第10章_酶作用机制和酶活性调节
生物化学 酶的作用机制与调节
研究酶活性部位的方法
化学修饰法
用某些化学试剂与酶分子侧链基团以共价键结合,观察酶的 活性改变,以确定活性中心的氨基酸残基
如果共价修饰后酶活性不受影响,则修饰的氨基酸残基不是 活性中心内的;如果酶活性丧失或降低,则修饰的氨基酸残基 可能位于活性中心内
2.广义酸碱催化
由广泛的质子供体(酸)和质子受体 (碱)参与的酸碱催化
生理条件不是强酸强碱而是近于中性 的环境,因此高反应性的H+和OH-环境 不存在
因此广义酸碱催化指的是细胞内的弱 酸弱碱参与的接受H+和提供H+的催化
①专一酸碱催化只与pH相关, 与缓冲液浓度无关
②广义酸碱催化与pH和缓冲 液浓度都相关
(NAG-NAM)n
5 4
3
1 2
N-乙酰氨基葡萄糖 NAG
①溶菌酶水解断开 NAM-NAG间的 β1,4-糖苷键
②溶菌酶不能水解
×
NAG-NAM间的
β1,4-糖苷键
③溶菌酶也能水解几丁 质(NAG多聚糖) NAG-NAG间的 β1,4-糖苷键
CH3 | R= -CH | COOH
乳酸基
酶的催化实例
酸嘧啶核苷 ③2’,3’-环磷酸核苷水解释放3’-磷酸核苷
酶的催化实例
胰核糖核酸酶A
酶活性中心的研究确定 A.酶切法
① 用枯草杆菌蛋白酶限制性水解20-21氨基酸残基间肽键,得到S 肽(20肽)和S蛋白(104肽),二者均无活性
② S肽与S蛋白在中性pH共育,可完全恢复活性 ③ 人工合成S肽氨基端的13个氨基酸与S蛋白共育,可恢复70%活性 ④ 去除人工肽His12和Met13的S肽,共育不能恢复活性
10第十章 酶的作用机制和酶的调节
第十章酶的作用机制和酶的调节目的和要求:理解、掌握酶活性部位的相关概念和特点;掌握酶催化高效性的相关机理;了解几种酶的催化机制,理解结构和功能的适应性;了解酶活性的调节方式,掌握酶活性的别构调节、可逆共价调节和酶原激活调节方式及生物代谢中的作用。
一、酶的活性部位㈠酶的活性部位的特点1、概念:三维结构上比较接近的少数特异的氨基酸残基参与底物的结合与催化作用,这一与酶活力直接相关的区域称酶的活性部位。
结合部位:专一性催化部位: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;组成酶活性部位的氨基酸数目对不同酶而言存在差异,占整个酶氨基酸残基小部分酶活性部位的基团: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。
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,组氨酸的咪唑基和半胱氨酸的巯基等。
2、特点⑴活性部位在酶分子的总体中只占相当小的部分(1%~2%)⑵酶的活性部位是一个三维实体⑶酶的活性部位并不是和底物的形状互补的⑷酶的活性部位是位于酶分子表面的一个裂隙内⑸底物通过次级键结合到酶上⑹酶活性部位具有柔性㈡研究酶活性部位的方法1、酶分子基团的侧链化学修饰⑴非特异性共价修饰: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。
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丝氨酸残基的羟基结合。
⑶亲和标记:利用底物类似物和酶活性部位的特殊亲和力将酶加以修饰标记来研究酶活性部位的方法。
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,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。
《生物化学》酶的作用机制和酶的调节
side view
胃蛋白酶原
在pH5.0以下断裂 切去44个氨基酸片断
胃蛋白酶
溶菌酶
必需基团
酶的活性中心往往只是包括酶蛋白的几个氨基酸残 基,而对于活性中心以外的氨基酸残基,并非是可有可无 的,有些氨基酸残基也是酶表现催化活性所必需的,称为 必需基团。因此酶的活性中心属于必需基团的一部分,必 需基团还包括其它一些对酶活性必需的氨基酸残基。
(五)金属离子催化
1、需要金属的酶分类 (1)金属酶 含紧密结合的金属离子,多属于过渡金 属离子如,Fe2+、Fe3+、Cu2+、Zn2+、 Mn2+或Co3+。 (2)金属-激活酶 含松散结合的金属离子,通常为碱和碱 土金属离子,如Na+、K+、Mg2+或Ca2+。
(五)金属离子催化
2、金属离子以三种主要途径参加催化过程: (1)通过结合底物为反应定向 (2)通过可逆的改变金属离子的氧化态调 节氧化还原反应 (3)通过静电稳定或屏蔽负电荷
(一)酶活性部位的特点
