兰大分子课件

Chapter8.酶的作用机制和调节,酶催化反应的特性.影响酶催化效率的有关因素.酶活性的调节控制.酶催化反应机制实例酶活性部位的特点和研究方法.同功酶.,8.1酶的活性部位8.1.1酶活性部位的特点酶的活性部位是指参与催化的特异的氨基酸比较集中的区域，又叫做酶的活性中心。活性部位又可以分为结合部位与催化部位。结合部位负责酶与底物的结合，决定酶的专一性。催化部位负责催化底物的键的断裂和新键的形成，决定酶的催化能力。对于含有辅酶的酶，辅酶分子或其一部分往往也是酶活性部位的组成部分。,酶的活性部位有以下的共同特点：活性部位在酶分子中只占相当小的部分，通常只占酶分子体积的12%。酶分子的催化部位一般只有23个氨基酸组成，结合部位的残基数目因酶而异。酶的活性部位是一个三维实体。酶的活性部位和底物的结合是一个动态的诱导与相互契合的过程。(4)酶的活性部位位于酶分子表面的一个裂隙内。(5)底物通过次级键较弱的力结合到酶上。酶与底物结合成ES复合物主要靠各种次级键：氢键、盐键、范德华力和疏水相互作用。(6)酶活性部位具有柔性和可运动性。,8.1.2研究酶活性部位的方法酶分子侧链基团的化学修饰可以被修饰的化学基团有：-SH、-OH、嘧唑基、-NH2、-COOH和胍基。化学修饰法有一定的缺陷。为了保证化学修饰法的可靠性，通常要结合酶的底物或竞争性抑制剂存在时酶的催化活性的变化来确认。化学修饰法通常有以下的内容：(1)非特异性共价修饰。共价修饰酶的侧链的化学修饰剂不能够特异性地只是与酶的活性基团发生作用。鉴别是否与酶的活性基团作用的办法是：其一是酶活力的丧失程度与修饰剂的浓度呈一定的比例关系，即修饰剂的浓度与酶的活力丧失的速率常数成正比；其二是底物或与活性部位结合的可逆抑制剂可以保护共价修饰剂对酶的抑制作用。这不但可以肯定酶的必需基团，还可以确定此基团是否在酶的活性部位。,(2)特异性共价修饰。指某一种化学修饰剂专一地修饰酶活性部位的某一氨基酸残基，使酶失活。通过水解、分离标记的肽段，即可判断出被修饰的酶活性部位的氨基酸残基。DFP能专一性地与酶活性中心的Ser残基的-OH反应，使酶活力丧失。,(3)亲和标记(affinitylabeling)。亲和标记法是用一些与底物结构相似的共价修饰剂专一性地修饰酶的活性中心。亲和修饰剂有两个特点：其一是亲和标记试剂可以专一性地引入酶的活性中心，接近底物结合位点；其二是亲和标记试剂具有活泼的化学基团可以与活性部位的某一基团结合形成稳定的共价键。,动力学参数法。不同的氨基酸侧链有不同的解离常数，通过测定参与反应有关的氨基酸的解离常数，就可以推断出活性中心氨基酸的种类。X-ray晶体结构分析法通过X-射线晶体结构分析可以解析酶分子的三维结构，有助于了解酶活性部位的氨基酸残基所处的相对位置与实际状态，以及与活性部位有关的其它基团。4.定点诱变法可以利用定点诱变技术，改变编码蛋白质基因的DNA顺序，研究酶活性部位的必需氨基酸。,8.2酶催化反应的独特性质酶反应可分成两类：一类反应仅仅涉及电子的转移，这类反应的速率或转换数在108s-1数量级；另一类反应涉及到电子和质子两者或者其它基团的转移，它们的速率在103s-1数量级。大部分反应属第二类。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。酶催化反应的最适pH值范围通常是狭小的。与底物相比较，酶分子通常都很大，而活性部位通常只比底物稍大一些。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，使酶催化反应进行的更加有利，并使得更复杂的多底物反应按一定途径进行。酶的复杂的折叠结构使得这些作用成为可能。,酶具有4个主要的有利条件：在活性部位存在一个以上的活性催化基团，所以能进行协同催化。存在有结合部位，所以底物分子可以以反应中固有的方位结合在活性部位附近。在包含有两个或两个以上的底物分子参加反应的情况下，存在着一个以上的底物分子结合部位。