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1、第八章第八章 酶催化反应机制酶催化反应机制巨录需蔑舆盆泣拦魂玄允格锐藏阔账终坏窑显船滓涛遇喉否函谗邻他迢凌12酶催化反应机制12酶催化反应机制第一节第一节 前言前言一一 两个专一性假说：两个专一性假说： 1 锁钥（锁钥（lock and key)结合假说：结合假说： 由由Fisher早期早期(1894)提出的理论提出的理论 整个酶分子的构象是完整无缺的（刚性），酶整个酶分子的构象是完整无缺的（刚性），酶和底物之间是紧密配合的。和底物之间是紧密配合的。 2 诱导契合学说诱导契合学说(induced-fit hypothesis)： 1958年，年，Koshland 提出。提出酶活性中心的可提出。
2、提出酶活性中心的可变性（挠性）。底物和酶结合时由于诱导和契合使变性（挠性）。底物和酶结合时由于诱导和契合使酶活性中心变化和底物紧密结合。酶活性中心变化和底物紧密结合。艇晓顺栏赘屿逻淡之钾乍割寐细撅训硕修缩抚励誉汉玛迷罢秋堰饮睦腊赢12酶催化反应机制12酶催化反应机制二二 酶与底物相互作用酶与底物相互作用过渡态过渡态E + S ES* E+P 酶通过与底物形成过渡态中间物，酶通过与底物形成过渡态中间物， 降低反应活化能而加速反应。降低反应活化能而加速反应。过渡态中间物的维持力主要是一过渡态中间物的维持力主要是一 些次级键：氢键、离子键、疏水力等，些次级键：氢键、离子键、疏水力等， 形成过程中放出
3、大量能量，抵消了部分活化能形成过程中放出大量能量，抵消了部分活化能处于过渡态的酶与底物的具有很高的亲和力，比底物处于过渡态的酶与底物的具有很高的亲和力，比底物或产物高出几个数量级或产物高出几个数量级底物过渡态类似物：底物过渡态类似物： 例如天然具有半椅式结构的环内酯作为溶菌酶的例如天然具有半椅式结构的环内酯作为溶菌酶的底物，对酶的亲和力比一般糖环高底物，对酶的亲和力比一般糖环高3600倍。倍。 PS(S*)能量能量EE肋吹盐力展服反诺誉雾鸦神蜡襄眶煞卞期陡政殆煽深逻兰辽卡籍备锈蹄摔12酶催化反应机制12酶催化反应机制三三 酶催化反应机制（高效性影响因素）：酶催化反应机制（高效性影响因素）： (
4、一一) 邻近、定向效应及分子内催化：邻近、定向效应及分子内催化： 邻近效应邻近效应(approximation, proximity) ： 酶活性中心的特定构象使两底物残基互相靠近，酶活性中心的特定构象使两底物残基互相靠近，使底物在活性中心有效浓度提高从而加速反应使底物在活性中心有效浓度提高从而加速反应定向效应定向效应( orientation effect) ： 酶使底物的构象固定，使分子轨道正确交叉酶使底物的构象固定，使分子轨道正确交叉分子内催化：分子内催化： 由于邻近和定向效应的存在，使原本处于游离由于邻近和定向效应的存在，使原本处于游离 状态的底物反应，转变成分子内反应。状态的底物反应
5、，转变成分子内反应。 蒲综玻疯疫持冬涕妓攻荧杉勤楷闰忌打践煌侵默戚泳节稼镇父顾俞蔡搔二12酶催化反应机制12酶催化反应机制(二二) 底物形变与诱导楔合底物形变与诱导楔合底物形变底物形变(distortion)和诱导契合和诱导契合(induced fit)： 酶与底物在构象上相互诱导以便更好配酶与底物在构象上相互诱导以便更好配合，作用力的产生往往导致底物形变，使被作合，作用力的产生往往导致底物形变，使被作用的底物敏感键极易断裂用的底物敏感键极易断裂例如：溶菌酶催化时使底物糖环由椅式转变为例如：溶菌酶催化时使底物糖环由椅式转变为半椅式半椅式鳃痔声避查挑山缸爽缉恋邀郎器粮磺贺题摇拔轨沮咳缅备柏孔瞧逮
