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1、2006-1-7,上海大学生命科学学院,第十章 酶的作用机制和酶的调节,一、酶的活性部位,二、酶催化反应的独特性质,三、影响酶催化效率的有关因素,四、酶催化反应机制的实例,五、酶活性的调节控制,六、同工酶,2006-1-7,上海大学生命科学学院,一、酶的活性部位,活性中心：酶分子中结合底物并起催化作用的少数氨基酸残基，包括底物结合部位（决定酶的专一性）、催化部位（决定酶所催化反应的性质）。 频率最高的活性中心的氨基酸残基：Ser、His、Cys、Tyr、Asp、Glu、Lys。 不需要辅酶的酶：活性中心是酶分子在三维结构上比较靠近的少数几个氨基酸残基或是这些残基的某些基团。 需要辅酶的酶：辅酶
2、分子或辅酶分子的某一部分结构往往就是活性中心的组成部分。,（一）酶活性部位的特点,2006-1-7,上海大学生命科学学院,接触残基：R1、R2、R6、R8、R9、R163 辅助残基：R3、R4、R5、R164、R165 结构残基：R10、R162、R169 非贡献残基：其它,2006-1-7,上海大学生命科学学院,（1）接触残基：结合基团，催化基团。 （2）辅助残基：不与底物接触，辅助酶与底物结合，协助接触残基。 上述两类残基构成酶活性中心。 （3）结构残基：维持酶分子三维构象，与酶活性相关，但不在酶活性中心范围内，属于酶活性中心以外的必需残基。 上述三类残基统称酶的必需基团 （4）非贡献残基
3、（非必需基团） 可能在免疫，酶活性调节，运输转移，防止降解等方面起作用。,2006-1-7,上海大学生命科学学院,酶活性部位的特点：,（1）活性部位在酶分子的总体中只占相当小的部分，往往只占整个酶分子体积的1%-2% ； （2）酶的活性部位是一个三维实体，具有三维空间结构。 活性中心的空间构象不是刚性的，在与底物接触时表现出一定的柔性和运动性。（邹承鲁研究酶变性的工作） （3）通过诱导契合酶和底物结合； （4）酶的活性部位是位于酶表面的一个裂隙内，裂隙内是一个相当疏水的环境，从而有利于同底物的结合； （5）底物通过次级键较弱的力结合到酶上。,2006-1-7,上海大学生命科学学院,（二）研究酶
4、活性部位的方法,（1）通过酶的专一性：研究酶的专一性底物的结构特点、酶的竞争性抑制剂结构特点等。 （2）酶的化学修饰法：例如1.用共价修饰的试剂作用于酶，查明保持酶活力的必需基团；2.亲和标记（合成底物类似物）；3.SH保护剂的使用。 （3）X射线晶体衍射法 （4）分子生物学的方法,2006-1-7,上海大学生命科学学院,二、酶催化反应的独特性质,（1）酶反应分为两类：仅涉及电子转移和涉及电子和质子两者或者其他基团的转移。 （2）催化作用是以氨基酸侧链上的功能基团和辅酶为媒介。 （3）酶催化反应的最适pH范围通常狭小。 （4）酶分子很大，而活性部位通常只比底物稍大一些，一个巨大的酶结构对稳定活
5、性部位的构象是必要的。 （5）酶具有复杂的折叠结构。,2006-1-7,上海大学生命科学学院,三、影响酶催化效率的有关因素,（一）底物和酶的邻近效应与定向效应,邻近效应：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，提高了反应基团的有效浓度。 定向效应：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的效应。 酶把底物分子从溶液中富集出来，使它们固定在活性中心附近，反应基团相互邻近，同时使反应基团的分子轨道以正确方位相互交叠，反应易于发生。,2006-1-7,上海大学生命科学学院,邻近效应与定向效应对反应速度的影响： 使底物浓度在活性中心附近很高 酶对
