c酶的催化活性和调节机制

1、酶的催化活性和调节机制(1)1主要内容介绍酶是生物催化剂酶的结构与催化功能酶促反应机制酶的调节作用酶活性分析2一、酶是生物催化剂1.1 酶的研究历史18世纪初，人们注意到胃液能对肉类进行消化，唾液及植物提取物能将淀粉转变为糖；1837年，Berzelius认为发酵活动由活细胞造成的，首先想到了催化作用；1857年 Pasteur认为酒发酵是酵素催化作用的结果；1878年Kuhne提出enzyme一词；1894年Fisher提出酶与底物作用的“锁与钥匙”学说，用以解释酶 作用的专一性。31.1 酶的研究历史1897年Buchner用酵母菌提取液完成发酵，证明了发酵是酶作用的化学本质；1903年H

2、enri提出酶与底物作用的中间复合物学说；1913年Michaelis和Menten提出酶动力学原理和米氏方程式；1925年Briggs和Handane对米氏方程作了修正；1926年Sumner从刀豆中结晶了脲酶，并证明酶是蛋白质，提出“所有的酶都是蛋白质”；1930年Northrop结晶了胃蛋白酶和胰蛋白酶，确定了酶的蛋白质本质；41.1 酶的研究历史1946年Sumner和Northrop因酶的结晶和对酶的研究获得诺贝尔化学奖；1965年Blake对溶菌酶结晶进行了X光衍射分析，使该酶活性中心的催化反应机制获得直接证据；1969年，Gutte和Merrifield用有机合成方法制得核糖核酸

3、酶，并证明酶与无机催化剂作用相同；1982年Cech发现个别RNA具有酶的催化活性，更新了“酶是蛋白质”的概念；1983年Altman和Pace证明RNase P中RNA具催化活性。51.1 酶的研究历史1986年Lerner首次研制成功了水解羧酸酯的抗体酶（Proc Natl Acad Sci USA, 1986, 83: 6736；Science, 1986, 234(4783): 1566).1994年Joyce发现DNA具有催化活性（chem biol 1994, 1(4): 223-9)。酶的新概念： 酶是生物体内一类具有催化活性和特殊空间构象的生物大分子，包括蛋白质和核酸。61.2

4、 酶的特性酶和一般催化剂的共性：1.用量少而催化效率高；2.能加快化学反应的速度，而其本身在反应前后没有结构和性质的改变；3.催化剂只能缩短反应达到平衡所需的时间，而不能改变反应的平衡点，酶亦如此。4.降低反应的活化能。71.2 酶的特性 酶作为生物催化剂，还具有以下特点：催化效率高：酶催化反应的速率比非酶催化反应的速率高1081020，比一般催化剂高1071013。催化作用有高度专一性：一种酶只能催化一种或一类反应，作用于一种或一类物质。81.2 酶的特性催化作用要求一定的温度与pH值：如NH3的合成在植物中由固氮酶来催化，通常在27C和中性pH值下进行。酶易失活：强酸、强碱、高温等条件都能

5、使酶破坏而完全失去活性。酶的活力受调节控制: 酶活力与辅酶、辅基、底物、金属离子等密切相关。91.3 酶的组成全酶：酶蛋白与酶活力所需的任何形式辅助因子所组成的完整功能的复合体。辅酶：在酶的催化过程中一类小分子化合物，负责运载底物的电子或基团，与酶蛋白结合松弛，可作为多种酶蛋白的辅助因子，如NAD+、NADP+等。辅基：与辅酶的作用相同，只是与酶蛋白结合紧密，从不与酶蛋白分离，如血红素、黄素腺嘌呤二核苷酸等。101.3 酶的组成常见的金属辅助因子酶金属辅助因子醇脱氢酶、碳酸苷酶、羧肽酶Zn2+磷酸转移酶、精氨酸酶Mn2+细胞色素酶、过氧化物酶、过氧化氢酶、铁氧环蛋白Fe2+、Fe3+酪氨酸酶、

6、细胞色素氧化酶Cu2+、Cu+磷酸水解酶类、磷酸转移酶类Mg2+质膜ATP酶Na+、K+、Mg2+丙酮酸激酶K+、Mg2+111.3 酶的组成常见的非金属辅助因子类型辅酶和辅基转移基团辅酶烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 (NAD+)H、电子（与VPP有关）辅酶烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸H、电子（与VPP有关）辅酶辅酶QH、电子辅酶焦磷酸硫胺素醛类辅酶辅酶A、硫锌酰胺酰类辅酶钴胺酰胺辅酶类烷类辅酶生物胞素二氧化碳辅酶磷酸吡哆醛氨基辅酶四氢叶酸辅酶类甲基、亚甲基、甲酰基、亚氨甲基辅基黄素单核苷酸（FMN）H（与VB2有关）辅基黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）H（与VB2有关）辅基铁卟啉电子121.3 酶的组成根据