1、活性部位在酶分子的总体中只占相当小的部分。 2、酶的活性部位是一个三维实体。 3、酶的活性部位并不是和底物的形状正好互补的,而 是在酶和底物结合的过程中,底物分子或酶分子, 有 时是二者构象同时发生变化后才互补的。 (诱导 契合学说)。 4、酶的活性部位位于酶分子表面的一个裂缝内,底物 分子结合到裂缝内并发生催化作用。 5、底物通过次级键较弱的的力结合到酶上。 6、酶活性部位具有柔性或可运动性。
广义酸基团 (质子供体) 广义碱基团(质子受体)
(四)共价催化(covalent catalysis)
共价催化又称亲核催化或亲电子催化,在催化时, 亲核催化剂或亲电子催化剂能分别放出电子或汲 取电子并作用于底物的缺电子中心或负电中心,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。
第十章 酶的催化作用机制和酶的调节
His 是酶的酸碱催化作用中最活泼的一个 催化功能团。
4、 共价催化
基本原理: 又称亲核催化或亲电子催化,催化
时,酶分子上亲核基团或亲电子基 团分别放出电子或汲取电子并作用 于底物的缺电子或富电子中心,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。 酶上常见的亲核基团: Ser 的羟基, Cys 的巯基, His 的咪唑基。 底物上亲电基团:磷酰基,酰基, 糖基。 ——P392实例
碱催化 酸催化
(三)羧肽酶
307个AA,单肽链,紧密结合一个Zn2+ 催化肽链C末端肽键水解
锌离子在酶活性部位 与2His和Glu配位连接
底物(Gly-Tyr)与酶诱导契合进行结合P403-404
由145,248,270位 的AA和底物结合,将 进一步由锌离子,Arg127, Glu270对底物催化
补 (3)酶上含催化亚基和调节亚基,效
应物和调节亚基以非共价结合,改变酶的 构象,影响其与底物结合,从而调节催化 反应。
1、非别构酶
2、正协同效应 别构酶
3、负协同效应 别构酶
4、别构模型
(1)协同模型(WMC模型):又称齐变模 型,即在酶活性调节中,当蛋白质构象变 化时各亚基几乎同时从一种构象转变为另 一种构象。
*二、酶催化反应的独特性质 (自学,以增对酶催化作用所理解)
三、影响酶催化效率的有关因素
酶是专一性强, 催化效率很高的 生物催化剂,这 是由酶分子的特 殊结构决定的。 多种因素可以使 酶催化的反应加 速:
1、底物和酶的邻近效应和定向效应
邻近效应:酶与底物形成复合物后,使底物和 底物之间(对多底物反应而言),酶的催化基 团与底物之间结合于同一分子使反应有效浓度 大提高,有利于提高反应速率大增加。
生物化学(第三版)第十章 酶的作用机制和酶的调节课后习题详细解答_ 复习重点
第十章酶的作用机制和酶的调节提要酶的活性部位对于不需要辅酶的酶来说,就是指酶分子中在三维结构上比较靠近的几个氨基酸残基负责与底物的结合与催化作用的部位,对于需要辅酶的酶来说,辅酶分子或辅酶分子上的某一部分结构,往往也是酶活性部位的组成部分。
酶活性部位有6个共同特点。
研究酶活性部位的方法有:酶分子侧链基团的化学修饰法,动力学参数测定法,X射线晶体结构分析法和定点诱变法,这些方法可互相配合以判断某个酶的活性部位。
酶是催化效率很高的生物催化剂,这是由酶分子的特殊结构所决定的。
经研究与酶催化效率的有关因素有7个,即底物和酶的邻近效应与定向效应,底物的形变与诱导契合,酸碱催化,共价催化,金属离子催化,多元催化和协同效应,活性部位微环境的影响。
但这些因素不是同时在一个酶中其作用,也不是一种因素在所有的酶中起作用,对于某一种酶来说,可能分别主要受一种或几种因素的影响。
研究酶催化的反应机制,始终是酶学研究的一个重点,通过大量的研究工作,已经对一些酶的作用机制有深入了解,该章对溶解酶、胰核糖核酸酶A、羧肽酶A、丝氨酸蛋白酶、天冬氨酸蛋白酶等的催化作用机制进行了详尽的讨论。
酶活性是受各种因素调节控制的,除了在第8章中已介绍的几种因素外,主要还有①别构调节,例如ATCase。
②酶原的激活,如消化系统蛋白酶原的激活及凝血系统酶原的激活。
③可逆共价修饰调控,如蛋白质的磷酸化,一系列蛋白激酶的作用。
通过以上作用,使酶能在准确的时间和正确的地点表现出它们的活性。
别构酶一般都是寡聚酶,有催化部位和调节部位,别构酶往往催化多酶体系的第一步反应,受反应序列的终产物抑制,终产物与别构酶的调节部位相结合,由此调节多酶体系的反应速率。
别构酶有协同效应,[S]对υ的动力学曲线呈S形曲线(正协同)或表现双曲线(负协同),两者均不符合米氏方程。
ATCase作为别构酶的典型代表,已经测定了其三维结构,详细研究了别构机制和催化作用机制。
为了解释别构酶协同效应的机制,有两种分子模型受到人们重视,即协同模型和序变模型。
