催化水解反应的金属酶精选PPT.ppt

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1、关于催化水解反应的金属酶第1页，讲稿共40张，创作于星期日根据酶催化反应的类型，把酶分为六类根据酶催化反应的类型，把酶分为六类：氧化还原酶类氧化还原酶类 催化氧化还原反应催化氧化还原反应转移酶类转移酶类 催化功能基团转移反应催化功能基团转移反应裂裂解解酶酶类类 催催化化从从底底物物移移去去一一个个基基团团而而留留下下双键的反应或其逆反应双键的反应或其逆反应异构酶类异构酶类 催化异构体互相转变催化异构体互相转变合合成成酶酶类类 催催化化双双分分子子合合成成一一种种新新物物质质同同时时使使ATP分解的反应分解的反应水解酶类水解酶类 催化水解反应催化水解反应第一节第一节 概述概述第2页，讲稿共40张

2、，创作于星期日一、水解酶一、水解酶 六六大大酶酶类类之之中中研研究究的的最最多多并并应应用用最最广广泛泛的的一一类类，其其中中有有不不少少水水解解酶酶的的活活性性与与金金属属离离子子有关。有关。后后页页表表中中列列出出若若干干水水解解金金属属酶酶和和金金属属离离子子激激活酶。活酶。金金属属离离子子激激活活酶酶是是指指必必须须加加入入金金属属离离子子才才具具有活性的酶。有活性的酶。第3页，讲稿共40张，创作于星期日第4页，讲稿共40张，创作于星期日水解酶根据水解酶根据水解键的类型水解键的类型不同分为六个亚类。不同分为六个亚类。酯酶酯酶 作用于酯键，使其水解为酸和醇作用于酯键，使其水解为酸和醇糖苷

3、酶糖苷酶 作用于糖基化合物，使糖键水解作用于糖基化合物，使糖键水解醚酶醚酶 作用于醚键，使其水解作用于醚键，使其水解肽酶肽酶 作用于肽键，使其水解作用于肽键，使其水解C-NC-N酶酶 作用于其它作用于其它C-NC-N键键酸酐酶酸酐酶 作用于酸酐作用于酸酐本章仅对本章仅对肽酶肽酶及及酯酶酯酶作一些介绍作一些介绍 第5页，讲稿共40张，创作于星期日肽酶肽酶催化蛋白质的肽键水解催化蛋白质的肽键水解蛋白质为高分子物质，不能透过细胞膜，必须水蛋白质为高分子物质，不能透过细胞膜，必须水解成小分子才能被肠吸收。蛋白质由各种肽酶催解成小分子才能被肠吸收。蛋白质由各种肽酶催化，水解成小分子，被肠吸收。化，水解成

4、小分子，被肠吸收。第6页，讲稿共40张，创作于星期日肽酶肽酶肽链端解酶肽链端解酶肽链内切酶（蛋白酶）肽链内切酶（蛋白酶）氨肽酶氨肽酶羧肽酶羧肽酶嗜热菌嗜热菌蛋白酶蛋白酶根根据据作作用用方方式式，肽肽酶酶又又分分为为肽肽链链端端解解酶酶和和肽肽链链内内切切酶酶。肽肽链链端端解解酶酶从从肽肽链链羧羧基基末末端端和和氨氨基基末末端切下氨基酸，前者称羧肽酶，后者称氨肽酶。端切下氨基酸，前者称羧肽酶，后者称氨肽酶。内内切切酶酶是是另另一一类类肽肽酶酶，用用于于切切断断蛋蛋白白质质分分子子内内部肽键使之变成小分子多肽，如嗜热菌蛋白酶。部肽键使之变成小分子多肽，如嗜热菌蛋白酶。第7页，讲稿共40张，创作于星

5、期日酯酶酯酶催化酯键水解，其中催化酯键水解，其中羧酸酯酶羧酸酯酶催化羧酸催化羧酸酯水解酯水解RCOOR +H2O RCOOH +ROH磷酸酯酶磷酸酯酶催化磷酸酯键水解催化磷酸酯键水解 O O ROPOR +H2O RO POH +ROH|OH OHR=H时，磷酸单酯酶（如：碱性磷酸酯酶）时，磷酸单酯酶（如：碱性磷酸酯酶）磷酸二酯酶（如：磷脂酶磷酸二酯酶（如：磷脂酶C)第8页，讲稿共40张，创作于星期日水解金属酶之中很多都与水解金属酶之中很多都与Zn2+有关。有关。其次：其次：Ca2+、Mg2+，还有少数酶含，还有少数酶含Mn2+由由于于水水解解过过程程不不发发生生电电子子转转移移，所所以以金金

