第三節(jié)酶的作用機理和酶的調(diào)節(jié)

第三節(jié)酶的作用機制和酶的調(diào)節(jié)一、必需基團與活性中心必需基團:2.活性中心（活性部位）activecenter（site）

指與酶活性有關的基團。常見的有Ser–OH,His咪唑基，Asp和Glu-COOH等。指酶分子中直接和底物結合并和酶的催化作用直接相關的部位。3.必需基團與活性中心的關系必需基團活性中心內(nèi)必需基團活性中心外必需基團結合基團催化基團結合底物參與催化維持酶的空間結構結合：酶與底物以次級鍵（H鍵、鹽鍵、范德華力等）結合。催化：酶催化底物鍵的斷裂和新鍵的形成4.活性中心的特點：1）活性部位只占酶分子的相當小的部位。2）由少數(shù)幾個氨基酸殘基的側鏈基團組成。3）對于結合酶，輔因子往往也是活性中心的組分。4）構成酶活性中心的這些基團在空間上相距很近。酶氨基酸殘基數(shù)活性部位的氨基酸殘基溶菌酶129Asp52,Glu35胰凝乳蛋白酶241His57,Asp102,Ser195羧肽酶307Arg127,Glu270,Tyr248,Arg145，

Zn2+某些酶活性中心的氨基酸殘基4.研究酶活性中心的主要方法：（1）酶的專一性研究（2）酶分子側鏈基團的化學修飾法DFP(二異丙基氟磷酸)TPCK(對甲苯磺酰-L-苯丙氨酰氯甲基酮)專一性底物的結構特點競爭性抑制劑的必需結構活性中心結構與胰凝乳蛋白酶His57共價結合與胰凝乳蛋白酶Ser195共價結合親和標記法（Affinitylabelling）（3）X射線晶體結構分析法

對酶的空間構象進行分析，了解酶活性部位氨基酸殘基的位置及狀態(tài)。（4）基因定點誘變法胰蛋白酶：Asp102→Asn102,水解效率降低5000倍。

例：PCR定點突變技術二、酶的作用機理酶反應的獨特性質(zhì)：酶反應包括兩類：①電子轉(zhuǎn)移；②電子+質(zhì)子以及其它基團轉(zhuǎn)移。

催化作用涉及氨基酸側鏈基團和輔因子。

巨大酶的結構對于穩(wěn)定活性部位的構象是必需的?；钚灾行木哂幸粋€以上的催化基團，有利于協(xié)同催化；結合部位可使底物以固定方位結合。與酶的高效率有關的因素：鄰近與定向效應底物形變與誘導契合共價催化酸堿催化多元催化和協(xié)同效應活性中心是低介電區(qū)域1.鄰近與定向效應鄰近效應（proximity）指底物分子與酶活性中心的靠近。

定向效應（orientation）指底物的反應基團與酶活性中心的結合和催化基團嚴格地‘定向’。（靠近）（定向）例：羧肽酶A的催化機制Fig.2-16Structureofcarboxypeptidase.307aa，催化C末端肽鍵的水解,活性中心含Arg127,Glu270,Tyr248,Arg145,Zn2+38%螺旋17%折疊Fig.2-17Zn2+islocatedintheactivecenterofcarboxypeptidase.Fig.2-18Theconformationalchangeinducedincarboxypeptidasebythebindingofasubstrate(Gly-Tyr).Arg145:胍基移動0.2nm,與末端羧基形成鹽鍵Glu270：羧基移動0.2nmTyr248：酚基移動1.2nm,與N端氨基形成H鍵，封閉疏水空腔。誘導契合Fig.2-19Themechanismforcarboxypeptidasereaction.–(A)①H2O的OH-親核攻擊羰基C②Glu270（廣義堿）接受H2O的H+（底物：苯甲酰甘氨酰苯丙氨酸）Fig.2-20Themechanismforcarboxypeptidasereaction.–(B)③

