酶工程 第五章 酶改性的基本理论酶的结构及其与催化特性的关系

.,1,酶工程EnzymeEngineering,林范学fanxuelin,.,2,第二篇酶的改性,酶的改性（enzymeimproving）：通过各种方法使酶的催化特性得以改进的技术过程酶的改性的目的提高酶的催化效率增加酶的稳定性降低或消除酶的抗原性提高酶的使用效率（反复或连续使用酶）扩大酶的使用范围（研究酶在水溶液以外的条件下进行催化反应的特性和条件）酶的结构与功能的关系研究,.,3,常用的方法:酶分子修饰（enzymemoleculemodification）酶分子定向进化（enzymemoleculedirectedevolution）酶固定化（enzymeimmobilization）酶非水相催化（enzymecatalysisinnon-aqueousphase）,.,4,第五章酶改性的基本理论酶的结构及其与催化特性的关系,第一节酶的化学组成第二节酶的化学结构第三节酶的空间结构第四节酶的活性中心第五节酶的结构与催化特性的关系,.,5,第一节酶的化学组成,.,6,一、蛋白类酶的基本组成单位氨基酸,氨基酸结构肽键,.,7,.,8,.,9,二、核酸类酶的基本组成单位核苷酸,碱基+核糖+磷酸=核苷酸3,5-磷酸二酯键,.,10,5AMP,5GMP,5UMP,5CMP,.,11,三、酶的辅因子,单成分酶：仅有蛋白质或核糖核酸组成的酶双成分酶：除了蛋白质或核糖核酸外，还有其他非生物大分子成分的酶。,全酶holoenzyme,无催化活性,有催化活性,决定专一性,传递电子、原子或某些化学基团,.,12,1.无机辅因子,金属离子的作用：参与催化反应、稳定酶的构象。,.,13,无机辅助因子主要是指各种金属离子，尤其是各种二价金属离子。,（1）镁离子镁离子是多种酶的辅助因子，在酶的催化中起重要作用。例如，各种激酶、柠檬酸裂合酶、异柠檬酸脱氢酶、碱性磷酸酶、酸性磷酸酶、各种自我剪接的核酸类酶等都需要镁离子作为辅助因子。,1.无机辅因子,.,14,（2）锌离子锌离子是各种金属蛋白酶，如木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶、中性蛋白酶等的辅助因子，也是铜锌-超氧化物歧化酶（Cu，Zn-SOD）、碳酸酐酶、羧肽酶、醇脱氢酶、胶原酶等的辅助因子。,（3）铁离子铁离子与卟啉环结合成铁卟啉，是过氧化物酶、过氧化氢酶、色氨酸双加氧酶、细胞色素B等的辅助因子。铁离子也是铁-超氧化物歧化酶（Fe-SOD）、固氮酶、黄嘌呤氧化酶、琥珀酸脱氢酶、脯氨酸羧化酶的辅助因子。,.,15,（4）铜离子铜离子是铜锌-超氧化物歧化酶、抗坏血酸氧化酶、细胞色素氧化酶、赖氨酸氧化酶、酪氨酸酶等的辅助因子。,（5）锰离子锰离子是锰-超氧化物歧化酶（MnSOD）、丙酮酸羧化酶、精氨酸酶等的辅助因子。,（6）钙离子钙离子是-淀粉酶、脂肪酶、胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶等的辅助因子。,.,16,2.有机辅因子,是指双成分酶中相对分子量较小的有机化合物。它们在酶催化过程中起着传递电子、原子或基团的作用。(1)传递电子体：如卟啉铁、铁硫簇；(2)传递氢（递氢体）：如FMN/FAD、NAD+/NADP+、CoQ、硫辛酸；(3)传递酰基体：如CoA、TPP、硫辛酸；(4)传递一碳基团：如四氢叶酸；(5)传递磷酸基：如ATP，GTP；(6)其它作用：转氨基，如磷酸吡哆醛（VB6）；传递CO2，如生物素。,.,17,(1)烟酰胺核苷酸(NAD+，NADP+)B族维生素许多脱氢酶的辅因子：乳酸脱氢酶、醇脱氢酶、谷氨酸脱氢酶、异柠檬酸脱氢酶NAD+：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，辅酶I一般与呼吸链相连，与分解反应偶联：（醇脱氢酶催化伯醇脱氢生成醛）RCH2CH2OH+NAD+=RCH2CHO+NADH+H+NADP+：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸，辅酶。