第10章 酶的作用机制和酶的调节
溶菌酶 胰凝乳蛋白酶 胃蛋白酶 木瓜蛋白酶 羧肽酶A 129 241 348 212 307 Asp52, Glu35 His57, Asp102, Ser195 Asp32, Asp215 Cys25, His159 Arg127, Glu270,Tyr248,Zn 2+
(一)别构调控
1、别构酶的概念 别构酶也称变构酶,它是代谢过程中的关键酶。除了具有酶的 活性部位外,还有一个调节部位。通过效应物(调节物)和酶 的别构部位的结合来调节其活性,从而调节酶反应速度和代谢 过程。
2、别构效应(allosteric effect):调节物或效应物
与酶分子上的别构中心结合后,诱导出或稳定住酶分子的某种 构象,使酶活性中心对底物的结合和催化作用受到影响,从而 调节酶反应速度及代谢过程,此效应即为酶的别构效应。 凡能使酶分子发生别构作用的物质称为效应物或别构剂,通常为小 分子代谢物或辅因子。如因别构导致酶活性增加的物质称为正效应 物或别构激活剂。反之称为负效应物或别构抑制剂。
在非极性环境中两个带电基团之间的静电作用比在极性 环境中显著增高。当底物分子与酶的活性部位相结合, 就被埋没在疏水环境中,这里底物分子与催化基团之间 的作用力将比活性部位极性环境的作用力要强得多。这 一疏水的微环境大大有利于酶的催化作用。
三、
52
五、酶活性的调节控制
(三)研究酶活性部位的方法
1.酶分子侧链基团的化学修饰法
(1)非特异性共价修饰
某些化学试剂能和酶蛋白中氨基酸残基的侧链基团反应而 引起共价结合、氧化或还原等修饰反应,使基团的结构和 性质发生改变。如果某基团修饰后不引起酶活力的变化, 可以初步认为,此基团可能是非必需基团。反之,如修饰 后引起酶活力的降低或丧失,则此基团可能是酶的必需基 团。 修饰剂已和活性都位基团结合的鉴别标准有两个: ①酶活力的丧失速率和修饰剂浓度成正比。 ②底物或与活性部位结合的可逆抑制剂可保护共价修饰剂 的抑制作用。
《生物化学》 酶通论
(二) 酶的化学组成
有些酶组成只有氨基酸,不含其他成分,称之为单纯酶。 脲酶、胃蛋白酶和核糖核酸酶等一般水解酶都属于单纯酶。
有些酶除了蛋白质组分外,还含有对热稳定的非蛋白的 小分子物质。其蛋白质组分称为脱辅酶(apoenzyme或 apoprotein),非蛋白的小分子物质称为辅因子 (cofactor)。脱辅酶与辅因子结合后形成的复合物称为 全酶(holoenzyme)。即:
中文
2、转移酶
➢ 催化分子间基团转移的酶称转移酶
反应通式:AR+B
A+BR
如谷丙转氨酶等。
2.转移酶 催化基团转移反应
谷丙转氨酶 英文
2. Transferases
• Catalyze group transfer reactions
中文
3、水解酶
催化水解反应的酶称水解酶。 反应通式:
AB+H2O
2、酶的活力单位
酶活力单位,即酶单位(U),用来表示酶活力的大 小即酶含量的多少。 酶活力单位的定义:
在一定条件下,一定时间内将一定量的底物转化为产 物所需的酶量。
这样酶的含量就可以用每克酶制剂或每毫升酶制剂含 有多少酶单位来表示(U/g,U/ml)
2、酶的活力单位
为了统一酶的单位,国际生化协会酶学委员会于1961年提出采用 统一的“国际单位”(IU)来表示酶活力,规定:
第二单元 酶
第8章 酶通论 第9章 酶促反应动力学 第10章 酶的作用机制和酶的调节
第8章 酶(Enzyme)通论
一、酶催化作用的特点 (P320) 二、酶的化学本质及其组成(P323) 三、酶的命名和分类(P326) 四、酶的专一性(P332) 五、酶的活力测定和分离纯化(P335) 六、核酶(P339) 七、抗体酶(P343) 八、酶工程简介(P344)
酶作用机制
酶活性中心示意图
S- S
活性中心外 必需基团 活 性 中 心 必 需 基 团
底物
结合基团
催化基团 肽链
活性中心
多肽链 底物分子 活性 中心 以外 必需 基团 酶活性中心 活性 催化基团 中心 必需 结合基团 基团
有的酶的必需基团 兼有两者的功能
胰凝乳蛋白酶活性部位示意图
一些酶活性中心的氨基酸残基
酶
糖原磷酸化酶 磷酸化酶b激酶 糖原合成酶 丙酮酸脱羧酶 磷酸果糖激酶 丙酮酸脱氢酶 HMG-CoA还原酶 HMG-CoA还原酶激酶 乙酰CoA羧化酶 脂肪细胞甘油三脂脂肪酶 黄嘌呤氧化酶
化学修饰类型
磷酸化/脱磷酸化 磷酸化/脱磷酸化 磷酸化/脱磷酸化 磷酸化/脱磷酸化 磷酸化/脱磷酸化 磷酸化/脱磷酸化 磷酸化/脱磷酸化 磷酸化/脱磷酸化 磷酸化/脱磷酸化 磷酸化/脱磷酸化 -SH/-S-S-
1
(接近过渡 CH 2 CH 2 态) 108
O
三)酸碱催化
