酶作用機制

1、七 酶的作用機制和調節(jié),,（一）. 酶的活性中心（active center）,1、活性中心的概念,酶分子中直接與底物結合，并和酶催化作用直接有關的區(qū)域叫酶的活性中心（active center）或活性部位（active site)。,結合部位(Binding site)：酶分子中與底物結合的部位或區(qū)域一般稱為結合部位。,催化部位(Catalytic site): 酶分子中促使底物發(fā)生化學變化的部位稱為催化部位。通常將酶的結合部位

2、和催化部位總稱為酶的活性部位或活性中心。結合部位決定酶的專一性，催化部位決定酶所催化反應的性質。,一些酶活性中心的氨基酸殘基,酶 殘基總數(shù) 活性中心殘基牛胰核糖核酸酶 124 His12, His119, Lys41溶菌酶 129 Asp52, Glu35牛胰凝乳蛋白

3、酶 245 His57, Asp102,Ser195牛胰蛋白酶 238 His46, Asp90, Ser183木瓜蛋白酶 212 Cys25, His159 彈性蛋白酶 240 His45, Asp93, Ser188枯草桿菌蛋白酶

4、 275 His46, Ser221碳酸酐酶 258 His93-Zn-His95 His117,,,,,調控部位(Regulatory site):酶分子中存在著一些可以與其他分子發(fā)生某種程度的結合的部位，從而引起酶分子空間構象的變

5、化，對酶起激活或抑制作用,酶表現(xiàn)催化活性不可缺少的基團。 親核性基團：絲氨酸的羥基，半胱氨酸的巰基和組氨酸的咪唑基。,2. 酶活性中心的必需基團,酸堿性基團：天門冬氨酸和谷氨酸的羧基，賴氨酸的氨基，酪氨酸的酚羥基，組氨酸的咪唑基和半胱氨酸的巰基等。,結合基團---專一性活性中心內必需基團 催化基團---催化能力活性中心外必需基團,,,活性中心內的必需基團,,,,位于活性中心以外，維持酶

6、活性中心應有的空間構象所必需。,活性中心外的必需基團,3.酶活性中心的特點,占酶分子的極小部分酶活性部位是三維實體誘導契合.構象改變酶活性部位位于酶分子的一個裂縫內底物通過次級鍵與酶結合活性部位具有柔性,,酶的高效催化的結構,(二)、酶高效性的作用機理,1、底物和酶的鄰近效應與定向效應2、底物的形變與誘導契合3、酸堿催化4、共價催化5、活性中心金屬離子6、活性部位微環(huán)境的影響,1、底物和酶的鄰近效應與定向效應,鄰近效

7、應：酶與底物形成中間復合物后使底物之間、酶的催化基團與底物之間相互靠近，提高了反應基團的有效濃度。定向效應：由于酶的構象作用，底物的反應基團之間、酶與底物的反應基團之間正確取向的效應.,咪唑催化對硝基苯酯的水解，分子內反應比分子間反應快24倍。,鄰羥基苯丙酸內脂的形成反應，兩個甲基使羧基和羥基更好的定向，使反應速率提高2.5×1011,酶把底物分子從溶液中富集出來，使它們固定在活性中心附近，反應基團相互鄰近，同時使反應基團的

8、分子軌道以正確方位相互交疊，反應易于發(fā)生。,2、底物的形變與誘導契合,酶與底物相互接近，結構相互誘導、相互變形，進而相互結合酶的構象改變有利于與底物的結合底物在酶的誘導下發(fā)生變形，處于過渡態(tài)，易受到催化基團的攻擊,脯氨酸消旋酶的過渡態(tài)類似物與酶的親和力遠大于其底物，說明酶可以引起底物的形變。,小牛小腸腺苷脫氨酶的過渡態(tài)類似物與酶的親和力遠大于其底物，說明酶可以引起底物的形變。,3、酸堿催化,酸堿催化是通過瞬時向反應物提供或接受質子以

9、穩(wěn)定過渡態(tài)，加速反應的一種催化機制。,,影響酸堿催化反應速度的因素,⑴酸堿強度(pK值） 組氨酸咪唑基的解離常數(shù)為6，在pH6附近給出質子和結合質子能力相同，是最活潑的催化基團。⑵給出質子或結合質子的速度。咪唑基最快，半壽期小于10-10秒。,4、共價催化,酶部分殘基側鏈作為親核基團或親電基團，與底物形成一個反應活性很高的共價中間物。酶親核基團：　Ser-OH，Cys-SH，His-N：底物親電中心：　磷?；≒=O）酰基

