蜍挣；疶yr,Ser,Thr.HisTyrTyr甲基化GluS-腺苷-MetS-腺苷-同型

Cys第47頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月ATPADP腎上腺素或胰高血糖素132102104106108葡萄糖456

級聯(lián)系統(tǒng)調(diào)控糖原分解示意圖意義：由于酶的共價修飾反應是酶促反應，只要有少量信號分子（如激素）存在，即可通過加速這種酶促反應，而使大量的另一種酶發(fā)生化學修飾，從而獲得放大效應。這種調(diào)節(jié)方式快速、效率極高。腎上腺素或胰高血糖素1、腺苷酸環(huán)化酶（無活性）腺苷酸環(huán)化酶（活性）2、ATPcAMPR、cAMP3、蛋白激酶（無活性）蛋白激酶（活性）4、磷酸化酶激酶（無活性）磷酸化酶激酶（活性）5、磷酸化酶b（無活性）磷酸化酶a（活性）6、糖原6-磷酸葡萄糖1-磷酸葡萄糖葡萄糖血液ATPADP（極微量）（大量）第48頁，課件