第10章酶的作用机制.ppt
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1、第10章酶的作用机制现在学习的是第1页,共62页主要内容主要内容n酶的活性部位酶的活性部位n影响酶催化效率的有关因素影响酶催化效率的有关因素n酶催化反应机制的实例酶催化反应机制的实例n酶活性的调节机制酶活性的调节机制n同工酶同工酶现在学习的是第2页,共62页9.1、酶的活性部位酶的活性部位(一)基本概念:(一)基本概念:酶的活性中心是指结合底物和将底酶的活性中心是指结合底物和将底物转化为产物的区域,通常是相隔很远的氨基酸物转化为产物的区域,通常是相隔很远的氨基酸残基形成的三维实体。酶的活性中心包括两个功残基形成的三维实体。酶的活性中心包括两个功能部位:结合部位和催化部位。能部位:结合部位和催化
2、部位。1 1结合部位(结合部位(Binding siteBinding site)酶分子中与底物结合的部位或区域一般称为结合部酶分子中与底物结合的部位或区域一般称为结合部位。此部位决定酶的专一性。位。此部位决定酶的专一性。2 2催化部位(催化部位(catalytic site catalytic site)酶分子中促使底物发生化学变化的部位称为催化部酶分子中促使底物发生化学变化的部位称为催化部位位。此部位决定酶所催化反应的性质。此部位决定酶所催化反应的性质。现在学习的是第3页,共62页(二)酶活性部位的特点(二)酶活性部位的特点1.1.活性中心只占酶分子总体积的很小一部分,往往只活性中心只占酶
3、分子总体积的很小一部分,往往只占整个酶分子体积的占整个酶分子体积的1%-2%1%-2%。2.2.酶的活性部位是一个三维实体,具有三维空间结构。酶的活性部位是一个三维实体,具有三维空间结构。3.3.酶的活性部位并不是和底物的形状正好互补的,而酶的活性部位并不是和底物的形状正好互补的,而是在酶和底物的结合过程中,底物分子或酶分子、是在酶和底物的结合过程中,底物分子或酶分子、有时是两者的构象同时发生了一定的变化后才互有时是两者的构象同时发生了一定的变化后才互补的,此时催化基团的位置正好处在所催化底物补的,此时催化基团的位置正好处在所催化底物键的断裂和即将生成键的适当位置,这个动态辨键的断裂和即将生成
4、键的适当位置,这个动态辨认过程称为诱导契合(认过程称为诱导契合(induced-fit).现在学习的是第4页,共62页现在学习的是第5页,共62页4.4.酶的活性部位位于酶分子表面的一个裂酶的活性部位位于酶分子表面的一个裂隙(隙(crevicecrevice)内)内.裂隙内是一个相当疏裂隙内是一个相当疏水的环境,从而有利于同底物的结合。水的环境,从而有利于同底物的结合。5.5.底物靠次级键较弱的力与酶结合。底物靠次级键较弱的力与酶结合。6.6.酶的活性部位具有柔性和可运动性酶的活性部位具有柔性和可运动性现在学习的是第6页,共62页(三)研究酶活性部位的主要方法(三)研究酶活性部位的主要方法n酶
5、分子侧链基团的化学修饰法酶分子侧链基团的化学修饰法 1.1.非特异性共价修饰非特异性共价修饰 2.2.特异性共价修饰(特异性共价修饰(DFPDFP)3.3.亲和标记(底物类似物,具有活泼的亲和标记(底物类似物,具有活泼的化学基团)化学基团)nX-X-射线晶体衍射法:射线晶体衍射法:n定点诱变法定点诱变法现在学习的是第7页,共62页DFP的作用的作用二异丙基氟磷酸二异丙基氟磷酸现在学习的是第8页,共62页9.2、影响酶催化效率的有关因素影响酶催化效率的有关因素(一)底物和酶的邻近效应(一)底物和酶的邻近效应(approximationapproximation)与定向效)与定向效应(应(orie
6、ntationorientation)n在酶促反应中,由于酶和底物分子之间的亲和性,底物分子有向酶的在酶促反应中,由于酶和底物分子之间的亲和性,底物分子有向酶的活性中心靠近的趋势,最终结合到酶的活性中心,使底物在酶活性中活性中心靠近的趋势,最终结合到酶的活性中心,使底物在酶活性中心的有效浓度大大增加的效应叫做心的有效浓度大大增加的效应叫做邻近效应。邻近效应。n定向效应:定向效应:当专一性底物向酶活性中心靠近时,会诱导酶分子构象发当专一性底物向酶活性中心靠近时,会诱导酶分子构象发生改变,生改变,使酶活性中心的相关基团和底物的反应基团正确定向排列,使酶活性中心的相关基团和底物的反应基团正确定向排列