有时，底物以某种方式被结合到酶分子上，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。,8.3影响酶催化效率的因素一、底物与酶的邻近效应(approximation,proximity)与定向效应(orientation)酶与底物复合物的形成是一个专一性的识别过程，更重要的是分子间的反应变为分子内反应的过程。邻近效应是指酶与底物形成复合物以后，使相互反应的底物与底物之间，酶的催化基团与底物之间结合于同一分子而使得有效浓度得以极大地升高，从而使反应速率大大增加的一种效应。,定向反应是指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。,酶促反应由于使得参与反应的作用集团相互接近并能够正确定位，从而大大促进了酶的催化效率。,二、底物的形变(distortion)和诱导契合(inducedfit),酶遇到某一专一性的底物时，酶中的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发生变化，产生电子张力，使得敏感键的一端更加敏感，底物分子发生形变，这样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。,三、酸碱催化(acid-basecatalysis)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。在水溶液中通过高反应性的质子，和氢氧根离子进行的催化反应称为专一的酸碱催化(speificacid-basecatalysis)或狭义的酸碱催化。通过氢质子和氢氧根离子以及能够提供氢质子及氢氧根离子的供体进行的催化称为广义的酸碱催化或总酸碱催化(generalacid-basecatalysis)。,专一的酸碱催化的表观速率常数Kobs仅依赖于溶液的pH而不受缓冲溶液的影响；总酸碱催化的表观解离常数Kobs除依赖于pH外，还与缓冲溶液的浓度成正比。,影响酸碱催化的因素有两个，酸碱的强度及质子传递的速率。,上式为Brnsted催化作用定律。和是Brnsted系数，衡量酸碱强度对反应的灵敏度指标。,四、共价催化(covalentcatalysis)共价催化又称为亲核催化或亲电催化，即亲核催化剂或亲电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。,五、金属离子催化1.需要金属的酶的分类金属酶(metalloenzyme)：含紧密结合的金属离子，多属于过渡态金属离子，如：Fe2+,Fe3+,Cu2+,Cu+,Zn2+,Mn2+,Co2+。金属激活酶(metal-activatedenzyme)：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+,Ca2+。,2.金属离子参加催化过程的3种途径通过结合底物为反应定向；通过可逆地改变金属离子的氧化态调节氧化还原反应；通过静电稳定或屏蔽负电荷。,六、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作用。多元催化协同作用的结果，是酶反应加速的一个因素。七、活性部位微环境的影响活性部位位于疏水环境的裂缝中。疏水的微环境大大有利于酶的催化作用。,8.4酶催化反应机制实例溶菌酶与丝氨酸蛋白酶一、溶菌酶(lysozyme)溶菌酶存在于鸡蛋清及动物的眼泪中，能催化某些细菌细胞壁多糖的水解，从而溶解这些细菌的细胞壁。细菌细胞壁多糖是N-乙酰氨基葡糖(NAG)N-乙酰氨基葡糖乳酸(NAM)的共聚物，其中的NAG及NAM通过-1,4糖苷键交替排列。溶菌酶是一个单肽链的蛋白质，是一种葡糖苷酶，能催化水解NAM的C1与NAG的C4之间的糖苷键，仅由NAG残基通过-1,4糖苷键连接而成的几丁质也是其底物。,溶菌酶是一个单肽链的蛋白质,由129个氨基酸残基组成。,NAG多聚体的实验推断出溶菌酶活性部位正好被6个糖残基所装满。