一般与合成反应相偶联。,.,18,(2)黄素核苷酸(FMN和FAD)维生素B2(核黄素)的衍生物各种黄素酶(氨基酸氧化酶、琥珀酸脱氢酶等)的辅助因子FMN：黄素单核苷酸FAD：黄素腺嘌呤二核苷酸FMN和FAD的主要作用是传递氢。,.,19,(3)铁卟啉铁卟啉是一些氧化酶（如过氧化氢酶、过氧化物酶等）的辅助因子。它通过共价键与酶蛋白牢固结合。(4)硫辛酸硫辛酸全称为6,8-二硫辛酸。它在氧化还原酶的催化作用中，通过氧化型和还原型的互相转变而起传递氢的作用。(5)核苷三磷酸(NTP)腺嘌呤核苷三磷酸(ATP)、鸟苷三磷酸(CTP)、胞苷三磷酸(CTP)、尿苷三磷酸(UTP)等。它们是磷酸转移酶的辅助因子。,.,20,(6)鸟苷鸟苷是含型IVS的自我剪接酶(R-酶)的辅助因子。(7)辅酶Q辅酶Q是一系列苯醌衍生物一些氧化还原酶的辅助因子。(8)谷胱甘肽(GSH)L-GluL-IleL-Gly三肽,.,21,(9)辅酶A（CoA）辅酶A是各种酰基化酶的辅酶，由一分子腺苷二磷酸、一分子泛酸和一分子巯基乙胺组成。(10)生物素生物素是维生素B的一种，又称维生素H生物素是羧化酶的辅助因子，在酶催化反应中，起CO2的渗入作用。,.,22,(11)硫胺素焦磷酸(TPP)即维生素B1，是酮酸脱羧酶的辅助因子。(12)磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺即维生素B6，是各种转氨酶的辅助因子。在酶催化氨基酸和酮酸的转氨过程中，维生素B6通过磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺的互相转变，起到氨基转移作用,.,23,第二节酶的化学结构,一、酶蛋白的化学结构即一级结构，是指蛋白质中的氨基酸按照特定的排列顺序通过肽键连接起来的多肽链结构。氨基酸的种类和数目氨基酸的排列次序二硫键的数目和位置肽链的数目等。每种蛋白质都由唯一而确定的遗传信息决定氨基酸序列一级结构决定蛋白质的高级结构,.,24,氨基酸：20种,AA的结构特点-AA；除Gly外都具有光学性(有D-和L-型两种光学异构体)。,结构通式:,.,25,-氨基酸,赖氨酸,.,26,L-型和D-型,丙氨酸,levorotatorydextrotatory,.,27,肽：一个氨基酸的-羧基和另一个氨基酸的-氨基脱水缩合而成的化合物。肽键（peptidebond）：一个氨基酸的-COOH和相邻的另一个氨基酸-NH2脱水所形成的共价键。,.,28,.,29,肽单位：,CN，半双键性（partialdouble-bondcharacter），不能旋转CC、NC，真正单键（puresinglebond），可以旋转,.,30,二硫键：2个Cys的巯基脱氢联结而成,肽链内二硫键,肽链间二硫键,.,31,牛胰核糖核酸酶一级结构,.,32,胰凝乳蛋白酶chymotrypsin,.,33,.,34,酶蛋白化学结构的测定,（1）酶蛋白的分离纯化（纯度97）沉淀、离心、电泳、层析等等（2）氨基酸种类和数目的确定蛋白质水解后用层析技术等分离鉴定。氨基酸自动分析仪,.,35,（3）肽链数目的确定通过末端分析等方法测定肽链的数目通过还原法打开二硫键在8mol/L尿素或6mol/L盐酸胍存在下，用过量的-巯基乙醇处理，使二硫键还原为巯基，然后用烷基化试剂保护生成的巯基，防止重新被氧化。（4）氨基酸顺序测定酶蛋白不完全水解各种小肽末端分析综合分析,.,36,末端分析,二硝基氟苯（FDNB）法（N-末端分析）,.,37,肼解法（C-末端分析）,.,38,二、酶RNA的化学结构,酶RNA的化学结构主要包括组成RNA的核苷酸种类、数目和排列顺序。