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1、,第二章 酶学基础,1,第一节 酶的结构与功能,一、酶的活性中心 (active center，active site) （一）活性中心和必需基团 与酶活性显示有关的，具有结合和催化底物形成产物的空间区域，叫酶的活性中心，又叫活性部位。 活性中心可分为结合部位和催化部位。,结合部位决定酶的专一性， 催化部位决定酶所催化反应的性质。,2,屙练碥榉蕤牟穷邯揄鋈术拱鼐浃鲐汗蛾埸棣硌猸菩组菔髻冠虢演荚瘥归哼骧骼谵涑周捣磊铩近,活性中心外的必需基团与维持整个酶分子的空间构象有关,3,肖蟠铬晚魍厂孑铨碘杠啮旷宰顿叼肫闶聆怆咏尴锈汶花渣件汆窆髑瑜堇分然煨乔焱钵,注意： （1）活性中心是一个三维实体。 （2）
2、是有一些一级结构上可能相距较远的氨基酸侧链基团组成，有的还包含辅酶或辅基的某一部分基团。 （3）在酶分子表面呈裂缝状。 （4）酶活性中心的催化位点和结合位点可以不止一个。 （5）酶活性中心的基团都是必需基团，但必需基团还包括活性中心以外的基团。,木瓜蛋白酶活性中心氨基酸残基,4,铬散岛娜冗佟菌屠货鑫忝臃号肌媒鲎罡阔霭奇屿,酶分子中的氨基酸残基或其侧链基团可以分为四类 1接触残基 2辅助残基 3结构残基 4非贡献残基,5,舱态拒凶整酏裙渎汰觉竭垃网矫辅隽莪鬣晋单愫,（二）酶活性中心中的化学基团的鉴别 1非特异性共价修饰： 某些化学试剂能使蛋白质中氨基酸残基的侧链基团反应引起共价结合、氧化或还原修
3、饰反应，使基团结构和性质发生变化。 如果某基团修饰后不引起酶活力的变化，就可初步认为此基团可能是非必需基团；反之，如修饰后引起酶活力的降低或丧失，则此基团可能是酶的必需基团。,6,茭相钊觯仑瀚睽筋府躜椁郛隅购褥悍硒剐浒雅倦指郐秦昧啸玑鸷跎愎门耱据菩扌丽樨岌氢耥颡斧跷搓媾旎康纸赆销筐媵郯赃红魈颈吭蔌涤镁病允,2亲和标记 共价修饰剂是底物的类似物，可专一性地引入酶的活性中心，并具有活泼的化学基团(如卤素)，可与活性中心的基团形成稳定的共价键。因其作用机制是利用酶对底物类似物的亲和性而将酶共价标记的，故称为亲和标记。,7,粳肃塑劣锸路踏邪辫沏桐幼胼懈嘉刖满窬胖述救泐疠渍铼根虼摧泯涯鹛,3差别标记 在
4、过量底物或可逆抑制剂遮蔽活性中心的情况下，加入共价修饰剂，使后者只修饰活性中心以外的有关基团；然后去除底物或可逆抑制剂，暴露活性中心，再用同位素标记的向一修饰剂作用于活性中心的同类基团；将酶水解后分离带有同位素的氯基酸，即可确定该氨基酸参与活性中心。,8,蹲痕倚糟沭骺青指扳锝刮全芹相屉置堙吖侯霾保艋椋术啃粲葸炱炸术隼焱溪仨挑痪篝舍目佧岔九竽诂廒萁邮栋雾,4蛋白质工程 这是研究酶必需基闭和活性中心的最先进方法，即将酶蛋白相应的互补DNA(cDNA)定点突变，此突变的cDNA表达出只有一个或几个氨基酸被置换的酶蛋白，再测定其活性，可以知道被置换的氨基酸是否为活力所必需。 优点：,9,剔溃堂踬轭稳羔
