第8章酶的作用机制和酶活性调控

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第八章 酶的作用机制 和酶的调节
本章重点
1.酶的活性中心, 2.酶催化反应高效性的因素 3.酶催化反应机制举例 4.催化活性的调节方式
㈠ 酶的活性部位的特点
一、酶的活性部位
1、概念: 酶分子中只有少数特异的AA残基参与底物的结
合及催化作用。这些特异的AA残基比较集中的区域即与 酶活力直接相关的区域,称为active site。。
许多氧化-还原酶中都含有铜或铁离子,它们作为酶的辅助因子起着传递 电子的功能。
⑶ 通过静电稳定或屏蔽负电荷。
电荷屏蔽作用是酶中金属离子的一个重要功能。 多种激酶的底物是Mg2+-ATP复合物。 Mg2+使负电荷屏蔽
氧更容易接近P
(4)金属离子通过水的离子化促进亲核催化
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羧肽酶催化中的电子云形变
定向 极性专一性 契合区 + 靠近 C端确认区
注 意
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H2+N=C 精氨酸
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3 酸碱催化
酸碱催化是通过瞬时的向反应物提供质子或从反应物接受质 子以稳定过渡态,加速反应的一种催化机制。 酶分子上氨基酸侧链基团可以为反应提供质子或接受质子 酸催化 EH EH2O EH + OH-
1965年Davids
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Phillipis用X-衍射法测定了该酶的结构
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1、酶、 底物与二者复合物的结构 鸡卵清溶菌酶相对分子量14.2×103,129个氨基酸组成的 单链蛋白质,四对二硫键; 溶菌酶是一种葡糖苷酶,能水解NAM的C1与NAG的C4的 糖苷键底物: N - 乙酰氨基葡糖( N AG ) +N - 乙酰氨基葡糖 乳酸( N AM ) 的共聚物或几丁质
1、需要金属的酶分类: 2、催化机制:
⑴ 通过结合底物为反应定向 金属离子的催化作用和酸的催化作用相似,可以稳定过渡态的酶底物复合物,但是金属离子带有更多的正电荷,作用更强。而且 在中性pH溶液中,H+浓度很低,金属离子却容易维持一定的浓 度
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⑵ 通过可逆改变金属离子的氧化态调节氧化还原反应
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碱催化
酸催化

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ห้องสมุดไป่ตู้
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影响酸碱催化的反应速率的因素有两个: 1、酸或碱的强度: (解离常数,pK值) 2、质子传递速率 His的侧链咪唑基的解离常数约为6.0,在生理pH 条件下,即在中性条件下, His 咪唑基有一半以酸性 形式存在,另一半以碱性形式存在;既可以作质子供 体又可以作质子受体。同时咪唑基给出质子和接受质 子的速度非常快。 His是酶的酸碱催化作用中最活泼的一个催化功能团。
二、酶催化反应的独特性质
⒈ 酶反应分为两大类:电子转移;电子、质子或其他基团转移 ⒉ 催化过程中以活性部位氨基酸侧链上的功能基团和辅酶为 媒介。 His,Ser,Cys,Lys,Glu,Asp ⒊ 酶催化反应的最适pH范围窄 4. 与底物相比,酶分子很大,而活性部位通常之比底物稍大 一点 巨大的酶结构对稳定酶活性部位的构象是必要的
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三、影响催化效率的有关因素(7个)
1. 底物和酶的邻近效应与定向效应
普通化学反应—随机碰撞(受浓度、碰撞角度影响) 相当于——社会上的自由恋爱 酶的活性中心—相当于“婚姻介绍所” 邻近效应提高了酶的活性中心(“婚介”)底物的浓度(— 非婚男女集中) 定向效应缩短了底物与催化基团间(“男女”)的距离
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亲电催化
2A- :
亲核催化
B+
+ Mg2+
A A: ¨ Mg
+ 2B+
A- :
B+
¨ + -OH
A- + HO :B
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酶蛋白上的重要亲核基团
亲核基团
Ser-OH
: —CH —O
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亲电中心
酰基
· H ·
Cys-SH
: —CH —S
