生物化學(xué)__酶的作用機(jī)制和酶的調(diào)節(jié)

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1、2006-1-7第十章 酶的作用機(jī)制和酶的調(diào)節(jié)一、酶的活性部位二、酶催化反應(yīng)的獨(dú)特性質(zhì)三、影響酶催化效率的有關(guān)因素四、酶催化反應(yīng)機(jī)制的實(shí)例五、酶活性的調(diào)節(jié)控制六、同工酶2006-1-7一、酶的活性部位活性中心：酶分子中結(jié)合底物并起催化作用的少數(shù)氨基酸殘基，包括底物結(jié)合部位（決定酶的專一性）、催化部位（決定酶所催化反應(yīng)的性質(zhì)）。頻率最高的活性中心的氨基酸殘基：Ser、His、Cys、Tyr、Asp、Glu、Lys。不需要輔酶的酶：活性中心是酶分子在三維結(jié)構(gòu)上比較靠近的少數(shù)幾個氨基酸殘基或是這些殘基的某些基團(tuán)。 需要輔酶的酶：輔酶分子或輔酶分子的某一部分結(jié)構(gòu)往往就是活性中心的組成部分。 （一）酶活

2、性部位的特點(diǎn)2006-1-7接觸殘基：R1、R2、R6、R8、R9、R163輔助殘基：R3、R4、R5、R164、R165結(jié)構(gòu)殘基：R10、R162、R169非貢獻(xiàn)殘基：其它2006-1-7酶蛋白必需殘基非必需殘基活性中心活性中心外接觸殘基輔助殘基結(jié)構(gòu)殘基結(jié)合殘基催化基團(tuán)（1）接觸殘基：結(jié)合基團(tuán)，催化基團(tuán)。（2）輔助殘基：不與底物接觸，輔助酶與底物結(jié)合，協(xié)助接觸殘基。上述兩類殘基構(gòu)成酶活性中心。（3）結(jié)構(gòu)殘基：維持酶分子三維構(gòu)象，與酶活性相關(guān)，但不在酶活性中心范圍內(nèi)，屬于酶活性中心以外的必需殘基。上述三類殘基統(tǒng)稱酶的必需基團(tuán)（4）非貢獻(xiàn)殘基（非必需基團(tuán)）可能在免疫，酶活性調(diào)節(jié)，運(yùn)輸轉(zhuǎn)移，防止降

3、解等方面起作用。 2006-1-7酶活性部位的特點(diǎn)：（1）活性部位在酶分子的總體中只占相當(dāng)小的部分，往往只占整個酶分子體積的1%-2% ；（2）酶的活性部位是一個三維實(shí)體，具有三維空間結(jié)構(gòu)。 活性中心的空間構(gòu)象不是剛性的，在與底物接觸時表現(xiàn)出一定的柔性和運(yùn)動性。（鄒承魯研究酶變性的工作）（3）通過誘導(dǎo)契合酶和底物結(jié)合；（4）酶的活性部位是位于酶表面的一個裂隙內(nèi)，裂隙內(nèi)是一個相當(dāng)疏水的環(huán)境，從而有利于同底物的結(jié)合；（5）底物通過次級鍵較弱的力結(jié)合到酶上。2006-1-7（二）研究酶活性部位的方法（1）通過酶的專一性：研究酶的專一性底物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、酶的競爭性抑制劑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等。（2）酶的化學(xué)修飾法：

4、例如1.用共價修飾的試劑作用于酶，查明保持酶活力的必需基團(tuán)；2.親和標(biāo)記（合成底物類似物）；3.SH保護(hù)劑的使用。（3）X射線晶體衍射法（4）分子生物學(xué)的方法2006-1-7二、酶催化反應(yīng)的獨(dú)特性質(zhì)（1）酶反應(yīng)分為兩類：僅涉及電子轉(zhuǎn)移和涉及電子和質(zhì)子兩者或者其他基團(tuán)的轉(zhuǎn)移。（2）催化作用是以氨基酸側(cè)鏈上的功能基團(tuán)和輔酶為媒介。（3）酶催化反應(yīng)的最適pH范圍通常狹小。（4）酶分子很大，而活性部位通常只比底物稍大一些，一個巨大的酶結(jié)構(gòu)對穩(wěn)定活性部位的構(gòu)象是必要的。（5）酶具有復(fù)雜的折疊結(jié)構(gòu)。2006-1-7三、影響酶催化效率的有關(guān)因素（一）底物和酶的鄰近效應(yīng)與定向效應(yīng)鄰近效應(yīng)：酶與底物形成中間復(fù)合