酸碱催化是通过瞬间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 的一类催化机制。
狭义的酸碱催化 H+、OH-
酸碱催化
广义的酸碱催化,质子受体和供体
酶蛋白中具有广义的酸碱催化的功能基:氨 基、羧基、巯基、酚羟基、咪唑基等。
His存在于许多酶的活性中心;咪唑基是催化中很活泼的一个催化 功能基,它既能供出质子又能接受质子,且速度十分迅速,所 以,His在Pr的含量虽小,往往位于活性中心。
研究酶活性部位的方法
1.分子侧链基团的化学修饰法 2、动力学参数测定法 3、射线晶体结构分析法 4、定点诱变法
二、酶反应的独特性质
• 酶反应;一类反应仅涉及电子转移,另一类 反应涉及电子和质子两者或其他基团的转移 • 酶催化作用以残基上的功能基团和辅酶为媒 介,如His, Ser, Cys, Lys, Glu, Asp • 酶催化反应的最适pH范围狭小 • 酶活性部位比底物稍大 • 酶除进行催化反应所必需的活性基团外,还 有其他因素,如使底物产生张力等作用因素
第10章酶的作用机制和酶的调节
第10章酶的作用机制和酶的调节第10章酶的作用机制和酶的调节教学目的:掌握酶的活性部位结构与功能、酶活性的别构调节、酶原激活,了解酶高效性原因教学重点:酶活性部位的结构与功能及酶的活性的别构调节教学难点:酶活性的别构调节教学方法:多媒体教学内容:一、酶的活性部位及确定方法(一)酶活性部位概念及特点1、酶的活性中心(活性部位):指酶分子中的表面有一个必需基团比较集中、并构成一定空间结构的微小区域。
酶活性中心的基团,按其功能可分为结合基团和催化基团。
活性中心的基团都是维持酶活性的必需基团,2、酶活性部位的共同点:(1)酶活性部位仅占酶体积的很小一部分,通常只占整个酶分子体积的1~2%,酶分子是大分子物质,由很多氨基酸构成,而活性部位仅由几个氨基酸残基组成催化部位一般由2~3个氨基酸残基组成。
结合部位氨基酸残基数目,不同的酶有所不同。
可能是一个,也可能是多个。
(2)酶的活性部位具有三维结构,构成酶活性中心的基团,可位于同一条肽链上,也可位于不同的肽链上,在一级结构上可能相距甚远,但在空间结构上位置必须相互靠近;酶的空间结构受物理或化学因素影响时,酶的活性部位可能会遭破坏,酶会失活。
(3)活性中心的结合基团与底物专一性结合,这需要活性部位的基团精确排列。
活性部位具有一定的柔韧性,活性部位的结构并不是与底物的结构正好互补。
在酶与底物结合过程中,酶活性中心的构象在底物的诱导下可发生形变,然后嵌合互补形成中间产物,而底物在酶活性中心的诱导下也可发生形变,变的易与酶结合,有时是两者的构象同时发生变化后才互补契合(诱导契合学说)。
(4)酶活性部位位于酶分子表面的一个裂缝内,底物分子或底物分子的一部分结合到裂缝中,裂缝内的非极性基团较多,形成一个疏水环境,提高与底物的结合能力,也有极性的氨基酸残基,以便与底物结合并催化底物发生反应。
(5)底物通过较弱的次级键与酶结合。
组成酶活性中心的氨基酸残基,常见的有:组氨酸、赖氨酸、天冬氨酸、谷氨酸、丝氨酸、半胱氨酸和酪氨酸3、研究酶活性部位的方法(1)共价修饰(2)亲和标记法(3)切除法(4)X射线晶体结构分析法二、酶促反应机制(一)基元催化的分子机制:酶的催化作用包括若干基元催化。
11 酶的作用机制和调节-王镜岩生物化学(全)
三、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,加速反应的一类催 化机制。
• 组氨酸的咪唑基的重要意义(许多酶的活性中心都有组 氨酸残基)
四、共价催化
• 共价催化:在催 化时,亲核基团 或亲电基团发生 亲核取代和亲电 加成反应, 通过共
价键与底物形成不 稳定的共价酶 - 底物 复合物 , 降低反应 :
糖原磷酸化酶
各种类型可逆的共价修饰
ATP结构式
ATP的形成
尿苷酸结构式
第四节 同 工 酶
1. 同工酶定义
• 同工酶是指催化相同的化学反应,但其 蛋白质分子结构、理化性质和免疫性能 等方面都存在明显差异的一组酶。 • 存在部位:同工酶不仅存在于同一个体 的不同组织中,甚至同一组织、同一细 胞的不同亚细胞结构中。
6、底物通过次级键结合到酶上。
酶与底物结成ES复合物主要靠次级键: 氢键、盐键、范德华力和疏水相互作用
7、 酶活性部位相对于整个酶分子来
说更敏感 (变性时首先失活)
二、研究酶活性部位的方法
• 1.侧链基团的化学修饰法 • 可以被化学修饰的基团很多,如巯基、 羟基、咪唑基、氨基、羧基和胍基等。
• 2.定点诱变法
大增加了底物的有效浓度)
•定向效应是指反应物的反应 基团之间或酶的催化基团与底 物的反应基团之间的正确取位。
二、底物的形变和诱导契合
