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第二节 酶的结构与功能

第二节 酶的结构与功能. 一、酶的分子组成与分类 二、酶的 辅助因子 三 、 酶的结构与功能 酶的活性中心和必需基团 酶的活性中心与酶作用的专一性 酶的活性中心与 酶原的激活. 三、酶的结构与功能. （一）、酶的活性中心和必需基团. 酶分子上具有一定空间构象的部位，该部位化学基团集中，直接参与将底物转变为产物的反应过程， 即与催化作用直接相关的 部位，称为 酶的活性中心 (active center) 。. 由一些氨基酸残基的 侧链基团 组成。. 对于 复合酶 ， 辅因子 常常是 活性中心 的 组成部分 。.

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第二节 酶的结构与功能

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Presentation Transcript

  1. 第二节 酶的结构与功能 • 一、酶的分子组成与分类 • 二、酶的辅助因子 • 三、酶的结构与功能 酶的活性中心和必需基团 酶的活性中心与酶作用的专一性 酶的活性中心与酶原的激活

  2. 三、酶的结构与功能 （一）、酶的活性中心和必需基团 • 酶分子上具有一定空间构象的部位，该部位化学基团集中，直接参与将底物转变为产物的反应过程，即与催化作用直接相关的部位，称为酶的活性中心(active center)。

  3. 由一些氨基酸残基的侧链基团组成。 对于复合酶，辅因子常常是活性中心的组成部分。 （1）酶活性中心的组成： 用化学修饰法对多种酶的活性中心进行研究发现，活性中心处频率最高的氨基酸残基侧链基团主要有: Glu和Asp的-COOH，Lys的ε-NH2，His的咪唑基， Ser的-OH，Cys的-SH，Tyr的侧链基团。

  4. His57 His57 His57

  5. （2）酶活性中心的特点 a. 活性中心在酶分子总体积中只占相当小的部分 （约1%2%），相当于23个氨基酸残基。 b. 酶分子表面的一个凹穴，有一定的大小和形状， 但不是刚性的，而具有一定的柔性。 c. 活性中心为非极性的微环境，有利于与底物结合。

  6. 结合残基 接触残基 催化基团 活性中心 辅助残基 必需残基 酶蛋白 活性中心外 结构残基 非必需残基 酶催化活性有关的基团 --- 与酶的其它活性有关 如识别、定位、免疫等

  7. 必需基团 （1) 接触残基：结合基团，催化基团。 （2）辅助残基：不与底物接触，辅助酶与底物结合， 协助接触残基构成酶活性中心。 （3) 结构残基：维持酶分子三维构象,与酶活性相关， 但不在酶活性中心范围内，属于酶活 性中心以外的必需残基。

  8. 酶分子中必需基团氨基酸残基的作用 接触残基： R1、R2、R6、R8、 R9、R163 辅助残基： R3、R4、R5、R164、 R165 结构残基： R10、R162、R169

  9. 底 物 活性中心以外的必需基团 催化基团 结合基团 活性中心

  10. （二）、酶的活性中心与酶作用的专一性 1、酶的活性中心的一级结构研究 用同位素标记法：标记酶的活性中心，然后将酶水解并分离，对带标记片段进行一级结构测定。 分析结论：功能类似的酶在一级结构上有惊人的 相似性。

  11. 活性丝氨酸 例：丝氨酸蛋白水解酶族的一级结构 且从微生物到哺乳动物，活性丝氨酸最邻近的5～6氨基酸顺序都一样 ——说明蛋白质活性中心在种系进化上有严格的保守性。

  12. 2、丝氨酸蛋白酶家族——空间构象具有一定相似性2、丝氨酸蛋白酶家族——空间构象具有一定相似性

  13. 3、酶专一性与结合基团有关 胰凝乳蛋白酶:具有一个疏水性大口袋， 结合部位含有Ser残基,可与底物侧链为芳香基团氨基酸残基结合。 胰蛋白酶:与胰凝乳蛋白酶相似,具有口袋, 但结合部位由一个带负电荷的Asp代替了Ser,只能与带有正电荷氨基酸残基如Lys 、 Arg结合。 弹性蛋白酶:结合部位入口处是Val和Thr（侧链长）, 只能让侧链体积小Gly和Ala等进入。

  14. （三）酶的活性中心与酶原激活 胰蛋白酶原激活过程 胰蛋白酶活性中心 ?

