第10章酶作用机制和酶调节
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
生物化学网络教程
酶的作用机制和酶的调节
南昌大学生命科学院
李思光
章 节 目 录
一、酶的活性部位 二、酶催化反应的独特性质 三、影响酶催化效率的有关因素 四、酶催化反应机制的实例 五、酶活性的调节控制 六、同工酶
一、酶的活性部位
（一）酶活性部位的特点
① 活性部位在酶分子的总体积中只 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，它们是通过诱导 契合的过程使两者互补 ④ 酶的活性部位是位于酶分子表面 的一个裂缝内 ⑤ 底物通过次级键较弱的力结合到 酶上 ⑥ 酶活性部位具有柔性或可运动性
定向反应(2)
二羧酸单苯酯水解相对速率和结构关系
诱导契合
酶与底物相互接近时，其结构相互诱导、相互形变进而相互结合
酶的构象改变有利于与底物结合；底物在酶诱导下发生形变，处 于不稳定状态（过渡态），易受催化基团的攻击
过渡态的底物与酶的活性中心结构最吻合
酸碱催化（1）
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。
研究酶活性部位的方法(1)
1 酶分子侧链基团的化学修饰法 （1）非特异性共价修饰 （2）特异性共价修饰 （3）亲和标记法 2 动力学参数测定法 3 X射线晶体结构分析法
4 定点诱变法
研究酶活性部位的方法(2)
酶分子侧链基团的化学修饰法
用带标记的化合物与酶的活性部位氨基酸残基侧链基团共价结合，然后 水解该酶，分离出带有标签的肽段，即可分析出活性部位的氨基酸残基。
kobs
专一的酸碱催化（狭义的酸碱催化）： 在水溶液中通过高反应性的质子和氢 氧离子进行的催化反应
缓冲液浓度
pH8 pH7 pH6
总酸碱催化（广义的酸碱催化）： 通过H+和OH-以及能提供 H+及OH-的供体 进行的催化反应
kobs
pH8 pH7 pH6
缓冲液浓度
酸碱催化（2）
氨基酸残基 广义酸基团 （质子供体） 广义碱基团 （质子受体）
如果某些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。如果某些基团修饰后引起酶活力的变化，则此基团可能是酶 的必需基团。 化学试剂已和活性部位基团结合的鉴定标准： 其一：酶活力的丧失程度和修饰剂浓度成一定的比例关系 其二：底物或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
-
O
R-O-P-X + R'O
O E
O
X E
X
O E 磷酰酶
-
+ YY
X
E
E
X
葡萄酶
:
金属离子催化（1）
需要金属的酶可以分为：金属酶和金属-激活酶两类 金属离子以3种主要途径参加催化过程 （1）通过结合底物为反应定向 （2）通过可逆地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
酶分子中可作为总酸碱催化的功能基团
酸碱催化（3）
水解
Βιβλιοθήκη Baidu
胰凝乳蛋白酶通过酸碱催化使肽键断裂
共价催化
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
O R-O-P-OR'
-
OR-O-P-OR'
三、影响酶催化效率的有关因素
邻近效应
酶与底物结合形成中间复合物以后，使底物和底物之间， 酶的催化基团与底物之间结合与同一分子而使有效浓度 得以极大的升高，从而使反应速率大大增加。
定向反应(1)
反应物的反应基团之间和酶的催化基团与底物的反应 基团之间的正确取位产生的效应 由于活性中心的立体结构和相关基团的诱导和定向作 用，使底物分子与反应的基团相互接近，并被严格定 向定位，使酶促反应具有高效率和专一性特点。
特异性共价修饰
研究酶活性部位的方法(3)
定点诱变法
根据蛋白质结构研究的结果，可以利用定点诱变技术，改变编 码蛋白质基团中的DNA顺序，研究酶活力部位的必需氨基酸 如果被代换的氨基酸不影响酶的活性，则该位置的氨基酸残基 不是必需基团 如果被代换的氨基酸使酶活性丧失或降低，则该位置的原有氨 基酸残基是必需基团 ① Vmax不变，Km值升高，该位置氨基酸为结合基团 ② Vmax降低，Km值不变，该位置氨基酸为催化基团 ③ 酶活性完全丧失，该位置氨基酸为必需基团