5、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)。酶把底物分子從溶液中富集出來，使它們固定在活性中心附近，反應(yīng)基團(tuán)相互鄰近，同時使反應(yīng)基團(tuán)的分子軌道以正確方位相互交疊，反應(yīng)易于發(fā)生。2006-1-7鄰近效應(yīng)與定向效應(yīng)對反應(yīng)速度的影響：使底物濃度在活性中心附近很高 酶對底物分子的電子軌道具有導(dǎo)向作用 酶使分子間反應(yīng)轉(zhuǎn)變成分子內(nèi)反應(yīng)鄰近效應(yīng)和定向效應(yīng)對底物起固定作用 2006-1-7（二）底物的形變和誘導(dǎo)契合酶中某些基團(tuán)可使底物分子的敏感鍵中某些基團(tuán)的電子云密度變化，產(chǎn)生電子張力，降低了底

6、物的活化能。酶從低活性形式轉(zhuǎn)變?yōu)楦呋钚孕问剑诖呋?。底物形變，利于形成ES復(fù)合物。底物構(gòu)象變化，過度態(tài)結(jié)構(gòu)，大大降低活化能。2006-1-7ZnZnGlu270Tyr248Arg145底物 2006-1-7（三）酸堿催化酶分子的一些功能基團(tuán)起瞬時質(zhì)子供體或質(zhì)子受體的作用。影響酸堿催化反應(yīng)速度的兩個因素酸堿強(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)。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2006-1-7（四）共價催化酶作為親核基團(tuán)或親電基團(tuán)，與底物形成一個反應(yīng)活性很高的共價中間物。酶親核基團(tuán)：Ser-OH，Cys

7、-SH，His-N、Asp-COOH；底物親電中心：磷?；?P=O），酰基（-C=O），糖基（Glu-C-OH）某些輔酶，如焦磷酸硫胺素和磷酸吡哆醛等也可以參與共價催化作用。催化劑通過與底物形成反應(yīng)活性很高的共價過渡產(chǎn)物，使反應(yīng)活化能降低，從而提高反應(yīng)速度的過程，稱為共價催化。2006-1-7（五）金屬離子催化金屬酶（metalloenzyme):含緊密結(jié)合的金屬離子，F(xiàn)e2+、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+。金屬離子參加的四種主要催化途徑（1）通過結(jié)合底物為反應(yīng)定向

8、（2）通過自身價數(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（4）金屬離子通過水的離子化促進(jìn)親核催化。2006-1-7（六）多元催化和協(xié)同效應(yīng)在酶催化反應(yīng)中，常常是幾個基元催化反應(yīng)配合在一起共同起作用。2006-1-7（七）活性部位微環(huán)境的影響 疏水環(huán)境介電常數(shù)低，加強(qiáng)極性基團(tuán)間的作用。電荷環(huán)境在酶活性中心附近，往往有一電荷離子，可穩(wěn)定過渡態(tài)的離子 2006-1-7四、酶催化反應(yīng)機(jī)制的實(shí)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 酶切位點(diǎn)Asp52Glu35（極性區(qū)）（非極性區(qū)）C1+非極性區(qū)極性區(qū)HO - E環(huán)H2O（廣義酸堿催化

9、）2006-1-7（二）RNase A 2006-1-7（三）羧肽酶 A 2006-1-72006-1-7ZnZn2006-1-7 1452006-1-7（四）絲氨酸蛋白酶（胰凝乳蛋白酶）His57Asp102Ser195Asp102His57Ser195His57102AspSer195A.酶分子中的電荷中繼網(wǎng)B.加上底物后，從Ser轉(zhuǎn)移一個質(zhì)子給His，帶正電荷的咪唑基通過帶負(fù)電荷的Asp靜電相互作用被穩(wěn)定Ser195102AspHis57底物2006-1-7氫鍵體系-電荷中繼網(wǎng)結(jié)合底物His57 質(zhì)子供體形成共價ES復(fù)合物C-N鍵斷裂底物 氨基產(chǎn)物釋放四面體中間物的瓦解水親核攻擊羧基產(chǎn)物