  15. 酶 原 在特定条件下 一个或几个特定的肽键断裂 分子构象发生改变 形成或暴露出酶的活性中心 酶原(zymogen) 无活性状态的酶的前体。 酶原的激活 酶原向活性的酶转化的过程。 酶原激活的机理

  16. 胃蛋白酶原

  17. 胃蛋白酶原 胃蛋白酶

  18. 某些酶原的激活过程

  19. 酶原的激活 ——酶活性的调节方式之一：酶结构的调节 • 酶原激活的生理意义 • 避免对细胞进行自身消化 ——保护作用 • 酶在特定的部位和环境中发挥作用 ——保证体内代谢正常进行 • 酶原是部分酶的储存形式

  20. E + S ES E + P 第三节 酶作用的机制 （一）酶-底物复合物的形成 酶底物复合物

  21. （二）、诱导契合学说(induced-fit hypothesis) 酶与底物接近→结构相互诱导→变形和相互适应→结合。

  22. （三）、酶作用高效率的机制 趋近与定向效应 亲电催化 多元催化 亲核催化 酸、碱催化 离子催化 表面效应 “张力”和“形变” 酶

  23. 1、趋近与定向效应 • 邻近效应(proximity effect) 酶将诸底物结合到其活性中心，使它们的反应 基团相互靠近，降低进入过渡态所需的活化 能；底物在酶活性中心的有效浓度大大增加 • 定向排列(orientation arrange )： 酶活性中心的立体构型和相关基团的诱导、定向 作用，使诸底物参与反应的基团形成正确的几 何定向关系，相互接近，产生有效碰撞。

  24. 靠近

  25. 2、“张力”和“形变” • 底物与酶结合，诱导酶的分子构象变化。 • 变化的酶分子又使底物分子的敏感键产生“张力”甚至“形变”，促使酶－底物中间产物进入过渡态。 • 酶与反应物过渡状态的亲和力远大于酶与底物或产物的亲和能力；

  26. 3、多元催化(multielement catalysis) 包括：酸-碱催化， 共价催化（亲核、亲电催化）， 或多种催化形式的协同作用等。 • 同种基团在不同的微环境下解离度亦不同，这种多功能基团兼有酸、碱双重催化效能。

  27. 酸碱催化： 酶活性部位上的某些基团成为质子（H+）供体或受体对底物酸碱催化。 酶分子中广义的酸碱基团： 氨基、羧基、巯基、酚羟基、咪唑基。 这类反应有： 羰基的加成作用，酮基和烯醇的互变异构， 肽和酯的水解及磷酸和焦磷酸参与的反应。

  28. 共价催化（又称亲核催化或亲电催化） 亲核催化剂或亲电催化剂在催化时放出电子或汲取电子并作用于底物的缺电子中心或负电中心，迅速形成不稳定共价复合物 酶中心最常见的亲核基团进攻底物的亲电中心, 底物中典型的亲电中心：磷酰基、酰基、糖基

  29. 酶分子中可作为亲核基团和酸硷催化功能基团

  30. 例:胰凝乳蛋白酶催化肽键水解的多种类催化机制例:胰凝乳蛋白酶催化肽键水解的多种类催化机制 • 肽凝乳蛋白酶活性中心的结构特性 • Ser195、His57和Asp102,通过氢键 “ 催化三元区 ” Asp102 —— 起稳定His57构象作用 His57—— 质子受体，促进Ser195羟基氧对底物 肽酰基亲核进攻作用 “ 催化三元区 ” 特性：Ser-195 的羟基高度极化, 具有很高的亲核进攻能力。 稳定作用

  31. (2) 亲核共价催化作用： ① 四面体结构中间体的形成： Ser195羟基氧对底物肽酰基亲核进攻时, 形成一个共价四面体中间体

  32. ② His-57广义酸催化过程 酰基一酶中间体生成： His-57 作酸 将质子给于底物，底物肽的酰胺氮接 受质子H同时C-N肽键的断裂,形成产 物1R1NH2并从酶中离去； 环境中水 亲核进攻底物羰基碳，另一个过渡态四面 体产生； 产物1