307 374×2
His12，His119，Lys41 Asp52，Glu35 Asp57，Asp102，Ser195 Asp57，Asp102，Ser195 Asp57，Asp102，Ser195 Asp32，Asp215 Asp25 Cys25，His159 His64，Ser221，Asp32 His94-Zn-Lys96 His119 Arg127，Glu270，Tyr248，Zn2+ Ser48，His51，NAD+，Zn2+
胰凝乳蛋白酶与底物的结合
酶活性部位的特点
胰凝乳蛋白酶的结构
某些酶活性部位的氨基酸残基
酶 氨基酸残基数 活性部位的氨基酸残基
核糖核酸镁A 溶菌镁 胰凝乳蛋白酶 胰蛋白酶 弹性蛋白酶 胃蛋白酶 HIV-1蛋白酶 木瓜蛋白酶 枯草杆菌蛋白酶 碳酸酐酶
羧肽酶A 旰乙醇脱氢酶
124 129 241 223 240 348 99×2 212 275 259
① 在活性部位存在1个以上的催化基团，所以能进行协同催化 ② 存在结合部位，因此底物分子可以以反应中固有的方位结合在活性部位附近 ③ 在包含有2个或2个以上底物分子参加反应的情况中，存在着一个以上的底物 分子结合的部位 ④ 底物以某种方式结合到酶分子上，使底物分子中的键产生张力，从而有利于 过渡态复合物的形成
二、酶催化反应的独特性质
（1）酶反应可以分为两类，一类反应仅仅涉及到电子的转移， 另一类反应涉及到电子和质子两者或其他基团的转移 （2）酶的催化作用是由氨基酸侧链上的功能基团和辅酶为媒介的
（3）酶催化反应的最适pH范围通常狭小 （4）与底物相比较，酶分子很大，而活性部位通常只比底物稍大一些 （5）酶除了具有进行催化反应所必需的活性基团外，还有别的特性
金属离子催化（2）
金属离子催化（2）
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。 例如胰凝乳蛋白酶是通过Asp102、 His57 、 Ser195 组成的“电荷中继网” 催化肽键水解，包括亲核催化和碱催 化共同作用。 这种多元催化协同作用的结果是使 酶加速的一个因素。
酶的作用机制和酶的调节
南昌大学生命科学院
李思光
章 节 目 录
一、酶的活性部位 二、酶催化反应的独特性质 三、影响酶催化效率的有关因素 四、酶催化反应机制的实例 五、酶活性的调节控制 六、同工酶
一、酶的活性部位
（一）酶活性部位的特点
① 活性部位在酶分子的总体积中只 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，它们是通过诱导 契合的过程使两者互补 ④ 酶的活性部位是位于酶分子表面 的一个裂缝内 ⑤ 底物通过次级键较弱的力结合到 酶上 ⑥ 酶活性部位具有柔性或可运动性
定向反应(2)
二羧酸单苯酯水解相对速率和结构关系
诱导契合
酶与底物相互接近时，其结构相互诱导、相互形变进而相互结合
酶的构象改变有利于与底物结合；底物在酶诱导下发生形变，处 于不稳定状态（过渡态），易受催化基团的攻击
过渡态的底物与酶的活性中心结构最吻合
酸碱催化（1）
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。
研究酶活性部位的方法(1)
1 酶分子侧链基团的化学修饰法 （1）非特异性共价修饰 （2）特异性共价修饰 （3）亲和标记法 2 动力学参数测定法 3 X射线晶体结构分析法
4 定点诱变法
研究酶活性部位的方法(2)
酶分子侧链基团的化学修饰法
用带标记的化合物与酶的活性部位氨基酸残基侧链基团共价结合，然后 水解该酶，分离出带有标签的肽段，即可分析出活性部位的氨基酸残基。
kobs
专一的酸碱催化（狭义的酸碱催化）： 在水溶液中通过高反应性的质子和氢 氧离子进行的催化反应
缓冲液浓度
pH8 pH7 pH6
总酸碱催化（广义的酸碱催化）： 通过H+和OH-以及能提供 H+及OH-的供体 进行的催化反应
kobs
pH8 pH7 pH6
缓冲液浓度
酸碱催化（2）
氨基酸残基 广义酸基团 （质子供体） 广义碱基团 （质子受体）