用NAG三聚体(ACTase的竞争性抑制剂)的实验推断出酶的催化位点在6个糖残基的D、E环之间。,溶菌酶分子呈椭球状，构象复杂，-螺旋占25。,Philipsetal.用X-ray分析得到溶菌酶的三维结构：溶菌酶的活性部位在酶表面的一个较深的裂缝中，其大小恰好能容纳6个单糖。因此酶的最小底物应该是(NAG)6。用A、B、C、D、E和F表示6个糖残基的位置。第4个糖残基D环因空间的原因由正常的椅式构象变形为能量较高的半椅式构象。,溶菌酶活性中心的两个酸性氨基酸所处的环境不同，Asp处于极性环境中，呈解离状态，Glu在非极性环境中，为非解离状态。,Philips等人提出了溶菌酶的催化作用机制：Glu35的COOH提供一个H+到D环与E环间的糖苷键上。H+的转移使D环的C1键与糖苷键O原子间的键断开，并形成碳正离子过渡态中间物。含有E及F残基的NAG二聚体离开酶分子。正碳离子中间体进一步与来自溶剂的OH-发生反应。Glu35质子化,由A、B、C和D残基组成的NAG四聚体通过扩散离开酶分子，然后溶菌酶为新的一轮催化过程做好了准备。,溶菌酶的催化机制的关键要素是：广义的酸碱催化，Glu35以酸的形式提供质子，它和糖苷键氧原子的距离为0.3nm，正是合适的作用距离。正碳离子中间体的形成与稳定，一方面由于Asp52带有负电荷的羧基通过静电相互作用稳定D环中C1的正电荷；另一方面由于D环的变形，由椅式构象变为半椅式，使D环上C1、C2、C5和O都在一个平面上，氧原子的负电性可以使得正碳离子稳定。因此可以说，在结合底物时，酶迫使底物采取了接近于过渡态的构象。,二、丝氨酸蛋白酶(serineproteases)丝氨酸蛋白酶是一类最有特色的酶家族，包含有胰蛋白酶(trypsin)、胰凝乳蛋白酶(chymotrypsin)、弹性蛋白酶(elastase)、凝血酶(thrmbin)、枯草杆菌蛋白酶(subtilisin)、纤溶酶(plasmin)、组织纤溶酶原激活剂(tissueplasminogenactivator,tPA)和其它有关的酶类。1.消化作用的丝氨酸蛋白酶Trypsin,chymotrypsinandelastase的结构和作用机制相似，但是专一性明显不同。这三种酶具有相似的顺序。在胰凝乳蛋白酶中，3个残基His、Asp和Ser在活性部位能形成熟知的三联体(catalytictriad)。这三个残基在胰蛋白酶和弹性蛋白酶中也存在。酶活性部位位于酶分子表面的凹陷的小口袋中，可用于鉴别酶对于残基的专一性。,三种酶具有相近的分子质量、氨基酸组成以及三级结构,2.Chymotrypsin的动力学研究。,胰凝乳蛋白酶中的Ser-His-Asp催化三联体的构象.胰凝乳蛋白酶的催化反应依赖于Ser195的异常生理反应。,3.胰凝乳蛋白酶的催化三联体,4.丝氨酸蛋白酶的催化机制。,8.5酶活性的调节控制主要有别构调控、酶原激活和可逆性共价修饰三类。（浓度调节、激素调节、反馈抑制调节、抑制剂和激活剂的调节、别构调控、酶原激活、可逆性共价修饰和同工酶调节等）。8.5.1别构调控(allostericregulation)酶分子的非催化部位与某些化合物可逆地非共价结合后发生构象的改变，进而改变酶的活性状态，称为酶的别构调节(allosteriregulation).具有别构调节作用的酶就是别构酶(allostericenzyme)。凡能使酶分子发生别构效应的物质称为效应物(effector)，或别构剂，通常为小分子的代谢物或辅因子。导致酶活性增加的称为正效应物(positiveeffector)或别构激活剂；反之称为负效应物(negativeeffector)或别构抑制剂。,1.天冬氨酰转氨甲酰酶(aspartatetranscarbamylase,ATCase)ATCase是嘧啶核苷酸(CTP)生物合成多酶体系反应序列的第一个酶。其正常底物为天冬氨酸和氨甲酰磷酸。(1)嘧啶途径的终产物反馈抑制ATCase。CTP在不影响酶的最大反应速度的情况下，通过降低酶与底物的亲合力来抑制ATCase。