酶的作用机制和酶的活性部位调节.ppt

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1、第第11章章 酶作用机制和酶活性调节酶作用机制和酶活性调节主要内容主要内容 酶的活性部位酶的活性部位 酶促反应机制酶促反应机制 酶活性的别构调节酶活性的别构调节 酶活性的共价调节酶活性的共价调节 同工酶同工酶一、酶的活性部位一、酶的活性部位1.1.酶的活性部位酶的活性部位（active site，活性中心活性中心active center）:是指酶分子的表面有一个必需基团比较集中、并构成一定的空是指酶分子的表面有一个必需基团比较集中、并构成一定的空间结构的微小区域，在这里必需基团参与和底物结合并完成间结构的微小区域，在这里必需基团参与和底物结合并完成把底物转变成产物的化学反应。把底物转变成产物

2、的化学反应。酶活性部位酶活性部位：结合部位结合部位+催化部位催化部位结合基团结合基团：参与和底物结合的必需基团：参与和底物结合的必需基团；决定决定酶的酶的专一性专一性。催化基团催化基团(catalytic group)：催化使底物转变为产物的：催化使底物转变为产物的化学反应的必需基团；化学反应的必需基团；决定决定酶的催化能力酶的催化能力。必需基团：必需基团：某些氨基酸残基的侧链、有时也某些氨基酸残基的侧链、有时也包括辅酶分子或它的基团。包括辅酶分子或它的基团。酶蛋白酶蛋白必需残基必需残基非必需残基非必需残基活性中心活性中心活性中心外活性中心外接触残基接触残基辅助残基辅助残基结构残基结构残基结合

3、残基结合残基催化残基催化残基非贡献残基非贡献残基酶分子中的残基分为四类：酶分子中的残基分为四类：接触残基：接触残基：负责底物的结合与催化负责底物的结合与催化 辅助残基：辅助残基：起协助作用；起协助作用；结构残基：结构残基：维持酶的构象；维持酶的构象；非贡献残基：非贡献残基：它的替换对活性无影响，但对酶的它的替换对活性无影响，但对酶的免疫、运输、调控与寿命等有作用。免疫、运输、调控与寿命等有作用。前二者构成活性中心，前三者称为酶的必需基团。前二者构成活性中心，前三者称为酶的必需基团。接触残基接触残基：R1、R2、R6、R8、R9、R163辅助残基辅助残基：R3、R4、R5、R164、R165结构

4、残基结构残基：R10、R162、R169非贡献残基：其它非贡献残基：其它2.酶活性部位的一般特点酶活性部位的一般特点只占酶整体的相当小的一部分（只占酶整体的相当小的一部分（1%2%）。）。是一个三维实体。是一个三维实体。底物结合的专一性决定于活性部位中精确地底物结合的专一性决定于活性部位中精确地原子排列，即直接契合或诱导契合。原子排列，即直接契合或诱导契合。大多数底物都是以相当弱的力与酶活性部位大多数底物都是以相当弱的力与酶活性部位结合的，这些力与稳定酶（蛋白质）三维结结合的，这些力与稳定酶（蛋白质）三维结构的力基本相同。构的力基本相同。活性部位是酶分子表面的一个空穴或裂沟。活性部位是酶分子表

5、面的一个空穴或裂沟。疏水的微环境下有利于极性氨基酸残基发生疏水的微环境下有利于极性氨基酸残基发生结合和催化。结合和催化。频率最高的活性中心的氨基酸残基：频率最高的活性中心的氨基酸残基：Ser、His、Cys、Tyr、Asp、Glu、Lys。GluSer二、酶促反应机制二、酶促反应机制（一）基元催化的分子机制：（一）基元催化的分子机制：基元催化基元催化:是由某些基团或小分子催化的反应，包括是由某些基团或小分子催化的反应，包括 酸碱催化酸碱催化 共价催化共价催化 金属离子催化金属离子催化（二）酶具有高催化能力的原因（二）酶具有高催化能力的原因 邻近和定向效应邻近和定向效应 诱导契合和底物形变诱导契

6、合和底物形变 电荷极化和多元催化电荷极化和多元催化 疏水的微环境的影响疏水的微环境的影响1.1.酸碱催化酸碱催化（acid-base catalysis）暂时性地向底物提供质子或从底物接纳质子以稳定过渡态暂时性地向底物提供质子或从底物接纳质子以稳定过渡态的一种催化机制。的一种催化机制。特殊的酸碱特殊的酸碱催化催化（或狭义）（或狭义）：一般的酸碱催化一般的酸碱催化（或广义）（或广义）：H+和和OH-的的催化作用催化作用质子酸提供质子质子酸提供质子,或是质子碱或是质子碱接受质子的作用。接受质子的作用。（一）基元催化的分子机制（一）基元催化的分子机制2.2.共价催化共价催化（covalent cat