7、,同时使反应基团之间的分子轨道以正确方向严格定位,使酶促反应易同时使反应基团之间的分子轨道以正确方向严格定位,使酶促反应易于进行。以上两种效应使酶具有高效率和专一性特点。于进行。以上两种效应使酶具有高效率和专一性特点。现在学习的是第9页,共62页咪唑催化对咪唑催化对-硝基苯酚乙酸酯的水解反应硝基苯酚乙酸酯的水解反应现在学习的是第10页,共62页实验结果表明,分子内咪唑基参与的水解反应速实验结果表明,分子内咪唑基参与的水解反应速度比相应的分子间反应速度大度比相应的分子间反应速度大 24 24 倍。说明咪唑基倍。说明咪唑基与酯基的相对位置对水解反应速度具有很大的影响。与酯基的相对位置对水解反应速度
8、具有很大的影响。现在学习的是第11页,共62页轨道定向轨道定向(orbital-steering)(orbital-steering)假说示意图假说示意图现在学习的是第12页,共62页(二)底物的形变(二)底物的形变(distortiondistortion)n酶酶-底物复合物形成时,酶分子构象发生底物复合物形成时,酶分子构象发生变化,底物分子也常常受到酶的作用而变化,底物分子也常常受到酶的作用而发生变化,甚至使底物分子发生扭曲变发生变化,甚至使底物分子发生扭曲变形,从而使底物分子某些键的键能减弱,形,从而使底物分子某些键的键能减弱,产生键扭曲,有助于过度态的中间产物产生键扭曲,有助于过度态的
9、中间产物形成形成,从而降低了反应的活化能。从而降低了反应的活化能。现在学习的是第13页,共62页诱导契合模型与底物的形变诱导契合模型与底物的形变现在学习的是第14页,共62页(三)酸碱催化(三)酸碱催化(acid-base catalysisacid-base catalysis)n酸酸-碱催化可分为狭义的酸碱催化可分为狭义的酸-碱催化和广碱催化和广义的酸义的酸-碱催化。酶参与的酸碱催化。酶参与的酸-碱催化反碱催化反应一般都是广义的酸碱催化方式。应一般都是广义的酸碱催化方式。n广义酸碱催化是指通过质子酸提供部广义酸碱催化是指通过质子酸提供部分质子分质子,或是通过质子碱接受部分质子的或是通过质子
10、碱接受部分质子的作用,达到降低反应活化能的过程作用,达到降低反应活化能的过程。n酸酸-碱催化是催化有机反应的最普遍有效碱催化是催化有机反应的最普遍有效的催化剂的催化剂现在学习的是第15页,共62页广义酸基团广义酸基团 广义碱基团广义碱基团(质子供体)(质子供体)(质子受体)(质子受体)酶分子中可作为酸碱催化的功能基团酶分子中可作为酸碱催化的功能基团现在学习的是第16页,共62页n影响酸碱催化反应的因素包括酸碱强度影响酸碱催化反应的因素包括酸碱强度及质子传递的速率。及质子传递的速率。nHisHis咪唑基的解离常数约咪唑基的解离常数约6.06.0,咪唑基解,咪唑基解离下来的质子浓度与水中的离下来的
11、质子浓度与水中的HH+相近,在相近,在中性条件下,一半以酸形式存在,一半中性条件下,一半以酸形式存在,一半以碱形式存在以碱形式存在;同时,咪唑基接受质子和同时,咪唑基接受质子和供出质子的速率十分迅速,半衰期小于供出质子的速率十分迅速,半衰期小于1010-10-10秒。秒。n所以,所以,HisHis是酶中最有效最活泼的一个催是酶中最有效最活泼的一个催化功能基团。化功能基团。现在学习的是第17页,共62页(四)共价催化(四)共价催化 (covalent catalysiscovalent catalysis)n催化剂通过与底物形成反应活性很高的共价过渡催化剂通过与底物形成反应活性很高的共价过渡产物