6、属属离子的氧化态在催化过程中不变化。离子的氧化态在催化过程中不变化。第9页，讲稿共40张，创作于星期日二、水解金属酶研究中的过渡金属离子二、水解金属酶研究中的过渡金属离子EPR、Mssbauerssbauer、d-dd-d电电子子光光谱谱金金属属酶酶存存在某种过渡金属在某种过渡金属。ZnZn2+2+,Ca,Ca2+2+,Mg,Mg2+2+等等离离子子不不具具有有未未充充满满的的d d轨轨道道，因因此此含含有有ZnZn2+2+,Ca,Ca2+2+,Mg,Mg2+2+等等离离子子的的金金属属酶酶就就难难以以应用上述检测技术获得有用信息。应用上述检测技术获得有用信息。为为了了深深入入研研究究金金属属

7、酶酶的的性性质质，通通常常采采用用探探针针。一一般般采采用用CoCo2+2+代代替替ZnZn2+2+，用用MnMn2+2+代代替替MgMg2+2+。非非过过渡金属渡金属TlTl+作为作为K K+的的NMRNMR探针。探针。第10页，讲稿共40张，创作于星期日使使用用探探针针离离子子遵遵循循的的原原则则：同同晶晶置置换换，即即探探针针离离子子在在酶酶分分子子中中占占据据原原有有金金属属离离子子所所在的同一位置。在的同一位置。电子构型、离子半径、配位几何构型。电子构型、离子半径、配位几何构型。很很关关键键问问题题：是是否否能能继继续续保保持持酶酶分分子子的的生生物活性。物活性。金金属属配配位位键键

8、的的强强弱弱对对于于决决定定反反应应的的途途径径也也很很重重要要，而而这这种种配配位位键键的的强强度度可可随随金金属属不不同而变化。同而变化。第11页，讲稿共40张，创作于星期日第12页，讲稿共40张，创作于星期日Zn2+的的电电子子结结构构：d10，在在可可见见区区没没有有吸吸收收。在在羧羧肽肽酶酶研研究究中中采采用用Mn2+，Fe2+，Co2+，Ni2+，Cu2+，Rh3+，Cd2+，Pd2+等离子取代。等离子取代。Co2+取取代代的的羧羧肽肽酶酶A对对肽肽键键的的水水解解具具有有很很强强的的活性。活性。Co2+羧羧肽肽酶酶A的的吸吸收收光光谱谱与与经经典典的的四四面面体体配配位位的的钴钴

9、配配合合物物很很不不同同，而而且且摩摩尔尔消消光光系系数数很很大大，这这是是由由于于金金属属处处在在畸畸变变四四面面体体配配位位引引起起的的；圆圆二二色色谱谱、磁磁圆圆二二色色谱谱和和低低温温EPR谱谱的的结结果果证证实实这一点。这一点。证明锌酶中的证明锌酶中的Zn2+处于畸变四面体配位状态。处于畸变四面体配位状态。第13页，讲稿共40张，创作于星期日第14页，讲稿共40张，创作于星期日碳碳酸酸酐酐酶酶研研究究中中，钴钴酶酶活活性性是是锌锌酶酶活活性性的的50%，而而Ni2+，Mn2+，Fe2+酶酶仅仅稍稍具具活活性性，其它惰性。其它惰性。Co2+取取代代酶酶大大都都能能在在不不同同程程度度上

10、上保保持持酶酶的的催化活性。催化活性。电子结构、离子半径、配位几何构型。电子结构、离子半径、配位几何构型。Co2+配配合合物物有有多多种种几几何何构构型型，高高自自旋旋Co(II)配合物优先采取四面体结构。配合物优先采取四面体结构。四四面面体体场场中中，高高自自旋旋Co2+的的电电子子组组态态为为e4t23，相当于，相当于Zn2+的的d10组态的球对称结构。组态的球对称结构。采采用用Co2+作作为为探探针针，就就能能提提供供锌锌酶酶的的金金属属结合部位结构的有用信息。结合部位结构的有用信息。第15页，讲稿共40张，创作于星期日第二节第二节 羧肽酶羧肽酶羧羧肽肽酶酶是是催催化化肽肽链链的的C-末

