酶的作用机制和酶的调节

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1,第七章,酶的作用机制和酶的调节,2,一,.,酶活性部位的特点,1.,只占酶分子总体积相当小的部分,(1%-2%);,2.,是一个三维实体,;,3.,通过诱导契合的动态过程形成,;,4.,是位于酶分子表面的一个裂缝内,(,疏水区域,),底物有效浓度高,;,5.,底物通过次级键较弱地力结合到酶上,;,6.,具有柔性或可运动性,.,第一节 酶作用的机制,3,二,.,酶催化反应的独特性质,1.,酶反应大部分反应涉及电子和质子或其他基团的转移,(,速率,10,8,s,-1,),另有反应仅涉及电子的转移,(,速率,10,3,s,-1,);,2.,酶的催化作用是由氨基酸侧链上的功能基团和辅酶为媒介的,主要的是,His,Ser,Cys,Lys,Glu,Asp,的侧链直接参加反应,;,3.,酶催化反应的最适,pH,范围通常很狭小,;,4.,与底物相比,酶分子很大,;,5.,生物酶特有的有利条件,使上述反应进行更有利,:,(1),活性部位存在一个以上的催化基团,可进行协同催化,;,(2),存在结合部位,底物分子结合在活性部位附近,;,(3),存在一个以上的底物分子结合部位,可催化多底物反应,;,(4),底物与酶结合,使底物分子中的键产生张力,有利于过度态复合物的形成,.,4,三,.,与酶催化高效率有关的因素,(,一,),底物和酶的临近效应和定向效应：,临近效应是在酶促反应中，底物分子结合到酶的活性中心，底物在酶活性中心的有效浓度大大增加，有利于提高反应速度；,酶和底物复合物的形成是把分子间的反应变为分子内的反应的过程,底物分子中参与反应的基团相互接近，并被严格定向定位。定向效应指反应物的反应基团之间、酶的催化基团与底物反应基团之间的正确取位产生的效应,使酶促反应具有高效率。,科学家认为,如果临近效应和定向效应的促进作用分别达到提高反应速率,10,4,倍,临近效应加定向效应共同作用使反应速率升高,10,8,倍,这与酶提高催化效率计算数据很相近,.,(,二,),底物的,“,形变,”,和诱导契合：,当酶遇到专一性底物时,酶中某些基团或离子使底物分子内敏感键中的某些基团的电子云密度增高或降低,产生,“,张力,”,使敏感键的一端更加敏感,底物分子发生,“,形变,”,底物接近过度态,降低了反应活化能,使反应易于发生,.,如溶菌酶与底物结合引起,D-,糖环构象由椅式变为半椅式等例子,均为,X,射线晶体结构分析证实,.,5,(,三,),酸碱催化：是通过瞬时的向反应物提供质子或从反应物接受质子,以稳定过度态,加速反应的机制,.,酸,-,碱催化可分为狭义的酸,-,碱催化和广义的酸,-,碱催化。酶参与的酸,-,碱催化反应一般都是广义的酸碱催化方式,.,是指向反应物提供质子,或是从反应物接受质子的作用，达到降低反应活化能。,酶活性部位上的某些基团可以作为良好的质子供体或受体对底物进行酸碱催化。在很多酶的活性部位存在酸碱催化功能基,如氨基,羧基,巯基,酚羟基和咪唑基,它们能在近中性,pH,的范围,作为催化性的质子供体或受体,.,这类反应有,:,羧基的加成反应,酮基和烯醇的互变异构,肽和酯的水解,磷酸和焦磷酸参与的反应,.,酸碱催化可提高反应速率,10,2,-10,5,.,His,残基的咪唑基是酶的酸碱催化作用中最活泼的一个催化功能团。