酶作用机制课件

1、酶作用机制1 七七 酶的作用机制和调节酶的作用机制和调节 酶作用机制2 （一）（一）. 酶的活性中心（酶的活性中心（active center） 1、活性中心的概念、活性中心的概念 酶分子中直接与酶分子中直接与底物底物结结 合，并和合，并和酶催化作用酶催化作用直直 接有关的区域叫酶的活接有关的区域叫酶的活 性中心（性中心（active center） 或活性部位（或活性部位（active site)。 酶作用机制3 酶作用机制4 酶作用机制5 催化部位催化部位( (Catalytic site): ): 酶分子中促使底物发生化酶分子中促使底物发生化 学变化的部位称为催化部学变化的部位称为催化部

2、 位。位。 l通常将酶的结合部位和催通常将酶的结合部位和催 化部位总称为酶的活性部化部位总称为酶的活性部 位或活性中心。位或活性中心。 l结合部位决定酶的专一性，结合部位决定酶的专一性， l催化部位决定酶所催化反催化部位决定酶所催化反 应的性质。应的性质。 酶作用机制6 一些酶活性中心的氨基酸残基一些酶活性中心的氨基酸残基 酶酶 残基总数残基总数 活性中心残基活性中心残基 牛胰核糖核酸酶牛胰核糖核酸酶 124 His12, His119, Lys41 溶菌酶溶菌酶 129 Asp52, Glu35 牛胰凝乳蛋白酶牛胰凝乳蛋白酶 245 His57, Asp102,Ser195 牛胰蛋白酶牛胰蛋

3、白酶 238 His46, Asp90, Ser183 木瓜蛋白酶木瓜蛋白酶 212 Cys25, His159 弹性蛋白酶弹性蛋白酶 240 His45, Asp93, Ser188 枯草杆菌蛋白酶枯草杆菌蛋白酶 275 His46, Ser221 碳酸酐酶碳酸酐酶 258 His93-Zn-His95 His117 酶作用机制7 酶作用机制8 调控部位调控部位(Regulatory site):(Regulatory site):酶分子中存在着酶分子中存在着 一些可以与其他分子发生某种程度的结合的部位，一些可以与其他分子发生某种程度的结合的部位， 从而引起酶分子空间构象的变化，对酶起激活或

4、从而引起酶分子空间构象的变化，对酶起激活或 抑制作用抑制作用 酶作用机制9 酶表现酶表现催化活性催化活性不可不可 缺少的基团。缺少的基团。 亲核性基团亲核性基团：丝氨酸：丝氨酸 的羟基，半胱氨酸的的羟基，半胱氨酸的 巯基和组氨酸的咪唑巯基和组氨酸的咪唑 基。基。 H2NCHC CH 2 OH O OH OH H2NCHC CH 2 OH O SH SH H2NCHC CH 2 OH O N NH N N H 2. 2. 酶活性中心的必需基团酶活性中心的必需基团 酶作用机制10 酸碱性基团酸碱性基团：天门：天门 冬氨酸和谷氨酸的羧冬氨酸和谷氨酸的羧 基，赖氨酸的氨基，基，赖氨酸的氨基， 酪氨酸的

5、酚羟基，组酪氨酸的酚羟基，组 氨酸的咪唑基和半胱氨酸的咪唑基和半胱 氨酸的巯基等。氨酸的巯基等。 H2NCHC CH2 OH O CH2 C OH O H2NCHC CH2 OH O C OH O COOH H2NCHC CH2 OH O CH2 CH2 CH2 NH2 NH2 H2NCHC CH2 OH O OH OH 酶作用机制11 结合基团结合基团-专一性专一性 活性中心内必需基团活性中心内必需基团 催化基团催化基团-催化能力催化能力 活性中心外必需基团活性中心外必需基团 酶作用机制12 活性中心内的必需基团活性中心内的必需基团 结合基团结合基团 binding group 催化基团催化