抑制程度可达90%。,ATP是ATCase的激活剂，可增强酶与底物的亲和性，也不影响酶的Vmax。ATP与CTP相互竞争酶的调节部位，高水平的ATP可阻止CTP对酶的抑制作用。它们对酶的调节称为异促效应(非底物分子对酶的激活作用)。CTP和ATP对ATCase的调节具有两个方面的生理学意义:(1)ATP的信号激活作用；(2)CTP的反馈抑制作用。,(2)ATCase的结构：由催化亚基和调节亚基组成,大的亚基为催化亚基，有催化活性但不与ATP和CTP结合；小的是调节亚基，能与CTP和ATP结合但无催化活性。复合酶含两个催化亚基和三个调节亚基。(3)ATCase及其与双底物类似物PALA复合物的三级结构。,ATCase由2个c3部分和3个r2部分组成，其中的一半是c3r3。,原体,ATCase的活性部位可以氨甲酰基磷酸与Asp结合的过渡态类似物PALA(N-(膦乙酰基)-L-天冬氨酸)与酶的结合来研究。PALA是ATCase的强抑制剂。,(4)ATCase的别构作用通过四级结构的变化来转达ATCase与底物PALA的结合导致ATCase构象发生变化。(i)酶结合底物后膨胀；(ii)酶由T型变化为R型。ATCase的别构效应是在相当大的立体空间范围内起着调节活性的作用。底物的结合和CTP的反馈抑制是通过长距离而传递的。在ATCase中传递别构效应方面，不同多肽链之间的界面作为分子开关而起着关键作用。,(5)底物与ATCase的结合引起高度协同性的别构转变ATCase与硝基甲烷反应，它的每个催化链中都生成一种有颜色的硝基酪氨酸残基(max=430nm)。每个催化部位上的Lys残基也被修饰，阻断了酶与底物的结合。可以制备被标记了的非天然三聚体和天然三聚体的杂合体的ATCase。试验说明：底物与一个三聚体的结合会改变另一三聚体的结构。,(6)ATP和CTP通过改变T和R态之间的平衡来调节ATCase的活性。同样用ATCase的杂合体来观察T和R态之间的转换。ATP和琥珀酸都引起430nm光吸收的增加，而CTP却引起430nm吸收的降低。,2.3-磷酸甘油酸脱氢酶3-磷酸甘油酸脱氢酶是负协同性效应别构酶的代表，是糖分解代谢途径中的重要酶，与供能有关。,3-磷酸甘油酸脱氢酶具有4个亚基，可以和4个NAD+结合，但是结合常数不同。该酶只能结合两分子的NAD+，即此酶的结合位点只有一半能与NAD+起反应，叫做半位反应性(halfsitereactivity)。半位反应性是一种极端负协同效应。负协同别构酶的特点：在一定的浓度范围内，底物浓度的变化不足以影响酶反应的速率。,3.别构酶的特点(1)别构酶一般是寡聚酶，各个亚基之间通过次级键连接。在别构酶分子上同时有结合催化底物的活性部位，又有调节物(regulator)或效应物(effector)结合的调节部位，两种部位可能在一个亚基或不同的亚基上。每个酶分子上可以有一个以上的活性部位和调节部位，可以结合多个底物分子和调节分子。调节部位和活性部位虽然在空间上分离，但两个部位可以相互影响，通过构象的变化，产生协同效应。协同效应有正协同效应，也有负协同效应。,(2)别构酶的动力学正协同性的别构酶的动力学曲线是S形，表明：酶在结合一分子的底物或调解物后，酶的构象发生变化，并进而引起后续底物分子对酶的亲合力大大增加，促进酶与底物的结合；负协同性动力学曲线为表观双曲线，表示：在底物浓度较低的范围内酶活力上升很快，但随后底物浓度虽然有较大的提高，但反应速率升高却很小。负协同性使酶对于外界底物浓度的变化不敏感。正、负协同性都不符合米氏方程。,Koshland建议用协同指数来区分有无协同作用，是何种协同性以及协同的程度。协同指数(cooperativeindex,CI):指酶分子中的结合位点被底物饱和90%和10%时底物浓度的比值。又称为饱和比值(saturationratio,Rs)。,n:协同系数(Hill系数)。典型的米氏类型酶的Rs81。正协同效应：Rs81，Rs愈大，负协同性愈显著。