,广义酸基团 广义碱基团,（质子供体）（质子受体,）,6,(,四,),共价催化,(,亲核催化或亲电子催化,),催化剂通过与底物形成反应活性很高的共价过渡产物，使反应活化能降低，从而提高反应速度的过程，称为共价催化。,在催化时,亲核催化剂或亲电子催化剂能分别放出电子或吸取电子,作用于底物的缺电中心或负电中心,迅速形成不稳定的中间复合物,降低反应活化能,使反应加速,.,酶中参与共价催化的基团主要包括,His,的咪唑基，,Cys,的巯基，,Asp,的羧基，,Ser,的羟基等。,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。,7,(,五,),金属离子催化,(,六,),多元催化和协同效应,如亲核催化和酸碱催化共同作用,.,(,七,),活性部位微环境,活性部位位于疏水环境的裂缝中,.,由于在非极性环境中的介电常数比水的介电常数低,在非极性环境中的两个带电基团之间的静电作用比在极性环境中中显著提高,.,疏水的微环境有利于酶的催化作用,.,8,第二节,酶活性的调节控制和调节酶,(,一,),别构调控别构酶调节,特点,:,（,1,）别构酶除了有活性中心外，还有别构中心；,（,2,）该酶可在其分子内、不同的空间位置,上的特定位点具有传递改变构象信息的能力；,（,3,）酶的特殊结构具有在不同外界环境条件时，,作出选择，以达到对代谢过程的调节控制。,9,别构酶的结构特征,：,（,1,）已知的别构酶几乎都是寡聚酶，由,2,个以上的亚基,组装而成，具有四级结构，分子较大，常常表现出,单体酶没有的特殊性质；,（,2,）一般有两个亚基，催化亚基有活性中心，决定反应,的快慢，该酶可在几秒可使酶活力改变，属快速调,节，是代谢过程关键步骤中发挥关键作用的关键酶。,（,3,）别构酶在某些物质（如调节物）的作用下，构象改,变，活力也发生变化，这种现象称别构效应。,（）别构酶不遵循米氏方程。,10,别构酶的性质,别构酶有和底物结合的,活性部位,，又有和调节物或效应物结合的,调节部位,调节部位与活性部位虽然在空间上是分开的，但可互相影响，通过构相的变化，产生协同效应可发生在底物底物之间，调节物底物之间，调节物调节物之间，可以是正协同，或负协同,11,别构酶动力学,别构酶动力学曲线,:,正协同效应是,S,形曲线,别构酶与非别构酶动力学曲线的比较,12,协同指数,(,饱和比值,saturation ratio Rs),协同指数可以鉴别不同的协同和协同程度,位点被,90%,饱和时的底物浓度,1,Rs,=81,n,位点被,10%,饱和时的底物浓度,n,代表协同系数,(Hill,系数,),常用,n,判断酶属于哪一种类型,.,典型的米氏酶,Rs=81,即符合米氏方程的酶,n=1.,具有正协同效应的酶,n,1;,具有负协同效应的酶,n1.,13,别构酶举例：天冬氨酸转氨甲酰酶，简称,ATCase,14,在,E.coli,中，,ATCase,催化嘧啶核苷酸生物合成的第一个关键的反应，是由氨甲酰磷酸和天冬氨酸生成氨甲酰天冬氨酸。,ATCase,的一个最有效的抑制剂是代谢途径的终产物胞嘧啶三磷酸（,CTP,）。,ATP,是嘌呤核苷酸合成途径的终产物，是,ATCase,的激活剂，,ATP,对,ATCase,的激活作用可能是增强嘧啶核苷酸的生成以便使核酸合成所需要的两种类型的核苷酸的供应达到平衡。,ATCase,催化反应中，速度对天冬氨酸浓度作图得到的是,S,型曲线。,CTP,和,ATP,都影响底物天冬氨酸的结合。,CTP,使酶对天冬氨酸的,Km,值明显增大，但并没有改变,Vmax,，所以,CTP,是一个竞争性抑制剂，它结合在活性部位以外的部位。