6、基团 (catalytic group) 催化底物转变成产物催化底物转变成产物 位于活性中心以外，维持酶活性中心应有位于活性中心以外，维持酶活性中心应有 的空间构象所必需。的空间构象所必需。 活性中心外的必需基团活性中心外的必需基团 酶作用机制13 3.酶活性中心的特点酶活性中心的特点 n占酶分子的极小部分占酶分子的极小部分 n酶活性部位是三维实酶活性部位是三维实 体体 n诱导契合诱导契合.构象改变构象改变 n酶活性部位位于酶分酶活性部位位于酶分 子的一个裂缝内子的一个裂缝内 n底物通过次级键与酶底物通过次级键与酶 结合结合 n活性部位具有柔性活性部位具有柔性 酶作用机制14 酶的高效催化的结

7、构 酶作用机制15 (二二)、酶高效性的作用机理、酶高效性的作用机理 1、底物和酶的邻近效应与定向效应、底物和酶的邻近效应与定向效应 2、底物的形变与诱导契合、底物的形变与诱导契合 3、酸碱催化、酸碱催化 4、共价催化、共价催化 5、活性中心金属离子、活性中心金属离子 6、活性部位微环境的影响、活性部位微环境的影响 酶作用机制16 1、底物和酶的邻近效应与定向效应、底物和酶的邻近效应与定向效应 n邻近效应邻近效应：酶与底物形成中间复合物后使底：酶与底物形成中间复合物后使底 物之间、酶的催化基团与底物之间相互靠近，物之间、酶的催化基团与底物之间相互靠近， 提高了反应基团的有效浓度。提高了反应基团

8、的有效浓度。 n定向效应定向效应：由于酶的构象作用，底物的反应：由于酶的构象作用，底物的反应 基团之间、酶与底物的反应基团之间正确取向基团之间、酶与底物的反应基团之间正确取向 的效应的效应. 酶作用机制17 咪唑催化对硝基苯酯的水解，分子内反应比分子间反应快 24倍。 酶作用机制18 邻羟基苯丙酸内脂的形成反应，两个甲基使羧基和羟基更 好的定向，使反应速率提高2.51011 酶作用机制19 酶把底物分子从溶液酶把底物分子从溶液 中富集出来，使它们中富集出来，使它们 固定在活性中心附近，固定在活性中心附近， 反应基团相互邻近，反应基团相互邻近， 同时使反应基团的分同时使反应基团的分 子轨道以正确

9、方位相子轨道以正确方位相 互交叠，反应易于发互交叠，反应易于发 生。生。 酶作用机制20 2、底物的形变与诱导契合、底物的形变与诱导契合 酶与底物相互接近，结构相酶与底物相互接近，结构相 互诱导、相互变形，进而相互诱导、相互变形，进而相 互结合互结合 酶的构象改变有利于与底物酶的构象改变有利于与底物 的结合的结合 底物在酶的诱导下发生变形，底物在酶的诱导下发生变形， 处于过渡态，易受到催化基处于过渡态，易受到催化基 团的攻击团的攻击 酶作用机制21 脯氨酸消旋酶的过渡态类似物与酶的亲和力远大于其底 物，说明酶可以引起底物的形变。 小牛小肠腺苷脱氨酶的过渡态类似物与酶的亲和力远 大于其底物，说明

10、酶可以引起底物的形变。 酶作用机制22 3、酸碱催化 酸碱催化是通过瞬时向反应物提供或接受质子以稳定过渡态， 加速反应的一种催化机制。 酶作用机制23 酶作用机制24 影响酸碱催化反应速度的因素影响酸碱催化反应速度的因素 n酸碱强度酸碱强度(pK值）值） 组氨酸咪唑基的解离常数为组氨酸咪唑基的解离常数为6，在，在pH6附近给附近给 出质子和结合质子能力相同，是最活泼的催化出质子和结合质子能力相同，是最活泼的催化 基团。基团。 n给出质子或结合质子的速度。咪唑基最快，给出质子或结合质子的速度。咪唑基最快， 半寿期小于半寿期小于10-10秒。秒。 酶作用机制25 4、共价催化、共价催化 n酶部分残

11、基侧链作为亲核基团或亲电基团，与酶部分残基侧链作为亲核基团或亲电基团，与 底物形成一个反应活性很高的共价中间物。底物形成一个反应活性很高的共价中间物。 n酶亲核基团：酶亲核基团： Ser-OH，Cys-SH，His-N： n底物亲电中心：底物亲电中心： 磷酰基（磷酰基（P=O）酰基（）酰基（C=O） 糖基（糖基（Glu-C-OH） 酶作用机制26 酶的亲核中心X未成键电子对进攻底物的亲电中心， 形成共价结合，迅速形成不稳定的中间复合物，降 低反应活化能，促进产物生成。 酶作用机制27 5、活性中心金属离子的催化作用、活性中心金属离子的催化作用 n金属酶（金属酶（metalloenzyme):含