6、背经疙12酶催化反应机制12酶催化反应机制 (三三) 广义酸碱催化及共催化：广义酸碱催化及共催化：广义酸碱催化：质子供体或受体的催化广义酸碱催化：质子供体或受体的催化例如：葡萄糖变旋反应：例如：葡萄糖变旋反应： 广义碱催化：广义碱催化： 广义酸催化：广义酸催化：OHOHOHO-O- CHOOH CHOOHOHOHCHO - HOH CHO:BHB+ HBHB:B眉丧且提筹衍讯渠震硬广搬准求诸传钦胆纤笛趴迷望企捆貉梗脐葫不疹秃12酶催化反应机制12酶催化反应机制共催化（多元催化）：是酸和碱的共同参与催化的机制共催化（多元催化）：是酸和碱的共同参与催化的机制电荷中继网电荷中继网（charge re
7、lay network）或）或质子转移通路质子转移通路： H-O O- H-N N H-O O H+ C P O- O- 羧基羧基 咪唑基咪唑基 磷酸基磷酸基 电子云由左向右移动，质子由右向左传递电子云由左向右移动，质子由右向左传递质子转移通路上的各个基团都是广义酸，同时又是广义碱质子转移通路上的各个基团都是广义酸，同时又是广义碱 抡娩梆拽辰词绒诫绣外伯便奋曼怎烈计支彤惜腰塑娇般斋努裕汤碾拍荆冻12酶催化反应机制12酶催化反应机制(四四) 共价催化共价催化:标志：催化过程中形成共价中间物标志：催化过程中形成共价中间物1 亲核催化亲核催化: 带有多余电子对的基团或原子攻击缺少电子带有多余电子对的
8、基团或原子攻击缺少电子而带有部分正电性的原子或基团并形成不稳定的而带有部分正电性的原子或基团并形成不稳定的共价中间物的催化方式。共价中间物的催化方式。 亲核试剂亲核试剂: Glu-COO- Asp-COO- His-咪唑基咪唑基2 亲电催化亲电催化: 由缺少电子的亲电试剂从带负电的基团上夺由缺少电子的亲电试剂从带负电的基团上夺取一对电子并形成共价中间物的催化方式。取一对电子并形成共价中间物的催化方式。 亲电试剂：亲电试剂： -NH3+ 体被葱废堂肾竿栅武悯瀑抑桌旭筐清堑选曰熙议象哭旗注诺筋态彝荤死丑12酶催化反应机制12酶催化反应机制(五五) 微环境催化：微环境催化： 酶活性中心提供一个低介电
9、区酶活性中心提供一个低介电区: 低介电环境有利于电荷间相互作用，而极性低介电环境有利于电荷间相互作用，而极性环境往往对电荷有屏蔽作用。环境往往对电荷有屏蔽作用。 局部环境差异使催化基团的解离状态不一样局部环境差异使催化基团的解离状态不一样, 例如：例如： 溶菌酶的两个催化羧基：溶菌酶的两个催化羧基： Glu35-COOH Asp52-COO-霄箭声赐兆彪玄防稀颐悸块你邓注敢树惩阶顶鸳昏削简机肘缅剖旁螟修明12酶催化反应机制12酶催化反应机制(六六) 作为辅助因子的金属离子的催化作为辅助因子的金属离子的催化金属酶类：酶和金属结合牢固金属酶类：酶和金属结合牢固 被金属激活酶类：在分离纯化过程中不带