• 当酶遇到其专一性底 物时,酶中某些基团 或离子可以使底物分 子内敏感键的某些基 团的电子云密度增高 或降低,使敏感键的 一端更加敏感,底物 分子发生形变,底物 比较接近它的过渡态, 降低了反应活化能, 使反应易于发生。
酶催化机理的实例
胰凝乳蛋白酶(电荷中继网) 催化三联体 Asp---His---Ser
酶的功能与调控机制解析
酶的功能与调控机制解析酶是一类生物催化剂,能够促进化学反应的进行。
它们在生物体内起着至关重要的作用,可以加速细胞内的代谢过程,从而维持生命的正常运行。
本文将介绍酶的功能及其调控机制,以加深对酶的理解。
1. 酶的功能酶具有多种功能,其中最主要的是催化化学反应。
酶可以降低化学反应的活化能,提高反应速率。
通过降低反应所需的能量,酶使得细胞内许多代谢反应可以在温和的条件下进行,从而避免了高温对细胞的伤害。
除了催化反应外,酶还可以具有其他功能。
例如,一些酶可以作为信号分子,调控细胞内的信号转导通路。
还有一些酶可以参与细胞的DNA复制和修复,维护基因的完整性。
此外,酶还可以参与免疫反应,加强机体的抵抗力。
2. 酶的调控机制酶的活性可以通过多种机制进行调控,以适应细胞内外环境的变化。
以下是几种常见的酶的调控机制:2.1 底物浓度调控一些酶的活性可以受到底物浓度的调节。
当底物浓度较低时,酶的活性较低;而当底物浓度增加时,酶的活性也会随之增加。
这种调控机制可以帮助细胞根据底物的供需平衡来控制代谢反应的进行。
2.2 酶的结构调控酶的活性还可以通过酶的结构调控来实现。
酶的结构可以受到磷酸化、乙酰化等修饰作用的影响,从而改变其构象和活性。
这些修饰作用可以通过激活或抑制相关酶的催化活性,从而对代谢通路进行调控。
2.3 酶的反馈抑制酶的活性还可以受到产物的反馈抑制作用。
当代谢通路中的产物浓度超过一定阈值时,产物就可以与酶结合,抑制酶的活性。
这种反馈抑制可以帮助细胞维持代谢通路的平衡,避免过度积累产物的负面影响。
2.4 酶的内源性调控有些酶的活性可以通过细胞内其他分子的调控来实现。
例如,一些代谢酶的活性可以受到细胞内的辅酶或激素的影响。
这些辅酶或激素可以与酶结合,改变酶的构象,从而影响酶的催化活性。
总结:酶在生物体内起着重要的作用,能够加速化学反应的进行。
酶的功能多样,除了催化反应外,还可以参与信号传递、DNA修复等过程。
酶的活性可以通过底物浓度调控、酶的结构调控、反馈抑制和内源性调控等机制来实现。
酶的活性调节
(二)E 的活性中心特点 1 几个氨基酸残基,1%〜2 %酶分子体积
384
(二) E 的活性中心特点
2 3
三维实体 表面或接近表面
裂缝(crevice)
疏水区域
4 柔性或可运动性
E 诱导契合和 S底物的形变
5
ES 是由次级键形成
384
酶的活性中心示意图
酶的结构
活性中心
必需基团
结合部位 催化部位 活性中心以外的必需基团
长的凹穴。最适底物正好与
酶分子的凹穴相结合,凹穴
中的Glu35和Asp52 是活性中 心的氨基酸残基。
2. 催化作用机理 • 溶菌酶底物与酶活性中心的关系
溶菌酶活性中心上的Asp52氧 原子距离底物敏感键(C-O键)中 碳原子只有0.3nm,活性中心 上另一个氨基酸 Glu35的羧基 距离底物敏感键(C-O键)中氧原 子也只有0.3nm,溶菌酶的活 性中心的氨基酸残基与底物敏 感键既靠近又定向。
接有关,即与酶活力直接相关的区域称为酶的活性部位。
酶的活性部位是酶分子进行催化反应的一个场所,是酶分子的一小 部分区域,在这个区域上的少数几个特异的氨基酸参与结合底物催化底 物,把酶分子上的这个区域称为酶的活性部位。
结合部位
负责酶与底物的结合,决定
活性 部位
催化部位
酶 的专一性
负责催化底物,决定酶
酶活性中心的羧基与水形成氢键,导 致酶活性中心羧基表面有一层水化层,水 分子的屏蔽作用,大大削弱了酶分子与底 物离子间的静电相互引力,不利于酶促反 应。
酶催化作用机理: 综上所述:
酶与底物结合时,由于酶的变形(诱导契合) 或底物变形使二者相互适合,并依靠离子键、氢 键、范德华力的作用和水的影响,结合成中间产 物,在酶分子的非极性区域内,由于酶与底物的 邻近、定向,使二者可以通过亲核\亲电催化、
酶的作用机制和酶的活性部位调节 精品
(二)酶具有高催化能力的原因
1. 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
邻近效应(proximity effect) :中间复合物的形成使有效 浓度极大升高。 定向效应(orientation effect):正确取位。
2.诱导契合和底物的形变
诱导契合(induced fit):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 合。 底物的形变(substrate distortion):底物一旦被结合上, 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。