12、紧密结合的金属离子含紧密结合的金属离子 Fe2+、Cu2+、Zn2+、Mn2+、Co3+ n金属金属-激活酶（激活酶（metal-activated enzyme):含松散含松散 结合的金属离子结合的金属离子 Na+、K+、Mg2+、Ca2+ （1）通过结合底物为反应定向）通过结合底物为反应定向 （2）通过自身价数的改变参加氧化还原反应）通过自身价数的改变参加氧化还原反应 （3）屏蔽底物或酶活性中心的负电荷）屏蔽底物或酶活性中心的负电荷 酶作用机制28 n多个基元催化反应结合催化 6、多元催化和协同效应、多元催化和协同效应 酶作用机制29 7、活性中心的微环境、活性中心的微环境 酶的活性中心周

13、酶的活性中心周 围的环境是一围的环境是一 个个非极性非极性环境，环境， 即低介电环境，即低介电环境， 在低的介电环在低的介电环 境中排斥水分境中排斥水分 子，酶催化基子，酶催化基 团和底物分子团和底物分子 的敏感键之间的敏感键之间 有很大的反应有很大的反应 力，有助于加力，有助于加 速酶促反应。速酶促反应。 酶作用机制30 八酶催化反应机制的实例八酶催化反应机制的实例 n溶菌酶溶菌酶(Lysozyme) 1922年年Fleming在鼻黏液中发现一种具有溶解细菌能在鼻黏液中发现一种具有溶解细菌能 力的酶，定名为溶菌酶。随后又在鸡蛋清中发现了这力的酶，定名为溶菌酶。随后又在鸡蛋清中发现了这 种酶，

14、是自然界分布很广的一种酶。种酶，是自然界分布很广的一种酶。溶菌酶是第一个溶菌酶是第一个 用用X-X-射线法阐明其全部结构和功能的酶。射线法阐明其全部结构和功能的酶。 酶作用机制31 （）（）.溶菌酶的结构溶菌酶的结构 溶菌酶相对分子量，溶菌酶相对分子量， 由个氨基酸残基所组由个氨基酸残基所组 成成四对二硫键。活性中心的氨基四对二硫键。活性中心的氨基 酸残基是酸残基是Glu35Glu35和和Asp52 Asp52 。 酶活性中心的酶活性中心的GluGlu35 35处于非 处于非 极性区，其羧基呈不解离状态，极性区，其羧基呈不解离状态， 而而AspAsp52 52处于极性区，羧基呈解 处于极性区，

15、羧基呈解 离状态。离状态。 酶作用机制32 （）溶菌酶的底物 N-乙酰氨基葡萄糖 (NAGNAG) N-乙酰氨基葡萄糖乳酸(NAMNAM) 酶作用机制33 NAGNAG和和NAMNAM交替排列形成多交替排列形成多 聚物，它们之间通过聚物，它们之间通过-1,4-1,4 糖苷键相连。溶菌酶的最适糖苷键相连。溶菌酶的最适 小分子底物为小分子底物为NAG-NAMNAG-NAM交替形交替形 成的六糖。成的六糖。 酶作用机制34 （）溶菌酶与底物（）溶菌酶与底物 复合物复合物 大多数大多数极性氨基酸极性氨基酸残残 基分布在分子的表面，基分布在分子的表面， 非极性氨基酸非极性氨基酸残基分残基分 布在分子的内

16、部。布在分子的内部。 GluGlu35 35和 和AspAsp52 52 是活性中 是活性中 心的氨基酸残基。心的氨基酸残基。 酶作用机制35 底物底物D D糖环构象发生变化糖环构象发生变化 C3 C4 C5 C2 C1 O C3 C4 C5 C2 C1 O 溶菌酶底物D糖环变形模型图 椅式：椅式：C5、C1、C2 和和 O不在同一平面不在同一平面 C3 C4 C5 C2 C1 O C5向前移动，向前移动， O原子向后移动原子向后移动 半椅式：半椅式：C5、C1、C2 和和 O在同一平面上在同一平面上 酶作用机制36 溶菌酶的活性中溶菌酶的活性中 心的氨基酸残基心的氨基酸残基 与底物敏感键既与

