酶的作用机制和酶的调节

第10章酶的作用机制和酶的调节活性中心（activecenter)——与酶活力直接相关的区域局限在酶分子的特定部位一、酶的活性部位(activesite） 结合中心：与S结合 决定酶促反应的专一性 催化中心：促进S发生化学变化 决定酶促反应的性质 活性中心——与酶的催化活性直接相关的化学基团常见：His咪唑基、Ser-OH、Gluγ-COOH、Cys-SH、Asp-OH位于活性中心活性中心以外，稳定分子构象必需基团非必需基团（一）必需基团底物活性中心以外的必需基团结合基团催化基团活性中心（二）酶活性部位的特点1、几个残基+辅助因子（单纯/结合）2、在空间构象上集中到一起（单体/寡聚）3、疏水空穴4、通过次级键与底物结合6、活性中心构象具有柔韧性和可塑性5、与底物诱导契合 酶AA残基活性中心AA 核糖核酸酶124HHKRDE溶菌酶129DE胰凝乳蛋白酶241HDS 羧肽酶A307REYZn2+胰蛋白酶223HDS*二、研究酶活性部位的方法1.酶分子侧链基团的化学修饰法化合物活性部位AA残基侧链基团↓共价结合水解酶，确定一级结构位置——推测某基团是否在活性中心某基团被修饰后：酶活力改变：为必需基团（1）非特异性共价修饰（2）特异性共价修饰——试剂专一修饰活性部位某AA，使酶失活。如：二异丙基氟磷酸（DFP)专一修饰ESer-OH仅修饰活性中心Ser-OH(3)亲和标记法——与S结构相似的共价修饰剂能被专一地引入活性部位，接近S结合位点其活泼的化学基团可与活性部位某一基团形成稳定的共价键对甲苯磺酰－L－苯丙氨酸乙酯(TPE)对甲苯磺酰－L－苯丙氨酰氯甲基酮（TPCK）胰凝乳蛋白酶和胰蛋白酶2.动力学参数测定法活性部位AA残基解离状态和酶活性直接相关通过动力学方法求有关参数，对酶活性部位化学性质作出判断。3.X射线晶体结构法4.定点诱变法利用定点诱变技术，改变编码蛋白基因中的DNA顺序，改变其中某AA后，测定酶活性的变化。 诱导契合机制酶与底物靠近定向酶与底物相互诱导变形契合成中间产物产物脱离三、酶催化高效性的机制酶催化的本质：降低反应的活化能。一般催化剂反应活化能反应总能量变化酶促反应活化能非催化反应活化能初态终态能量改变活化过程酶促反应降低活化能过渡态（一）底物和酶的邻近效应和定向效应靠近静电吸引疏水作用定向底物酶（二）底物的形变和诱导契合诱导互补性结构变化契合能否契合—专一性的由来 产物脱离酶复原－催化剂＋羧肽酶催化中的电子云形变C＋=O－电子云形变定向极性专一性契合区H2+N＝C精氨酸＋酶活性中心提供H+/H+受体使敏感键断裂的机制。酸催化(－OH、－NH3+、＝NH+、-COOH、－SH)AH+B+碱催化(失电子态)+E-COO-A-+E-COOHE-COO-+H+（三）酸碱催化*碱催化＋酸催化稳定活性中心吸附羧氧原子使肽键失稳——酶活性中心亲电/亲核基团参与S敏感键断裂的机制。亲电基团——带正电荷性质的基团亲核基团——带负电荷性质的基团（四）共价催化¨+-OH-NH2咪唑基亲电催化亲核催化中间产物不稳定，断裂，形成产物，酶复原。（不同酶促反应中的催化因素影响大小不同。）¨＋－OH的亲核催化(胰凝乳蛋白酶)1、需要金属离子的酶 （1）金属酶(metalloenzyme) 含紧密结合的金属离子 （2）金属激活酶(metal-activitedenzyme) 含松散结合的金属离子（五）金属离子催化2、金属离子的作用 A、参与底物反应的定向 B、通过价态改变参与电子转移 C、通过静电稳定/屏蔽负电荷（六）多原催化和协同效应（七）活性部位微环境的影响四、酶催化反应机制的实例（一）溶菌酶（lysozyme）（二）胰凝乳蛋白酶疏水口袋活性位点残基4.