酶催化机制和活性调节

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㈠ 溶菌酶

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；分子表面有较深的裂缝， 大小可容纳六个单糖分子，分子内部几乎全部为疏 水性的
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活
性中心具有 Glu35 和 Asp52 ，位 于裂缝的两侧不 同的微环境中 Glu 处于非极性区， 以质子化形式存 在 ， Asp 处 于 pH5.0 极性区，以 离子状态存在。
象；活性部位多位于酶分子的狭缝处，利于 底物结合和酶构象的改变；
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，多底物反应存在多个底 物结合位点，保证反应有序进行；
催化部位存在一个以上的催化基团，所以能
进行协同催化；
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
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－OH的亲核催化(胰蛋白酶)
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⑷ 共价催化
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⑸ 金属离子催化
① 需要金属的酶分类：
② 催化机制：
金属酶：紧密结合 金属-激活酶：松散结合
•通过结合底物为反应定向 •通过可逆改变金属离子的氧化态调节氧化还原反应
凝乳蛋白酶、弹性蛋白酶、
凝血 剂等 ⒈消化作用的丝氨酸蛋白酶 胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、 弹性蛋白酶 ⑴结构上非常相似，包括一 酶、枯草杆菌蛋白酶、 纤溶酶、组织纤溶酶原激活
级结构和三维结构。
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㈡ 丝氨酸蛋白酶
1 、消化作用的丝氨酸蛋 白酶
当底物与酶复合物形成以后，酶的催化基团邻近底物， 而使催化效率提高
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
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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㈠ 溶菌酶

② Glu35 的羧基提供一个 H+ ，进行酸催化，使得 四五残基间 1-4糖苷键断裂 D 残基 C1与氧原子分开， 并形成正碳离子过渡态
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③ D残基正碳离子过渡态与溶剂中OH-结合，胞壁 被打开一个缺口。
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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
中间产物不稳定，断裂，相互结合形成产物，酶复原
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⑷ 共价催化
底物与酶形成一个反应活性很高的共价中间物。
提高反应速度的原因：酶蛋白分子上亲核基团攻击含 有酰基的分子形成酰基衍生物降低活化能；酰基从亲 核基团再转移到最终的酰基受体。
定向效应缩短了底物与催化基团间（“男女”）的距离 酶的催化基团与底物之间结合于同一分子，使有效浓度得以 提高，从而使反应速度增加（成功率）108倍。
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⑴ 底物和酶的邻近效应与定向效应
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⑴ 底物和酶的邻近效应与定向效应
邻近效应实例：对硝基苯酚乙酸酯
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水 (第二底物) 进入活性位点 食品科学与工程学院
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Chymotrypsin Catalytic Mechanism D1
H
O
Acyl-Enzyme 水中间物
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Chymotrypsin Catalytic Mechanism D2
H H O

概念：催化相同的化学反应，但其分子结构、理化 性质和免疫性能等方面都存在明显差异的一组酶。
存在于同一种属或同一个体的不同组织中，可存在 于同一组织和细胞中。 举例：乳酸脱氢酶催化同一个反应，亚基由两类： 心肌型（H）骨骼肌型（M），全酶四个亚基五种类 型
O
第二过渡态
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Chymotrypsin Catalytic Mechanism D3
H O
O
H
去酰化
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2nd product
1st substrate
The proposed complete catalytic cycle of Chymotrypsin
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准定 化酶 确向 基活 定效 团性 向应 间部 的使 准位 分难 确可 子于 邻使 内定 近底 反向 而物 应的 提与 。分 高底 子 反物 间 应、 反 效底 应 率物 变 。与 为 催
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⑵ 底物的形变和诱导契合

酶构象变化同时底物分子 也发生变形；
构象的变化，使得酶与底 物间产生相互作用，电子 云重新排布，电子张力 更易于发生反应，形成一 个互相吸引的酶与底物复 合物； 如乙烯环磷酸酯的水解； 溶菌酶与底物的结合。
Chymotrypsin Catalytic Mechanism A1
Catalytic Triad
His57 Asp102 Ser195
H [HOOC] N C C
H N H
O C C [NH2]
C
O
N
C
与底物专一性结合
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Chymotrypsin Catalytic Mechanism A2
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㈠ 溶菌酶
3. 催化的特点

经测定发现酶与底物构象都发生变化 诱导契合的证据表示了靠近及定向； Asp与
Glu的协同作用表现为酸碱催化

Glu提供质子，Asp是稳定的因素
底物变形作用由椅式到船式
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㈡ 丝氨酸蛋白酶
酶家族，包括胰蛋白酶、胰
⑶ 酸碱催化
影响酸碱催化的反应速率的因素有两个：
① 酸或碱的强度
② 质子传递速率 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。而且给出质子接受质子的速度快。
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⑷ 共价催化
酶活性中心亲电基团或亲核基团参与底物敏感键断裂的机制称共价 催化，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）
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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
H2+N＝C 精氨酸
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⑶ 酸碱催化


酶活性中心提供H+或提供H+受体使敏感键断裂的机 制称酸碱催化。 每一分子上氨基酸侧链基团可以为反应提供质子或 接受质子从而加速反应的速度。
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㈠ 溶菌酶
2. 催化机理