17、底物敏感键既 靠近又定向。靠近又定向。 酶作用机制37 a.a.GluGlu35 35的羧基向底物 的羧基向底物D D糖环和糖环和E E糖环之间的糖苷键上的氧糖环之间的糖苷键上的氧 原子提供一个质子，氧原子与原子提供一个质子，氧原子与D D糖环糖环C C1 1的糖苷键断开，的糖苷键断开， b b.D.D糖环的糖环的C C1 1 带上正电荷成为带上正电荷成为正碳离子正碳离子。AspAsp52 52上的 上的-COO-COO- - 起着协调糖苷键断裂和稳定正碳离子的作用。起着协调糖苷键断裂和稳定正碳离子的作用。 酶作用机制38 最后，来自环境中的水分子上的最后，来自环境中的水分子上的H H+ +与

18、与GluGlu35 35的 的- - COOCOO- -结合，水分子上的结合，水分子上的HOHO- -与正碳离子结合，至此，与正碳离子结合，至此， 一次反应完成，细胞壁打开一个缺口。经多次重一次反应完成，细胞壁打开一个缺口。经多次重 复作用，细菌的细胞壁溶解。复作用，细菌的细胞壁溶解。 酶作用机制39 （）溶菌酶的作用机制（）溶菌酶的作用机制 靠近与定向靠近与定向 底物形变底物形变 酸碱催化酸碱催化 酶作用机制40 九、酶活性的调节控制和调节酶九、酶活性的调节控制和调节酶 n1、别构效应的调控别构效应的调控 n2、酶原的激活、酶原的激活 n3、共价调节、共价调节 调节对象：关键酶调节对象：关键

19、酶 调节方式：调节酶浓度调节方式：调节酶浓度 调节酶活性调节酶活性 酶作用机制41 一般位于代谢途径的起始或分支处；一般位于代谢途径的起始或分支处； 催化单向不可逆反应；催化单向不可逆反应； 活性较低，活性最低者又称为限速酶；活性较低，活性最低者又称为限速酶； 是可调节酶。是可调节酶。 关键酶（关键酶（Key enzyme)Key enzyme) 可以通过改变其催化活性而使整个代谢反可以通过改变其催化活性而使整个代谢反 应的速度或方向发生改变的酶，称为应的速度或方向发生改变的酶，称为限速限速 酶酶或或关键酶关键酶。 酶作用机制42 1、别构调控与别构酶、别构调控与别构酶 n别构酶又称为变构酶，

20、指酶分子的非催化部位与某别构酶又称为变构酶，指酶分子的非催化部位与某 些化合物可逆地非共价结合后，引起酶的构象的改些化合物可逆地非共价结合后，引起酶的构象的改 变，进而改变酶的活性状态，酶的这种调节作用称变，进而改变酶的活性状态，酶的这种调节作用称 为别构调节为别构调节 (allosteric regulation)。 n具有变构调节的酶称别构酶具有变构调节的酶称别构酶(allosteric enzyme)。 n凡能使酶分子发生别构作用的物质称为别构剂凡能使酶分子发生别构作用的物质称为别构剂 (effector)。 （1）概念）概念 酶作用机制43 (2)别构酶别构酶 n别构酶一般是多亚基构成

21、别构酶一般是多亚基构成 的聚合体，一些亚基为催的聚合体，一些亚基为催 化亚基，另一些亚基为调化亚基，另一些亚基为调 节亚基。节亚基。 n当调节亚基或调节部位与当调节亚基或调节部位与 变构剂结合后，就可导致变构剂结合后，就可导致 酶的空间构象发生改变，酶的空间构象发生改变， 从而导致酶的催化活性中从而导致酶的催化活性中 心的构象发生改变而致酶心的构象发生改变而致酶 活性的改变。活性的改变。 酶作用机制44 (3)协同效应协同效应 n当变构酶的一个亚基与其配体（底物或变构剂）当变构酶的一个亚基与其配体（底物或变构剂） 结合后，能够通过改变相邻亚基的构象而使其对结合后，能够通过改变相邻亚基的构象而使