7、alysis）A-X +EA +X-EX-E +BB-X +E催化剂通过与底物形成反应活性很高的催化剂通过与底物形成反应活性很高的共价过渡产物共价过渡产物，使，使反应活化能降低，从而提高反应速度的过程。反应活化能降低，从而提高反应速度的过程。包括包括亲核催化（为主）亲核催化（为主）和亲电催化。和亲电催化。亲核催化：亲核催化：由由亲核催化剂（多电子）亲核催化剂（多电子）加速的反应，加速的反应，催化剂向反应物的亲电中心（常是碳原子核）催化剂向反应物的亲电中心（常是碳原子核）提供提供电子电子，形成，形成共价配位键共价配位键，并产生一个不稳定的共价，并产生一个不稳定的共价中间产物。中间产物。酶上的亲核

8、基团酶上的亲核基团：丝氨酸羟基、半胱氨酸巯基、组氨酸咪唑基：丝氨酸羟基、半胱氨酸巯基、组氨酸咪唑基 底物的亲电中心底物的亲电中心：磷酰基、酰基和糖基。：磷酰基、酰基和糖基。亲电催化：亲电催化：由由亲电催化剂（缺电子）亲电催化剂（缺电子）加速的反应。加速的反应。通常涉及产生亲电中心的辅酶。通常涉及产生亲电中心的辅酶。如以如以磷酸吡哆醛磷酸吡哆醛为辅酶的天冬氨酸转氨酶、丙氨为辅酶的天冬氨酸转氨酶、丙氨酸消旋酶等。酸消旋酶等。3.金属离子催化金属离子催化（metal ion catalysis）需要金属的酶分类：需要金属的酶分类：金属酶金属酶：含紧密结合的金属离子，主要为稳定酶的天然构：含紧密结合的

9、金属离子，主要为稳定酶的天然构象所必需，如象所必需，如Fe2+、Cu2+、Zn2+、Mn2+、Co2+。金属激活酶金属激活酶：含松散结合的金属离子，可能只在催化期间：含松散结合的金属离子，可能只在催化期间结合，如结合，如Na+、K+、Mg2+、Ca2+。金属离子的作用：金属离子的作用：作为亲电催化剂稳定反应时形成的负电荷，以利于底物进作为亲电催化剂稳定反应时形成的负电荷，以利于底物进入反应过渡态。入反应过渡态。（二）酶具有高催化能力的原因（二）酶具有高催化能力的原因1.邻近效应与定向效应邻近效应与定向效应作用：使分子间的反应变成类似分子内的反应作用：使分子间的反应变成类似分子内的反应邻近效应邻

10、近效应（proximity effect）：中间复合物的形成使中间复合物的形成使有效有效浓度极大升高浓度极大升高。定向效应定向效应（orientation effect）：）：正确取位。正确取位。2.诱导契合和底物的形变诱导契合和底物的形变诱导契合（诱导契合（induced fit）：）：很多酶的活性部位并不直接与底很多酶的活性部位并不直接与底物契合，必须在底物诱导下发生构象变化才能与底物贴切结物契合，必须在底物诱导下发生构象变化才能与底物贴切结合。合。底物的形变（底物的形变（substrate distortion）：）：底物一旦被结合上，底物一旦被结合上，酶就能使底物形变或扭曲。主要是电子

11、的重新分配，产生所酶就能使底物形变或扭曲。主要是电子的重新分配，产生所谓电子张力，使旧键弱化，并促使新键形成。谓电子张力，使旧键弱化，并促使新键形成。底物分子发生变形底物分子发生变形底物和酶都发生变形底物和酶都发生变形3.3.电荷极化和多元催化电荷极化和多元催化 电荷极化电荷极化为基元催化提供了催化基团，包括广义酸碱、为基元催化提供了催化基团，包括广义酸碱、亲核剂、亲电剂和金属离子。亲核剂、亲电剂和金属离子。诱导契合诱导契合为基元催化创造了空间条件：把催化基团定位为基元催化创造了空间条件：把催化基团定位于底物的敏感键。于底物的敏感键。在酶促反应中经常在酶促反应中经常几个催化基元配合在一起共同起

