生物化学酶的作用机制和酶的调节省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx
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1、-1-7上海大学生命科学学院第十章第十章 酶作用机制和酶调整酶作用机制和酶调整一、酶活性部位一、酶活性部位二、酶催化反应独特征质二、酶催化反应独特征质三、影响酶催化效率相关原因三、影响酶催化效率相关原因四、酶催化反应机制实例四、酶催化反应机制实例五、酶活性调整控制五、酶活性调整控制六、同工酶六、同工酶第第1 1页页-1-7上海大学生命科学学院一、酶活性部位一、酶活性部位活活性性中中心心:酶酶分分子子中中结结合合底底物物并并起起催催化化作作用用少少数数氨氨基基酸酸残残基基,包包含含底底物物结结合合部部位位(决决定定酶酶专专一一性性)、催催化化部部位位(决定酶所催化反应性质)。(决定酶所催化反应性
2、质)。频频率率最最高高活活性性中中心心氨氨基基酸酸残残基基:SerSer、HisHis、CysCys、TyrTyr、AspAsp、GluGlu、LysLys。不不需需要要辅辅酶酶酶酶:活活性性中中心心是是酶酶分分子子在在三三维维结结构构上上比比较较靠靠近少数几个氨基酸残基或是这些残基一些基团。近少数几个氨基酸残基或是这些残基一些基团。需需要要辅辅酶酶酶酶:辅辅酶酶分分子子或或辅辅酶酶分分子子某某一一部部分分结结构构往往往往就就是活性中心组成部分。是活性中心组成部分。(一)酶活性部位特点(一)酶活性部位特点第第2 2页页-1-7上海大学生命科学学院接接触触残残基基:R1、R2、R6、R8、R9、
3、R163辅辅助助残残基基:R3、R4、R5、R164、R165结结 构构 残残 基基:R10、R162、R169非贡献残基:其它非贡献残基:其它第第3 3页页-1-7上海大学生命科学学院酶蛋白酶蛋白必需残基必需残基非必需残基非必需残基活性中心活性中心活性中心外活性中心外接触残基接触残基辅助残基辅助残基结构残基结构残基结合残基结合残基催化基团催化基团(1 1)接触残基:)接触残基:结合基团,催化基团。结合基团,催化基团。(2 2)辅辅助助残残基基:不不与与底底物物接接触触,辅辅助助酶酶与与底底物物结结合合,帮帮助助接触残基。接触残基。上述两类残基组成上述两类残基组成酶活性中心酶活性中心。(3 3
4、)结结构构残残基基:维维持持酶酶分分子子三三维维构构象象,与与酶酶活活性性相相关关,但但不在酶活性中心范围内,属于酶活性中心以外必需残基。不在酶活性中心范围内,属于酶活性中心以外必需残基。上述三类残基统称酶上述三类残基统称酶必需基团必需基团(4 4)非贡献残基(非必需基团)非贡献残基(非必需基团)可可能能在在免免疫疫,酶酶活活性性调调整整,运运输输转转移移,预预防防降降解解等等方方面面起起作作用。用。第第4 4页页-1-7上海大学生命科学学院酶活性部位特点:酶活性部位特点:(1 1)活活性性部部位位在在酶酶分分子子总总体体中中只只占占相相当当小小部部分分,往往往往只占整个酶分子体积只占整个酶分
5、子体积1%-2%1%-2%;(2 2)酶酶活活性性部部位位是是一一个个三三维维实实体体,含含有有三三维维空空间间结结构构。活活性性中中心心空空间间构构象象不不是是刚刚性性,在在与与底底物物接接触触时时表表现现出出一一定柔性和运动性。(邹承鲁研究酶变性工作)定柔性和运动性。(邹承鲁研究酶变性工作)(3 3)经过诱导契合酶和底物结合;)经过诱导契合酶和底物结合;(4 4)酶酶活活性性部部位位是是位位于于酶酶表表面面一一个个裂裂隙隙内内,裂裂隙隙内内是是一个相当疏水环境,从而有利于同底物结合一个相当疏水环境,从而有利于同底物结合;(5 5)底物经过次级键较弱力结合到酶上。)底物经过次级键较弱力结合到
6、酶上。第第5 5页页-1-7上海大学生命科学学院(二)研究酶活性部位方法(二)研究酶活性部位方法(1 1)经经过过酶酶专专一一性性:研研究究酶酶专专一一性性底底物物结结构构特特点点、酶酶竞争性抑制剂结构特点等。竞争性抑制剂结构特点等。(2 2)酶酶化化学学修修饰饰法法:比比如如1.1.用用共共价价修修饰饰试试剂剂作作用用于于酶酶,查查明明保保持持酶酶活活力力必必需需基基团团;2.2.亲亲和和标标识识(合合成成底底物物类类似似物);物);3.3.SHSH保护剂使用。保护剂使用。(3 3)X X射线晶体衍射法射线晶体衍射法(4 4)分子生物学方法)分子生物学方法第第6 6页页-1-7上海大学生命科