Hill系数也可以判断酶的协同性程度：米氏方程，n=1；正协同性，n1；负协同性，n1。,(3)K型效应物和V型效应物。凡是改变底物的K0.5而不改变反应的Vmax的效应物称为K型效应物。凡是改变Vmax而不改变K0.5的效应物为V型效应物。,(4)别构酶经过加热或用化学试剂等处理，可引起别构酶的解离，失去调节活性，称为脱敏作用(desensitization)。脱敏后的酶表现为米氏酶的动力学双曲线。,4.别构模型(allostericmodels)(1)WMC(concertedorsymmetrymodel)，即协同模型或对称模型，是1965年Monod,WymanandChangeux用别构酶的构象改变来解释协同效应的最早的分子模式。按照该模型，正调节物(如底物)与负调节物浓度的比例决定别构酶究竟处于哪一种状态。WMC模型能较容易地解释正、负调节物的作用。WMC模型较不适宜解释负协同效应。但由底物调节的效应(正)最好使用该模型来解释。,(2)KNF模型,即序变模型(sequentialmodel)，1966年有Koshland,NemethlyandFilmer提出。是Adair模型(Hb与氧结合的模型)与诱导契合学说在别构酶研究上的一种发展。对于非底物调节的效应，用KNF模型说明较好。,8.5.2酶原激活体内合成的蛋白质有时不具有生物学活性,但经过蛋白水解酶的作用而失去一部分肽段后,其构象发生变化，变成有活性的蛋白质或酶，这个过程就是酶原激活的过程。酶原激活的特点是：酶由无活性状态到活性状态是不可逆的。酶原激活是生物体调节蛋白质或酶活性的重要手段之一，具有重要的生理学意义。把不具有生物学活性的蛋白质称为前体(precursor)，如果活性蛋白质是酶，该前体就称为酶原(proenzyme,zymogen)。,消化系统蛋白酶原的激活胰凝乳蛋白酶、弹性蛋白酶和羧肽酶都具有强大的水解蛋白的能力，在胰脏中，它们都是以酶原的形式产生的。胰脏中酶原的激活都要通过胰蛋白酶的作用。因此，胰蛋白酶是个关键。在胰脏中有丰富的胰蛋白酶抑制剂，抑制胰蛋白酶的活性。酶原在胰脏中提早活化是胰腺炎的特征。胰蛋白酶抑制剂可以治疗胰腺炎。,(1)胰凝乳蛋白酶原(chymotrypsinogen)的激活。,新的Ile16末端与酶分子内部的Asp194发生静电作用，使得胺基质子化并稳定了胰凝乳蛋白酶的活性形式。,(2)胃蛋白酶原(pepsinogen)的激活胃蛋白酶原由胃壁细胞分泌，在胃酸H+的作用下，低于pH5时，酶原自动激活，从氨基端失去44个氨基酸残基组成的碱性的前体片段后，转变为高度酸性的、有活性的胃蛋白酶。H+激活产生的胃蛋白酶还可以进一步去激活其它的胃蛋白酶原。X射线晶体衍射表明：胃蛋白酶的活性部位在胃蛋白酶原形式中就已经形成。胃蛋白酶的最适pH是2，其催化部位含有两个Asp残基。,(3)胰蛋白酶原(trypsinogen)的激活胰蛋白酶原由胰腺细胞分泌，进入小肠后在Ca2+环境中受到肠激酶(interokinase)的激活。,胰蛋白酶对各种胰脏蛋白酶原的激活作用,2.凝血机制,8.5.3酶的可逆性共价修饰(reversiblecovalentmodification)这种调控作用通过共价调节酶(covalentlymodulatedenzymes)进行。酶的可逆性共价修饰生理意义广泛，反应灵敏，节约能量，机制多样，在体内显得十分灵活，加之它们常受激素甚至于神经的调节，能导致级联放大反应。1.蛋白质的磷酸化蛋白质的磷酸化是指由蛋白激酶催化的把ATP或GTP位的磷酸基转移到底物蛋白质氨基酸上的过程，其逆过程是由蛋白磷酸酶催化，称为蛋白质的脱磷酸化。,在生理条件下，几乎所有的蛋白激酶都以ATP为磷酸基的供体，而且都需要Mg2+，Mg2+的功能是ATP被利用前首先要与Mg2+形成ATP-Mg2+的复合体。底物蛋白质被磷酸化的氨基酸有羟基氨基酸、酸性氨基酸和碱性氨基酸。但是最常见的氨基酸残基是丝氨酸和苏氨酸。底物蛋白质被磷酸化的氨基酸残基附近的氨基酸组成和顺序常常构成蛋白激酶辨认的特殊区域(共有序列)。