c酶的催化活性和調(diào)節(jié)機制

1、酶的催化活性和調(diào)節(jié)機制(1)1主要內(nèi)容介紹酶是生物催化劑酶的結(jié)構(gòu)與催化功能酶促反應(yīng)機制酶的調(diào)節(jié)作用酶活性分析2一、酶是生物催化劑1.1 酶的研究歷史18世紀(jì)初，人們注意到胃液能對肉類進行消化，唾液及植物提取物能將淀粉轉(zhuǎn)變?yōu)樘牵?837年，Berzelius認(rèn)為發(fā)酵活動由活細(xì)胞造成的，首先想到了催化作用；1857年 Pasteur認(rèn)為酒發(fā)酵是酵素催化作用的結(jié)果；1878年Kuhne提出enzyme一詞；1894年Fisher提出酶與底物作用的“鎖與鑰匙”學(xué)說，用以解釋酶 作用的專一性。31.1 酶的研究歷史1897年Buchner用酵母菌提取液完成發(fā)酵，證明了發(fā)酵是酶作用的化學(xué)本質(zhì)；1903年H

2、enri提出酶與底物作用的中間復(fù)合物學(xué)說；1913年Michaelis和Menten提出酶動力學(xué)原理和米氏方程式；1925年Briggs和Handane對米氏方程作了修正；1926年Sumner從刀豆中結(jié)晶了脲酶，并證明酶是蛋白質(zhì)，提出“所有的酶都是蛋白質(zhì)”；1930年Northrop結(jié)晶了胃蛋白酶和胰蛋白酶，確定了酶的蛋白質(zhì)本質(zhì)；41.1 酶的研究歷史1946年Sumner和Northrop因酶的結(jié)晶和對酶的研究獲得諾貝爾化學(xué)獎；1965年Blake對溶菌酶結(jié)晶進行了X光衍射分析，使該酶活性中心的催化反應(yīng)機制獲得直接證據(jù)；1969年，Gutte和Merrifield用有機合成方法制得核糖核酸

3、酶，并證明酶與無機催化劑作用相同；1982年Cech發(fā)現(xiàn)個別RNA具有酶的催化活性，更新了“酶是蛋白質(zhì)”的概念；1983年Altman和Pace證明RNase P中RNA具催化活性。51.1 酶的研究歷史1986年Lerner首次研制成功了水解羧酸酯的抗體酶（Proc Natl Acad Sci USA, 1986, 83: 6736；Science, 1986, 234(4783): 1566).1994年Joyce發(fā)現(xiàn)DNA具有催化活性（chem biol 1994, 1(4): 223-9)。酶的新概念： 酶是生物體內(nèi)一類具有催化活性和特殊空間構(gòu)象的生物大分子，包括蛋白質(zhì)和核酸。61.2

4、 酶的特性酶和一般催化劑的共性：1.用量少而催化效率高；2.能加快化學(xué)反應(yīng)的速度，而其本身在反應(yīng)前后沒有結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的改變；3.催化劑只能縮短反應(yīng)達到平衡所需的時間，而不能改變反應(yīng)的平衡點，酶亦如此。4.降低反應(yīng)的活化能。71.2 酶的特性 酶作為生物催化劑，還具有以下特點：催化效率高：酶催化反應(yīng)的速率比非酶催化反應(yīng)的速率高1081020，比一般催化劑高1071013。催化作用有高度專一性：一種酶只能催化一種或一類反應(yīng)，作用于一種或一類物質(zhì)。81.2 酶的特性催化作用要求一定的溫度與pH值：如NH3的合成在植物中由固氮酶來催化，通常在27C和中性pH值下進行。酶易失活：強酸、強堿、高溫等條件都能

5、使酶破壞而完全失去活性。酶的活力受調(diào)節(jié)控制: 酶活力與輔酶、輔基、底物、金屬離子等密切相關(guān)。91.3 酶的組成全酶：酶蛋白與酶活力所需的任何形式輔助因子所組成的完整功能的復(fù)合體。輔酶：在酶的催化過程中一類小分子化合物，負(fù)責(zé)運載底物的電子或基團，與酶蛋白結(jié)合松弛，可作為多種酶蛋白的輔助因子，如NAD+、NADP+等。輔基：與輔酶的作用相同，只是與酶蛋白結(jié)合緊密，從不與酶蛋白分離，如血紅素、黃素腺嘌呤二核苷酸等。101.3 酶的組成常見的金屬輔助因子酶金屬輔助因子醇脫氫酶、碳酸苷酶、羧肽酶Zn2+磷酸轉(zhuǎn)移酶、精氨酸酶Mn2+細(xì)胞色素酶、過氧化物酶、過氧化氫酶、鐵氧環(huán)蛋白Fe2+、Fe3+酪氨酸酶、