Zn2+和Arg127胍基通過靜電作用穩(wěn)定帶負電荷的四面體過渡態(tài)中間體④Glu270（廣義酸）的

-COOH提供一個H+給肽基-NH-Fig.2-21Themechanismforcarboxypeptidasereaction–(C)⑤肽鍵斷裂2.底物的形變(distortion)例：溶菌酶的催化機制含義：

酶使底物敏感鍵產(chǎn)生“電子張力”或變形，從而促使敏感鍵更易斷裂。

129aa,活性中心含Asp52,Glu35，催化某些細菌細胞壁多糖的水解。Fig.2-22Thestructureoflysozyme（溶菌酶）.Glu35andAsp52areshowninwhile.25%螺旋還具折疊Fig.2-23Enzyme-substrateinteractionsatthelysozymeactivesite.活性部位可容納六糖殘基DECFFig.2-24Thelysozymereaction.NAG:N-乙酰氨基葡糖NAM：

N-乙酰氨基葡糖乳酸細胞壁多糖：NAG-NAM的共聚物水解NAMC1和NAGC4之間的（1-4）糖苷鍵Fig.2-25Themechanismforlysozymereaction.-(A)Asp52側鏈羧基為-COO-,Glu35為-COOH①Glu35–COOH提供一個H+給糖苷鍵上O原子②D環(huán)C1與糖苷鍵O原子間的鍵斷開，形成C+過渡態(tài)中間物H+H2OOH-—HOHFig.2-26Themechanismforlysozymereaction.-(B)③C+結合來自H2O的OH-，Glu35質(zhì)子化④產(chǎn)物離開酶分子Fig.

2-27Themechanismforthelysozymereaction.-(C)D環(huán)形變，由椅式構象→半椅式構象，C1,C2,C5,O位于一個平面，O的負電性可穩(wěn)定C+

。3.共價催化（covalentcatalysis）親核催化

指酶分子中親核基團對底物中親電基團進行攻擊。

親電催化指酶分子中親電基團對底物中親核基團進行攻擊。如：H+，Mn2+,Fe3+,Mg2+,磷酸吡哆醛PC+HO指底物與酶生成一個反應活性很高的共價中間物，從而降低反應活化能，使反應加速。底物親電中心?；柞；腔傅挠H核基團：含多電子的原子或基團。例：Ser-OH,

Cys–SH,His咪唑基磷酰酶?；钙咸敲咐旱鞍姿饷割悾⊿er蛋白酶）對肽鍵的共價催化自發(fā)緩慢快快?；?4.酸堿催化(acid-basecatalysis)狹義的酸堿催化（specificacid-basecatalysis）酶活性中心的某些基團可作為質(zhì)子供體和受體對底物進行酸堿催化。廣義的酸堿催化（generalacid-basecatalysis）H+和OH-對反應的催化。

質(zhì)子受體和供體對反應的催化。Functionalgroupsinvolvedingeneralacid-basecatalysis例：胰凝乳蛋白酶催化反應機制Fig.2-28Structureofchymotrypsin(white)inacomplexwitheglinC(blueribbonstructure),atargetprotein.His57（blue）、Asp102（red）

、Ser195（yellow）含241aa,活性中心含His57,Asp102,Ser195(催化三聯(lián)體)Fig.

2-29Thecatalytictriad(催化三聯(lián)體)ofchymotrypsin.①?；A段:His57從Ser195上吸收一個H+；Ser195的O-親核攻擊肽鍵羰基C原子;肽鍵羧基部分與Ser195共價相連，肽鍵氨基部分以H鍵與His57相連（ES）。（Asp102穩(wěn)定His57正電荷形式）ESFig.2-30Adetailedmechanismforthechymotrypsinreaction.肽鍵斷裂，肽鍵氨基部分從His57獲得一個H+，氨基部分釋放；肽鍵羧基部分與Ser195相連，形成酰基化酶。②脫酰階段：水分子攻擊?；?，His57

吸收一個H+，OH-攻擊羰基C；His57供出一個H+給Ser195，釋放C末端產(chǎn)物。酶恢復原狀。?；敢鹊鞍酌敢饶榈鞍酌笍椥缘鞍酌?41aa240aa223aa絲氨酸蛋白酶家族具有相似的催化機制Fig.2-31Comparisonoftheaminoacidsequencesofchymotrypsinogen,trypsinogen,andelastase.