如果某些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。如果某些基团修饰后引起酶活力的变化，则此基团可能是酶 的必需基团。 化学试剂已和活性部位基团结合的鉴定标准： 其一：酶活力的丧失程度和修饰剂浓度成一定的比例关系 其二：底物或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
-
O
R-O-P-X + R'O
O E
O
X E
X
O E 磷酰酶
-
+ YY
X
E
E
X
葡萄酶
:
金属离子催化（1）
需要金属的酶可以分为：金属酶和金属-激活酶两类 金属离子以3种主要途径参加催化过程 （1）通过结合底物为反应定向 （2）通过可逆地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
酶分子中可作为总酸碱催化的功能基团
酸碱催化（3）
水解
Βιβλιοθήκη Baidu
胰凝乳蛋白酶通过酸碱催化使肽键断裂
共价催化
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
O R-O-P-OR'
-
OR-O-P-OR'
三、影响酶催化效率的有关因素
邻近效应
酶与底物结合形成中间复合物以后，使底物和底物之间， 酶的催化基团与底物之间结合与同一分子而使有效浓度 得以极大的升高，从而使反应速率大大增加。
定向反应(1)
反应物的反应基团之间和酶的催化基团与底物的反应 基团之间的正确取位产生的效应 由于活性中心的立体结构和相关基团的诱导和定向作 用，使底物分子与反应的基团相互接近，并被严格定 向定位，使酶促反应具有高效率和专一性特点。
特异性共价修饰
研究酶活性部位的方法(3)
定点诱变法
根据蛋白质结构研究的结果，可以利用定点诱变技术，改变编 码蛋白质基团中的DNA顺序，研究酶活力部位的必需氨基酸 如果被代换的氨基酸不影响酶的活性，则该位置的氨基酸残基 不是必需基团 如果被代换的氨基酸使酶活性丧失或降低，则该位置的原有氨 基酸残基是必需基团 ① Vmax不变，Km值升高，该位置氨基酸为结合基团 ② Vmax降低，Km值不变，该位置氨基酸为催化基团 ③ 酶活性完全丧失，该位置氨基酸为必需基团
307 374×2
His12，His119，Lys41 Asp52，Glu35 Asp57，Asp102，Ser195 Asp57，Asp102，Ser195 Asp57，Asp102，Ser195 Asp32，Asp215 Asp25 Cys25，His159 His64，Ser221，Asp32 His94-Zn-Lys96 His119 Arg127，Glu270，Tyr248，Zn2+ Ser48，His51，NAD+，Zn2+
胰凝乳蛋白酶与底物的结合
酶活性部位的特点
胰凝乳蛋白酶的结构
某些酶活性部位的氨基酸残基
酶 氨基酸残基数 活性部位的氨基酸残基
核糖核酸镁A 溶菌镁 胰凝乳蛋白酶 胰蛋白酶 弹性蛋白酶 胃蛋白酶 HIV-1蛋白酶 木瓜蛋白酶 枯草杆菌蛋白酶 碳酸酐酶
羧肽酶A 旰乙醇脱氢酶
124 129 241 223 240 348 99×2 212 275 259
① 在活性部位存在1个以上的催化基团，所以能进行协同催化 ② 存在结合部位，因此底物分子可以以反应中固有的方位结合在活性部位附近 ③ 在包含有2个或2个以上底物分子参加反应的情况中，存在着一个以上的底物 分子结合的部位 ④ 底物以某种方式结合到酶分子上，使底物分子中的键产生张力，从而有利于 过渡态复合物的形成
二、酶催化反应的独特性质
（1）酶反应可以分为两类，一类反应仅仅涉及到电子的转移， 另一类反应涉及到电子和质子两者或其他基团的转移 （2）酶的催化作用是由氨基酸侧链上的功能基团和辅酶为媒介的
（3）酶催化反应的最适pH范围通常狭小 （4）与底物相比较，酶分子很大，而活性部位通常只比底物稍大一些 （5）酶除了具有进行催化反应所必需的活性基团外，还有别的特性
金属离子催化（2）
金属离子催化（2）
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。 例如胰凝乳蛋白酶是通过Asp102、 His57 、 Ser195 组成的“电荷中继网” 催化肽键水解，包括亲核催化和碱催 化共同作用。 这种多元催化协同作用的结果是使 酶加速的一个因素。