北京师范大学生物化学课件-第10章重点.ppt

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1、北京北京师范大学生物化范大学生物化学学课件件-第第10章重点章重点酶的活性部位酶的活性部位l活性部位是酶结合和催化底物的场所。活性部位活性部位是酶结合和催化底物的场所。活性部位通常分为结合部位和催化部位。通常分为结合部位和催化部位。l酶活性部位中与底物结合的部位或区域一般称为酶活性部位中与底物结合的部位或区域一般称为结合部位，它决定酶的专一性。结合部位，它决定酶的专一性。l酶分子中促使底物发生化学变化的部位称为催化酶分子中促使底物发生化学变化的部位称为催化部位，催化部位决定酶的催化能力以及酶所催化部位，催化部位决定酶的催化能力以及酶所催化反应的性质。反应的性质。2021/5/222酶活性部位的

2、特点酶活性部位的特点1、活性部位在酶分子整个体积中只占很小的一部分。、活性部位在酶分子整个体积中只占很小的一部分。2、活性部位是一个三维结构。、活性部位是一个三维结构。3、活性部位具有结合底物的专一性（诱导契合），酶活性部位具有结合底物的专一性（诱导契合），酶活性部位具有柔性或可运动性。活性部位具有柔性或可运动性。4 4、酶的活性部位是酶分子上的一个裂隙或裂缝。、酶的活性部位是酶分子上的一个裂隙或裂缝。5 5、底物通过较弱的键结合到酶分子上形成酶和底物的底物通过较弱的键结合到酶分子上形成酶和底物的复合物（复合物（ES）。）。6 6、活性部位对酶的整体构象具有依赖性。活性部位对酶的整体构象具有依

3、赖性。2021/5/2231。酶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2。动力学参数测定法。动力学参数测定法3。定点诱变法。定点诱变法4。X射线晶体结构分析法射线晶体结构分析法研究酶活性部位的方法研究酶活性部位的方法2021/5/224酶催化反应的独特性质酶催化反应的独特性质酶催化位点的氨基酸残基：酶催化位点的氨基酸残基：赖氨酸、精氨酸赖氨酸、精氨酸 天冬氨酸、谷氨酸天冬氨酸、谷氨酸 丝氨酸、酪氨酸、半胱氨酸、组氨酸丝氨酸、酪氨酸、半胱氨酸、组氨酸参与催化的辅因子：参与催化的辅因子：转氨酶的磷酸吡哆醛转氨酶的磷酸吡哆醛 细胞色素氧化酶的铁卟啉细胞色素氧化酶的铁卟啉2021/5/2

4、25影响酶催化效率的有关因素影响酶催化效率的有关因素l底物和酶的邻近效应与定向效应底物和酶的邻近效应与定向效应l底物的形变和诱导契合底物的形变和诱导契合l 酸碱催化酸碱催化l共价催化共价催化l 金属离子催化金属离子催化l活性部位微环境的影响活性部位微环境的影响l多元催化和协同效应多元催化和协同效应2021/5/226底物和酶的邻近效应与定向效应底物和酶的邻近效应与定向效应l邻近效应（邻近效应（approximation,proximity）l酶与底物结合形成中间复合物以后，使底物和酶与底物结合形成中间复合物以后，使底物和底物之间，酶的催化基团与底物之间结合于同底物之间，酶的催化基团与底物之间结

5、合于同一分子而使有效浓度得以极大地提高，从而使一分子而使有效浓度得以极大地提高，从而使反应速率大大增加的一种效应。反应速率大大增加的一种效应。2021/5/227底物和酶的邻近效应与定向效应底物和酶的邻近效应与定向效应定向效应（定向效应（orientationorientation）l反应物的反应基团之间和酶的催化基团与底物的反反应物的反应基团之间和酶的催化基团与底物的反应基团之间的正确取位产生的效应。应基团之间的正确取位产生的效应。l反应基团正确定向取位通过限制反应基团的自由度，反应基团正确定向取位通过限制反应基团的自由度，拉近反应基团之间的距离，调整反应基团之间的角拉近反应基团之间的距离，

6、调整反应基团之间的角度，使反应基团更有效地相互作用，从而提高了反度，使反应基团更有效地相互作用，从而提高了反应速率。应速率。2021/5/228底物的形变和诱导契合底物的形变和诱导契合l当酶遇到其专一性底物时，酶中某些基团当酶遇到其专一性底物时，酶中某些基团或离子可以使底物分子中围绕其敏感键发或离子可以使底物分子中围绕其敏感键发生形变（生形变（distortion），底物比较接近它的），底物比较接近它的过渡态，降低了反应活化能，使反应容易过渡态，降低了反应活化能，使反应容易发生。发生。2021/5/229l酶与底物结合时，酶分子和底物分子都发生形变，酶与底物结合时，酶分子和底物分子都发生形变，