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空间结构上, 酶分子呈椭圆形, α 螺旋占25% , 某些区域存 在伸展的β 折叠片;分子内部几乎全部为疏水性的 分子表面有较深的裂缝 , 大小可容纳六个单糖分子 , 是酶 的活性部位。
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活性中心具有G l u35 和 Asp52 , 位于裂缝的两侧 不同的微环境中 Asp处于极性区, 是氢受 体; G l u处于非极性区, 在 pH 5. 0 时 , ASP以 C O O 离子状态形式, G l u以质 子化( C O O H) 形式存在。
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⑶ 亲和标记法
修饰剂的特点:① 结构与底物类似, 能专一性引入到酶活性部位; ②具活泼化学基团, 能与活性部位某一氨基酸共价结合。 作用机制:利用酶对底物的特殊亲和力将酶加以修饰标记 , 称亲和 标记, 相应的试剂称“ 活性部位指示剂”
胰凝乳蛋白酶和胰蛋白酶 TPE是酶的底物,TPCK是 酶的亲和试剂,当酶与 TPCK温浴后,酶活性丧失, 这种结合具有空间结构的 需求,同时也阻止其他试 剂如DFP结合。 对酶活性中心的组氨酸 (His57)咪唑环进行修 饰。 2014/11/26
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4. 共价催化
又称为亲核催化(亲电子催化):在催化时,亲核催化剂 (亲电子催化剂)能放出(汲取)电子作用于底物的缺电 子中心(负电子中心),迅速形成不稳定的共价中间复合 物,降低反应活化能,使反应加速。 亲电基团—— Mg2+、 Mn2+ (有空轨道);
亲核基团—— OH 、SH、咪唑基、某些辅酶(有孤对电子)
H2N CH CH2 OH O CH CH2
CH2
O C OH
OH
酸碱性基团: 天冬氨酸和谷氨酸的羧 基, 赖氨酸的氨基, 酪氨酸的酚羟基, 组氨酸的咪唑基等。
O C H2N CH OH CH O C OH COOH
H2N
C
OH
SH
CH2 H2N CH2 C OH H2N CH CH2 O
O
C O OH O C H2N OH CH CH2 CH2 CH2 CH2 OH NH2 C OH O
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邻近效应实例:对硝基苯酚乙酸酯
如果以酶来催化,底物结合于活性中心,活性中心的His残基 与底物邻近(相当于分子内反应),反应将能高效率地发生
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定向效应实例:定向效应使难于定向的分子 间反应变为准确定向的分子内反应。
催化基团为羧基,反应为羧酸酯的分解; 分子内的催化效率是分子间的105到108倍
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2. 底物的形变与诱导契合
当酶遇到其专一性底 物时,酶分子中的某些 基团或离子使底物分子 内的敏感键中的某些基 团的电子云密度增高或 降低,产生“电子张 力”,使敏感键的一端 更加敏感,底物分子发 生“形变” ,从而促使 酶-底物中间产物进入 过渡态,降低反应活化 能,是反应易于发生。
酶的高效性因素不是同时在一个酶中起作用,也不 是一种因素在所有的酶中作用。对于某一种酶来说, 可能分别受一种或几种因素的影响 2014/11/26 36 海洋生命学院
四、催化反应机制的实例 ㈠ 溶菌酶
溶菌酶的作用是水解多糖链, 细菌细胞壁上的多糖链可被溶 菌酶水解而破坏。 溶菌酶广泛存在于泪液及卵清 蛋白液中。
没有酶的空间结 构也就没有酶的 活性部位
(3) 酶的活性部位与底物的形状不是严格互 补。而是一个动态的辨认过程
诱导-契合
(4) 酶的活性中心位于酶分子表面的 “裂缝” 内,这是一个疏水区域,非极性基团较多,还含 有某些极性的氨基酸残基,与底物发生结合并发 生催化作用。在此裂缝内底物的有效浓度可以达 到很高
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2、动力学参数测定法:通过动力学方法求得相关参 数,作出相应判断。 3、X-射线晶体衍射法:如溶菌酶和胰凝乳蛋白酶活 性中心的测定 4、定点诱变法:改变编码蛋白质的基因,研究酶活 性部位的必需氨基酸。如胰蛋白酶定点突变, Asp102诱变为 Asn102,Kcat降低5000倍。
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5. 酶分子结构和活性部位特点利于催化反应:
①活性部位存在一个以上的催化基团,所以能进行协同 催化; ②活性中心 存 在结合部位,使底物以固 有的方式结合在 活性部位; ③多底物反应存在多个底物结合位点,保证反应有序进 行; ④ 底物结合后,活性部位能诱导底物键能的变化,利于 过渡态复合物的形成
SH H2N CH CH2 N H N NH C OH N