7、酶蛋白分子的特点，将酶分为：单体酶：由一条多肽链构成,一般为催化水解反应的酶,如胰蛋白酶、溶菌酶等, Mr为1335KDa。寡聚酶：有多条相同或不同的多肽链组成，可能为别构酶，Mr为35几百万道尔顿。多酶体系：由多种酶嵌合形成的复合体，分子量巨大，往往上一个酶产物是下一个酶底物。有三种形式：游离状态、固定于膜上或组成复合体（反应中间物一般不离开酶复合体）。13二、酶的结构与催化功能 2.1 酶的一级结构与催化活性活性中心：酶分子上参与底物结合与催化作用的少数特殊的氨基酸残基较集中的区域。 一般认为活性中心有两个功能部位： A. 催化部位：底物的键在此处被打断或形成新键； B. 结合部位：底物分

8、子靠此部位结合到酶分子上。肽键：蛋白质酶一级结构的主键，断裂后酶失活。二硫键：断裂后影响酶的空间结构及活性。142.1 酶的一级结构与催化活性与酶活性紧密相关的序列：是酶活性的关键，在进化中具高度保守性。如磷酸甘油醛脱氢酶在不同的生物中，一活性Cys前后的17个氨基酸相同： Val-Ser-Asn-Ala-Ser-Cys*-Thr-Thr-Asn-Cys-Leu-Ala-Pro-Leu-Ala-Lys-Val活性氨基酸：活性中心中常见的氨基酸如Cys, His, Ser 等。来源于不同酶的活性氨基酸功能相同，如胰蛋白酶中的活性Ser和菠萝蛋白酶中的活性Cys功能相同。152.2 酶的二、三级结

9、构与催化活性酶的二级、三级结构是所有酶必备的空间结构，是维持酶活性中心的必需构型。二者的改变可使形成有利于催化作用的构型而发挥作用（“诱导契合学说”的基础）酶分子的肽链大部分不是螺旋而是折叠，其间以螺旋及折叠肽段相连。16 2.2 酶的二、三级结构与催化活性 酶的结构特点：酶分子中的肽链通常都紧凑包装呈球状或椭圆状；球表面有几个凹槽。酶的活性中心位于蛋白分子表面的凹槽，凹槽内为疏水性氨基酸构成的疏水环境；肽链所形成的二级结构和三级结构，在酶发生催化作用时，空间位点相近的氨基酸会发生位移，引起酶的构象变化。17 2.2 酶的二、三级结构与催化活性酶活性中心的 空间构型在底物的作用下能发生改变以行

10、使催化功能。如羧肽酶A，由307个氨基酸组成的单一肽链，当和底物Gly-Tyr结合时，Tyr248的酚羟基移动1.2nm，与酰胺键的N原子形成氢键；Arg145移动2nm与底物羧基形成氢键；Glu270移动0.2nm, 通过水分子与底物氨基形成氢键。但若底物换成Lys-Tyr时，酶不会发生构象变化。182.3 酶的四级结构与催化活性酶的四级结构及亚基与催化活性 每个亚基都具有催化功能，用适当方法分离后，每个亚基都具有生物活性，否则各亚基将失去催化活性。如天冬氨酸转氨酶，用琥珀酰化方法将亚基分离后，每个亚基都具有生物活性；而用酸，碱和表面活性剂破坏四级结构时，所得的亚基则没有催化活性，这是由于所

11、使用的化学药剂抑制了酶活性所造成的。192.3 酶的四级结构与催化活性酶的四级结构与代谢调节 酶的亚基有调节和催化两种：催化亚基具有催化功能，但受调节亚基影响，如调节亚基有激活中心和抑制中心，可分别与激活剂和抑制剂结合，使酶的活性受到激活或抑制，从而调节酶反应的速度和代谢进程。20三、酶促反应机制3.1 酶作用的专一性专一性种类：根据酶对底物的选择分 A. 结构专一性：酶对底物的结构有一定的要求，如酶作用点的键，键两端基团等； B. 立体专一性：酶对底物的立体结构有一定的要求。又分为旋光异构专一性（如胰蛋白酶只作用于L-AA残基构成的肽键）和几何异构专一性（如琥珀酸脱氢酶只能催化琥珀酸脱氢生成

12、延胡索酸，而不能生成顺丁烯二酸）。213.1 酶作用的专一性223.1 酶作用的专一性专一性的机理：“锁与钥匙”假说(1894, Fisher)，“诱导契合”假说(1958, Koshland)；专一性研究的意义： A 了解生命现象:生物有序代谢及酶作用机制; B 指导工业生产； C 物质结构分析； D 用于药物手性体的合成和拆分。233.1 酶作用的专一性243.1 酶作用的专一性酶专一性研究的一般方法：首先筛选被酶解的活性底物，对底物结构进行切除或化学修饰；最好对一种以上的底物进行类似的处理，以验证专一性。酶反应专一性研究示例： 以红曲酶葡萄糖淀粉酶(EC3.2.1.4.)为例，底物用多糖