ATCase活性调节的机理:
C C C
汞盐
R R R R R R
C C
C C
C
+
C
催化亚基 (三聚体)
R R R R
R R
C
C
C
完整的 ATCase (活性)
调节亚基 (二聚体)
CTP ATP
有催化活性的构象
无催化活性的构象
•渐变模型(sequential model,KNF 模型)
1966年由Koshland D E、Nemethy G和Filmer D提出。
例
蛋白水解的消化酶类:胰凝乳蛋白酶。
血液凝固系统:血纤蛋白凝块的形成。 蛋白激素:前胰岛素原→ 胰岛素(有活性)。 皮肤和骨骼中的纤维蛋白:前胶原→ 胶原。 发育过程:蝌蚪变成蛙时的尾巴变化等。
必需残基
酶蛋白
酶分子中的残基分为四类:
接触残基:负责底物的结合与催化
辅助残基:起协助作用;
结构残基:维持酶的构象; 非贡献残基: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。 前二者构成活性中心,前三者称为酶的必需基团。
第11章 酶作用机制和酶活性调节
胰蛋白酶激活系统
2)凝血系统蛋白酶原的激活
四、同工酶
同工酶:能催化相同的化学反应,但其蛋白质分子结构、理化
性质和免疫性能等方面都存在明显差异的一组酶。
乳酸脱氢酶(LDH)催化的反应
CH3 C O + NADH + H COOH +
LDH
CH3 CHOH + NAD COOH +
不同组织中LDH同工酶的电泳图谱
逆的非共价结合,使酶构象改变,从而改变酶的催化活性的现 象。 正别构效应:因别构导致酶活性增加 别构效应 负别构效应:因别构导致酶活性降低
具有别构效应的酶,也称变构酶(allosteric enzyme)。
变构抑制效应
2、变构调节的机制
变构效应剂 + 酶的调节亚基 疏松或紧密 亚基聚合或亚基解聚 形成酶分子多聚体
(2)一般由相距较远的2-3个氨基酸残基组成
(3)通过诱导契合和底物形变实现酶和底物的结合
诱导契合:酶与底物相互接近时,酶在底物的诱导下发生构象变 化的过程。这一学说称为诱导契合假说(induced-fit hypothesis)。 底物形变:当酶与一旦底物结合,酶就能使底物发生形变。其本 质是酶中某些基团使底物分子中某些基团的电子云密度重新分配而 产生电子张力,造成底物发生形变,使底物更加接近它的过渡态, 促使旧键弱化新键形成,使反应易于发生。
(4)底物通过次级键结合到酶上
(5)底物通过次级键结合到酶上
二)酶活性中心的鉴定方法
1、切除法 对小分子且结构已知的酶多用此法。用专一性的
酶切除一段肽链后剩余的肽链仍有活性,说明切除的
肽链与活性无关,反之,切除的肽链与活性有关。
2、化学修饰法 选用适当的化学试剂与酶蛋白中的氨基酸残 基的侧链基团发生反应引起共价结合、氧化或还原
生物化学第10章 酶的作用机理和酶的调节
别够调节可发生在底物-底物、调节物-底物、调节物-调节 物之间,可以是正协同也可以是负协同。
2.别构酶的动力学
别构酶的[S]对V0的动力学曲线不是双曲线,而是S形曲线(正协 同)或表观双曲线(负协同),二者均不符合米氏方程。
定向效应: 底物会诱导酶分子构象改变,使酶活性中心的相 关基团和底物的反应基团正确定向排列,使反应基团之间 的分子轨道以正确方向严格定位,使酶促反应易于进行。
2. 底物的形变(distortion)与诱导契合
当酶遇到其底物时,酶中某些基团或离子可以使底物分子 内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,底物 比较接近它的过渡态,降低了反应活化能,使反应易于发生。
[S] (10-4molL-1)
(NAG)2 (NAG)3 (NAG)4 (NAG)5 (NAG)6 (NAG)8
相对水解率
0 1 8 4000 30000 30000
××
ABCDEF
NAG-NAM-NAG-NAM-NAG-NAM
××
NAG-NAG-NAG
NAG-NAG-NAG-NAG NAG-NAG-NAG-NAG-NAG NAG-NAM-NAG-NAM-NAG-NAM
酶与底物给合时构象变化的示意图
3.多元催化和协同效应
在酶催化反应中,几个基元催化反应配合在一起起作用, 如:胰凝乳蛋白酶是通过Asp102, His57,Ser195组成电荷中继网 催化肽键水解,包括亲核和酸碱共同催化共同作用。
4. 活性部位微环境的影响
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(2)血纤蛋白原在血凝中的作用