12、,使反应活化能降低,从而提高反应速度的产物,使反应活化能降低,从而提高反应速度的过程,称为过程,称为共价催化共价催化。n酶中参与共价催化的基团主要包括以下酶中参与共价催化的基团主要包括以下亲核基团:亲核基团:His His 的咪唑基,的咪唑基,Cys Cys 的硫基,的硫基,Asp Asp 的羧基,的羧基,Ser Ser 的的羟基等;羟基等;亲电子基团:亲电子基团:H H+、MgMg2+2+、MnMn2+2+、FeFe3+3+n某些辅酶,如焦磷酸硫胺素和磷酸吡哆醛等也可以参某些辅酶,如焦磷酸硫胺素和磷酸吡哆醛等也可以参与共价催化作用。与共价催化作用。现在学习的是第18页,共62页(五五)金属离
13、子的催化作用金属离子的催化作用.需要金属的酶分类:需要金属的酶分类:(1 1)金属酶)金属酶metalloenzyme:metalloenzyme:含紧密结合的金属离子。如含紧密结合的金属离子。如FeFe2+2+、FeFe3+3+、CuCu2+2+、ZnZn2+2+、MnMn2+2+(2 2)金属)金属-激活酶(激活酶(metal-activated enzymemetal-activated enzyme):含松散结含松散结合的金属离子,如合的金属离子,如NaNa+K K+MgMg2+2+CaCa2+2+2.2.金属离子的催化作用金属离子的催化作用:n通过结合底物为反应定向。通过结合底物为反
14、应定向。n通过可逆的改变金属离子的氧化态调节氧化还原反应。通过可逆的改变金属离子的氧化态调节氧化还原反应。n通过静电稳定或屏蔽静电荷。通过静电稳定或屏蔽静电荷。现在学习的是第19页,共62页9.39.3、酶催化反应机制的实例、酶催化反应机制的实例(一)溶菌酶(一)溶菌酶n溶菌酶的生物学功能是催化某些细胞壁多糖的水解。溶菌酶的生物学功能是催化某些细胞壁多糖的水解。nX X射线晶体结构分析法和竞争性抑制剂揭示了酶的活射线晶体结构分析法和竞争性抑制剂揭示了酶的活性部位。性部位。n键张力导致与酶结合的底物特定位置的糖苷键稳定键张力导致与酶结合的底物特定位置的糖苷键稳定性降低。性降低。n溶菌酶催化机制是
15、一个广义的酸碱催化,溶菌酶催化机制是一个广义的酸碱催化,GluGlu3535和和AspAsp5252在催化过程中起了重要作用。在催化过程中起了重要作用。现在学习的是第20页,共62页n溶菌酶是一种葡糖苷酶,能溶菌酶是一种葡糖苷酶,能催化水解催化水解NAMNAM的的C1C1和和NAGNAG的的C4C4之间的糖苷键之间的糖苷键,但不能水解,但不能水解NAG C1NAG C1和和NAM C4NAM C4之之间的间的(1-41-4)糖苷键。)糖苷键。现在学习的是第21页,共62页X X射线晶体分析法揭示了溶菌酶的三维结构射线晶体分析法揭示了溶菌酶的三维结构活性部位?活性部位?现在学习的是第22页,共6
16、2页(NAG)3是研究溶菌酶活性部位的良好竞争性抑制剂是研究溶菌酶活性部位的良好竞争性抑制剂6000060000(NAG-NAM)(NAG-NAM)3 33000030000(NAG)(NAG)6 640004000(NAG)(NAG)5 58 8(NAG)(NAG)4 41 1(NAG)(NAG)3 30 0(NAG)(NAG)2 2相对水解速率相对水解速率底物底物图像分析表明,图像分析表明,(NAG)(NAG)3 3仅仅占据了半个狭缝,酶的仅仅占据了半个狭缝,酶的最小底物应该是最小底物应该是(NAG)(NAG)6 6现在学习的是第23页,共62页现在学习的是第24页,共62页n第第4 4个
17、糖残基个糖残基D D环环因空间原因必因空间原因必须由正常的椅须由正常的椅式变形为能量式变形为能量较高的半椅式较高的半椅式构象。因此糖构象。因此糖苷键的稳定性苷键的稳定性降低,键容易降低,键容易从此断裂。从此断裂。现在学习的是第25页,共62页nH H2 21818O O溶液中酶促水解底物溶液中酶促水解底物(NAG)6(NAG)6的实验证明酶切位点的实验证明酶切位点在在D D糖基的糖基的C1C1和和E E残基的糖苷键的残基的糖苷键的O O之间。之间。现在学习的是第26页,共62页nGluGlu3535的的-COOH-COOH提供一个提供一个H H+到到D D与与E E之间的糖苷键之间的糖苷键O
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