13、、寡糖，结果如下表：25底物浓度（%）结构特征水解限度(%)直链淀粉0.1-1,4糖苷键，直链100支链淀粉0.25-1,4糖苷键和-1,6糖苷键, 分支91.3茁霉多糖0.25-1,4糖苷键和-1,6糖苷键, 分支8.7右旋糖苷0.25-1,4糖苷键和-1,6糖苷键, 分支0-环糊精0.25-1,4糖苷键，6糖成环0-环糊精0.25-1,4糖苷键，7糖成环0-环糊精0.25-1,4糖苷键，8糖成环0麦芽糖0.1-1,4糖苷键，双糖100异麦芽糖0.1-1,6糖苷键，双糖1.4纤维二糖0.1 -1,4糖苷键，双糖0红曲霉葡萄糖淀粉酶对不同底物的水解限度结论：专一性水解-1,4糖苷键，且为线形分

14、子263.2 酶促反应的本质酶的逼近与定位功能 酶能使溶液中游离的分子、基团或原子逼近底物分子，并使其定位不动，增大亲核攻击机会，从而加快反应速度。 酶与专一性底物结合时，酶蛋白分子会发生一定的构象变化，使其催化基团与结合基团的正确排列并定位，便于底物分子逼近及定位。273.2 酶促反应的本质底物分子变形与扭曲 酶与专一性底物相互作用时，底物分子在酶的作用下发生变化，敏感的基团电子云密度增高或降低，产生“电子张力”，变得更为敏感，易于形成过度态构型，加快反应发生。酸碱催化 即质子受体和供体的催化。酶分子侧链上有些功能基团如-NH3、-COOH、-SH、酚羟基及咪唑基等，具有质子授受功能，执行酸

15、碱催化。283.2 酶促反应的本质共价催化 酶与底物分子共价结合形成高活性的中间产物，此产物很容易变成过度态，大大降低反应的活化能而加快催化反应的进行。 亲核催化是其中之一。酶分子中有很多亲核基团如-NH3、-COOH、-SH、酚羟基及咪唑基等，亲电基团H+，各种金属离子及辅酶的亲核中心等。293.2 酶促反应的本质酶分子活性中心低介电性 一些酶的活性中心为非极性的，其催化基团被低介电环境所包围。这有利于专一性底物分子敏感键与催化基团反应，加快反应进行。如溶菌酶底物结合部位的狭长裂缝，提供了特殊结合环境。 同时，由于酶的此类性质，改变了反应的环境，也有利于催化反应的进行。303.3 酶促反应机

16、制的研究方法1. 动力学研究 在实验中改变酶促反应条件，利用酶动力学理论对取得的数据进行分析研究。 A. 改变底物浓度：研究反应复合物出现的次序； B. 改变底物结构：用结构相近的底物考查酶促进反应速度，可以了解结合部位和催化活性有关的结合要素，即活性部位的图解。313.3 酶促反应机制的研究方法1. 动力学研究 C. 可逆抑制：选择一定的抑制剂，比较它们与底物的异同，可以测知与酶活性部位相关的结构，如Ala-Phe-Arg是木瓜酶强有力的抑制剂。 D. 改变pH条件：测定酶反应速度对pH变更的曲线，能找到那些与已经电离的AA侧链的pKa值，再与此AA的pKa比较，推测哪些AA与酶活性有关。

17、E. 恒态前反应动力学：检测ES形成及分解速度。323.3 酶促反应机制的研究方法2. 反应中间物检测：一般难以达到，但有些酶反应中间物比较稳定，如胰凝乳蛋白酶催化酯类水解有一个酰基酶中间体(Ser-195被乙酰化)；3. X射线晶体衍射：比较烦琐，但可以得到酶底物复合物精细结构；4. 氨基酸侧链的化学修饰：检验活性基团氨基酸,如Hg对含-SH Cys的特殊修饰.33 3.4 抗体酶催化的反应概念：将经过特殊设计并合成的有机小分子作为半抗原，用细胞杂交技术生产单克隆抗体，这种抗体具有酶的特性。抗体酶催化的反应： 酰基转移反应、水解反应、分子重排、光诱导反应、氧化还原反应、金属螯合反应等。抗体酶研究的意义：发展专一性酶；用于蛋白质序列分析；研究酶的催化机制；发展抗体药物；等等。34*3.5 核酶对RNA加工的反应概念: 核酶(ribozyme)是指具有酶催化功能的RNA或DNA。核酶的功能主要是切割RNA，有阻断基因表达和