6、底物分子的电子轨道具有导向作用 酶使分子间反应转变成分子内反应 邻近效应和定向效应对底物起固定作用,2006-1-7,上海大学生命科学学院,（二）底物的形变和诱导契合,酶中某些基团可使底物分子的敏感键中某些基团的电子云密度变化，产生电子张力，降低了底物的活化能。,酶从低活性形式转变为高活性形式，利于催化。 底物形变，利于形成ES复合物。 底物构象变化，过度态结构，大大降低活化能。,2006-1-7,上海大学生命科学学院,Glu270,Tyr248,Arg145,底物,羧肽酶结合底物前后构象变化,2006-1-7,上海大学生命科学学院,（三）酸碱催化,酶分子的一些功能基团起瞬时质子供体或质子受体
7、的作用。,影响酸碱催化反应速度的两个因素 酸碱强度(pK值）。组氨酸咪唑基的解离常数为6，在pH6附近给出质子和结合质子能力相同，是最活泼的催化基团。 给出质子或结合质子的速度。咪唑基最快，半寿期小于10-10秒,2006-1-7,上海大学生命科学学院,（四）共价催化,酶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。,酶亲核基团：Ser-OH，Cys-SH，His-N、Asp-COOH； 底物亲电中心：磷酰基（-P=O），酰基（-C=O），糖基（Glu-C-OH） 某些辅酶，如焦磷酸硫胺素和磷酸吡哆醛等也可以参与共价催化作用。,催化剂通过与底物形成反应活性很高的共价过渡产物，
8、使反应活化能降低，从而提高反应速度的过程，称为共价催化。,2006-1-7,上海大学生命科学学院,（五）金属离子催化,金属酶（metalloenzyme):含紧密结合的金属离子，Fe2+、Cu2+、Zn2+、Mn2+、Co3+。 金属-激活酶（metal-activated enzyme):含松散结合的金属离子，Na+、K+、Mg2+、Ca2+。 金属离子参加的四种主要催化途径 （1）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 （3）屏蔽底物或酶活性中心的负电荷 （4）金属离子通过水的离子化促进亲核催化。,2006-1-7,上海大学生命科学学院,（六）多元催化和协同效应,
9、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起作用。,2006-1-7,上海大学生命科学学院,（七）活性部位微环境的影响, 疏水环境 介电常数低，加强极性基团间的作用。 电荷环境 在酶活性中心附近，往往有一电荷离子，可稳定过渡态的离子,2006-1-7,上海大学生命科学学院,四、酶催化反应机制的实例,（一）溶菌酶（lysozyme）,NAG:N-乙酰氨基葡萄糖 NAM:N-乙酰氨基葡萄糖乳酸,溶菌酶-底物复合物,酶切位点,溶菌酶活性中心与底物结合示意图,Asp52,Glu35,（极性区）,（非极性区）,溶菌酶催化反应机理,C1+,非极性区,极性区,HO - E环,H2O,（广义酸碱催化
10、）,2006-1-7,上海大学生命科学学院,（二）RNase A,RNase-底物复合物,RNase活性中心的酸碱催化机理,核糖核酸链受Rnase水解的位点,2006-1-7,上海大学生命科学学院,（三）羧肽酶 A,羧肽酶活性中心Zn2+的中心作用,2006-1-7,上海大学生命科学学院,羧肽酶活性中心必需基团与底物间的结合,2006-1-7,上海大学生命科学学院,羧肽酶结合底物前后构象变化,2006-1-7,上海大学生命科学学院,羧肽酶活性中心的共价催化机理,2006-1-7,上海大学生命科学学院,（四）丝氨酸蛋白酶（胰凝乳蛋白酶）,胰凝乳蛋白酶分子中催化三联体构象,2006-1-7,上海大
11、学生命科学学院,氢键体系-电荷中继网,胰凝乳蛋白酶反应的详细机制（1）,结合底物,His57 质子供体,形成共价ES复合物,C-N键断裂,底物,胰凝乳蛋白酶反应的详细机制（2）,氨基产物释放,四面体中间物的瓦解,水亲核攻击,羧基产物释放,H2O,R-NH2,2006-1-7,上海大学生命科学学院,五、酶活性的调节控制,（一）别构调控,概念：酶分子的非催化部位与某些化合物可逆地非共价结合后导致酶分子发生构象改变，进而改变酶的活性状态，称为酶的别构调节(allosteric regulation)，具有这种调节作用的酶称别构酶(allosteric enzyme)。别构酶促反应底物浓度和反应速度的