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NH2 OH
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(2) 酶的活性部位是一个三维实体。 活性部位的三维结构是由酶的一级结构决定并且 在一定外界条件下形成的。活性中心的几个氨基酸 残基在一级结构上可能相距很远,甚至位于不同肽 链上,通过肽链的盘绕折叠而在空间结构上相互靠 近。
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邻近效应:E与S结 合形成中间复合物后,S 和S之间,酶的催化基团 和S之间结合于同一分子 而使有效浓度得以极大 地提高,从而使反应速 率增加
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定向效应:由于活性 中心的立体结构和相关基 团的诱导和定向作用,反 应物的反应基团之间、酶 的催化基团和底物的反应 基团之间相互接近,并被 严格定向定位,正确取位 。
A- :
碱催化
B+ + H+ H+ + E-COO-
AH + B+
A- :
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A- + E-COOH
+ E-COO- + H25
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狭义的酸碱催化:通过H+,OH-进行的催化 广义的酸碱催化:通过H+,OH-以及能提供H+和OH-的供体 进行的催化
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结合部位:专一性 催化部位: 催化底物键的断裂形成新键。决定酶的催化能力 对需要辅酶的酶分子,辅 酶或其一部分就是活性中 心的组成部分
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调控部位
酶分子中存在着一些可以与其他分子发生某种程 度的结合的部位,从而引起酶分子空间构象的变 化,对酶起激活或抑制作用。
在酶的活性部位,E与S结合形成中间复合物
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2、酶活性中心的特点(6点)
⑴ 活性部位在酶分子的总体中只占相当小的部分(1%~2%)
催化部位一般只由2-3个氨基酸组成,结合部位残基数因不同的酶而异
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酶活性中心的必需基团
亲核性基团:丝氨酸的羟基,半胱氨 酸的巯基和组氨酸的咪唑基。
• •
(5)底物通过次级键较弱的力结合到酶上。 氢键,盐键,范德华力,和疏水相互作用
(6) 酶活性部位具有柔性 在酶的变性过程中,当酶分子的整体构象还没有 受到明显影响之前,活性部位已经大部分被破坏, 因而造成活性的丧失
㈡ 研究酶活性部位的方法
1、酶分子侧链基团的化学修饰 ⑴非特异性共价修饰:某些化学试剂能和酶分子中aa残基的侧 链基团反应,使基团的结构和性质发生变化。如果修饰后 引起酶活力的丧失或降低,则此基团可能酶的必需基团。 鉴别标准:
2
磷酰基
· H ·
His-咪唑基 —CH2—C=CH HN CH N:
糖基
酶分子中的亲核中心攻击底物的亲电中心,形成一 个反应活性很高的共价中间物。
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-OH的亲核催化(胰蛋白酶)
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5 金属离子催化
① 金属酶:紧密结合:多是过渡金属离子 Fe 2+, Fe 3+, Cu 2+, Zn 2+, Mn 2+ ② 金属-激活酶:松散结合:多是碱和 碱土金属离子 Na+, K+, Mg 2+, Ca 2+
① ②
活力丧失程度与修饰剂浓度有正比关系; 底物或可逆的抑制剂可保护共价修饰剂的修饰作用。
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⑵ 特异性共价修饰:分离标记肽段,可判断活性部位的 氨基酸残基。如二异丙基氟磷酸(DFP)专一性与胰 凝乳蛋白酶活性部位Ser-OH共价结合。
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6.多元催化和协同效应
在酶催化反应中,常常是几个基元催化反应配合在一起共同起 作用。 胰凝乳蛋白酶:Asp,His,Ser 包括亲核催化和碱催化,多种催化效应协同作用,使酶反应 加速
7. 活性部位的微环境的影响
酶分子表面的活性部位是一个疏水环境,在这个非极性环境 中的介电常数较低,带电基团之间的静电作用显著提高。 当S与酶的活性部位结合后,S就处于非极性的微环境中,这 一疏水的微环境大大有利于酶的催化作用
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