10、釋放H2OR-NH22006-1-7五、酶活性的調(diào)節(jié)控制（一）別構(gòu)調(diào)控概念：酶分子的非催化部位與某些化合物可逆地非共價結(jié)合后導(dǎo)致酶分子發(fā)生構(gòu)象改變，進(jìn)而改變酶的活性狀態(tài)，稱為酶的別構(gòu)調(diào)節(jié)(allosteric regulation)，具有這種調(diào)節(jié)作用的酶稱別構(gòu)酶(allosteric enzyme)。別構(gòu)酶促反應(yīng)底物濃度和反應(yīng)速度的關(guān)系不符合米氏方程，呈S型曲線。凡能使酶分子發(fā)生別構(gòu)作用的物質(zhì)稱為效應(yīng)物(effector)，通常為小分子代謝物或輔因子。如因別構(gòu)導(dǎo)致酶活性增加的物質(zhì)稱為正效應(yīng)物(positive effector)或別構(gòu)激活劑，反之稱負(fù)效應(yīng)物(negative effector)

11、或別構(gòu)抑制劑。別構(gòu)調(diào)節(jié)普遍存在于生物界，許多代謝途徑的關(guān)鍵酶利用別構(gòu)調(diào)節(jié)來控制代謝途徑之間的平衡，研究別構(gòu)調(diào)控有重要的生物學(xué)意義。A-非調(diào)節(jié)酶B-正協(xié)同別構(gòu)酶 的S形曲線 別構(gòu)酶與米氏酶的動力學(xué)曲線比較當(dāng)?shù)孜餄舛劝l(fā)生很小的變化時，別構(gòu)酶就極大地控制著反應(yīng)速度。在正協(xié)同效應(yīng)中使得酶反應(yīng)速度對底物濃度的變化極為敏感。2006-1-7區(qū)分酶的類型有兩種標(biāo)準(zhǔn)a. Koshland標(biāo)準(zhǔn)：CI（cooperativity index）協(xié)同指數(shù)：酶分子中的結(jié)合位點(diǎn)被底物飽和90%和10%時底物濃度的比值。亦稱飽和比值Rs(saturation ratio) Rs= 酶與底物結(jié)合達(dá)90%飽和度時底物濃度酶與底

12、物結(jié)合達(dá)10%飽和度時底物濃度 Rs=81 米氏類型酶 Rs81 具有正協(xié)同效應(yīng)的別構(gòu)酶 Rs81 具有負(fù)協(xié)同效應(yīng)的別構(gòu)酶b.Hill系數(shù)： Hill系數(shù)=1 米氏類型酶 Hill系數(shù)1 具有正協(xié)同效應(yīng)的別構(gòu)酶 Hill系數(shù)1 具有負(fù)協(xié)同效應(yīng)的別構(gòu)酶1-非調(diào)節(jié)酶2-正協(xié)同別構(gòu)酶3-負(fù)協(xié)同別構(gòu)酶 具有負(fù)協(xié)同效應(yīng)的酶在底物濃度較低的范圍內(nèi)酶活力上升快，但再繼續(xù)下去，底物濃度雖有較大的提高，但反應(yīng)速度升高卻較小。使得酶反應(yīng)速度對底物濃度的變化不敏感天冬氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶（ATCase）ATCaseATP+氨甲酰磷酸天冬氨酸CTP-UTPUMP氨甲酰天冬氨酸2006-1-7c:催化亞基（catalytic

13、 subunit）r:調(diào)節(jié)亞基（ regulative subunit）2006-1-7ATCase半分子（c3r3)的結(jié)構(gòu)2006-1-7低催化活性構(gòu)象T(tense) - 態(tài)CCCCCC R R R R R RCCCCCC高催化活性構(gòu)象R(relax) -態(tài)R RR RR RPALA2006-1-7ATP（正效應(yīng)劑）CTP（負(fù)效應(yīng)劑）低催化活性構(gòu)象T(tense) - 態(tài)CCCCCC R R R R R RCCCCCC高催化活性構(gòu)象R(relax) -態(tài)R RR RR RVmax1/2VmaxKm別構(gòu)酶的齊變模型S SSSS SSS SST狀態(tài)（對稱亞基）R狀態(tài)（對稱亞基）SSSS對稱亞基