丝氨酸蛋白酶的催化机制催化三联体亲核攻击稳定His的正电形式胰蛋白酶蛋白质水解酶巯基蛋白酶天冬氨酸蛋白酶丝氨酸蛋白酶锌蛋白酶胰凝乳蛋质酶凝血酶弹性蛋白酶趋同进化（convergentevolution）：催化三联体趋异进化（divergentevolution）：底物专一性（三）烯醇化酶（enolase）——作用需要金属离子碱催化稳定中间产物酸催化五、酶活性的调节控制（一）别构调控（allostericregulation）1、定义别构调节：酶分子的非催化部位与某些化合物可逆地非共价结合后发生构象的改变，进而改变酶活性状态。别构酶：具有别构现象的酶。别构剂：能使酶分子发生别构作用的物质。2、别构酶的特点（1）多亚基一部分亚基有活性中心，另一部分有别构调节中心ATP别构激活剂CTP别构抑制剂①天冬氨酸转氨甲酰酶调节亚基催化亚基*②3－磷酸甘油醛脱氢酶具有负协同效应的别构酶代表S形曲线（正协同）表观双曲线（负协同效应）（2）别构酶的动力学当V=90％V0.9Km=0.1[S]［S］＝9Km当V=10％V［S］＝1/9KmS曲线：正协同＜81—V↑随［S］↑而加快a、仅底物是别构调节物双曲线：负协同＞81—V↑随［S］↑而减慢b、当其他别构物参与调节时 整体上产生激活、抑制现象 改变了调节的敏感区位置（3）K型效应物和V型效应物：K0.5：别构酶催化反应达到1/2Vmax时的[S]改变K0.5不改变Vmax：K型效应物改变Vmax不改变K0.5：V型效应物213213vvVmaxVmaxK0.500[S][S]A为K型效应物B为V型效应物1.未加效应物；2.加激活剂；3加抑制剂A为K型效应物B为V型效应物别构酶经加热或用化学试剂等处理，可引起别构酶解离，失去调节活性。脱敏后表现为米氏酶动力学双曲线（4）脱敏作用3、别构酶调节酶活性的机理1、对称或协同模型（symmetryorconcertedmodel,也称齐变模型、MWC模型）1965年由Monod、Wyman和Changeux提出。该模型的要点:2、序变模型（sequentialmodel，也称KNF模型）1966年由Koshland、Nemethy和Filmer提出。该模型的要点:（二）酶原的激活 酶原(zymogen)：酶的无活性的前体 酶原的激活：由无活性的酶原转变为有活性的酶的过程。 酶原激活的意义：在特定的环境和条件下发挥作用；避免细胞自身消化；有的酶原可以视为酶的储存形式。 酶原激活的机理:——通过其它酶对其多肽链上的某些基 团进行。可逆的共价修饰，使酶处于活性/非活性的互变状态，从而调节酶的活性。（三）可逆的共价修饰 酶酶-P蛋白激酶，磷酸化磷酸酶，脱磷酸化酶的活性形式：可能是磷酸化也可能是脱磷酸化由核苷三磷酸（ATP）提供磷酸基R生理条件下：几乎所有的蛋白激酶都以ATP为磷酸基的供体，几乎所有的磷酸化反应都需Mg2+。（1）Thr、Ser、Tyr、Asp、Glu┉P-O键连接（2）Lys、Arg、His┉P-N键连接底物蛋白质被磷酸化的氨基酸残基有两类：主要是SerThrCa2+依赖性蛋白激酶（PKC)六、同工酶（isoenzyme）（一）定义：催化相同的化学反应，但其蛋白质分子结构、理化性质和免疫性能等方面都存在明显差异的一组酶。（二）特点：1、都是寡聚酶2、不同的亚基组成3、不同亚基的活性中心非常相似4、组织分布部位不同5、所催化的反应有侧重点如： 生理及临床意义在代谢调节上起着重要的作用；用于解释发育过程中阶段特有的代谢特征；同工酶谱的改变有助于对疾病的诊断；同工酶可以作为遗传标志，用于遗传分析研究。12345酶活性迁移位置酶活性迁移位置ab(a)LDH同工酶电泳图谱(b)（a）正常人LDH同工酶电泳图谱,（b）心肌梗塞病人血清LDH同工酶电泳图谱12345***