4种核苷酸：AMP，GMP，CMP，UMP3-5磷酸二酯键连接,.,39,酶RNA化学结构的测定核酸自动测序仪,.,40,高通量测序（High-throughputsequencing）又称“下一代”测序技术（“Next-generation”sequencingtechnology），以能一次并行对几十万到几百万条DNA分子进行序列测定和一般读长较短等为标志。大规模平行签名测序（MassivelyParallelSignatureSequencing,MPSS)聚合酶克隆（PolonySequencing）454焦磷酸测序（454pyrosequencing）Illumina(Solexa)sequencingABISOLiDsequencing离子半导体测序（Ionsemiconductorsequencing）DNA纳米球测序（DNAnanoballsequencing）等。,.,41,.,42,传统方法:(1)酶RNA的分离纯化，得到较纯的RNA样品(2)将RNA水解成各种核苷酸，确定核苷酸的种类和数量(3)用特异性酶切法或双脱氧终止法进行RNA序列测定,.,43,第三节酶的空间结构,酶蛋白的空间结构：二、三、四级结构酶RNA的空间结构：二、三级结构,.,44,一、酶蛋白的空间结构,包括二级结构、三级结构、四级结构基本结构单位：螺旋、折叠、转角、卷曲等结构,.,45,1、酶蛋白的副键,（1）氢键:肽键中羰基的氧原子等与亚氨基、羟基、氨基等基团中氢原子联结成的副价键（2）盐键：蛋白质分子中氨基与羧基形成，结合力较强,.,46,（3）酯键：蛋白质分子中羧基与氨基酸上的羟基脱水而缩合而成（4）二硫键：由蛋白质分子上两个半胱氨酸残基上巯基通过氧化脱氢而成，对蛋白质稳定性起重要作用,R1SSR2,.,47,（5）疏水键：蛋白质分子中疏水性较强的侧链基团聚集而成，对稳定蛋白有一定作用；,.,48,（6）范德华力：借助静电引力而形成，键能较小（7）金属键：通过金属离子与蛋白质中基团联结而成，维持蛋白质空间构型有一定作用，在四级结构中联结亚基。,CopperchaperoneproteinPcoC,铜伴侣蛋白,.,49,2、酶蛋白的二级结构,主要指多肽键主链原子的局部空间排列，一般不考虑侧链的构象。包括：-螺旋结构-片层结构-转角结构无规卷曲,.,50,（1）-螺旋结构,-螺旋结构是由蛋白质的肽链环绕中心轴有规则一圈一圈盘旋而成。右手螺旋（-helix）,螺距为0.54nm,含3.6个AA残基两个AA之间的距离为0.15nm；AA残基侧链伸向外侧，相邻的螺圈之间形成链内氢键；主要靠氢键维持,.,51,-螺旋有左旋和右旋两种，右旋比左旋更加稳定，因此也更常见。,.,52,（2）-片层结构(pleatedsheet),又称-折叠，是两条或多条肽链充分伸展成锯齿状的折叠结构，通过侧向聚集，形成与肽链长轴方向平行的折扇状构象。,肽链几乎完全伸展，通过链间的氢键交联维持结构；肽链的主链呈锯齿状折叠构象，R基团处于折叠平面的两侧。,.,53,平行式,反平行式,.,54,（3）-转角结构（turn）,又称转弯或发卡结构，是在球蛋白中发现。,球状蛋白的多肽链经常出现180的回折，这个回折角就是转角结构；它由四个AA残基组成;回折处的第一个AA残基的-C=O和第四个AA残基的N-H之间形成氢键，形成一个不很稳定的环状结。-转角结构中常出现的AA有Gly、Pro、Asp、Asn、Trp等,.,55,.,56,（4）无规卷曲（nonregularcoil）,又称自由回转（randomcoil)，是肽链的主链不规则、多向性地随机盘曲所形成构象。,.,57,在同一种蛋白质中，无规卷曲出现的部位和结构完全相同（有规律）不同蛋白质中或同一蛋白中不同肽段中，无规卷曲形式多样（无规律）通常酶的活性中心常处在这一构象区域里。,.,58,3、超二级结构和结构域,超二级结构(supersecondarystructure，Motif)：是指若干相邻的二级结构中的构象单元彼此相互作用，形成有规则的，在空间上能辨认的二级结构组合体。，。