6、細(xì)胞色素氧化酶Cu2+、Cu+磷酸水解酶類、磷酸轉(zhuǎn)移酶類Mg2+質(zhì)膜ATP酶Na+、K+、Mg2+丙酮酸激酶K+、Mg2+111.3 酶的組成常見的非金屬輔助因子類型輔酶和輔基轉(zhuǎn)移基團輔酶煙酰胺腺嘌呤二核苷酸 (NAD+)H、電子（與VPP有關(guān)）輔酶煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸H、電子（與VPP有關(guān)）輔酶輔酶QH、電子輔酶焦磷酸硫胺素醛類輔酶輔酶A、硫鋅酰胺酰類輔酶鈷胺酰胺輔酶類烷類輔酶生物胞素二氧化碳輔酶磷酸吡哆醛氨基輔酶四氫葉酸輔酶類甲基、亞甲基、甲?；?、亞氨甲基輔基黃素單核苷酸（FMN）H（與VB2有關(guān)）輔基黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）H（與VB2有關(guān)）輔基鐵卟啉電子121.3 酶的組成根據(jù)

7、酶蛋白分子的特點，將酶分為：單體酶：由一條多肽鏈構(gòu)成,一般為催化水解反應(yīng)的酶,如胰蛋白酶、溶菌酶等, Mr為1335KDa。寡聚酶：有多條相同或不同的多肽鏈組成，可能為別構(gòu)酶，Mr為35幾百萬道爾頓。多酶體系：由多種酶嵌合形成的復(fù)合體，分子量巨大，往往上一個酶產(chǎn)物是下一個酶底物。有三種形式：游離狀態(tài)、固定于膜上或組成復(fù)合體（反應(yīng)中間物一般不離開酶復(fù)合體）。13二、酶的結(jié)構(gòu)與催化功能 2.1 酶的一級結(jié)構(gòu)與催化活性活性中心：酶分子上參與底物結(jié)合與催化作用的少數(shù)特殊的氨基酸殘基較集中的區(qū)域。 一般認(rèn)為活性中心有兩個功能部位： A. 催化部位：底物的鍵在此處被打斷或形成新鍵； B. 結(jié)合部位：底物分

8、子靠此部位結(jié)合到酶分子上。肽鍵：蛋白質(zhì)酶一級結(jié)構(gòu)的主鍵，斷裂后酶失活。二硫鍵：斷裂后影響酶的空間結(jié)構(gòu)及活性。142.1 酶的一級結(jié)構(gòu)與催化活性與酶活性緊密相關(guān)的序列：是酶活性的關(guān)鍵，在進化中具高度保守性。如磷酸甘油醛脫氫酶在不同的生物中，一活性Cys前后的17個氨基酸相同： Val-Ser-Asn-Ala-Ser-Cys*-Thr-Thr-Asn-Cys-Leu-Ala-Pro-Leu-Ala-Lys-Val活性氨基酸：活性中心中常見的氨基酸如Cys, His, Ser 等。來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和菠蘿蛋白酶中的活性Cys功能相同。152.2 酶的二、三級結(jié)

9、構(gòu)與催化活性酶的二級、三級結(jié)構(gòu)是所有酶必備的空間結(jié)構(gòu)，是維持酶活性中心的必需構(gòu)型。二者的改變可使形成有利于催化作用的構(gòu)型而發(fā)揮作用（“誘導(dǎo)契合學(xué)說”的基礎(chǔ)）酶分子的肽鏈大部分不是螺旋而是折疊，其間以螺旋及折疊肽段相連。16 2.2 酶的二、三級結(jié)構(gòu)與催化活性 酶的結(jié)構(gòu)特點：酶分子中的肽鏈通常都緊湊包裝呈球狀或橢圓狀；球表面有幾個凹槽。酶的活性中心位于蛋白分子表面的凹槽，凹槽內(nèi)為疏水性氨基酸構(gòu)成的疏水環(huán)境；肽鏈所形成的二級結(jié)構(gòu)和三級結(jié)構(gòu)，在酶發(fā)生催化作用時，空間位點相近的氨基酸會發(fā)生位移，引起酶的構(gòu)象變化。17 2.2 酶的二、三級結(jié)構(gòu)與催化活性酶活性中心的 空間構(gòu)型在底物的作用下能發(fā)生改變以行