14、對稱亞基齊步變化2006-1-7別構(gòu)酶的序變模型SS SS SSSSSSSSSS亞基全部處于R型亞基全部處于T型依次序變化2006-1-7（二）酶的共價修飾（二）酶的共價修飾 某些酶可以通過其它酶對其多肽鏈上某些基團(tuán)進(jìn)行可逆的共價修飾，使其處于活性與非活性的互變狀態(tài)，從而調(diào)節(jié)酶活性。這類酶稱為共價修飾酶。目前發(fā)現(xiàn)有數(shù)百種酶被翻譯后都要進(jìn)行共價修飾，其中一部分處于分支代謝途徑，成為對代謝流量起調(diào)節(jié)作用的關(guān)鍵酶或限速酶。 由于這種調(diào)節(jié)的生理意義廣泛，反應(yīng)靈敏，節(jié)約能量，機(jī)制多樣，在體內(nèi)顯得十分靈活，加之它們常受激素甚至神經(jīng)的指令，導(dǎo)致級聯(lián)放大反應(yīng)，所以日益引人注目。 AP1GEDCBHEa-bEc

15、-dEc-g關(guān)鍵酶（限速酶）P22006-1-7蛋白激酶ATPADP蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)Pn蛋白磷酸酶nPiH2O反應(yīng)類型 共價修飾 被修飾的氨基酸殘基磷酸化腺苷?；蜍挣；疶yr,Ser,Thr.HisTyrTyr甲基化GluS-腺苷-MetS-腺苷-同型 CysATP ADP腎上腺素或胰高血糖素132102104106108葡萄糖456意義：由于酶的共價修飾反應(yīng)是酶促反應(yīng)，只要有少量信號分子（如激素）存在，即可通過加速這種酶促反應(yīng)，而使大量的另一種酶發(fā)生化學(xué)修飾，從而獲得放大效應(yīng)。這種調(diào)節(jié)方式快速、效率極高。腎上腺素或胰高血糖素1、腺苷酸環(huán)化酶（無活性）腺苷酸環(huán)化酶（活性）2、ATPcAMPR、c

16、AMP3、蛋白激酶（無活性）蛋白激酶（活性）4、磷酸化酶激酶（無活性）磷酸化酶激酶（活性）5、磷酸化酶 b（無活性）磷酸化酶 a（活性）6、糖原6-磷酸葡萄糖1-磷酸葡萄糖葡萄糖血液ATP ADP（極微量）（大量）2006-1-7（三）酶原的激活體內(nèi)合成出來的酶，有時不具有生物活性，經(jīng)過蛋白水解酶專一作用后，構(gòu)象發(fā)生變化，形成活性中心，變成有活性的酶。這個不具活性的蛋白質(zhì)稱為酶原（zymogen或proenzyme），這個過程稱為酶原的激活。 該變化過程，是生物體的一種調(diào)控機(jī)制。這種調(diào)控作用的特點(diǎn)是，蛋白質(zhì)由無活性狀態(tài)轉(zhuǎn)變成活性狀態(tài)是不可逆的。2006-1-7牛胰蛋白酶胰蛋白酶原胰蛋白酶六肽腸

17、激酶活性中心胰蛋白酶原胰蛋白酶六肽腸激酶胰凝乳蛋白酶原胰凝乳蛋白酶彈性蛋白酶原彈性蛋白酶羧肽酶原羧肽酶2006-1-7六、同工酶存在于同一種屬或不同種屬，同一個體的不同組織或同一組織、同一細(xì)胞，具有不同分子形式但卻能催化相同的化學(xué)反應(yīng)的一組酶，稱之為同工酶（isoenzyme）。乳酸脫氫酶是研究的最多的同工酶。生物學(xué)功能：遺傳的標(biāo)志和個體發(fā)育及組織分化密切相關(guān)適應(yīng)不同組織或不同細(xì)胞器在代謝上的不同需要 2006-1-72006-1-7多肽亞基mRNA四聚體結(jié)構(gòu)基因a b乳酸脫氫酶同工酶電泳圖譜+H4MH3M2H2M3HM4點(diǎn)樣線LDH1(H4)LDH2(H3M)LDH3(H2M2)LDH4(H