22、其对 配体的亲和力发生改变，这种效应就称为变构酶配体的亲和力发生改变，这种效应就称为变构酶 的的协同效应协同效应。 n如果对相邻亚基的影响是导致其对配体的亲和力如果对相邻亚基的影响是导致其对配体的亲和力 增加，则称为增加，则称为正协同效应正协同效应；反之，则称为；反之，则称为负协同负协同 效应效应。 酶作用机制45 (4)别构酶的结构特点和性质别构酶的结构特点和性质 n已知的别构酶都是寡聚酶，通过次级键结合。已知的别构酶都是寡聚酶，通过次级键结合。 n具有活性中心和调节中心，活性中心和调节中具有活性中心和调节中心，活性中心和调节中 心处在不同的亚基上或同一亚基的不同部位上。心处在不同的亚基上或

23、同一亚基的不同部位上。 n调节物多为小分子调节物多为小分子 n调节部位多为代谢途径的第一步或交汇点调节部位多为代谢途径的第一步或交汇点 n动力学特点：动力学特点：不遵循米氏方程不遵循米氏方程，动力学曲线是，动力学曲线是 S型或表观双曲线型或表观双曲线 n稳定特性：室温稳定，稳定特性：室温稳定，0不稳定不稳定 酶作用机制46 p别构酶与非调节酶动力学曲线的比较 酶作用机制47 p别构酶举例：天冬氨酸转氨甲酰酶，简称别构酶举例：天冬氨酸转氨甲酰酶，简称ATCase 酶作用机制48 2.酶原的激活酶原的激活 n 没有活性的酶的前体称为酶原。没有活性的酶的前体称为酶原。 n 酶原转变成有活性的酶的过程

24、称为酶原酶原转变成有活性的酶的过程称为酶原 的激的激 活活.该过程实质上是酶活性部位形成和暴露的该过程实质上是酶活性部位形成和暴露的 过程。过程。 酶作用机制49 n具有不可逆性。具有不可逆性。 消化系统中的酶（胰蛋白酶，胰凝乳蛋白酶，胃蛋消化系统中的酶（胰蛋白酶，胰凝乳蛋白酶，胃蛋 白酶）白酶） n酶原激活的生理意义酶原激活的生理意义 na. 保护组织器官本身免受酶的水解破坏；保护组织器官本身免受酶的水解破坏； nb. 保证酶在特定时空发挥催化作用；保证酶在特定时空发挥催化作用； nc. 酶原可视作酶的储存形式。酶原可视作酶的储存形式。 酶原的激活的生理意义酶原的激活的生理意义 酶作用机制5

25、0 （1）胰蛋白酶原的激活）胰蛋白酶原的激活 酶作用机制51 胰蛋白酶对各种胰脏蛋白酶原的激活胰蛋白酶对各种胰脏蛋白酶原的激活 酶作用机制52 概念：概念：共价调节酶通过其它酶对其多肽链上某些基团共价调节酶通过其它酶对其多肽链上某些基团 进行可逆的共价修饰，使其处于活性与非活性的状态，进行可逆的共价修饰，使其处于活性与非活性的状态， 从而起到调节酶的作用，称为可逆的共价调节。从而起到调节酶的作用，称为可逆的共价调节。 特点特点：共价修饰酶通常有活性与非活性两种形式，两：共价修饰酶通常有活性与非活性两种形式，两 种形式之间转换的正、逆反应是由不同的酶催化产生。种形式之间转换的正、逆反应是由不同的酶催化产生。 种类种类：磷酸化磷酸化、腺苷酰化、尿苷酰化、腺苷酰化、尿苷酰化、ADP-糖基化、糖基化、 甲基化等甲基化等 3、可逆的共价修饰、可逆的共价修饰 蛋白质的磷酸化主要由蛋白激酶催化蛋白质的磷酸化主要由蛋白激酶催化 磷酸化主要以磷酸化主要以P-O键或键或P-N键连接键连接 酶作用机制53 磷酸化 腺苷酰化 尿苷酰化 ADP糖基化 甲基化 酶作用机制54 蛋白质的磷酸化蛋白质的磷酸化 蛋白质 NTPNDP PiH2O 蛋白质-Pi 蛋白激酶 蛋白磷酸酶 （1）Thr、Ser、Tyr、Asp、Glu P-O键结合 （2）Lys、Arg、His P-N 蛋白激酶有一定的