7、从而形成一个互相契合的酶底物复合物，进一从而形成一个互相契合的酶底物复合物，进一步转换成过渡态，增加了酶促反应速率。步转换成过渡态，增加了酶促反应速率。l在酶催化的反应中，与酶的活性中心形成复合物在酶催化的反应中，与酶的活性中心形成复合物的实际上是底物形成的过渡状态。的实际上是底物形成的过渡状态。l所以，酶与底物过渡状态的亲和力要大于酶与底所以，酶与底物过渡状态的亲和力要大于酶与底物或产物的亲和力。物或产物的亲和力。底物的形变和诱导契合底物的形变和诱导契合2021/5/2210l酸碱催化是通过向反应物提供质子或从反应物接受酸碱催化是通过向反应物提供质子或从反应物接受质子以促进过渡态的形成以及稳

8、定过渡态，加速反质子以促进过渡态的形成以及稳定过渡态，加速反应的一类催化机制。应的一类催化机制。l酸碱催化可分为狭义的酸碱催化和广义的酸碱催化。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酶参与的酸碱催化反应一般都是广义的酸碱催化方式。式。l酶的酸碱催化功能由酶活性部位的一些功能基团来酶的酸碱催化功能由酶活性部位的一些功能基团来完成，这些功能基团包括完成，这些功能基团包括GluGlu、AspAsp残基的羧基，残基的羧基，LysLys、ArgArg的氨基，的氨基，SerSer的羟基，的羟基，HisHis的咪唑基等。的咪唑基等。酸碱催化酸碱催化2021

9、/5/2211共价催化共价催化l催化剂通过与底物形成不稳定的共价中间复合物，使反催化剂通过与底物形成不稳定的共价中间复合物，使反应活化能降低，从而提高反应速度的机制，称为共价催化应活化能降低，从而提高反应速度的机制，称为共价催化。l 共价催化剂包括亲核催化剂与亲电催化剂。在催化时，共价催化剂包括亲核催化剂与亲电催化剂。在催化时，亲核催化剂能提供电子并作用于底物的缺电子中心，亲电亲核催化剂能提供电子并作用于底物的缺电子中心，亲电子催化剂能汲取电子并作用于底物的负电中心。子催化剂能汲取电子并作用于底物的负电中心。l 酶中参与共价催化的基团主要包括组氨酸的咪唑基，半酶中参与共价催化的基团主要包括组氨

10、酸的咪唑基，半胱氨酸的巯基，天冬氨酸的羧基，丝氨酸的羟基等。它们胱氨酸的巯基，天冬氨酸的羧基，丝氨酸的羟基等。它们一般作为亲核试剂攻击底物的缺电子中心，形成共价中间一般作为亲核试剂攻击底物的缺电子中心，形成共价中间复合物。复合物。2021/5/2212金属离子的催化作用金属离子的催化作用1 1。提高水的亲核性能提高水的亲核性能2 2。电荷屏蔽作用。电荷屏蔽作用3 3。电子传递中间体电子传递中间体 4 4。通过结合底物为反应定向通过结合底物为反应定向5 5。通过可逆地改变金属离子的氧化态调节通过可逆地改变金属离子的氧化态调节氧化还原反应氧化还原反应2021/5/2213l在酶催化反应中，通常几个

11、基元催化反应在酶催化反应中，通常几个基元催化反应配合在一起共同起作用，例如酸碱催化和配合在一起共同起作用，例如酸碱催化和共价催化可以配合在一起产生作用。共价催化可以配合在一起产生作用。l酶的活性部位，一般都含有多个起催化作酶的活性部位，一般都含有多个起催化作用的基团，这些基团在空间有特殊的排列用的基团，这些基团在空间有特殊的排列和取向，可以以协同的方式作用于底物，和取向，可以以协同的方式作用于底物，从而提高底物的反应速率从而提高底物的反应速率。多元催化和协同效应多元催化和协同效应2021/5/2214胰凝乳蛋白酶胰凝乳蛋白酶催化反应机制催化反应机制Essential residues for

12、activity:Asp 102 His 57 Ser 195催化三联体催化三联体（catalytic triad）电荷中继网电荷中继网（charge relay network）2021/5/2215胰凝乳蛋白酶胰凝乳蛋白酶催化反应机制催化反应机制2021/5/2216别构相互作用别构相互作用l 酶分子与底物或非底物效应物可逆地非共价结合后酶分子与底物或非底物效应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，称为酶的别发生构象的改变，进而改变酶活性状态，称为酶的别构调控。构调控。l 别构调控可分为同促别构调控与异促别构调控，同别构调控可分为同促别构调控与异促别构调控，同促别构调控中