Fig.2-32Thesubstrate-bindingpocketsoftrysin,chymotrypsin,andelastase.Ser189Gly226Gly216Ser189Thr226Val216Gly216Gly226堿性aa

芳香族aa

小的中性aa選擇裂解5.多元催化和協(xié)同效應在酶催化反應中，常常由幾個催化反應配合在一起共同起作用。羧肽酶A：鄰近與定向；酸堿催化溶菌酶：鄰近與定向；底物形變；酸堿催化胰凝乳蛋白酶：鄰近與定向；共價催化；酸堿催化6.活性中心是低介電環(huán)境

酶的活性中心是一個非極性環(huán)境，可加強帶電基團的靜電作用，并使得底物分子敏感鍵和酶的催化基團有更大的反應力。三、酶活性的調(diào)節(jié)控制別構調(diào)節(jié)可逆的共價修飾調(diào)控酶原的激活（一）別構調(diào)節(jié)（allostericeffect）1.別構酶的特點和性質(zhì)（1）寡聚酶活性部位別構部位結合底物結合底物外其它物質(zhì)（效應劑）通過改變酶分子構象而改變酶活力的調(diào)節(jié)。別構酶別構效應劑：引起別構效應的物質(zhì)。（2）具有別構效應別構激活劑（正效應劑）別構抑制劑（負效應劑）凡是和酶分子結合使酶反應速度加快的物質(zhì)。凡是和酶分子結合使酶反應速度減慢的物質(zhì)。一般為代謝反應序列的終產(chǎn)物。通過調(diào)節(jié)別構酶的活力，可對代謝反應進行調(diào)節(jié)。（3）別構酶的動力學：S型曲線[S]vAllostericenzymeNonregulatoryenzymeVmax10%Vmax90%VmaxFig.2-33Effectof[S]onthevelocityoftwokindsofcatalyticreaction.非調(diào)節(jié)酶[S]90%Vmax10%Vmax[S]=81[S]90%Vmax10%Vmax[S]=3別構酶底物濃度只需增加3倍，就可使酶反應速度由10%Vmax快速增加到90%Vmax。

S型曲線表明當?shù)孜餄舛劝l(fā)生微小變化時，酶反應速度可以快速增加，反應出別構酶可以靈敏地調(diào)節(jié)酶反應速度。2.別構酶舉例天冬氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶（ATCase）UMPCTP氨甲酰磷酸+AspATCase氨甲酰天冬氨酸Pi-ATP+催化的反應：結構特點：Mr.310,00012條多肽鏈6條催化鏈（C）6條調(diào)節(jié)鏈（R）2個催化三聚體3個調(diào)節(jié)二聚體CCCCCCRRRRRR每個C鏈具一個活性中心（結合底物）每個R鏈具一個別構中心（結合ATP或CTP）Fig.2-34Thethree-dimensionalsubunitarchitectureoftheregulatoryenzymeaspartate

transcarbamylase.Fig.2-35Vversus[S]curvesforanallostericsystem.加激活劑ATP增加酶對底物的親和力加抑制劑CTP降低酶對底物的親和力3.別構模型齊變模型（WMC）序變模型（KNF）(二)可逆的共價修飾調(diào)控共價調(diào)節(jié)酶共價修飾類型：某種酶可由于其它酶對其結構進行共價化學修飾，從而使其在活性形式與非活性形式之間相互轉(zhuǎn)變。包括磷酸化、腺苷?；⒛蜍挣；?、甲基化等。

作用特點：級連放大作用磷酸化腺苷酰化尿苷?；疉DP-核糖基化甲基化（最為普遍）Fig.2-36Regulationofglycogenphosphorylaseactivitybycovalentmod