山东大学生物化学精品课程 04-2 mechanism of enzyme catalytic

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1、生物化学第四章酶EnzymeEnzyme第五节酶的作用机理一、酶的活性中心二、酶作用的专一性三、酶高效性的作用机理四、酶活性的调节控制和调节酶五、同工酶一、酶的活性中心1、活性中心的概念活性中心：酶分子中结合底物并起催化作用的少数氨基酸残基，包括底物结合部位、催化部位。酶不但能基质结合还会诱导过渡状态生成AdaptedfromNelson&Cox(2000)LehningerPrinciplesofBiochemistry(3e)p.252活性中心模式图OON–C–C–N–C–CN–C–C–N–C–CRHR’O-CSer专一性专一性催化位点结合位点结合位点活性中心活性中心JuangRH(2

2、004)BCbasics酶的活性中心一般是一个凹陷的口袋酶活性中心为何可降低活化能？是一个魔术口袋+(1)可稳定过渡状态(2)防止水分子干扰輔(1)(2)(3)具高反应性基团(4)-(4)有辅酶帮助反应(3)JuangRH(2004)BCbasicsConcertedMechanismofCatalysisCarboxypeptidaseA(248)Active(270)TyrsiteGlu34pocket-ACTIVEACTIVESiteforCOO-HOSITESITEspecificityH+H-OCNR5NCC2SubstrateO-peptide1+COO-+Arg(145)ch

3、ainHisZnGluC-terminus(196)(72)CheckforHis(69)C-terminalJuangRH(2004)BCbasics一、酶的活性中心结合残基活性中心催化基团必需残基酶蛋白活性中心外结构残基非必需残基一、酶的活性中心3、研究活性中心的方法P385（1）酶分子侧链基团的化学修饰法邹承鲁提出邹式公式与邹式作图法（2）动力学参测定法（3）X射线晶体衍射法（4）定点诱变法二、专一性的机理p332（一）酶专一性类型1、结构专一性（1）绝对专一性只能作用于一个底物，或只催化一个反应。麦芽糖酶只作用于麦芽糖，脲酶只催化尿素水解。（2）相对专一性：一类相似的底物基团专一性

4、：对键两端的基团要求程度不同，对其中的一个基团要求严格，对另一个则要求不严格。键专一性（对底物结构要求最低）α-D-Glc苷酶，水解蔗糖和麦芽糖。二、专一性的机理p3322、立体异构专一性（1）旋光异构专一性（2）几何异构专一性反丁烯二酸水化酶只催化反丁烯二酸生成苹果酸立体化学专一性表现在酶能区分从有机化学观点看属于对称分子中的两个等同的基团，并只催化其中一个，而对另一个无作用。二、专一性的机理p334（二）酶作用专一性的解释1、锁钥模型(lock-keyhypothesis)1894Fisher•酶活性中心的形状与底物分子形状互补。•底物分子或其一部分像钥匙一样，专一地插入酶活性中心，通

5、过多个结合位点的结合，形成酶—底物复合物。•酶活性中心的催化基团正好对准底物的有关敏感键，进行催化反应。锁钥模型较好地解释了立体异构专一性。但不能解释可逆反应。二、专一性的机理2、诱导楔合模型(induced-fithypothesis)1958Koshland酶分子与底物分子接近时，酶蛋白质受底物分子诱导，构象发生有利于与底物结合的变化，酶与底物在此基础上互补楔合，进行反应。诱导契合学说的直接证据三、酶高效性的作用机理p3881、底物和酶的邻近效应与定向效应2、底物的形变与诱导契合3、酸碱催化4、共价催化5、活性中心金属离子6、活性部位微环境的影响1、底物和酶的邻近效应与定向效应邻近效应

6、与定向效应变分子间反应为分子内反应。ò邻近效应：酶与底物形成中间复合物后使底物之间、酶的催化基团与底物之间相互靠近，提高了反应基团的有效浓度。ò定向效应：由于酶的构象作用，底物的反应基团之间、酶与底物的反应基团之间正确取向的效应ò酶把底物分子从溶液中富集出来，使它们固定在活性中心附近，反应基团相互邻近，同时使反应基团的分子轨道以正确方位相互交叠，反应易于发生。1、底物和酶的邻近效应与定向效应1、底物和酶的邻近效应与定向效应酶反应邻近效应与定向效应的实验证据2、底物形变和诱导契合的催化效应3、酸碱催化3、酸碱催化3、酸碱催化酶分子部分功能基团起瞬时质子供体或质子受体的作用Specificac

7、id-basecatalysisGeneralacid-basecatalysis影响酸碱催化反应速度的两个因素⑴酸碱强度(pK值）组氨酸咪唑基的解离常数为6，在pH6附近给出质子和结合质子能力相同，是最活泼的催化基团。⑵给出质子或结合质子的速度。咪唑基最快，半寿期小于10-10秒4、共价催化酶部分残基侧链作为亲核基团或亲电基团，与底物形成一个反应活性很高的共价中间物。酶亲核基团：Ser-OH，Cys-SH，His-N：