10、金属，被金属激活酶类：在分离纯化过程中不带金属， 人为加入来激活酶类人为加入来激活酶类金属离子的功能金属离子的功能: 1. 维持酶的活性构象，使酶处于催化有利状态维持酶的活性构象，使酶处于催化有利状态 2. 对底物有定位作用，如：对底物有定位作用，如： Metal 丙酮酸激酶丙酮酸激酶 ATP 丙酮酸丙酮酸 3. 作为超酸催化剂参与催化作为超酸催化剂参与催化 ： 金属离子所带电荷可以不止一个；并且金属离子所带电荷可以不止一个；并且 荷电情况不受荷电情况不受PH环境变化的影响环境变化的影响啃大遭撞秧赂驰渍亢钉毖冰据蛛捶垢锹炕惺重株疫嚎决启庞氖因掳墓统迟12酶催化反应机制12酶催化反应机制第二节第
11、二节 几种酶作用机制举例几种酶作用机制举例 一一 溶菌酶溶菌酶(Lysozyme EC 3.2.1.17 )：存在于鸡蛋清和动物分泌物中，单肽链存在于鸡蛋清和动物分泌物中，单肽链129个个aa，14,600，折，折叠成近球状叠成近球状(4.5 3 3nm)， 底物为底物为NAG和和NAM相间相间 排列或排列或NAG的单聚物的单聚物催化过程：催化过程： 与底物结合与底物结合: 6个糖环第个糖环第 3个必须是个必须是NAG；其它；其它 糖环和酶形成氢键放能糖环和酶形成氢键放能 并导致第并导致第4个糖环个糖环D由由 椅式转变为半椅式椅式转变为半椅式 （4kcal/mol) 拼输光销颊补誓摔互沟蒜彤靡
12、休遭验斯肠瘦黍簇郭沮辅梦走烛则滦逛迎辟12酶催化反应机制12酶催化反应机制 催化：催化： 2 催化特征催化特征: 有明显的底物形变过程有明显的底物形变过程 微环境催化微环境催化 广义酸碱催化广义酸碱催化Glu35COHOABNAGOOC1HNACOEFAsp52-COO-OHH易档毯策锗药氯抉辱办究杉僳迄惹遂盐伍胳班斌返囤萤拎乌傲延诊浓汰惭12酶催化反应机制12酶催化反应机制二二 胰凝乳酶胰凝乳酶 (EC 3.4.4.5)活性中心三个基团活性中心三个基团: Asp102 His57 Ser195构成质子转移通路构成质子转移通路水解分为两个步骤：水解分为两个步骤： 酰化：形成四联体中间物酰化：形
13、成四联体中间物酰化酶酰化酶 His57 HN NAsp102 C-O-OSer195H-OHHRNH C - RO四联体中间物四联体中间物酰化酶酰化酶碳破慧寇棵唱马象兼渡坍蓄镜券历坐栖抚表向戳钾戊垒吐拉字又面抱岸干12酶催化反应机制12酶催化反应机制水解脱酰水解脱酰: 催化特性：催化特性： 亲核催化；亲核催化； 质子传递通路质子传递通路His57 HN NAsp102 C-O-OSer195 ORNH C - ROHH OHRNH2H- H H爪狐韶薯瘟挝辞掸吞镍扫型煞忻瑚嘱嗅躬仅溜柄肄锹烙烫礁痊阴弘记位棚12酶催化反应机制12酶催化反应机制三三 其它其它Ser蛋白酶的催化机制蛋白酶的催化机制
14、:胰酶、弹性蛋白酶、枯草杆菌蛋白酶的活性中心都有胰酶、弹性蛋白酶、枯草杆菌蛋白酶的活性中心都有 Asp、His、Ser的质子传递通路，只是底物专一性不同：的质子传递通路，只是底物专一性不同： Gly216Gly226SerOHCAspOO-Gly216Gly226SerOHVal216Thr226胰酶：作用胰酶：作用于碱性大侧于碱性大侧链链aa弹性蛋白酶：只水弹性蛋白酶：只水解如解如Ala小侧链小侧链aa糜蛋白酶：糜蛋白酶：水解中性大水解中性大侧链侧链aa揩蓬倾研只寄卸舱喧捆起苞屋羌武殷歹皋鹤玻孽枫恍喂宋骇邪佑簇铲从投12酶催化反应机制12酶催化反应机制四四 羧肽酶羧肽酶A (EC 3.4.2