从血纤蛋白原的二条α链和二条β链的N端各断裂一个 特定的肽键 Arg—Gly,释放出二个血纤肽A(19 个氨基酸) 和二个血纤肽B(21个氨基酸)后,形成有活性的血纤蛋白。
在凝血因子 XIIIa (纤维蛋白稳定因子)作用 下,血纤蛋白单体间形成共价健( Gln-Lys 结 合),生成交联的血纤蛋白凝块。
酶把底物分子从溶液中富集出来,使它们固定在活性中心附近, 反应基团相互邻近,同时使反应基团的分子轨道以正确方位相互 交叠,反应易于发生,大大提高了酶的催化效率。
5、诱导契合和底物形变的催化效应 酶中某些基团可使底物分子的敏感键中某些基团的电子云 密度变化,产生电子张力,底物分子发生形变。
①酶从低活性形式转变为高活 性形式,利于催化。 ②底物形变,利于形成 ES 复合 物。 ③底物构象变化,过渡态结构, 大大降低活化能。
其中,咪唑基是最常见、最有效的催化 基团:
⑴组氨酸的咪唑基的解离常数为 6 ,在生理 pH 条件下,既可以作质子的供体,又可作质子 的受体。 ⑵咪唑基供给或接受质子的速度几乎相等而且 最快。
2、 共价催化
酶提供亲核基团:Ser-OH,Cys-SH,His-N:等。(见图11-4)。 底物提供亲电中心:磷酰基(-P=O),酰基(-C=O),糖基 (Glc-C-) 酶的亲核基团,与底物共价结合形成一个反应活性很高的共 价中间物(ES复合物)。
(1)凝血酶原在血凝中的作用
在凝血酶原致活因子催化下,凝血 酶 原 分 子 中 的 两 个 肽 键 Arg274— Thr275、Arg323—Ile324断裂,释放 出 N 端的 274 个 a.a 后, 由肽 A 和肽 B 组装成有活性的凝血酶形式。 凝血酶:两条多肽链( A 、 B )二 硫键相联, A 链含 49 个 a.a ; B 链含 259 个a.a。其作用位点只断裂Arg- Gly键。
1.非别构酶 2.正协同性 3.负协同性
5、 别构酶的鉴定
双倒数作图不是直线
四、酶活性的共价调节
(一) 酶的可逆共价修饰 1. 酶的共价修饰(covalent modification):指在专一性 酶的催化下,某些小分子基团共价地结合到被修饰的酶 分子上,使被修饰酶的活性发生改变,从而调节酶活性。 2.共价修饰的类型: 磷酸化/去磷酸化(主要存在于高等动、植物细胞中) 腺苷酰化/去腺苷酰化;(主要存在细菌中) 乙酰化/去乙酰化; 甲基化/去甲基化;
《酶》测试题
一、名词解释 1.酶 2.固定化酶 3.同工酶 4.不可逆性抑制 5.可逆性抑制
二、填空题 1.酶是由 产生的对特异底物起高效催化作用的 。 2.酶加速反应的机制是通过降低反应的 ,而不 改变反应的 。 3.结合酶,其蛋白质部分称 ,非蛋白质部分称 , 二者结合其复合物称 。 4.酶活性中心与底物相结合那些基团称 ,而起 催化作用的那些基团称 。
实 例 : 乳 酸 脱 氢 酶
mRNA
多肽 亚基
四聚体
哺乳动物乳酸脱氢酶有5种
CH3CHOH-COO-+NAD+ LDH CH3COCOO-+NADH+H+
MMMM (M4) HMMM(HM3) HHMM(H2M2) HHHM (H3M) HHHH (H4)
乳酸脱氢酶同工酶电泳图谱
–
点样线 M4 M3H M2H2 MH3 H4
二、 酶促反应机制
酶的催化作用可能来自7个方面:
1、 酸碱催化
酶分子的一些功能基团起瞬时质子供体或质子受体 的作用。分为狭义的酸碱催化和广义的酸碱催化。 狭义的酸碱催化剂:即是H+与OH-。 广义的酸碱催化剂:是指能供给质子(H+)与接受 质子的物质。
酶分子中可作为广义酸碱的功能基团:氨基、羧基、 巯基、酚羟基、咪唑基等。见表3-1。
6、多元协同催化
7、 活性部位疏水的微环境的影响 疏水环境 介电常数低,加强了极性基团间的作用。
三、 酶活性的别构调节
别构酶:一般都是寡聚酶,通过次级键由多亚基构 成,这种酶除了有活性中心外,还有一个别构中 心,当调节物结合到别构中心上时,会引起酶分 子构象发生变化而导致酶活性的变化。 别构调节:调节物(效应物)与别构酶分子中的 别构中心(调节中心)非共价结合后,酶分子构 象发生改变,从而调节酶的活性,即别构调节。
在连锁代谢反应中一个酶被激活后,连续地 发生其它酶被激活,导致原始调节信号的逐级放
大。这样的连锁代谢反应系统称为级联系统。
(二)酶原的激活---不可逆共价调节
某些酶先以无活性的酶原形式合成和分泌,然后在到达作用部位 时由另外的物质作用,使其失去部分肽段从而暴露活性中心形成有 活性的酶分子的过程。其实质是酶原被修饰时形成了正确的分子构 象和活性中心。酶分子的特定结构和酶的活性中心的形成是酶分子 具有催化活性的基本保证。
