生物化学-第三章中-课件

第三节酶的作用机理和酶的调节一酶的活性部位二酶促反应机制-高效催化的化学机制

(影响酶催化效率的有关因素)

三酶催化反应机制的实例四酶活性的调节控制五同工酶酶分子活性中心结合基团(部位)（1-几个aa）催化基团(部位)

（1-几个aa）维持活性中心构象的必需基团其他部分（非必需基团）活性中心：酶分子中直接与底物结合，并和酶催化作用直接相关的部位，或酶分子中与底物结合部位和催化部位所形成的微区。结合部位(基团)(Bindingsite)：酶分子中与底物结合的部位或区域一般称为结合部位。结合部位决定酶的专一性。催化部位(基团)(Catalyticsite):酶分子中促使底物发生化学变化的部位称为催化部位。催化部位决定酶所催化反应的性质。

只是酶分子的一小部分；特定三维结构;通过诱导契合形成与底物互补的；酶的活性部位是位于酶分子表面的一个裂缝内;通过次级键与底物相互作用；有一定的柔性（邹承鲁的对比研究发现活性部位的柔性比其他部位更强）(一)、酶活性部位的特点

1侧链基团的化学修饰法非特异性共价修饰（作用于酶分子中aa残基侧链基团），酶活力丧失与修饰剂浓度成比例，底物或竞争性抑制剂可降低修饰作用。特异性共价修饰（作用于酶的特定氨基酸），如二异丙基氟磷酸（DFP）与酶活性部位的丝氨酸羟基结合；亲和标记试剂可以与活性部位的特定基团共价定量结合，如对甲苯磺酰-L-苯丙氨酰氯甲基酮(TPCK)与胰凝乳蛋白酶活性部位丝氨酸羟基的结合,与底物结构比较类似-亲和标记－自杀性底物也是。(二)、研究酶活性部位的方法

2X-射线晶体结构分析法3定点诱变法(二)、研究酶活性部位的方法二酶促反应机制

高效催化的化学机制

(一)、基元催化的分子机制

1、酸－碱催化

2、共价催化3、金属离子(二)酶具有高效催化能力的机制(原因)

1、邻近与定向效应

2、底物的形变和诱导契合

3、电荷极化和多元催化

4、微环境的影响二酶促反应机制专一性（侠义）酸碱催化总酸碱催化或广义酸碱催化1酸－碱催化(acid-basecatalysis)(一)、基元催化的分子机制是指底物和酶以共价键形成一个活性很高的中间化合物，这个化合物很容易转变为过渡状态，使反应活化能大大降低，从而提高反应速度的过程，2、共价催化(一)、基元催化的分子机制酶分子中可以作为亲核基团His的咪唑基是酶的酸碱催化作用中最活泼的一个催化功能团。咪唑基的pK值接近生理pH值，H+的传递速度快，是酸碱催化中最重要,也是最活跃的基团。酶与底物形成共价键的3个例子，其共同特点是酶的亲核中心X进攻底物的亲电中心。3金属离子1、邻近定向效应：

邻近：底物与酶活性中心的邻近底物之间的邻近。

活性中心的底物浓度高（比外界高上万倍），分子间的反应类似分子内的反应加快了反应速度。

(二)酶具有高效催化能力的机制(原因)

一个有机化学模型。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。分子内反应分子间反应定向：除靠近外，反应基团彼此严格“定向”为分子轨道交叉提供有利条件。

底物分子中参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称定向效应。

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2.5×1011可以旋转2、底物的形变和诱导契合：当酶遇到底物时，酶中的某些离子或基团可以使底物分子内敏感键中的某些基团的电子云密度增加或降低，产生“电子张力”底物分子发生形变，从而促使酶－底物中间产物进入过渡态，降低了反应活化能，使反应易于发生。或者酶构象发生改变的同时，底物分子也发生形变，形成互相契合的酶－底物复合物。一般催化剂反应活化能反应总能量变化酶促反应活化能非催化反应活化能初态终态能量改变酶促反应活化能的改变过渡态酶（E）与底物（S）结合生成不稳定的中间物（ES），再分解成产物（P）并释放出酶，使反应沿一个低活化能的途径进行，降低反应所需活化能，所以能加快反应速度。脯氨酸消旋酶与过渡态类似物的亲和力与远大于酶与其底物，说明酶可以引起底物的形变。电荷极化:广义酸碱、共价（亲核和亲电子）和金属离子多元催化：酶的催化过程通常是多种机制同时作用，相互协同，因而有很高的催化效率。3、电荷极化和多元催化酶的活性中心是疏水的微环境（低介电区），底物的敏感键易于与酶的催化基团形成很大的反应力，加快反应速度。5、活性部位微环境的影响溶液中熵高熵高熵低胰凝乳蛋白酶、胰蛋白酶、弹性蛋白酶氨基酸序列的比较，黑点表示相同的氨基酸，活性部位的氨基酸用符号标出。胰凝乳蛋白酶和水蛭蛋白酶抑制剂(蓝色带状)的结构，His57(蓝色)，Asp102(红色)，Ser195(黄色)在空间上十分靠近。