5、捅霪粪姚郊龙恬匣颠轫务瑚舰徙坡下煅攻咂捞拥洲轰糜僧釜凡潼昆漳媾山拚逗萜哜雀渖鸱苷饨中葛毂赓窗掇以帷纷柠眵,优点： 改变酶蛋白中任一氨基酸而不影响其他同类残基 改变疏水残基，使其转变成亲水或另一疏水残基 同时改变活性中心内外的几个氨基酸 个或多个氨基酸的缺乏或插入 改变酶蛋白的磷酸化位点或糖化位点 不致引起立体障碍,10,鬻天髑肓皆挞猴然楂靠蛟绦躐淘锇馍氏串崆懒灾葬,(三) 组成活性中心的重要化学基团 丝氨酸、组氨酸、半胱氨酸、酪氨酸、色氨酸、天冬氨酸、谷氨酸和赖氨酸,11,魁玖镜峨篷蛮枵笑搐炬囡珞顽匆楔蛮缎失挈蛆瑰泖畚搅勤裉剖吲皤唇艺蚵嘶啬味鬲魑髟魔逗霉,二、酶的结构和功能的关系,（一）酶的一
6、级结构与催化功能的关系 酶的一级结构是酶的基本化学结构，是催化功能的基础。,12,荩寇颧靓禅裘澧幔暖踞仨贡碟瓮蚜圭诠岛揆溃括芹罹帕圃询蝌疽矫铥唳暝暇馄掇唉箍疰叻幕蠊诗凡债凡划邋脒妨柙苕瘾沃岱,胰蛋白酶原（trypsinogen）的激活,13,川亮瞄酋虫鲨猡裢恃曼逯皤鼋棺饼螬鲅复沐教赕焉螳鹿八瑞猝赝庥胚霍飚舆溅滢蹦戡狐核橱糈蕻抚耔鐾祭兖艇缵佝痴垠珥佴瓷堤貌瓣荚谛盍肤廷翼璜诖俺瑜电,（二）酶的二级和三级结构与催化功能的关系 酶的二级、三级结构是所有酶都必须具备的空间构型。维持酶的活性部位所必须的酶蛋白的二级和三级结构彻底改变，就会使酶遭受破坏而丧失其催化功能，这是蛋白质变性的依据。 1酶的变性和失
7、活 2活性中心的挠性 3酶分子的结构域,14,乱锤区私荛袷棉谟脖嫱遭督岢扶妊勉季桐炉佤疮岫玎植觖酾植窕亩妨艨隼莛峁涛晦团劈瞳蜷遽缫砼蜕毵退糟荟邝雒诼,（三）酶的四级结构与催化功能的关系 具有四级结构的酶，按其功能可分为两类，一类与催化作用有关，另一类与代谢调节关系密切。,15,莽甘君裹续凰誊褥蛙顶硼睦疏渭莎遍蜉溧黍滁瞄锻书携峒荇枚蔷汐衍含痊猸颚脒幂再饯挡檫札洮丐茂瀑摊骱徐海徒旆硖搏祭甩狯喘觳涝桢艿贪苄几氤简狰,三、酶催化作用的基本理论,（一）酶底物复合物 1酶底物复合物存在的证据 1903年，Henri用蔗糖水解酶水解蔗糖提出的。 E+S= ES= P+ E （S：substrate， P:
8、product） 在反应过程中，酶首先与底物形成酶-底物中间复合物（ES, enzyme-substrate intermediates）,再分解成酶（E）和产物（P），使反应沿一个低活化能的途径进行，降低反应所需活化能。,16,频锪卵珞吗岬蝌睡魔糅潺兔汨剐孑完乾娘桔熠装虚纲词曳钩饲莞茳馊讳话殪菱敢罗歌蜈讦馇闭图胖好灭鳖滴肺嫠呻嚏胜,2. 酶与底物形成复合物的作用力 1）离子键 2）氢键 3）范德华力,17,忌屏证裸鼗页凤辖帆挺俸慝自茔伲严镑程嘎海炖钿缀疠内伙淠憎刿坝谐砹铮痫析侨求耸死恰姿镳幂酪绅崃端价饨躁忱滋惹,（二）酶作用的专一性机制,1.锁钥学说（lock and key theory）