11、末端端氨氨基基酸酸残残基基水水解解的的酶。酶。第一个被发现的锌酶第一个被发现的锌酶 第一个被发现的金属酶第一个被发现的金属酶 动力学、结构、光谱最清楚的水解酶动力学、结构、光谱最清楚的水解酶 羧肽酶分类：羧肽酶分类：金金属属酶酶，存存在在于于胰胰液液中中，细细胞胞外外酶酶，帮帮助助蛋蛋白白质消化，中性或弱碱性显示极大的活性质消化，中性或弱碱性显示极大的活性 非非金金属属酶酶（酵酵母母羧羧肽肽酶酶C），细细胞胞内内酶酶，在在酸酸性条件下具有很大活性。性条件下具有很大活性。第16页，讲稿共40张，创作于星期日一、羧肽酶一、羧肽酶A1.组成、结构与功能组成、结构与功能（1）组组成成：存存在在哺哺乳乳

12、动动物物胰胰脏脏中中，相相对对分分子子质质量量3460034600，Zn2+作作为为辅辅基基，单单一一多多肽肽链链，约约300个氨基酸残基。个氨基酸残基。研究比较多的是牛的羧肽酶研究比较多的是牛的羧肽酶A。羧羧肽肽酶酶原原A A在在胰胰蛋蛋白白酶酶作作用用下下，一一个个肽肽键键断断裂裂，释释放放出出大大约约6060个个氨氨基基酸酸残残基基的的N-N-末末端端裂裂解解物物。在在不不同同条条件件下下，可可以以产产生生4 4种种不不同同羧肽酶羧肽酶A A：307;305;300;300307;305;300;300第17页，讲稿共40张，创作于星期日动物体内羧肽酶原A二聚体或三聚体，无活性胰蛋白酶激

13、活60个氨基酸残基-N末端裂解物肽键断裂不同条件下,四种不同的羧肽酶307，305，300，300通常说的羧肽酶通常说的羧肽酶A就是羧肽酶就是羧肽酶A 第18页，讲稿共40张，创作于星期日(2)结结构构：椭椭球球形形，羧羧肽肽酶酶A()大大约约一一半半的的氨氨基酸形成基酸形成-螺旋结构或螺旋结构或-折叠结构。折叠结构。第19页，讲稿共40张，创作于星期日其其余余氨氨基基酸酸无无确确定定模模式式，相相对对容容易易变变形形，与与底底物物结结合合相相联联系系的的构构象象变变化化主主要要在在这这些些容容易易变形的部分发生。变形的部分发生。酶分子中部一狭长的空腔，底物结合位置。酶分子中部一狭长的空腔，底

14、物结合位置。底底物物的的C C末末端端沿沿这这条条沟沟槽槽伸伸入入到到酶酶分分子子内内的的活活性性部部位位，空空腔腔中中还还有有一一定定数数量量的的水水分分子子，Zn2+就就处处于于这这条条空空腔腔的的内内表表面面，它它是是维维持持羧羧肽酶肽酶A活性所必须的组分。活性所必须的组分。第20页，讲稿共40张，创作于星期日第21页，讲稿共40张，创作于星期日Zn2+与多肽链的两个组氨酸（与多肽链的两个组氨酸（69,196）的咪唑基）的咪唑基氮原子，以及谷氨酸（氮原子，以及谷氨酸（72）的羧基氧原子以配）的羧基氧原子以配位键结合，位键结合，第22页，讲稿共40张，创作于星期日Zn2+第第配配位位为为水

15、水。Zn2+处处于于畸畸变变四四面面体体配配位位状态中。状态中。第23页，讲稿共40张，创作于星期日3功能：功能：催催化化蛋蛋白白质质或或多多肽肽的的羧羧基基末末端端肽肽键键的的水水解解反反应应。除除了了脯脯氨氨酸酸之之外外，羧羧肽肽酶酶能能不不同同程程度度的的催催化化具具有有各各种种C-末端氨基酸的肽链水解。末端氨基酸的肽链水解。底底物物的的C-末末端端侧侧链链为为芳芳基基或或分分支支较较大大的的脂脂基基羧羧肽肽酶酶显显示出很强的活性。示出很强的活性。NHCHCONHCHCOO-+H2O|R2 R1 NHCHCOOH+NH2CHCOO-|R2 R1第24页，讲稿共40张，创作于星期日2.肽水