13、，酶的活性部位和调节部位是相同的，促别构调控中，酶的活性部位和调节部位是相同的，效应物是底物；异促别构调控中，酶的活性部位和调效应物是底物；异促别构调控中，酶的活性部位和调节部位是不同的，效应物是非底物分子。节部位是不同的，效应物是非底物分子。2021/5/2217ATCase的别构调控的别构调控别构酶底物浓度对反应速率的动力别构酶底物浓度对反应速率的动力学曲线不是双曲线，是学曲线不是双曲线，是S型曲线型曲线。同促效应同促效应（homotropic effect）：底底物分子本身对物分子本身对别构酶的调节别构酶的调节作用。作用。2021/5/2218底物底物ATCase的别构调控的别构调控20

14、21/5/2219CTP 是酶的抑制剂是酶的抑制剂ATP 是酶的激活剂是酶的激活剂异促效应异促效应（heterotropic effect）：非底物分：非底物分子的调节物对别构酶子的调节物对别构酶的调节作用。的调节作用。ATCase的别构调控的别构调控2021/5/2220CTPATPATCase的别构调控的别构调控2021/5/22211。别构酶的结构基础寡聚酶结构。别构酶的结构基础寡聚酶结构。2。酶的某个活性部位结合底物后，。酶的某个活性部位结合底物后，构象改变的信构象改变的信息息在酶分子中进行传递，最终产生效应，影响酶的在酶分子中进行传递，最终产生效应，影响酶的总活性状态。多肽链之间的界

15、面作为分子开关起关总活性状态。多肽链之间的界面作为分子开关起关键作用。键作用。4。非底物效应物通过引起。非底物效应物通过引起酶构象的变化酶构象的变化最终影响最终影响酶的总活性状态。酶的总活性状态。酶别构调控的一般机理酶别构调控的一般机理2021/5/2222在酶水平对代谢进行调节在酶水平对代谢进行调节酶别构调控的意义酶别构调控的意义2021/5/2223酶原的激活酶原的激活 酶原酶原（zymogens）：在生物体内被合成的，不具：在生物体内被合成的，不具有催化活性的酶的前体。有催化活性的酶的前体。酶原激活：在蛋白酶的专一作用下，酶原激活：在蛋白酶的专一作用下，酶原构象发酶原构象发生改变生改变，

16、形成酶的活性部位，变成有活力的酶的，形成酶的活性部位，变成有活力的酶的活化过程。活化过程。2021/5/2224酶原的激活酶原的激活酶原激活的例子：酶原激活的例子：l胰凝乳蛋白酶原的激活，一级结构的变化导致三胰凝乳蛋白酶原的激活，一级结构的变化导致三维空间结构的变化。维空间结构的变化。l凝血机理，蛋白酶参与的凝血机理，蛋白酶参与的“级联级联”放大。放大。2021/5/2225可逆的共价修饰可逆的共价修饰l由其它的酶对共价调节酶进行可逆共价修饰，使由其它的酶对共价调节酶进行可逆共价修饰，使其在活性形式和非活性形式之间相互转变，从而其在活性形式和非活性形式之间相互转变，从而调节酶活性。调节酶活性。

17、l蛋白质的磷酸化是一种重要的可逆的共价修饰形蛋白质的磷酸化是一种重要的可逆的共价修饰形式，指由式，指由蛋白激酶蛋白激酶催化的把催化的把ATP或或GTP 位磷酸位磷酸基转移到底物蛋白质氨基酸残基上的过程，其逆基转移到底物蛋白质氨基酸残基上的过程，其逆过程是由蛋白磷酸酶催化的，称为蛋白质的脱磷过程是由蛋白磷酸酶催化的，称为蛋白质的脱磷酸化。酸化。l在信号传递体系中，通过各级蛋白激酶介导的激在信号传递体系中，通过各级蛋白激酶介导的激活反应，构成了级联式放大反应的主体。活反应，构成了级联式放大反应的主体。2021/5/2226同工酶同工酶l同工酶（同工酶（i isozymessozymes）：能催化同一种化学反应，能催化同一种化学反应，但酶蛋白本身的分子结构组成、理化性质和免但酶蛋白本身的分子结构组成、理化性质和免疫性能等方面有所不同的一组酶。疫性能等方面有所不同的一组酶。l同工酶专指受基因决定的酶的不同分子形式。同工酶专指受基因决定的酶的不同分子形式。l例如：乳酸脱氢酶的例如：乳酸脱氢酶的5 5种同工酶在不同组织和种同工酶在不同组织和器官中有特定的分步规律，执行不同的功能。器官中有特定的分步规律，执行不同的功能。2021/5/2227 许多酶的调控作用是许多酶的调控作用是各种调控作用的组合。各种调控作用的组合。酶的调控酶的调控2021/5/2228谢谢观赏谢谢观赏