丝氨酸蛋白酶酶催化反应机制的实例胰蛋白酶胰凝乳蛋白酶弹性蛋白酶用于胰凝乳蛋白酶研究的人工底物胰凝乳蛋白酶催化的裂解反应的动力学乙酸基以共价键与酶的Ser195结合，因而释放较晚酰基-酶中间物快速形成，随后缓慢释放产物胰凝乳蛋白酶催化反应的机制*/*****四酶活性的调节控制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，进而改变酶活性状态，称为酶的别构调节或变构调节。具有这种调节作用的酶，称为别构酶能使酶分子发生别构作用的物质称为效应物或别构剂。(一)别构调节别构效应（allostericeffect）：又称为变构效应，当某些寡聚蛋白与别构效应剂（变构效用剂）发生作用时，可以通过蛋白质构象的变化来改变蛋白的活性，这种改变可以是活性的增加或减少。变构酶与变构剂的结合—非共价、专一性别构剂：正别构剂---别构激活剂负别构剂---别构抑制剂别构酶均为寡聚酶，除活性部位外，还有可以同效应物（调节物）结合的调节部位.(二)别构酶别构酶的调控方式有四类：正协同效应:

酶的一个亚基与底物结合后，其他亚基与底物的结合能力加强，v-[S]曲线为S形。

负协同效应：酶的一个亚基与底物结合后，其他亚基与底物的结合能力减弱，v-[S]曲线为平坦的双曲线。同促效应别构酶的调控方式有四类：可用协同指数(饱和比值)Rs([S]90%V/[S]10%V

来定量地区分三种酶：Rs等于81为米氏酶，小于81则有正协同效应，大于81为负协同效应。

(v=nV，则[S]=[n/(1-n)]Km)准确的方法Hill系数法([S]90%V/[S]10%V=811/nn为)，以log(v/(Vm-v))对log[S]作图，曲线的最大斜率为Hill系数，米氏酶等于1，正协同酶大于1，负协同小于1。a--非调节酶b--正协同别构酶的S形曲线别构抑制作用使酶的反应速度降低，正协同效应加强。别构激活作用使酶的反应速度加快，正协同效应减弱。

(非底物的发挥作用)—异促效应别构酶的调控方式有四类：T态-----------R态目前认为齐变模型不适合于负协同效应。别构模型天冬氨酸转氨甲酰酶的性质天冬氨酸为正协同效应剂；

ATP为别构激活剂；

CTP为别构抑制剂。变构效应：天冬氨酸转氨甲酰酶（ATCase）

ATP正变构剂

CTP(嘧啶核苷酸-代谢途径的终产物)

负变构剂调节基团催化基团催化(C)亚基（catalyticsubunit）调节(R)亚基（regulativesubunit）+催化基团调节基团完整酶分子

3-磷酸甘油醛脱氢酶是负协同效应酶的典型代表,不灵敏。3-磷酸甘油醛脱氢酶有4个亚基，一个亚基与NAD+结合后发生构像变化，其它亚基与NAD+结合的能力下降，表现为负协同效应。由于负协同效应，在NAD+浓度很低的情况下，糖酵解过程仍然能以较快的速率顺利进行。酶蛋白分子上的一些基团可与某种化学基团发生可逆的共价结合，从而改变酶的活性。(二)、可逆的共价修饰调节共价修饰包括:磷酸化、腺苷酰化、尿苷酰化、ADP-糖基化、甲基化等。腺苷酰化尿苷酰化ADP-糖基化

磷酸化存在普遍，有非常重要的生理意义，主要以P-O键或P-N键连接。蛋白质的磷酸化主要由蛋白激酶催化，常见的蛋白激酶有蛋白激酶A（PKA），蛋白激酶C（PKC），磷酸化酶激酶（PhK），蛋白酪氨酸激酶（PTK）等。磷酸化酶激酶PhK(磷酸化酶激酶)催化的反应图糖原磷酸化酶(三)、酶原的激活—不可逆的共价调节定义：某些酶，特别是与消化作用有关的酶，初合成时没有活性，这些没有活性的酶的前体称为酶原。酶原激活：没有活性的酶原变为具有活性的酶的过程，一般切去几个aa肽段。实质是酶活性中心形成或暴露的过程。1.消化系统蛋白酶原的激活胰凝乳蛋白酶原(胰蛋白酶)胰蛋白酶原胰蛋白酶六肽肠激酶活性中心胰蛋白酶原的激活示意图

胰蛋白酶原胰蛋白酶六肽肠激酶胰蛋白酶对消化道酶的激活作用

胰凝乳蛋白酶原胰凝乳蛋白酶弹性蛋白酶原弹性蛋白酶羧肽酶原羧肽酶12中蛋白质凝血因子有7种是丝氨酸蛋白酶激肽原激肽释放酶五、同工酶能催化相同的化学反应，但在蛋白质分子的结构、理化性质和免疫性能等方面都存在明显差异的一组酶。乳酸脱氢酶（LDH)MMMMMM4HMMMM3HMMHHM2H2MHHHMH3HHHHH4HLDH5LDH4LDH3LDH2LDH1骨肌型心肌型HCOHCH3

COOHOCCOOHCH3

LDHNAD+NADH+H+LDHNAD+NADH+H+乳酸丙酮酸乳酸脱氢酶