12、作用几个催化基元配合在一起共同起作用。多元催化多元催化提供了降低活化焓的途径，是使酶加速反应的重要提供了降低活化焓的途径，是使酶加速反应的重要因素之一。因素之一。胰凝乳蛋白酶胰凝乳蛋白酶是通过活性部位中是通过活性部位中Asp102、His57、Ser195组成的组成的“电荷中继网电荷中继网”催化肽键水解，包括亲核催化和广义碱催化催化肽键水解，包括亲核催化和广义碱催化的协同作用。的协同作用。P1794.4.疏水的微环境的影响疏水的微环境的影响酶的活性部位常是一个低介电区域，即疏水基团衬里或环绕酶的活性部位常是一个低介电区域，即疏水基团衬里或环绕的区域。的区域。在疏水环境中底物分子与催化基团间的作

13、用力比在极性环境在疏水环境中底物分子与催化基团间的作用力比在极性环境中要强的多。中要强的多。疏水环境大大有利于酶的催化作用。疏水环境大大有利于酶的催化作用。上述加速酶促反应的诸因素，不是同时在一种酶中起作用。上述加速酶促反应的诸因素，不是同时在一种酶中起作用。不同的酶，起作用的主要因素是不一样的，每种酶都有自己不同的酶，起作用的主要因素是不一样的，每种酶都有自己的特点。的特点。酶数量的调节酶数量的调节（粗调）（粗调）酶的调节酶的调节酶活性的调节酶活性的调节（细调）（细调）别构调节别构调节酶原激活酶原激活共价调节共价调节控制酶的合成和降解速度控制酶的合成和降解速度三、酶活性的别构调节三、酶活性的

14、别构调节别构效应别构效应（allosteric effect）:很多寡聚酶，当它们的亚基上的配体结合部位与配体很多寡聚酶，当它们的亚基上的配体结合部位与配体非共价非共价可逆结合可逆结合时，将发生构象变化并时，将发生构象变化并影响影响同一酶分子的其它亚同一酶分子的其它亚基上的空（未被结合的）活性部位的基上的空（未被结合的）活性部位的亲和力亲和力，这一现象称，这一现象称为酶的为酶的别构效应，也称为别构相互作用或别构调节。别构效应，也称为别构相互作用或别构调节。（一）（一）酶的别构效应和别构酶酶的别构效应和别构酶 涉及酶涉及酶与底物结合与底物结合时时催化部位催化部位和催化部位之间和催化部位之间的相互

15、作用的相互作用涉及酶涉及酶与调节物结合与调节物结合时时调节部调节部位与活性部位之间位与活性部位之间的相互作用的相互作用别构酶的特点：别构酶的特点：除有活性部位外，还有别构部位或调节部位；除有活性部位外，还有别构部位或调节部位；一般是寡聚酶；一般是寡聚酶；具有别构效应。具有别构效应。动力学特点：动力学特点：不遵循米不遵循米-曼式方程，曼式方程，动力学曲线是动力学曲线是S S型（正协同效应）或表观双曲线（负型（正协同效应）或表观双曲线（负协同效应）。协同效应）。别构酶别构酶（alloseric enzyme，也称配体调节酶）：，也称配体调节酶）：具有别构效应的酶。具有别构效应的酶。别别构酶的协同效

16、应构酶的协同效应 别构酶的一个亚基与其配体结合后，别构酶的一个亚基与其配体结合后，能够通过改变能够通过改变相邻亚基的构象而使其对配体的亲和力发生改变。相邻亚基的构象而使其对配体的亲和力发生改变。导致相邻亚基对配体的亲和导致相邻亚基对配体的亲和力增加，提高了酶的催化活性力增加，提高了酶的催化活性。v-S曲线呈曲线呈S形形亲和力减弱，降低了酶的催化活性亲和力减弱，降低了酶的催化活性v-S曲线呈表观双曲线曲线呈表观双曲线正协同效应：正协同效应：使酶对使酶对S变变化极为化极为敏感敏感。负协同效应：负协同效应：使酶对使酶对S变变化化不敏感不敏感。S形形表观双曲线表观双曲线效应物效应物导致别构酶活性增加的配体，别构激活剂。导致别构酶活性增加的配体，别构激活剂。致使酶活性降低的配体，别构抑制剂致使酶活性降低的配体，别构抑制剂加入正效应物，向双曲线漂移，加入正效应物，向双曲线漂移，亲和力增大，酶活提高。亲和力增大，酶活提高。加入负效应物，亲和力减小，加入负效应物，亲和力减小，酶活降低。酶活降低。（别构）效应物（别构）效应物或或（别构）调节剂（别构）调节剂：能引起别构效应的配体。：能引起别构效应的配体。