12、关系不符合米氏方程，呈S型曲线。 凡能使酶分子发生别构作用的物质称为效应物(effector)，通常为小分子代谢物或辅因子。如因别构导致酶活性增加的物质称为正效应物(positive effector)或别构激活剂，反之称负效应物(negative effector)或别构抑制剂。 别构调节普遍存在于生物界，许多代谢途径的关键酶利用别构调节来控制代谢途径之间的平衡，研究别构调控有重要的生物学意义。,别构酶与米氏酶的动力学曲线比较,当底物浓度发生很小 的变化时，别构酶就 极大地控制着反应速度。 在正协同效应中使得酶反应速度对底物浓度的变化极为敏感。,2006-1-7,上海大学生命科学学院,区分酶
13、的类型有两种标准,a. Koshland标准：CI（cooperativity index）协同指数：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。亦称饱和比值Rs(saturation ratio) Rs=,酶与底物结合达90%饱和度时底物浓度,酶与底物结合达10%饱和度时底物浓度,Rs=81 米氏类型酶 Rs81 具有正协同效应的别构酶 Rs81 具有负协同效应的别构酶,b.Hill系数： Hill系数=1 米氏类型酶 Hill系数1 具有正协同效应的别构酶 Hill系数1 具有负协同效应的别构酶,正、负协同别构酶与非调节酶的动力学曲线比较,具有负协同效应的酶在底物浓度较低的
14、范围内酶活力上升快，但再继续下去，底物浓度虽有较大的提高，但反应速度升高却较小。使得酶反应速度对底物浓度的变化不敏感,天冬氨酸转氨甲酰酶（ATCase）,ATCase,氨甲酰磷酸,天冬氨酸,氨甲酰天冬氨酸,2006-1-7,上海大学生命科学学院,E.coli的ATCase的亚基排列,c:催化亚基（catalytic subunit）,r:调节亚基（ regulative subunit）,2006-1-7,上海大学生命科学学院,ATCase半分子（c3r3)的结构,2006-1-7,上海大学生命科学学院,ATCase的别构过渡作用,2006-1-7,上海大学生命科学学院,PALA(N-磷乙酰-
15、L-天冬氨酸)结合到ATCase活性中心的模型,ATCase变构效应的动力学特征,Vmax,1/2Vmax,Km,别构酶的齐变模型,2006-1-7,上海大学生命科学学院,别构酶的序变模型,2006-1-7,上海大学生命科学学院,（二）酶的共价修饰,某些酶可以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互变状态，从而调节酶活性。这类酶称为共价修饰酶。目前发现有数百种酶被翻译后都要进行共价修饰，其中一部分处于分支代谢途径，成为对代谢流量起调节作用的关键酶或限速酶。 由于这种调节的生理意义广泛，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神经的
16、指令，导致级联放大反应，所以日益引人注目。,A,P1,G,E,D,C,B,H,Ea-b,Ec-d,Ec-g,关键酶（限速酶）,P2,2006-1-7,上海大学生命科学学院,蛋白质的磷酸化和脱磷酸化,第一类：Ser/Thr型 第二类：Tyr型,第一类：Ser/Thr型 第二类：Tyr型 第三类：双重底物型,反应类型 共价修饰 被修饰的氨基酸残基,共价修饰反应的例子,磷酸化,腺苷酰化,尿苷酰化,Tyr,Ser,Thr.His,Tyr,Tyr,甲基化,Glu,S-腺苷-Met,S-腺苷-同型 Cys,ATP ADP,级联系统调控糖原分解示意图,意义：由于酶的共价修饰反应是酶促反应，只要有少量信号分子（如激素）存在，即可通过加速这种酶促反应，而使大量的另一种酶发生化学修饰，从而获得放大效应。这种调节方式快速、效率极高。,肾上腺素或胰高血糖素,1、腺苷酸环化酶（无活性）,腺