10、（C=O）　糖基（Glu-C-OH）,酶的親核中心X未成鍵電子對進攻底物的親電中心，形成共價結合，迅速形成不穩(wěn)定的中間復合物，降低反應活化能，促進產(chǎn)物生成。,5、活性中心金屬離子的催化作用,金屬酶（metalloenzyme):含緊密結合的金屬離子　Fe2+、Cu2+、Zn2+、Mn2+、Co3+金屬-激活酶（metal-activated enzyme):含松散結合的金屬離子　Na+、K+、Mg2+、Ca2+（1）通過結合底

11、物為反應定向（2）通過自身價數(shù)的改變參加氧化還原反應（3）屏蔽底物或酶活性中心的負電荷,多個基元催化反應結合催化,6、多元催化和協(xié)同效應,7、活性中心的微環(huán)境,酶的活性中心周圍的環(huán)境是一個非極性環(huán)境，即低介電環(huán)境，在低的介電環(huán)境中排斥水分子，酶催化基團和底物分子的敏感鍵之間有很大的反應力，有助于加速酶促反應。,八．酶催化反應機制的實例,溶菌酶(Lysozyme),1922年Fleming在鼻黏液中發(fā)現(xiàn)一種具有溶解細菌能力的酶，定名為

12、溶菌酶。隨后又在雞蛋清中發(fā)現(xiàn)了這種酶，是自然界分布很廣的一種酶。溶菌酶是第一個用X-射線法闡明其全部結構和功能的酶。,（１）.溶菌酶的結構,溶菌酶相對分子量１４６００，由１２９個氨基酸殘基所組成．四對二硫鍵?；钚灾行牡陌被釟埢荊lu35和Asp52 。,,酶活性中心的Glu35處于非極性區(qū)，其羧基呈不解離狀態(tài)，而Asp52處于極性區(qū)，羧基呈解離狀態(tài)。,（２）溶菌酶的底物,N-乙酰氨基葡萄糖 (NAG) N-乙酰氨基葡萄糖乳酸(N

13、AM),NAG和NAM交替排列形成多聚物，它們之間通過β-1,4糖苷鍵相連。溶菌酶的最適小分子底物為NAG-NAM交替形成的六糖。,（３）溶菌酶與底物　　　復合物,大多數(shù)極性氨基酸殘基分布在分子的表面，非極性氨基酸殘基分布在分子的內部。Glu35和Asp52 是活性中心的氨基酸殘基。,底物D糖環(huán)構象發(fā)生變化,溶菌酶底物D糖環(huán)變形模型圖,椅式：C5、C1、C2

14、 和 O不在同一平面,C5向前移動， O原子向后移動,半椅式：C5、C1、C2 和 O在同一平面上,,,溶菌酶的活性中心的氨基酸殘基與底物敏感鍵既靠近又定向。,,,,,Glu,35,,C,,,O,,,C,1,C,4,,H,O,,,,,,,,E,O,,,,,,,,,H,(NAG ),NAG,,,,O,O,,H,O,C,,,,,O,-,,Asp,,52,Asp,,52,,-,,,,,C,O,

15、O,O,,,,NAG,D,H,,O,,,,,,,E,O,,,,,,,,H,,C,4,C,1,,O,,,C,,Glu,,35,,,,,-,H,OH,-,+,,,,,H,2,O,,,,,+,,H,非極性區(qū),極性區(qū),,,,(NAG),,O,,,,3,3,a.Glu35的羧基向底物D糖環(huán)和E糖環(huán)之間的糖苷鍵上的氧原子提供一個質子，氧原子與D糖環(huán)C1的糖苷鍵斷開，b.D糖環(huán)的C1 帶上正電荷成為正碳離子。Asp52上的-COO-起著協(xié)調糖苷鍵斷

16、裂和穩(wěn)定正碳離子的作用。,D,,,Glu,35,,C,,O,,,O,,H,O,,C,1,H,O,,,,,,,,,H,D,(NAG),3,O,C,,,,,O,-,,Asp,,52,,,,,,最后，來自環(huán)境中的水分子上的H+與Glu35的-COO-結合，水分子上的HO-與正碳離子結合，至此，一次反應完成，細胞壁打開一個缺口。經(jīng)多次重復作用，細菌的細胞壁溶解。,（４）溶菌酶的作用機制,靠近與定向 底物形變 酸堿催化,九、酶活性的調節(jié)控制和

17、調節(jié)酶,1、別構效應的調控2、酶原的激活3、共價調節(jié),調節(jié)對象：關鍵酶調節(jié)方式：調節(jié)酶濃度 調節(jié)酶活性,,一般位于代謝途徑的起始或分支處；催化單向不可逆反應；活性較低，活性最低者又稱為限速酶；是可調節(jié)酶。,關鍵酶（Key enzyme),可以通過改變其催化活性而使整個代謝反應的速度或方向發(fā)生改變的酶，稱為限速酶或關鍵酶。,1、別構調控與別構酶,別構酶又稱為變構酶，指酶分子的非催化部位與某些化合