16、解的催化机理肽水解的催化机理（1）活性部位）活性部位早早期期的的蛋蛋白白链链化化学学修修饰饰法法已已经经确确定定羧羧肽肽酶酶的的活性部位。活性部位。Zn2+除除与与组组氨氨酸酸（His-69)、-196，以以及及Glu-72形形成成直直接接参参与与催催化化作作用用的的活活性性部部位位外外，还还包包括括Arg-145，Tyr-248和和Glu-270，它它们们的的侧联基团也是直接与底物结合的部位。侧联基团也是直接与底物结合的部位。当当上上述述氨氨基基酸酸与与其其他他物物质质作作用用而而被被化化学学修修饰饰时，酶失去活性时，酶失去活性第25页，讲稿共40张，创作于星期日（2）锌锌-羰羰基基机机理理

17、 主主要要特特征征：底底物物的的C-末末端端肽肽键键的的羰羰基基通通过过锌锌的的配配位位作作用用而而极极化化，极极化化羰羰基基的的碳碳原原子子由由于于亲亲核核反反应应发发生生水水解解作用。作用。第第一一步步：Arg-145的的胍胍基基和和底底物物的的带带负负电电荷荷的的C-末端羧基相互吸引。末端羧基相互吸引。第第二二步步：底底物物酪酪氨氨酸酸残残基基的的芳芳基基侧侧链链进进入入酶的非极性口袋形空腔中挤走酶的非极性口袋形空腔中挤走4H2O。第第三三步步:底底物物敏敏感感肽肽键键的的-NH-基基上上的的氮氮原原子子与酶的与酶的Tyr-248的的-OH以氢键连结。以氢键连结。第26页，讲稿共40张，

18、创作于星期日第第四四步步：底底物物肽肽键键上上的的羰羰基基挤挤走走了了水水分分子子而而与与锌锌配配位位，锌锌使使羰羰基基极极化化以以致致碳碳原原子子容容易接受亲核进攻。易接受亲核进攻。第第五五步步：底底物物末末端端的的羰羰基基碳碳原原子子通通过过一一个个插插入入的的水水分分子子与与酶酶的的谷谷氨氨酸酸Glu-270的的侧侧链链以氢键连结。但最后这一步不一定发生。以氢键连结。但最后这一步不一定发生。羧羧肽肽酶酶与与甘甘氨氨酰酰胺胺结结合合的的过过程程，必必须须通通过过活活性性中中心心的的重重排排，特特别别是是酶酶分分子子的的构构象象的的重大改变才能实现。重大改变才能实现。Arg-145 和和 G

19、lu-270移移动动0.2nm，Arg的的位位移移带带动动了了肽肽链链的的扭扭转转，使使Tyr-248移移动动了了1.2nm。第27页，讲稿共40张，创作于星期日诱诱导导喫喫合合状状态态：酶酶分分子子构构象象改改变变，配配位位键键、范范德德华华力力、静静电电吸吸引引力力和和氢氢键键等等作作用用力力，使使酶酶分分子子与与底底物物在在空空间间和和电电荷荷上上都都很很匹匹配配，因因而处于而处于喫喫合状态。合状态。羧羧肽肽酶酶与与甘甘氨氨酰酰胺胺结结合合正正是是酶酶的的诱诱导导喫喫合合状状态的范例。态的范例。酶酶分分子子构构象象改改变变和和各各种种相相互互作作用用力力使使底底物物肽肽键键处处于于张张力

20、力状状体体下下，因因此此，反反应应活活化化能能大大大大降低。降低。第28页，讲稿共40张，创作于星期日第29页，讲稿共40张，创作于星期日酶酶与与底底物物结结合合后后进进一一步步反反应应的的步步骤骤有有两两种种不不同的观点。同的观点。第第一一种种：Glu-270激激活活了了水水分分子子，提提高高了了水水分分子子的的氧氧的的亲亲核核能能力力，向向底底物物肽肽健健羰羰基基的的碳碳原原子子进进攻攻，Glu-270羰羰基基质质子子化化，Tyr-248也也提供一个质子，肽键断裂，底物分解。提供一个质子，肽键断裂，底物分解。第30页，讲稿共40张，创作于星期日第二种：第二种：第31页，讲稿共40张，创作于