,.,59,超二级结构,-花式,-loop-花式,-loop-花式,.,60,结构域（domain）：是在超二级结构基础上进一步卷曲折叠成紧密的近似球状的结构，在空间上彼此分隔，各自具有部分生物功能的结构。,.,61,由4个组成的/桶结构域,/桶结构域：丙酮酸激酶,小的蛋白质分子只有一个结构域结构域三级结构大的蛋白质分子有数个结构域,.,62,丙酮酸激酶,己糖激酶,前清蛋白,肌红蛋白,免疫球蛋白,.,63,4、三级结构（TertiaryStructure）,在二级结构基础上，肽链不同区段的侧链基团相互作用，进一步盘绕、折叠形成的的空间结构。不考虑亚基和分子间的互相关系作用力主要有：氢键、疏水键、离子键、范德华力和二硫键等。,.,64,多肽链,疏水键,氢键,二硫键,离子键,CH2OH,CH2OH,范德华力,维持三级结构的作用力,.,65,蛋白质三级结构的特征,（1）三级结构是具有二级结构的肽链盘绕折叠形成的三维球状结构。（2）分子中的非极性基团集中在分子内部，形成酶分子的骨架，称为疏水核；而极性基团相对集中于酶分子表面，形成亲水区。（3）酶分子表面往往有一个内陷的凹槽，又称为裂隙，酶分子的活性中心就在其中。由一个具有三级结构的酶蛋白组成的酶分子称为单体酶（monomericenzyme）。一般由一条肽链组成，也可由多条肽链组成。,.,66,.,67,人类他克莫司结合蛋白三级结构,CrystalstructureofHomo.sapiensFKBP12tertiarystructure,人类他克莫司结合蛋白三级结构,.,68,胰凝乳蛋白酶,241个AA3条肽链,.,69,5、四级结构（QuaternaryStructure）,由两条或两条以上具有三级结构的肽链聚合而成的特定构象的蛋白质分子叫蛋白质的四级结构；其中具有独立三级结构的一条肽链叫亚基（subunit)，无生物功能；由几个亚基聚集而成的蛋白质常常称为寡聚蛋白。四级结构指寡聚蛋白中亚基的种类、数目、各亚基的空间排布及其相互作用等。,.,70,寡聚蛋白中亚基数目相差很大过氧化氢酶4个亚基大肠杆菌天冬氨酸转氨甲酰酶12个亚基四级结构的稳定性主要靠亚基之间的疏水键维持,.,71,由2种亚基（、）各2个缔合而成，亚基呈球形亚基两两相同，分别为1、2、1、2每个亚基都含有一个血红素辅基,血红蛋白hemoglobin,.,72,氨基酸序列大不相同，但结构（三级）相似，功能也相似（载氧）结构决定功能。,.,73,.,74,.,75,二、酶RNA的空间结构,1、酶RNA的二级结构指单链酶RNA分子的自身回折、链内互补碱基配对形成的局部双螺旋区及非配对顺序形成的突环之间的空间排布。双螺旋由RNA中互补碱基配对而成，至少含46个对碱基，占碱基数量的40%-70%。互补碱基对通常是G-C，A-U，G-U,.,76,突环：由不互补配对的碱基组成发夹环（hairpinloop）膨胀环（expansionloop）内环（internalloop）多分枝环（multibranchingloop）,hairpinloop,expansionloop,internalloop,multibranchingloop,.,77,H：hairpinloopI：internalloopB：bulgeloop(expansionloop)M:multibranchingloop,.,78,(1)锤头结构（hammerheadstructure）,11个保守碱基3个双螺旋区,Cleavagesite,.,79,(2)发卡结构（hairpinstructure）,50个左右核苷酸4个双螺旋5个突环两个结构域（螺旋-突环-螺旋）,.,80,(3)多分枝环结构(multibranchingloop),ThesequenceandsecondarystructureoftheVS(Varkudsatellite)ribozyme.,底物,剪切位点,A730loop,animportantcomponentoftheactivesiteoftheribozyme.,活性中心,.,81,.,82,2、酶RNA的三级结构,酶RNA的三级结构是在二级结构的基础上，进一步盘绕折叠而成的三维结构。