18、物可逆地非共價結合后，引起酶的構象的改變，進而改變酶的活性狀態(tài)，酶的這種調節(jié)作用稱為別構調節(jié) (allosteric regulation)。具有變構調節(jié)的酶稱別構酶(allosteric enzyme)。凡能使酶分子發(fā)生別構作用的物質稱為別構劑(effector)。,（1）概念,(2)別構酶,別構酶一般是多亞基構成的聚合體，一些亞基為催化亞基，另一些亞基為調節(jié)亞基。當調節(jié)亞基或調節(jié)部位與變構劑結合后，就可導致酶的空間構象發(fā)生改變

19、，從而導致酶的催化活性中心的構象發(fā)生改變而致酶活性的改變。,(3)協(xié)同效應,當變構酶的一個亞基與其配體（底物或變構劑）結合后，能夠通過改變相鄰亞基的構象而使其對配體的親和力發(fā)生改變，這種效應就稱為變構酶的協(xié)同效應。如果對相鄰亞基的影響是導致其對配體的親和力增加，則稱為正協(xié)同效應；反之，則稱為負協(xié)同效應。,(4)別構酶的結構特點和性質,已知的別構酶都是寡聚酶，通過次級鍵結合。具有活性中心和調節(jié)中心，活性中心和調節(jié)中心處在不同的亞基上或

20、同一亞基的不同部位上。調節(jié)物多為小分子調節(jié)部位多為代謝途徑的第一步或交匯點動力學特點：不遵循米氏方程，動力學曲線是S型或表觀雙曲線穩(wěn)定特性：室溫穩(wěn)定，0℃不穩(wěn)定,別構酶與非調節(jié)酶動力學曲線的比較,別構酶舉例：天冬氨酸轉氨甲酰酶，簡稱ATCase,2.酶原的激活,沒有活性的酶的前體稱為酶原。 酶原轉變成有活性的酶的過程稱為酶原 的激活.該過程實質上是酶活性部位形成和暴露的過程。,,具有不可逆性。 消化系統(tǒng)中的酶（胰蛋白酶，

21、胰凝乳蛋白酶，胃蛋白酶）酶原激活的生理意義a. 保護組織器官本身免受酶的水解破壞；b. 保證酶在特定時空發(fā)揮催化作用；c. 酶原可視作酶的儲存形式。,酶原的激活的生理意義,（1）胰蛋白酶原的激活,胰蛋白酶對各種胰臟蛋白酶原的激活,,概念：共價調節(jié)酶通過其它酶對其多肽鏈上某些基團進行可逆的共價修飾，使其處于活性與非活性的狀態(tài)，從而起到調節(jié)酶的作用，稱為可逆的共價調節(jié)。 特點：共價修飾酶通常有活性與非活性兩種形式，兩種形式之間

22、轉換的正、逆反應是由不同的酶催化產(chǎn)生。 種類：磷酸化、腺苷?；?、尿苷?；DP-糖基化、甲基化等,3、可逆的共價修飾,蛋白質的磷酸化主要由蛋白激酶催化磷酸化主要以P-O鍵或P-N鍵連接,磷酸化,,腺苷?；?尿苷?；?ADP糖基化,甲基化,蛋白質的磷酸化,蛋白質,,,,NTP,NDP,Pi,H2O,蛋白質-Pi,蛋白激酶,蛋白磷酸酶,（1）Thr、Ser、Tyr、Asp、Glu P-O鍵結合（2）Lys、Arg、His

23、P-N,蛋白激酶有一定的底物特異性，識別特定的氨基酸序列（保守序列）,（2）蛋白激酶,底物被磷酸化的氨基酸殘基Ser/ThrTyr調節(jié)物信使依賴性非信使依賴性,蛋白酶A（Krebs)糖代謝調節(jié)酶,磷酸化酶激酶,使酶活化,磷酸化增加活性,磷酸化降低活性,4.同工酶(isoenzyme),同工酶(isoenzyme)是指催化的化學反應相同，酶蛋白的分子組成形式、理化性質和免疫學性質不同的一組酶。這類酶存在于生物的同一種屬或同

24、一個體的不同組織、甚至同一組織或細胞中.,* 舉例：乳酸脫氫酶(LDH1～ LDH5),乳酸脫氫酶同工酶形成示意圖,多肽,亞基,mRNA,,,,,,,,,,,,,四聚體,,,,,,,結構基因,a b,生理意義 在代謝調節(jié)上起著重要的作用； 同工酶譜的改變有助于對疾病的診斷； 同工酶可以作為遺傳標志，用于遺傳分析研究。,基本要求1.掌握酶活