,ATP,的存在使得,S,型曲线向双曲线漂移，降低了底物对酶结合的协同性。,15,(,二,),酶原激活的调节,酶原：,没有活性的酶的前体。,酶原的激活：,酶原在一定条件下经适当的物质作用,可转变成有活性的酶。酶原转变成酶,的过程称为酶原的激活。,本质：,酶原的激活实质上是酶活性部位形成或暴露,的过程。,16,同功酶,同功酶：能催化同一化学反应的一类酶。,活性中心相似或相同：催化同一化学反应。,分子结构不同：理化性质和免疫学性质不同。,17,要点归纳,1.,酶是生物催化剂。酶的显著特点是催化效率高，具有底物和反应的特异性，以及可调节性。除了某些,RNA,之外，绝大部分酶是蛋白质，或是带有辅助因子的蛋白质。酶可以按照它们催化的反应类型分为六大类：脱氢酶、转移酶、水解酶、裂解酶、异构酶和合成酶。,2.,比活是每毫克酶蛋白所具有的酶活力单位数，比活测定是酶纯化的监测指标，对同一种酶来说，比活越高，酶的纯度越高。,3.,酶和其他催化剂一样，可以通过降低反应的活化能来提高反应速度，使反应快速达到平衡点，但酶不能改变平衡点,。,18,4.,酶活性部位是一个具有三维结构的疏水裂隙，除了含有疏水性氨基酸残基，还含有少量的极性氨基酸残基，极性氨基酸常常参与酶的催化反应。酶活性部位的可离子化和可反应的氨基酸残基形成酶的催化中心。,5.,酶催化的两个主要模式是酸碱催化和共价催化。在酸碱催化中，活性部位的弱酸给出质子，而碱接收质子，质子转移可以促进反应进行；在共价催化中，底物或底物中的质子与酶共价结合形成反应的中间产物。,6.,酶促反应速度的提高很大程度上依赖于底物与酶的结合。底物靠近和定向于酶的活性部位，使得活性部位的反应物浓度急剧增高，将大大加速酶促反应的速度。底物诱导酶结合，一旦酶结合底物后又使底物变形，当底物达到过渡态时，酶对底物的亲和力最大，使反应活化能降低，容易将底物转化为产物。,19,9.,酶促反应速度受抑制剂的影响。酶抑制剂可分为可逆和不可逆抑制剂。可逆抑制剂与酶非共价结合，可逆抑制包括竞争性抑制（,K,m,增加，而,V,max,不变）、非竞争性抑制（,V,max,减少，,K,m,不变）；不可逆抑制剂与酶活性部位的功能基团共价结合。利用不可逆抑制剂处理酶，有可能获得活性部位氨基酸残基的信息和解释酶催化的机制。,10.,酶促反应受,pH,和温度的影响，大多数酶都存在一个最适,pH,和最适温度，但最适,pH,和最适温度都不是酶的特征常数。在最适,pH,和最适温度下酶促反应具有最大反应速度，大多数酶的反应速度,-pH,以及反应速度,-,温度曲线是钟形曲线。,20,11.,许多蛋白酶都是以酶原形式合成的，在合适的条件下酶原通过有选择的蛋白水解被激活，这一过程称为酶原激活。,12.,某些酶是调节细胞内代谢速度的关键酶。在反馈抑制中，途径的终产物往往抑制该途径的第一个酶。别构酶的调节酶的活性受到特殊的调节剂调节，调节剂可逆地结合在别构酶的调节部位（常常是底物结合部位以外的部位）。调节剂可以是抑制剂或激活剂；调节剂也可以是底物本身或其他代谢物。,21,13.,别构酶一般都是寡聚酶。别构酶表现出的动力学曲线是,S,形。其他调节酶的活性也可以通过共价修饰调节，常见的共价修饰是酶的磷酸化。磷酸化常发生在酶活性部位的丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸残基侧链上。,14.,某些器官或组织含有催化同一化学反应而化学组成不同的一组蛋白质，称之为同功酶。,