10、使催化功能。如羧肽酶A，由307個氨基酸組成的單一肽鏈，當(dāng)和底物Gly-Tyr結(jié)合時，Tyr248的酚羥基移動1.2nm，與酰胺鍵的N原子形成氫鍵；Arg145移動2nm與底物羧基形成氫鍵；Glu270移動0.2nm, 通過水分子與底物氨基形成氫鍵。但若底物換成Lys-Tyr時，酶不會發(fā)生構(gòu)象變化。182.3 酶的四級結(jié)構(gòu)與催化活性酶的四級結(jié)構(gòu)及亞基與催化活性 每個亞基都具有催化功能，用適當(dāng)方法分離后，每個亞基都具有生物活性，否則各亞基將失去催化活性。如天冬氨酸轉(zhuǎn)氨酶，用琥珀?；椒▽喕蛛x后，每個亞基都具有生物活性；而用酸，堿和表面活性劑破壞四級結(jié)構(gòu)時，所得的亞基則沒有催化活性，這是由于所

11、使用的化學(xué)藥劑抑制了酶活性所造成的。192.3 酶的四級結(jié)構(gòu)與催化活性酶的四級結(jié)構(gòu)與代謝調(diào)節(jié) 酶的亞基有調(diào)節(jié)和催化兩種：催化亞基具有催化功能，但受調(diào)節(jié)亞基影響，如調(diào)節(jié)亞基有激活中心和抑制中心，可分別與激活劑和抑制劑結(jié)合，使酶的活性受到激活或抑制，從而調(diào)節(jié)酶反應(yīng)的速度和代謝進程。20三、酶促反應(yīng)機制3.1 酶作用的專一性專一性種類：根據(jù)酶對底物的選擇分 A. 結(jié)構(gòu)專一性：酶對底物的結(jié)構(gòu)有一定的要求，如酶作用點的鍵，鍵兩端基團等； B. 立體專一性：酶對底物的立體結(jié)構(gòu)有一定的要求。又分為旋光異構(gòu)專一性（如胰蛋白酶只作用于L-AA殘基構(gòu)成的肽鍵）和幾何異構(gòu)專一性（如琥珀酸脫氫酶只能催化琥珀酸脫氫生成

12、延胡索酸，而不能生成順丁烯二酸）。213.1 酶作用的專一性223.1 酶作用的專一性專一性的機理：“鎖與鑰匙”假說(1894, Fisher)，“誘導(dǎo)契合”假說(1958, Koshland)；專一性研究的意義： A 了解生命現(xiàn)象:生物有序代謝及酶作用機制; B 指導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)； C 物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析； D 用于藥物手性體的合成和拆分。233.1 酶作用的專一性243.1 酶作用的專一性酶專一性研究的一般方法：首先篩選被酶解的活性底物，對底物結(jié)構(gòu)進行切除或化學(xué)修飾；最好對一種以上的底物進行類似的處理，以驗證專一性。酶反應(yīng)專一性研究示例： 以紅曲酶葡萄糖淀粉酶(EC3.2.1.4.)為例，底物用多糖

13、、寡糖，結(jié)果如下表：25底物濃度（%）結(jié)構(gòu)特征水解限度(%)直鏈淀粉0.1-1,4糖苷鍵，直鏈100支鏈淀粉0.25-1,4糖苷鍵和-1,6糖苷鍵, 分支91.3茁霉多糖0.25-1,4糖苷鍵和-1,6糖苷鍵, 分支8.7右旋糖苷0.25-1,4糖苷鍵和-1,6糖苷鍵, 分支0-環(huán)糊精0.25-1,4糖苷鍵，6糖成環(huán)0-環(huán)糊精0.25-1,4糖苷鍵，7糖成環(huán)0-環(huán)糊精0.25-1,4糖苷鍵，8糖成環(huán)0麥芽糖0.1-1,4糖苷鍵，雙糖100異麥芽糖0.1-1,6糖苷鍵，雙糖1.4纖維二糖0.1 -1,4糖苷鍵，雙糖0紅曲霉葡萄糖淀粉酶對不同底物的水解限度結(jié)論：專一性水解-1,4糖苷鍵，且為線形分