  33. ③His-57作为广义碱-酸催化作用 His57作为碱进攻H2O并接受其质子，随后它作为酸又将质子转移给Ser195氧，——以此方式帮助酰基-酶中间体的解离。 酰基一酶中间体虽然不稳定, 但它的存在已经被X射线衍 射实验所证实。 产物2

  34. 4. 表面效应(surface effect)： 酶活性中心的疏水环境排除了水分子对酶和底物功能基团的干扰、吸引或排斥，防止酶和底物之间形成水化膜，有利于酶和底物的密切接触。——疏水的为微环境极大利于酶的催化作用 + -

  35. 酶活性中心的低介电区(表面效应 surface effect) 化学基团的反应活性和反应速率在非极性介质 和水性介质有显著差别

  36. 第六节 重要的酶类及酶活性的调节 重要的酶类 ： 寡聚酶 同工酶 诱导酶 调节酶 固定化酶

  37. 一、寡聚酶 由两个或两个以上，乃至多达数十个亚基组成的酶称为寡聚酶。其分子量从35000到几百万，可分为几种不同的类型： 1）含相同亚基的寡聚酶 2）含不同亚基的寡聚酶

  38. 含不同亚基的寡聚酶 1.双功能寡聚酶 2.含有专一性的、非酶蛋白亚基的寡聚酶 3.具有底物载体亚基的寡聚酶

  39. 1. 双功能寡聚酶 • 所含的亚基结构不同，每种亚基表现不同的功能，整个酶分子可以催化两个相关的反应。 举例：大肠杆菌的色氨酸合成酶

  40. 色氨酸合成酶 • 含A和B两种蛋白质 • 蛋白质A：含有一个亚基α， • 蛋白质B：含有两个亚基ββ。 ——这两种蛋白质各自催化一个化学反应： 蛋白质A • 吲哚甘油磷酸 吲哚 ＋ 3－磷酸甘油醛 • 吲哚 ＋ 丝氨酸 色氨酸 蛋白质B

  41. 色氨酸合成酶催化的化学反应 两个A蛋白 结合形成 一个B蛋白 它能将上述两个反应偶联而催化总反应： 色氨酸合成酶 （α２β２聚合） 吲哚甘油磷酸 ＋ 丝氨酸 色氨酸 ＋ 3-磷酸甘油醛

  42. 2.含有专一性、非酶蛋白亚基的寡聚酶 这种寡聚酶含有两种亚基： 一种有催化作用， 另一种没有催化作用。 后者为非酶蛋白，它能决定酶促反应的专一性。 例如：乳糖合成酶催化乳糖的合成反应

  43. 乳糖合成酶催化乳糖的合成反应 乳糖合成酶 UDP-半乳糖＋葡萄糖 乳糖＋UDP（1） UDP-半乳糖 ＋ 葡萄糖  乳糖 ＋ UDP（1） 此酶含有A及B两种蛋白质亚基：A 具有催化活性， B 为非酶蛋白。 A独存在 催化下列反应： UDP-半乳糖＋N-乙酰葡萄糖胺N-乙酰乳糖胺＋UDP（2） 当B存在时,A才具有催化乳糖能力，A的专一性由B决定

  44. 乳糖合成酶催化乳糖的合成反应 • B蛋白：是α-乳清蛋白，一个特殊的非酶蛋白。 • 研究表明： 反应（2）中加入B后，该反应受到抑制, 反应（1）则加强。 蛋白质A：广泛地存在于动物的各种组织中， 蛋白质B：仅存在于乳腺之中。 ——所以，只有在乳腺中才能合成乳糖

  45. 3. 具有底物载体亚基的寡聚酶 由酶蛋白部分和底物载体蛋白部分组成。 例如：大肠杆菌的乙酰辅酶A羧化酶 • 三个蛋白质部分组成： 2个具有催化活性蛋白生物素羧化酶 转酰基酶 1个羧基载体蛋白（BCCP） ——专一性的生物素羧基载体 ——这三个部分联结起来催化的反应分两步进行：

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