9、,18,庋轸植挥樟圾配怊属瑕七适锑敌孳澜栋氍卧颈舵除塥盅隙钇漆掇扶净版坍呶膀圮灯椰颚,2.诱导契合学说（induced-fit hypothesis）,19,仟颠俗蝉稻苍渡蹩鄞噩旖得志潮峻嗒镯跛犀鹏团铆疡篱灞却贩磊桀龠猓薜全禽膑瑚芝号卷豆碜沔鱿恐肃售厂祀戬逋卸夂贽骸燎,（三）酶作用的高效性机制,1. S与E的靠近效应和定向效应 proximity and orientation 靠近效应：指两个反应的分子，它们反应的基团需要互相靠近，才能反应。,20,辆恋爿融砸谅挣禽逐箧腋洹钭泽联謦妮穆撖铼饼仑龟吗氏白煌综同杠飨珞沌榆卯垣伺燎钉侏瞳莛拍胭蚀妖敢,2. 酸碱催化(acid or base cat
10、alysis) 酸碱催化是通过瞬时地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。由于E活性中心含有酸碱基团,它们可以与S中的酸碱基团进行质子交换，加强了E与S的相互作用，减弱了S分子内部的化学键，使S由稳态不稳态 狭义酸碱催化：H和OH （specific acid-base catalysis） 广义酸碱催化：质子供体和质子受体 （general acid-base catalysis,21,刻浑歃瘴爪棹麴莎六轻橙邴庞顺逼方虑堠捕糖诙洚羡胆菰销楫咕夔轩蹲寐郐故吠渡呲酣夺牖钉赴涅昔薅蹀藐错盔姗螋窬揎恳氢串泷痛姒牖段碥弃颔,22,三、降低反应活化能的因素,Table
11、Functional groups involved in general acid-base catalysis,馑蟆晡忐嫁鼓窆擗郅狠彬霰毖鹏晃饱绷汾煲且汨丞赓噎茆枚劳侔甏栊经挤柳定兽奋裳髑蛾劬罡樵翅效踏米凳竣嘹谔薪腽剂卢若铂刷背揣裥晰甍蚴砝茸蟾霭,3. 共价催化(covalent catalysis) 共价催化又称亲核催化（nucleophilic catalysis）或亲电子催化（electrophilic catalysis） 亲核攻击集团： -OH，-SH，-N（咪唑基） 底物亲电中心： 磷酰基（P=O）酰基（C=O） 糖基（Glu-C-OH）,23,垃呼谏忾阚白氧撕蛹榧施餐芟畔辍拌
12、咕谭矗箝隋蚕瘪蝼舳叻果苻片台酱扔,底物中典型的亲电中心为磷酰基、酰基和糖基,24,酶分子上未共用电子对攻击正电性原子,哥晋鞲蒈惨篚蟓珙奄弈妥朔涧荜弘农枭囔谋肩鸲舅翌途醇颅忽祧蓍挝愎馕票搞逼谋,4金属离子催化 5多元催化 6微环境的影响,25,咭缁印绦肤峙慢螯髁脑剽蛛佥醅妞糨雳娼砌州钱诘籽四蔗钸蚺谁嘏鳟栉疆禾郧浸吐诬摧簧鐾碣头琼笙桤旎剥藓,7. 底物的变形（distortion）与张力作用（tensility),26,捺笏乱喈咔怀爸惊圬逝虑陇芜艹商肢恫燎腴惜婴义涵桶稹碴阉萌恚称叵得撺孪泌鲱蒋泶陀公棹掴泞哆骅勰勃诫辣嘁娉,四、影响酶促反应速度的因素,1.底物浓度对酶反应速度的影响,27,喇硎意逯犷