7、学学院二、酶催化反应独特征质二、酶催化反应独特征质(1 1)酶酶反反应应分分为为两两类类:仅仅包包括括电电子子转转移移和和包包括括电电子子和和质子二者或者其它基团转移质子二者或者其它基团转移。(2 2)催催化化作作用用是是以以氨氨基基酸酸侧侧链链上上功功效效基基团团和和辅辅酶酶为为媒媒介。介。(3 3)酶催化反应最适)酶催化反应最适pHpH范围通常狭小。范围通常狭小。(4 4)酶酶分分子子很很大大,而而活活性性部部位位通通常常只只比比底底物物稍稍大大一一些些,一个巨大酶结构对稳定活性部位构象是必要。一个巨大酶结构对稳定活性部位构象是必要。(5 5)酶含有复杂折叠结构。)酶含有复杂折叠结构。第第
8、7 7页页-1-7上海大学生命科学学院三、影响酶催化效率相关原因三、影响酶催化效率相关原因(一)底物和酶(一)底物和酶邻近效应与定向效应邻近效应与定向效应邻邻近近效效应应:酶酶与与底底物物形形成成中中间间复复合合物物后后使使底底物物之之间间、酶酶催催化化基基团团与与底底物物之之间间相相互互靠靠近近,提提升升了了反反应应基基团团有有效效浓浓度。度。定定向向效效应应:因因为为酶酶构构象象作作用用,底底物物反反应应基基团团之之间间、酶酶与与底物反应基团之间正确取向效应。底物反应基团之间正确取向效应。酶酶把把底底物物分分子子从从溶溶液液中中富富集集出出来来,使使它它们们固固定定在在活活性性中中心心附附
9、近近,反反应应基基团团相相互互邻邻近近,同同时时使使反反应应基基团团分分子子轨轨道道以正确方位相互交叠,反应易于发生。以正确方位相互交叠,反应易于发生。第第8 8页页-1-7上海大学生命科学学院邻近效应与定向效应对反应速度影响:邻近效应与定向效应对反应速度影响:使底物浓度在活性中心附近很高使底物浓度在活性中心附近很高酶对底物分子电子轨道含有导向作用酶对底物分子电子轨道含有导向作用酶使分子间反应转变成份子内反应酶使分子间反应转变成份子内反应邻近效应和定向效应对底物起固定作用邻近效应和定向效应对底物起固定作用 第第9 9页页第第1010页页-1-7上海大学生命科学学院(二)底物形变和诱导契合(二)
10、底物形变和诱导契合酶酶中中一一些些基基团团可可使使底底物物分分子子敏敏感感键键中中一一些些基基团团电电子子云云密密度度改变,产生电子张力,降低了底物活化能。改变,产生电子张力,降低了底物活化能。酶酶从从低低活活性性形形式式转转变变为为高高活性形式,利于催化。活性形式,利于催化。底底物物形形变变,利利于于形形成成ESES复复合物。合物。底底物物构构象象改改变变,过过分分态态结结构,大大降低活化能。构,大大降低活化能。第第1111页页-1-7上海大学生命科学学院ZnZnGlu270Tyr248Arg145底物底物 羧羧羧羧肽肽肽肽酶酶酶酶结结结结合合合合底底底底物物物物前前前前后后后后构构构构象象
11、象象改改改改变变变变第第1212页页-1-7上海大学生命科学学院(三)(三)酸碱催化酸碱催化酶分子一些功效基团起瞬时质子供体或质子受体作用。酶分子一些功效基团起瞬时质子供体或质子受体作用。影影响响酸酸碱碱催催化化反反应应速速度度两个原因两个原因酸酸碱碱强强度度(pK(pK值值)。组组氨氨酸酸咪咪唑唑基基解解离离常常数数为为6 6,在在pH6pH6附附近近给给出出质质子子和和结结合合质质子子能能力力相相同同,是最活泼催化基团是最活泼催化基团。给给出出质质子子或或结结合合质质子子速速度度。咪咪唑唑基基最最快快,半半寿期小于寿期小于1010-10-10秒秒第第1313页页-1-7上海大学生命科学学院
12、(四)共价催化(四)共价催化酶作为亲核基团或亲电基团,与底物形成一个反应活性酶作为亲核基团或亲电基团,与底物形成一个反应活性很高共价中间物。很高共价中间物。酶酶亲亲核核基基团团:Ser-OHSer-OH,Cys-SHCys-SH,His-NHis-N、Asp-COOHAsp-COOH;底底物物亲亲电电中中心心:磷磷酰酰基基(-P=O-P=O),酰酰基基(-C=O-C=O),糖糖基基(Glu-C-Glu-C-OHOH)一一些些辅辅酶酶,如如焦焦磷磷酸酸硫硫胺胺素素和和磷磷酸酸吡吡哆哆醛醛等等也也能能够够参参加加共共价价催催化化作用。作用。催催化化剂剂经经过过与与底底物物形形成成反反应应活活性性很