18、M3)LDH5(M4)心肌 腎 肝 骨骼肌 血清-+原點(diǎn) 心、肝病變時引起的血清LDH同工酶的變化規(guī)律： 心臟疾病 LDH2和LDH2上升，LDH3和LDH5下降。 急性肝炎 LDH5明顯上升，隨病情好轉(zhuǎn)而恢復(fù)正常。2006-1-7 (1) 遺傳學(xué)和分類學(xué)：提供了一種精良的判別遺傳標(biāo)志的工具。(2) 發(fā)育學(xué)：有效地標(biāo)志細(xì)胞類型及細(xì)胞在不同條件下的分化情況，以及個體發(fā)育和系統(tǒng)發(fā)育的關(guān)系。(3) 生物化學(xué)和生理學(xué)：根據(jù)不同器官組織中同工酶的動力學(xué)、底物專一性、輔助因子專一性、酶的變構(gòu)性等性質(zhì)的差異，從而解釋它們代謝功能的差別。（4）醫(yī)學(xué)和臨床診斷：體內(nèi)同工酶的變化，可看作機(jī)體組織損傷，或遺傳缺陷，

19、或腫瘤分化的的分子標(biāo)志。2006-1-7DFP的作用用共價修飾的試劑作用于酶，查明保持酶活力的必需基團(tuán)二異丙基氟磷酸2006-1-7二、酶催化反應(yīng)的獨(dú)特性質(zhì)（1）酶反應(yīng)分為兩類：僅涉及電子轉(zhuǎn)移和涉及電子和質(zhì)子兩者或者其他基團(tuán)的轉(zhuǎn)移。（2）催化作用是以氨基酸側(cè)鏈上的功能基團(tuán)和輔酶為媒介。（3）酶催化反應(yīng)的最適pH范圍通常狹小。（4）酶分子很大，而活性部位通常只比底物稍大一些，一個巨大的酶結(jié)構(gòu)對穩(wěn)定活性部位的構(gòu)象是必要的。（5）酶具有復(fù)雜的折疊結(jié)構(gòu)。 酶切位點(diǎn) 酶切位點(diǎn)2006-1-7（二）RNase A 2006-1-7區(qū)分酶的類型有兩種標(biāo)準(zhǔn)a. Koshland標(biāo)準(zhǔn)：CI（cooperativ

20、ity index）協(xié)同指數(shù)：酶分子中的結(jié)合位點(diǎn)被底物飽和90%和10%時底物濃度的比值。亦稱飽和比值Rs(saturation ratio) Rs= 酶與底物結(jié)合達(dá)90%飽和度時底物濃度酶與底物結(jié)合達(dá)10%飽和度時底物濃度 Rs=81 米氏類型酶 Rs81 具有正協(xié)同效應(yīng)的別構(gòu)酶 Rs81 具有負(fù)協(xié)同效應(yīng)的別構(gòu)酶b.Hill系數(shù)： Hill系數(shù)=1 米氏類型酶 Hill系數(shù)1 具有正協(xié)同效應(yīng)的別構(gòu)酶 Hill系數(shù)1 具有負(fù)協(xié)同效應(yīng)的別構(gòu)酶胰蛋白酶原胰蛋白酶六肽腸激酶活性中心2006-1-7 (1) 遺傳學(xué)和分類學(xué)：提供了一種精良的判別遺傳標(biāo)志的工具。(2) 發(fā)育學(xué)：有效地標(biāo)志細(xì)胞類型及細(xì)胞在不同條件下的分化情況，以及個體發(fā)育和系統(tǒng)發(fā)育的關(guān)系。(3) 生物化學(xué)和生理學(xué)：根據(jù)不同器官組織中同工酶的動力學(xué)、底物專一性、輔助因子專一性、酶的變構(gòu)性等性質(zhì)的差異，從而解釋它們代謝功能的差別。（4）醫(yī)學(xué)和臨床診斷：體內(nèi)同工酶的變化，可看作機(jī)體組織損傷，或遺傳缺陷，或腫瘤分化的的分子標(biāo)志。