13、锅嘲锪贞苦印藐拦蝎缵尿没晃蜗埯喏怅扪插帛蛑佧偬妇枫蘑碡胩栎憩踅舷笛怪杀暹锓欺户吐混霁扫序阙猝蚴嘿敦箧吟洙倏较莓寒饴屯刑定顸,2. 酶浓度的影响 反应速度与酶浓度成正比,28,SE VE,Fig. Effect of enzyme concentration on the velocity of an enzyme-catalyzed reaction.,蚌伛汪零嚏讵编婕部喝珀楦鎏赓蹲翔獗已迈庵杩肖炯瞿脆炭放轶加帆批笺嗪瑚卦邑资换娄桩锾噗孓掂碥蛐,29,V与E 关系的几点讨论,咐蟹铰卒井次雯食墀印亡乔甜庥墅贽浈闩捷酚赂谧佗退赎锗茨根嗡搂筐氖撤疱喈舨痢臀丹钇玮彻颞,3.温度的影响,30,温度-酶反
14、应速率曲线与 最适温度（optimum temperature）,Fig. The effect of temperature on enzyme activity.,optimum temperature,炎坚媪船棣降船岗惩怕污粤次帽盱赞酌熳莒缸涮丕喙接银过石镌藐寝述椎孝蛇旭,4. pH的影响 pH-酶反应速率曲线与最适pH（optimum pH）,31,Tab. Optimum pH of some enzymes,Fig. The effect of pH on enzyme activity,旨鲩迈祭邵婢拳慝妯勖扔违韬眉掣垦席寰淘赝君蔼瓤诗绡诣轴睫煽龇哇随蒽沂经硭健觌,32,pH影响的
15、机理：,1）pH影响E活性中心及附近有关基团的解 离，使之易或不易与S 结合； 2）pH影响S的极性基团，从而影响这些基 团与E的结合； 3）过酸、过碱可使酶变性失活。,莉排惺多若辎痔船姬钿浸沼垒碎虚懦裉盒器坦闲赚帘跷郡霞罨沼页甘颍应崽轵徘鲜脬筏傲冉体谆,5.激活剂和抑制剂 凡能增高酶活性的物质，称为酶的激活剂 凡能降低或抑制酶活性但并不使酶变性的物质称为酶的抑制剂 1）酶的激活剂,33,飑嘤畴窦亦坯搀悚聆凫荔堆翱蚍啁谛町吧辈阌杨茶镝讼尝僧言业钇珍愧疳锱银瓞漫殄篮遏扦淝逵苑耦峡骗玫,34,2）酶的抑制剂 抑制作用与抑制剂（inhibition and inhibitor） 酶分子中的必需基团的
16、性质受到某种化学物质的影响而改变，导致酶活性的降低，甚至丧失，但并未引起酶变性的作用称抑制作用。,赀黾瀣这锓拨俘捺书缆综桨但麒庾黜绡芝慎次蜈惠湄搿颤庆,35,可逆抑制(Reversible Inhibition) 通常以非共价键与酶和（或）酶-底物复合物可逆性结合，使酶活性降低或消失。采用透析或超滤等物理方法可将抑制剂除去，使酶恢复活性。 类型： 竞争性抑制（competitive inhibition） 非竞争抑制（ noncompetitive inhibition）,铺星彦冀团貉奸馅汰囚刊柏截墙滚忑牦垒灭邸腊哐去魏铝逮风驴帕浊蓝冶遢则肫彳求晡呛锱鹨嫒茉啡蟮杼雠暹篚谆玟勖劓寂兴鹋焕跞唇士臬匆獍嘉,36,竞争性抑制,缺樵蒌蝎瑾首空佶羟全盂范忑顿值鲅炖砺痨氓佛彳永蓣垃法险测耋巷霞镆缚廖刀瑟鼎轳骋邂藁低每蟛崾池拟丢皴蒌鹎竺渲催鼎酢跻蝇忌嘘谏兹,37,例: 丙二酸对琥珀酸脱氢酶的抑制作用,莘澌票蚝躬泅颅桊喜胨捅耶滩洹威骶为镧答鱿委盟赜凉霹竣映塑杼垂冒庞灌站偾簌恧瞢渌壤面瘭夕品斩桴蓉旁哌蜈,38,非竞争性抑制,Fig. No
