酶作用機(jī)制

1、七 酶的作用機(jī)制和調(diào)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(jié)合，并和酶催化作用直接有關(guān)的區(qū)域叫酶的活性中心（active center）或活性部位（active site)。,結(jié)合部位(Binding site)：酶分子中與底物結(jié)合的部位或區(qū)域一般稱(chēng)為結(jié)合部位。,催化部位(Catalytic site): 酶分子中促使底物發(fā)生化學(xué)變化的部位稱(chēng)為催化部位。通常將酶的結(jié)合部位

2、和催化部位總稱(chēng)為酶的活性部位或活性中心。結(jié)合部位決定酶的專(zhuān)一性，催化部位決定酶所催化反應(yīng)的性質(zhì)。,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(diào)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(jié)合的部位，從而引起酶分子空間構(gòu)象的變

5、化，對(duì)酶起激活或抑制作用,酶表現(xiàn)催化活性不可缺少的基團(tuán)。 親核性基團(tuán)：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(tuán),酸堿性基團(tuán)：天門(mén)冬氨酸和谷氨酸的羧基，賴(lài)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(jié)合基團(tuán)---專(zhuān)一性活性中心內(nèi)必需基團(tuán) 催化基團(tuán)---催化能力活性中心外必需基團(tuán),,,活性中心內(nèi)的必需基團(tuán),,,,位于活性中心以外，維持酶

6、活性中心應(yīng)有的空間構(gòu)象所必需。,活性中心外的必需基團(tuán),3.酶活性中心的特點(diǎn),占酶分子的極小部分酶活性部位是三維實(shí)體誘導(dǎo)契合.構(gòu)象改變酶活性部位位于酶分子的一個(gè)裂縫內(nèi)底物通過(guò)次級(jí)鍵與酶結(jié)合活性部位具有柔性,,酶的高效催化的結(jié)構(gòu),(二)、酶高效性的作用機(jī)理,1、底物和酶的鄰近效應(yīng)與定向效應(yīng)2、底物的形變與誘導(dǎo)契合3、酸堿催化4、共價(jià)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(yīng)與定向效應(yīng),鄰近效

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

8、分子軌道以正確方位相互交疊，反應(yīng)易于發(fā)生。,2、底物的形變與誘導(dǎo)契合,酶與底物相互接近，結(jié)構(gòu)相互誘導(dǎo)、相互變形，進(jìn)而相互結(jié)合酶的構(gòu)象改變有利于與底物的結(jié)合底物在酶的誘導(dǎo)下發(fā)生變形，處于過(guò)渡態(tài)，易受到催化基團(tuán)的攻擊,脯氨酸消旋酶的過(guò)渡態(tài)類(lèi)似物與酶的親和力遠(yuǎn)大于其底物，說(shuō)明酶可以引起底物的形變。,小牛小腸腺苷脫氨酶的過(guò)渡態(tài)類(lèi)似物與酶的親和力遠(yuǎn)大于其底物，說(shuō)明酶可以引起底物的形變。,3、酸堿催化,酸堿催化是通過(guò)瞬時(shí)向反應(yīng)物提供或接受質(zhì)子以

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

10、（C=O）　糖基（Glu-C-OH）,酶的親核中心X未成鍵電子對(duì)進(jìn)攻底物的親電中心，形成共價(jià)結(jié)合，迅速形成不穩(wěn)定的中間復(fù)合物，降低反應(yīng)活化能，促進(jìn)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(jié)合的金屬離子　Fe2+、Cu2+、Zn2+、Mn2+、Co3+金屬-激活酶（metal-activated enzyme):含松散結(jié)合的金屬離子　Na+、K+、Mg2+、Ca2+（1）通過(guò)結(jié)合底

11、物為反應(yīng)定向（2）通過(guò)自身價(jià)數(shù)的改變參加氧化還原反應(yīng)（3）屏蔽底物或酶活性中心的負(fù)電荷,多個(gè)基元催化反應(yīng)結(jié)合催化,6、多元催化和協(xié)同效應(yīng),7、活性中心的微環(huán)境,酶的活性中心周?chē)沫h(huán)境是一個(gè)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(tuán)和底物分子的敏感鍵之間有很大的反應(yīng)力，有助于加速酶促反應(yīng)。,八．酶催化反應(yīng)機(jī)制的實(shí)例,溶菌酶(Lysozyme),1922年Fleming在鼻黏液中發(fā)現(xiàn)一種具有溶解細(xì)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(gè)用X-射線(xiàn)法闡明其全部結(jié)構(gòu)和功能的酶。,（１）.溶菌酶的結(jié)構(gòu),溶菌酶相對(duì)分子量１４６００，由１２９個(gè)氨基酸殘基所組成．四對(duì)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(guò)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(fù)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(nèi)部。Glu35和Asp52 是活性中心的氨基酸殘基。,底物D糖環(huán)構(gòu)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(dòng)， O原子向后移動(dòng),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(gè)質(zhì)子，氧原子與D糖環(huán)C1的糖苷鍵斷開(kāi)，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(diào)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(lái)自環(huán)境中的水分子上的H+與Glu35的-COO-結(jié)合，水分子上的HO-與正碳離子結(jié)合，至此，一次反應(yīng)完成，細(xì)胞壁打開(kāi)一個(gè)缺口。經(jīng)多次重復(fù)作用，細(xì)菌的細(xì)胞壁溶解。,（４）溶菌酶的作用機(jī)制,靠近與定向 底物形變 酸堿催化,九、酶活性的調(diào)節(jié)控制和