14、子263.2 酶促反應(yīng)的本質(zhì)酶的逼近與定位功能 酶能使溶液中游離的分子、基團或原子逼近底物分子，并使其定位不動，增大親核攻擊機會，從而加快反應(yīng)速度。 酶與專一性底物結(jié)合時，酶蛋白分子會發(fā)生一定的構(gòu)象變化，使其催化基團與結(jié)合基團的正確排列并定位，便于底物分子逼近及定位。273.2 酶促反應(yīng)的本質(zhì)底物分子變形與扭曲 酶與專一性底物相互作用時，底物分子在酶的作用下發(fā)生變化，敏感的基團電子云密度增高或降低，產(chǎn)生“電子張力”，變得更為敏感，易于形成過度態(tài)構(gòu)型，加快反應(yīng)發(fā)生。酸堿催化 即質(zhì)子受體和供體的催化。酶分子側(cè)鏈上有些功能基團如-NH3、-COOH、-SH、酚羥基及咪唑基等，具有質(zhì)子授受功能，執(zhí)行酸

15、堿催化。283.2 酶促反應(yīng)的本質(zhì)共價催化 酶與底物分子共價結(jié)合形成高活性的中間產(chǎn)物，此產(chǎn)物很容易變成過度態(tài)，大大降低反應(yīng)的活化能而加快催化反應(yīng)的進行。 親核催化是其中之一。酶分子中有很多親核基團如-NH3、-COOH、-SH、酚羥基及咪唑基等，親電基團H+，各種金屬離子及輔酶的親核中心等。293.2 酶促反應(yīng)的本質(zhì)酶分子活性中心低介電性 一些酶的活性中心為非極性的，其催化基團被低介電環(huán)境所包圍。這有利于專一性底物分子敏感鍵與催化基團反應(yīng)，加快反應(yīng)進行。如溶菌酶底物結(jié)合部位的狹長裂縫，提供了特殊結(jié)合環(huán)境。 同時，由于酶的此類性質(zhì)，改變了反應(yīng)的環(huán)境，也有利于催化反應(yīng)的進行。303.3 酶促反應(yīng)機

16、制的研究方法1. 動力學(xué)研究 在實驗中改變酶促反應(yīng)條件，利用酶動力學(xué)理論對取得的數(shù)據(jù)進行分析研究。 A. 改變底物濃度：研究反應(yīng)復(fù)合物出現(xiàn)的次序； B. 改變底物結(jié)構(gòu)：用結(jié)構(gòu)相近的底物考查酶促進反應(yīng)速度，可以了解結(jié)合部位和催化活性有關(guān)的結(jié)合要素，即活性部位的圖解。313.3 酶促反應(yīng)機制的研究方法1. 動力學(xué)研究 C. 可逆抑制：選擇一定的抑制劑，比較它們與底物的異同，可以測知與酶活性部位相關(guān)的結(jié)構(gòu)，如Ala-Phe-Arg是木瓜酶強有力的抑制劑。 D. 改變pH條件：測定酶反應(yīng)速度對pH變更的曲線，能找到那些與已經(jīng)電離的AA側(cè)鏈的pKa值，再與此AA的pKa比較，推測哪些AA與酶活性有關(guān)。

17、E. 恒態(tài)前反應(yīng)動力學(xué)：檢測ES形成及分解速度。323.3 酶促反應(yīng)機制的研究方法2. 反應(yīng)中間物檢測：一般難以達到，但有些酶反應(yīng)中間物比較穩(wěn)定，如胰凝乳蛋白酶催化酯類水解有一個酰基酶中間體(Ser-195被乙?；?；3. X射線晶體衍射：比較煩瑣，但可以得到酶底物復(fù)合物精細(xì)結(jié)構(gòu)；4. 氨基酸側(cè)鏈的化學(xué)修飾：檢驗活性基團氨基酸,如Hg對含-SH Cys的特殊修飾.33 3.4 抗體酶催化的反應(yīng)概念：將經(jīng)過特殊設(shè)計并合成的有機小分子作為半抗原，用細(xì)胞雜交技術(shù)生產(chǎn)單克隆抗體，這種抗體具有酶的特性。抗體酶催化的反應(yīng)： ?；D(zhuǎn)移反應(yīng)、水解反應(yīng)、分子重排、光誘導(dǎo)反應(yīng)、氧化還原反應(yīng)、金屬螯合反應(yīng)等?？贵w酶研究的意義：發(fā)展專一性酶；用于蛋白質(zhì)序列分析；研究酶的催化機制；發(fā)展抗體藥物；等等。34*3.5 核酶對RNA加工的反應(yīng)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，有阻斷基因表達和