3、活性中心金属离子的催化作用 大多数酶含有金属离子。作为辅助因子的金属离子有K+、 Na+、 Mg2+、 Ca2+、Zn2+、Fe2+(Fe3+)等。 按金属离子与酶分子结合紧密强度不同,可将含金属的酶分为 金属酶和金属激活酶。 金属酶(metalloenzyme)是指金属离子与酶结合紧密,提取 过程中不易丢失,如羧基肽酶(Zn2+)、谷胱甘肽过氧化物酶 (Se2-)、碱性磷酸酶(Mg2+)等。金属酶中金属离子与酶结合相 当牢固,而且加入游离金属离子后其活性不会增加。 有的金属离子不与酶直接结合,但为酶活性所必需,这类酶称 为金属激活酶(metal activated enzyme)。如丙酮酸羧化酶可 被Mn2+激活,柠檬酸合酶可被K+激活等。
五、 同工酶
同工酶:能催化相同的化学反应,但其酶蛋白本身的分子 结构理化性质和免疫性能等方面存在明显差异的一组酶。
存在于生物的同一种属或同一个体的不同组织中,甚至同 一组织、同一细胞中。
研究意义:作为遗传的标志;作为临床诊断指标;研究某些
代谢调节机制。
乳酸脱氢酶同工酶形成示意图
结构基因 a b
别构效应剂CTP或ATP的结合部位)。见下图解:
底物结合 位点
底物、CTP和ATP都可使 ATCase产生别构效应。
同促效应:底物氨甲酰磷酸和天冬氨酸对 ATCase呈 S形正协 同速率曲线,这种底物分子本身对别构酶的调节作用称为 同促效应; 异促效应:非底物分子作为调节物对别构酶的调节作用称为 异促效应 CTP终产物反馈抑制:通过降低酶与底物的亲和力来抑制 ATCase 。 ATP激活:增加酶与底物的亲和力,是ATCase的激活剂。
三、选择题
1.关于酶概念的叙述下列哪项是正确的? A.所有蛋白质都有酶的活性 B.其底物都是有机化合物 C.其催化活性都需特异的辅助因子 D.体内所有具有催化 活性的物质都是酶 E.酶是由活细胞合成具有催化作用的蛋白质 2.关于酶性质的叙述下列哪项是正确的? A.酶的催化效率高是因为分子中含有辅酶或辅基 B.酶使化学反应的平衡常数向加速反应的方向进行 C.酶能提高反应所需的活化能 D.酶加快化学反应达到平衡的速度 E.酶能改变反应的平衡点
金属离子作为辅助因子的作用机理如下:
1、作为酶活性中心的催化基团参与催化反应、传递电子; 2、作为连接酶与底物的桥梁,便于酶对底物起作用; 3、稳定酶的构象所必需; 4、中和阴离子,降低反应中的静电斥力。
金属离子在酶催化反应中的作用示意图
4、底物和酶的邻近效应与定向效应 邻近效应:酶与底物形成中间复合物后使底物之间、酶的催化基 团与底物之间相互靠近,提高了反应基团的有效浓度,从而增加 反应速率的一种效应。 定向效应:由于酶的构象作用,底物的反应基团之间、酶与底物 的反应基团之间正确取向的效应。
4、 别构酶的动力学曲线
①大多数别构酶具有正协同效应(酶分子结合一分子底物或效 应物后,酶的构象发生变化,这种新的构象有利于后续分子 与酶的结合,大大促进后续分子与酶的亲合性),正协同效 应的别构酶是S型曲线:当底物浓度发生较小变化时,别构酶 可以极大程度地控制反应速度。
② 负协同效应的别构酶是表观双曲 线:在底物浓度较低的范围内酶 活力上升快,但再继续下去,底 物浓度虽有较大的提高,但反应 速度的升高却较小。使得酶反应 速度对底物浓度的变化不敏感
+ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
不同组织中LDH同工酶的电泳图谱
LDH1(H4) LDH2(H3M) LDH3(H2M2) LDH4(HM3) LDH5(M4) 心肌 肾 肝 骨骼肌 血清
+
-
原点
MMMM (M4) :在骨骼肌中占优势 HMMM (HM3) HHMM (H2M2) HHHM (H3M):在血清中占优势 HHHH (H4):在心肌中占优势
结合基团
活性中心 必需基团
催化基团
活 性 中 心
2、 酶活性中心的特点:
1)活性部位在酶分子的总体中占很小一部分,通常只占整个 酶分子体积的1-2%。 2)酶的活性部位是一个三维实体。 3)酶和底物在结合过程中构象(之一或同时)发生变化,促 进结合。 4)底物通过次级键与酶结合。 5)酶的活性部位位于酶分子的裂缝内(疏水区域)。
别构调节举例:
1.天冬氨酸转氨甲酰酶(ATCase)。
它催化下列反应:
此酶是合成CTP的多酶体系反应序列中的第一个酶,系列反应的终产物 CTP是该酶的别构抑制剂,而ATP则是它的别构激活剂。
ATCase由12条多肽链组成,其中6条形成2个三聚体称 催化亚基(每个三聚体有3个结合天冬氨酸的底物结合部 位),6条形成3个二聚体称调节亚基( 每个二聚体有2 个
CTP和ATP 对ATCase调节的生物学意义p188:
多数别构酶兼有同促效应和异促效应,它们 既受底物分子的调节,又受底物以外的其它 代谢物分子的调节。