15、.1)1 酶的结构：酶的结构：由胰腺分泌的一个含由胰腺分泌的一个含Zn的蛋白水解酶的蛋白水解酶水解蛋白质或肽的水解蛋白质或肽的C-端，产生游离端，产生游离aa，对芳香族或大侧，对芳香族或大侧 链的脂肪族链的脂肪族aa 作用较强作用较强307aa构成，含构成，含 有有38% -helix , 17% -sheet, 分子椭球形，分子椭球形， 表面有长裂隙，表面有长裂隙， Zn位于其中位于其中潦壶捌级优呸始烁永然码雏班呸墨札耳伙侯菇罚度鹊翼灶标账屋炯粤逸剃12酶催化反应机制12酶催化反应机制2 底物与酶的配合：以甘氨酰酪氨酸为底物（钝化二肽底物）底物与酶的配合：以甘氨酰酪氨酸为底物（钝化二肽底物）
16、酶与底物之间形成酶与底物之间形成5个相互作用力个相互作用力 Arg145正电荷与底物正电荷与底物Tyr羧基形成离子键羧基形成离子键 底物底物Tyr侧链非极性口袋并和酶形成疏水键，并至少置换侧链非极性口袋并和酶形成疏水键，并至少置换 出出4个个H2O Tyr248的酚羟基的酚羟基和和 待作用底物敏感肽待作用底物敏感肽 键的键的NH形成氢键形成氢键 底物敏感肽键的底物敏感肽键的 C=O代替原来的代替原来的 H2O与与Zn2+ 配位配位 底物末端底物末端-NH2通过通过 一个一个H2O与与Glu270 的侧链形成氢键的侧链形成氢键Arg145HO-Tyr248Glu270COO-ZnHis196Gl
17、u72His69OHCHCH2CH-COO-NHO=CNH24H2OHOH狂噬叮田班葬腐踊谢熟倾烩辛艺扦叉溃哄她苦托郭副霜婴俏孺贯汽阮钒狐12酶催化反应机制12酶催化反应机制酶与底物作用过程中构象发生极大变化：酶与底物作用过程中构象发生极大变化： Arg145和和Glu270各移动各移动2A Tyr248 向内移动向内移动12A 相当于整个相当于整个酶分子分子 直径的直径的1/4 由于上述变化，底物口袋中的许多水分子被赶由于上述变化，底物口袋中的许多水分子被赶出，形成一个利于催化的疏水口袋。出，形成一个利于催化的疏水口袋。上述变化以上述变化以Arg145与底物羧基结合开始，然后与底物羧基结合开
18、始，然后触发触发Tyr248 进入催化活性位置，因此底物羧基进入催化活性位置，因此底物羧基是酶识别的至关重要的基团。是酶识别的至关重要的基团。劝翰影丘轧波铝螺淑试伦脆献跺驹米构溅韵稿伶芹拾傅命渡勉膜辟谰醉寐12酶催化反应机制12酶催化反应机制3 催化机制催化机制:Arg145HO-Tyr248Glu270COO-Zn2+His196Glu72His69OHCHCH2CH-COO-NHO=CNH2HOHH -4 催化特点催化特点:底物诱导及形变底物诱导及形变金属离子催化金属离子催化O- H | H南汛扒捅霹充滋佰菌蛊喀秤突敖出拓憾当饥法过诱褥闭顷芝权质澜骆郎驰12酶催化反应机制12酶催化反应机制
19、蛋白质部分蛋白质部分简述蛋白质的结构层次以及各层次主要的特点简述蛋白质的结构层次以及各层次主要的特点和存在类型。和存在类型。蛋白质一级结构测定的基本步骤和方法。蛋白质一级结构测定的基本步骤和方法。研究蛋白质空间结构的主要方法有哪些？简述研究蛋白质空间结构的主要方法有哪些？简述其原理。其原理。举例说明各种膜蛋白及纤维蛋白的结构特点。举例说明各种膜蛋白及纤维蛋白的结构特点。试述细胞内各种蛋白质跨膜运输的机理和途径。试述细胞内各种蛋白质跨膜运输的机理和途径。述肌肉收缩的分子机理。述肌肉收缩的分子机理。简述肽人工合成的思路和常用方法。简述肽人工合成的思路和常用方法。费麻攫焕委肚堆赠固探轴直横微铺遂雍惊胶锋蜜惶哉货垦鸣剃市藕泥郴霞12酶催化反应机制12酶催化反应机制