底物长度要求六个糖残基以上，与酶活性部位相适应 酶活性中心的 Glu 和 Asp 参与水解作用，将第四和第五残基间 的糖苷键水解， F E D C B A
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㈠ 溶菌酶


具体机理为： ① 底物进入活性中心，酶活性中心空间效应和 Asp 的作用下，诱导并使第四（ D ）残基由椅式变 为半椅式，形成过渡态构象
His57 Asp102 Ser195
H
H
O
第一过渡态
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Chymotrypsin Catalytic Mechanism A3
H
H
O
Acyl-Enzyme中间物的形成
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㈡ 丝氨酸蛋白酶
⑵第二阶段--水解反应的脱酰基阶段 • His吸收H2O攻击Ser的羧化部分，酯键断裂释放底物，酶恢复 自由状态
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2、过渡态复合物形成化学机制或酶高 效催化的化学机制
⑹ 多元催化和协同效应 几个基元反应配合在一起共同起作用。如胰蛋白 酶、核糖酸酶等。
⑺ 活性部位的微环境的影响
非极性环境，底物分子敏感键和酶催化基团间有很大
的作用力，有助于加速酶反应。 水是极性分子减弱极性基团间的作用力 水同离子间相互作用形成水化层。
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1965年Davids
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㈠ 溶菌酶
1、酶、底物与二者复合物的结构


鸡卵清溶菌酶相对分子量 14.6×103 ， 129 个氨基 酸组成的单链蛋白质，四对二硫键； 底物：N-乙酰氨基葡糖N-乙酰氨基葡糖乳酸的共 聚物或几丁质
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二、酶结构与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。

溶菌酶广泛存在于微生物及各 种动植物组织及分泌液中。

1922 年Fleming 发现了溶菌酶 Phillipis用X-衍射法测定了该酶的结构
酸催化 EH EH2O EH + OH-
A- :
B+ + H+
AH + B+
碱催化(失电子态)
A- :
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H+ + E-COO-
A- + E-COOH E-COO- + H+
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碱催化
酸催化
＋Leabharlann Baidu
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2、过渡态复合物形成化学机制或酶高效催 化的化学机制
⑴ 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（“婚介”）中心底物的浓度（—
非婚男女集中）
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㈡ 丝氨酸蛋白酶
⒉ 丝氨酸蛋白酶的的催化机制
⑴ 第一阶段--水解反应的酰化阶段 Ser-OH 攻击酰胺键，敏感键断裂，胺氮获得咪唑基 氢，羧化部分连到丝氨酸羟基上，胺端释放
催化三联体
一种多肽底物
活性部位
羰基氧洞 疏水性口袋
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第八章 酶的催化机制和酶的调节
一、酶催化反应的本质
电子转移；电子、质子或其他基团转移 高能量过渡态复合物的形成及向产物的转变
ES 中间络合物
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1、酶分子结构和活性部位特点利于催化反应
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酶分子特定的三维结构维持酶活性部位的构
⑵ 催化部位：完全一样，丝 氨酸 附近的氨基酸顺序相 似，具有共同的催化 三联 体结构。

在无底物时，His57未质子化，当 在具有 消 化作用的丝氨酸 Ser195羟基氧原子对底物进行亲核 蛋白酶类，其活性中心 Ser 、 攻 击 时 ， His57 接 受 羟 基 质 子 ， -能稳定过渡态中 Asp 的 COO 102 His 和 Asp 相 临 ，相互间通 过氢 键 作用，催化蛋白质 His57 的正 电荷 形式，此外 Asp102 定向His57并保证从Ser195接受一个 水解 质子。咪唑基成为SerAsp间桥梁
(rate enhancement: 109) A Ping-Pong Mechanism
1st product
2nd substrate
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三、酶活性的调节控制
㈠ 酶的“量变”调节：改变酶的浓度 ㈡ 酶的“质变”调节：改变已有酶的活性
量变
调节速度 能耗 慢，几小 时—-几天
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His57 担当酸碱催化
Ser195 通过 与肽键的共价 结合促使肽键 断开
Asp102功能是定向His57
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㈡ 丝氨酸蛋白酶
⑶ 结合部位专一性差别的原因：分子表面的裂隙和口袋 ① 胰蛋白酶：底部有天冬氨酸，非极性口袋可以深入带电荷的 赖氨酸和精氨酸有静电 ② 胰凝乳蛋白酶：非极性口袋提供芳香族大的非极性的脂肪酸 ③ 弹性蛋白酶：较浅的口袋有两个较大的缬氨酸苏氨酸挡住， 只能让丙氨酸等小分子进入
质变
快速，几秒钟---几分钟
低（除非使用抑制蛋白，因 高（通常涉 为在解除抑制的时候，通常 及基因表达） 需要将抑制蛋白水解）
酶合成和降 解的速度 长
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决定酶最高活性的 主要因素
已有酶的浓度 短
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活性变化持续时间
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㈠ 酶的“量变”调节
1. 控制酶基因的表达
2. 同工酶