分成多个结构域，每个结构域又由多个螺旋和突环盘绕折叠而成。,.,83,StructureoftheTetrahymenaRibozyme.(A)Thesecondarystructureofthecrystallizedribozyme.(B)RIBBONSdiagramofthecrystalstructureoftheribozymeBmolecule,.,84,TetrahymenaGroupIintronsecondaryandtertiarystructures,.,85,第四节酶的活性中心,酶分子具有催化活性的特殊部位称为酶的活性部位（activesite)或活性中心（activecenter）。,.,86,一、酶活性中心上的氨基酸残基,酶的分子中存在着许多功能基团，例如，-NH2、-COOH、-SH、-OH等，但并不是这些基团都与酶活性有关。构成酶活性中心的只有少数几个氨基酸残基。,.,87,.,88,.,89,胰凝乳蛋白酶chymotrypsin,.,90,Asp102,His57,Ser195,Asp194,Gly193,Ile16,+NH3,CatalyticTriad,TheNH+3ofIle-16andtheCOO-ofAsp-194formanionpairwhenchymotrypsinogenisactivated.,.,91,2酶分子中的氨基酸残基,(1)接触残基(contactresidues):这类残基直接与底物接触，参与底物的化学转变。这类残基的侧链中起与底物结合作用的基团称为结合基团；起催化作用的基团称为催化基团。有时结合基团也参与催化作用，很难绝对区分。(2)辅助残基(auxiliaryresidues)：这类残基不与底物直接接触，而是在使酶与底物结合及协助接触残基发挥作用方面起一定作用。接触残基和辅助残基构成酶的活性中心。(3)结构残基(structureresidues)：这类残基在维持酶分子的完整空间结构并使之形成特定的空间构象方面起重要作用。与酶活性密切相关，但不在酶活性中心范围之内，属于酶活性中心外的必需范围。接触残基、辅助残基和结构残基三类残基统称为酶的必需基团，若被其它氨基酸残基取代，则往往造成酶失活。(4)非贡献残基(non-contributingresidues):除了上述三类酶的必需基团外，酶分子上其余的氨基酸残基都可称为非贡献残基或非必需基团。,.,92,酶分子中的氨基酸残基（1960年，Koshland）,（1）接触残基（contactingresidues）直接与底物相接触，并参与底物的化学转变。与底物结合的基团称为结合基团；起催化作用的基团称为催化基团。（2）辅助残基（auxiliaryresidues）不直接参与催化作用，在酶与底物结合的过程中起作用。接触残基和辅助残基构成酶的活性中心。（3）结构残基（structureresidues）又称为贡献残基（contributingresidues），维持酶蛋白分子的完整极其规则的空间构象（4）非贡献残基（non-contributingresidues），对酶的结构和功能无明显作用,.,93,底物,活性中心以外的必需基团,结合基团,催化基团,活性中心,.,94,.,95,R酶活性中心,酶RNA的某一段核苷酸序列。L-19IVS活性中心由第2227位的六个核苷酸序列：5GGAGGG3只要将其中的碱基置换一个，就可以使其底物专一性发生改变,.,96,I类内含子的酶学特性四膜虫L-19IVS的体外催化活性,Interveningsequencelacking19nucleotide缺少19个核苷酸的居间序列1986年女科学家Grabowski,P.J.发现L-19可以催化5聚胞苷（5XpC）聚合为多聚胞苷。