21、星期日锌的作用：锌的作用：在在锌锌-羰羰基基机机理理中中起起了了使使肽肽键键产产生生张张力力的的作作 用用，从从而而促促进进了了底底物物的的水水解解。由由于于Zn2+的的作作用用，底底物物肽肽键键的的羰羰基基碳碳原原子子的的电电子子云云密密度度降降低低而而呈呈正正电电性性，因因此此羰羰基基碳碳原原子子更更容容易易接受亲核进攻。接受亲核进攻。底底物物末末端端羧羧基基与与Arg-145带带正正电电的的胍胍基基连连结结，触触发发了了Tyr-248大大幅幅度度位位移移，酶酶显显示示活活性性。由由此此可可见见：酶酶与与底底物物的的诱诱导导喫喫合合是是一一个个互互相相识识别别的的动动态态过过程程。这这个个

22、过过程程发发生生活活性性中中心心重重排排，使使底底物物有有可可能能被被酶酶的的功功能能基基包包围围而发生催化。而发生催化。第32页，讲稿共40张，创作于星期日第三节：碳酸酐酶第三节：碳酸酐酶广泛存在动物、植物和某些微生物体内。广泛存在动物、植物和某些微生物体内。可可逆逆催催化化二二氧氧化化碳碳的的水水合合作作用用，还还能能催催化化醛类水合作用和某些脂的水解。醛类水合作用和某些脂的水解。碳酸酐酶分含碳酸酐酶分含ZnZn2+2+酶和不含酶和不含ZnZn2+2+酶。酶。锌酶锌酶，红细胞中仅次于血红蛋白。，红细胞中仅次于血红蛋白。第33页，讲稿共40张，创作于星期日一、组成、结构、功能一、组成、结构、

23、功能相相对对分分子子量量约约30000，单单一一肽肽链链，每每个个分分子子含含一一个个Zn2+，260个个氨氨基基酸酸残残基基，脯脯氨氨酸酸含含量较高，没有二硫键。量较高，没有二硫键。通常碳酸酐酶指碳酸酐酶通常碳酸酐酶指碳酸酐酶B。椭椭球球形形，分分子子中中有有一一个个袋袋形形空空腔腔，Zn2+结结合合在在空空腔腔底底部部。Zn2+与与His-93，95，117的的N原原字字配配位位，第第四四配配位位可可能能有有水水分分子子或或羟羟基占据基占据畸形四面体结构。畸形四面体结构。第34页，讲稿共40张，创作于星期日第35页，讲稿共40张，创作于星期日天天然然碳碳酸酸酐酐酶酶和和脱脱锌锌的的酶酶蛋蛋

24、白白有有相相同同的的三三级级结结构构。因因此此，Zn2+在在碳碳酸酸酐酐酶酶中中不不是是起起稳稳定定空间结构的作用，而是活性中心组分。空间结构的作用，而是活性中心组分。Co2+取取代代锌锌，50%活活性性。大大量量实实验验表表明明，Co2+占据了占据了Zn2+原来结合部位。原来结合部位。第36页，讲稿共40张，创作于星期日可可推推测测：金金属属离离子子的的配配位位环环境境是是畸畸变变四四面面体构型。体构型。第37页，讲稿共40张，创作于星期日第38页，讲稿共40张，创作于星期日碳碳酸酸酐酐酶酶对对于于人人和和动动物物的的呼呼吸吸作作用用极极为为重重要。要。在在人人与与动动物物体体内内，由由碳碳

25、酸酸酐酐酶酶催催化化COCO2 2和和H H2 2O O合合成成HCOHCO3 3-,当当HCOHCO3 3-随随血血液液循循环环到到肺肺泡泡后后，又又由由碳碳酸酸酐酐酶酶催催化化使使它它解解离离为为COCO2 2排排出出体体外外。CO2+OH-HCO3-非酶催化速度远赶不上生理活动的需要。非酶催化速度远赶不上生理活动的需要。碳碳酸酸酐酐酶酶催催化化的的酶酶变变率率约约为为1010-6-6s s-1-1,即即在在3737o oC C时时1mol1mol碳碳酸酸酐酐酶酶每每秒秒中中能能催催化化10106 6mol mol CO2的可逆水合作用。的可逆水合作用。第39页，讲稿共40张，创作于星期日感感谢谢大大家家观观看看08.04.2023第40页，讲稿共40张，创作于星期日