13、很高高共共价价过过渡渡产产物物,使使反反应应活活化化能能降降低低,从从而而提提升升反反应应速速度度过过程程,称称为为共共价价催催化化。第第1414页页-1-7上海大学生命科学学院(五)(五)金属离子催化金属离子催化金金属属酶酶(metalloenzyme):metalloenzyme):含含紧紧密密结结合合金金属属离离子子,FeFe2+2+、CuCu2+2+、ZnZn2+2+、MnMn2+2+、CoCo3+3+。金属金属-激活酶(激活酶(metal-activated enzyme):metal-activated enzyme):含涣散结合金含涣散结合金属离子,属离子,NaNa+、K K+、
14、MgMg2+2+、CaCa2+2+。金属离子参加四种主要催化路径金属离子参加四种主要催化路径(1 1)经过结合底物为反应定向)经过结合底物为反应定向(2 2)经过本身价数改变参加氧化还原反应)经过本身价数改变参加氧化还原反应(3 3)屏蔽底物或酶活性中心负电荷)屏蔽底物或酶活性中心负电荷(4 4)金属离子经过水离子化促进亲核催化。)金属离子经过水离子化促进亲核催化。第第1515页页-1-7上海大学生命科学学院(六)多元催化和协同效应(六)多元催化和协同效应在酶催化反应中,经常是几个基元催化反应配合在一在酶催化反应中,经常是几个基元催化反应配合在一起共同起作用。起共同起作用。第第1616页页-1
15、-7上海大学生命科学学院(七)活性部位微环境影响(七)活性部位微环境影响 疏水环境疏水环境介电常数低,加强极性基团间作用。介电常数低,加强极性基团间作用。电荷环境电荷环境在酶活性中心附近,往往有一电荷离子,可稳定过渡在酶活性中心附近,往往有一电荷离子,可稳定过渡态离子态离子 第第1717页页-1-7上海大学生命科学学院四、酶催化反应机制实例四、酶催化反应机制实例(一)溶菌酶(一)溶菌酶(lysozymelysozyme)NAG:N-乙酰氨基葡萄糖乙酰氨基葡萄糖NAM:N-乙酰氨基葡萄糖乳酸乙酰氨基葡萄糖乳酸第第1818页页 溶菌酶溶菌酶-底物复合物底物复合物酶切位点酶切位点第第1919页页溶菌
16、酶活性中心与底物结合示意图溶菌酶活性中心与底物结合示意图Asp52Glu35(极性区)(极性区)(非极性区)(非极性区)第第2020页页溶菌酶催化反应机理溶菌酶催化反应机理C1+非极性区非极性区极性区极性区HO-E环环H2O(广义酸碱催化)(广义酸碱催化)第第2121页页-1-7上海大学生命科学学院(二)(二)RNase ARNase A RNase-RNase-底物复合物底物复合物底物复合物底物复合物第第2222页页RNase活性中心酸碱催化机理活性中心酸碱催化机理第第2323页页核糖核酸链受核糖核酸链受Rnase水解位点水解位点第第2424页页-1-7上海大学生命科学学院(三)羧肽酶(三)
17、羧肽酶 A A 羧肽酶活性中心羧肽酶活性中心羧肽酶活性中心羧肽酶活性中心ZnZnZnZn2+2+2+2+中心作用中心作用中心作用中心作用第第2525页页-1-7上海大学生命科学学院羧肽酶活性中心必需基团与底物羧肽酶活性中心必需基团与底物羧肽酶活性中心必需基团与底物羧肽酶活性中心必需基团与底物间结合间结合间结合间结合第第2626页页-1-7上海大学生命科学学院ZnZn羧羧羧羧肽肽肽肽酶酶酶酶结结结结合合合合底底底底物物物物前前前前后后后后构构构构象象象象改改改改变变变变第第2727页页-1-7上海大学生命科学学院羧肽酶活性中心共价催化机理羧肽酶活性中心共价催化机理羧肽酶活性中心共价催化机理羧肽酶
18、活性中心共价催化机理 145第第2828页页-1-7上海大学生命科学学院(四)丝氨酸蛋白酶(胰凝乳蛋白酶)(四)丝氨酸蛋白酶(胰凝乳蛋白酶)胰凝乳蛋白酶分子中催胰凝乳蛋白酶分子中催胰凝乳蛋白酶分子中催胰凝乳蛋白酶分子中催化三联体构象化三联体构象化三联体构象化三联体构象His57Asp102Ser195Asp102His57Ser195His57102AspSer195A.酶分子中电荷中继网酶分子中电荷中继网B.加上底物后,从加上底物后,从Ser转移一个质子给转移一个质子给His,带正电荷咪唑基经过带负电荷带正电荷咪唑基经过带负电荷Asp静电相互静电相互作用被稳定作用被稳定Ser195102As
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