,.,97,L-19IVS催化RNA寡核苷酸链延长,.,98,.,99,二、接触残基附近肽链的一级结构,有些酶的催化机制非常相似，在分类中列为一小类。相同的接触残基催化基团在接触残基附近的肽链一级结构也几乎完全相同酶活性中心在种系进化上存在严格的保守性,.,100,一些丝氨酸蛋白酶活性中心丝氨酸附近的肽链组成,.,101,一些半胱氨酸蛋白酶活性中心的半胱氨酸残基附近的氨基酸顺序,.,102,第五节酶的结构与催化特性的关系,一、酶的一级结构与催化特性的关系酶的一级结构是酶的基本化学结构，决定了酶的空间结构、生物学活性酶的一级结构的改变包括酶分子主链的断裂和连接，酶分子组成氨基酸的改变，都可能对酶的催化特性产生影响,.,103,1、主链断裂的位置远离活性中心，切去部分非贡献残基，一级结构的变化对酶活性几乎没有影响牛核糖核酸酶RNase（124aa）C末端3aaM1RNA（377nt）3end122nt,.,104,2、主链断裂的位置靠近活性中心，切去部分接触残基、辅助残基，引起酶活性丧失牛核糖核酸酶RNase（124aa）C末端4aaM1RNA（377nt）5end70nt,.,105,3、对酶的前体或酶原，酶主链特定位置断裂，显示出酶的催化活性(1)胰蛋白酶原（无活性）胰蛋白酶（有活性）,.,106,(2)胰凝乳蛋白酶原,.,107,2.胰凝乳蛋白酶原的激活p.50,245aa5对二硫键断裂：Arg15与Ile16、Leu13与Ser14、Tyr146与Thr147、Asn148与Ala149切除2个二肽：Ser14-Arg15、Thr147-Asp148,.,108,(2)胰凝乳蛋白酶原活化,245aa5对二硫键断裂：Arg15与Ile16、Leu13与Ser14、Tyr146与Thr147、Asn148与Ala149切除2个二肽：Ser14-Arg15、Thr147-Asp148,113164258122136146149168182191201221245,11315,164258122136146149168182191201221245,113,164258122136146,149168182191201221245,Trypsin,-Chymotrypsin(active),-Chymotrypsinrypsin,Twodipeptides,Achain,Bchain,Cchain,-Chymotrypsinrypsin,Chymotrypsinogen(inactive),His57,Asp102,Ser195,.,109,5,5,5,3,3,3,Upstreamexon,Downstreamexon,Intron,G,OH,G,OH,+,G,414,399,394,5,3,5,3,L19RNA,Splicedexons,四膜虫RNA的自我剪接,(3)L-19IVS形成,多功能酶：水解RNA、转核苷酸作用、转磷酸基作用,.,110,二、酶的二、三级结构与催化功能的关系,完整的二、三级结构对维持酶的活性中心的空间构象至关重要。酶的二、三级结构破坏将使酶的催化活性丧失。,例如:牛胰核糖核酸酶RNaseA124aa,活性中心：His12和His119切开N端120aa(S)肽C端104aa(S)蛋白无活性混合1：1，恢复活性,.,111,.,112,核糖核酸酶变性与复性作用,Nativeribonuclease,Denativereducedribonuclease,Nativeribonuclease,变性,复性,.,113,三、酶的四级结构与催化功能的关系1有些四级结构酶仅仅具有催化作用（没有调节部位）多催化部位寡聚酶多酶复合体2别构酶：具有催化和调节两种作用。别构酶四级结构受到破坏时，有些催化亚基仍然可以保持酶的催化活性，但失去其调节功能，因为分开的调节亚基不再具有调节功能，只有四级结构完整时，调节亚基才能发挥调节作用。,.,114,三、酶的四级结构与催化功能的关系,酶的四级结构是由多个亚基联结而成的催化作用调节作用四级结构破坏，功能和特性发生变化,.,115