17、調(diào)節(jié)酶,1、別構(gòu)效應(yīng)的調(diào)控2、酶原的激活3、共價(jià)調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)對(duì)象：關(guān)鍵酶調(diào)節(jié)方式：調(diào)節(jié)酶濃度 調(diào)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(yīng)；活性較低，活性最低者又稱(chēng)為限速酶；是可調(diào)節(jié)酶。,關(guān)鍵酶（Key enzyme),可以通過(guò)改變其催化活性而使整個(gè)代謝反應(yīng)的速度或方向發(fā)生改變的酶，稱(chēng)為限速酶或關(guān)鍵酶。,1、別構(gòu)調(diào)控與別構(gòu)酶,別構(gòu)酶又稱(chēng)為變構(gòu)酶，指酶分子的非催化部位與某些化合

18、物可逆地非共價(jià)結(jié)合后，引起酶的構(gòu)象的改變，進(jìn)而改變酶的活性狀態(tài)，酶的這種調(diào)節(jié)作用稱(chēng)為別構(gòu)調(diào)節(jié) (allosteric regulation)。具有變構(gòu)調(diào)節(jié)的酶稱(chēng)別構(gòu)酶(allosteric enzyme)。凡能使酶分子發(fā)生別構(gòu)作用的物質(zhì)稱(chēng)為別構(gòu)劑(effector)。,（1）概念,(2)別構(gòu)酶,別構(gòu)酶一般是多亞基構(gòu)成的聚合體，一些亞基為催化亞基，另一些亞基為調(diào)節(jié)亞基。當(dāng)調(diào)節(jié)亞基或調(diào)節(jié)部位與變構(gòu)劑結(jié)合后，就可導(dǎo)致酶的空間構(gòu)象發(fā)生改變

19、，從而導(dǎo)致酶的催化活性中心的構(gòu)象發(fā)生改變而致酶活性的改變。,(3)協(xié)同效應(yīng),當(dāng)變構(gòu)酶的一個(gè)亞基與其配體（底物或變構(gòu)劑）結(jié)合后，能夠通過(guò)改變相鄰亞基的構(gòu)象而使其對(duì)配體的親和力發(fā)生改變，這種效應(yīng)就稱(chēng)為變構(gòu)酶的協(xié)同效應(yīng)。如果對(duì)相鄰亞基的影響是導(dǎo)致其對(duì)配體的親和力增加，則稱(chēng)為正協(xié)同效應(yīng)；反之，則稱(chēng)為負(fù)協(xié)同效應(yīng)。,(4)別構(gòu)酶的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性質(zhì),已知的別構(gòu)酶都是寡聚酶，通過(guò)次級(jí)鍵結(jié)合。具有活性中心和調(diào)節(jié)中心，活性中心和調(diào)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(diào)節(jié)物多為小分子調(diào)節(jié)部位多為代謝途徑的第一步或交匯點(diǎn)動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)：不遵循米氏方程，動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)是S型或表觀(guān)雙曲線(xiàn)穩(wěn)定特性：室溫穩(wěn)定，0℃不穩(wěn)定,別構(gòu)酶與非調(diào)節(jié)酶動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)的比較,別構(gòu)酶舉例：天冬氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶，簡(jiǎn)稱(chēng)ATCase,2.酶原的激活,沒(méi)有活性的酶的前體稱(chēng)為酶原。 酶原轉(zhuǎn)變成有活性的酶的過(guò)程稱(chēng)為酶原 的激活.該過(guò)程實(shí)質(zhì)上是酶活性部位形成和暴露的過(guò)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(hù)組織器官本身免受酶的水解破壞；b. 保證酶在特定時(shí)空發(fā)揮催化作用；c. 酶原可視作酶的儲(chǔ)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(duì)各種胰臟蛋白酶原的激活,,概念：共價(jià)調(diào)節(jié)酶通過(guò)其它酶對(duì)其多肽鏈上某些基團(tuán)進(jìn)行可逆的共價(jià)修飾，使其處于活性與非活性的狀態(tài)，從而起到調(diào)節(jié)酶的作用，稱(chēng)為可逆的共價(jià)調(diào)節(jié)。 特點(diǎn)：共價(jià)修飾酶通常有活性與非活性?xún)煞N形式，兩種形式之間

22、轉(zhuǎn)換的正、逆反應(yīng)是由不同的酶催化產(chǎn)生。 種類(lèi)：磷酸化、腺苷?；⒛蜍挣；DP-糖基化、甲基化等,3、可逆的共價(jià)修飾,蛋白質(zhì)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(zhì)的磷酸化,蛋白質(zhì),,,,NTP,NDP,Pi,H2O,蛋白質(zhì)-Pi,蛋白激酶,蛋白磷酸酶,（1）Thr、Ser、Tyr、Asp、Glu P-O鍵結(jié)合（2）Lys、Arg、His

23、P-N,蛋白激酶有一定的底物特異性，識(shí)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(diào)節(jié)物信使依賴(lài)性非信使依賴(lài)性,蛋白酶A（Krebs)糖代謝調(diào)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(xué)反應(yīng)相同，酶蛋白的分子組成形式、理化性質(zhì)和免疫學(xué)性質(zhì)不同的一組酶。這類(lèi)酶存在于生物的同一種屬或同

24、一個(gè)體的不同組織、甚至同一組織或細(xì)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(jié)構(gòu)基因,a b,生理意義 在代謝調(diào)節(jié)上起著重要的作用； 同工酶譜的改變有助于對(duì)疾病的診斷； 同工酶可以作為遺傳標(biāo)志，用于遺傳分析研究。,基本要求1.掌握酶活