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第十章 酶的作用机制和酶的调节
第一节 酶的活性部位
一、酶活性部位的特点
只是酶分子的一小部分;通过诱导契合形成与底物互补的特定三维结构;通过次级键与底物相互作用;有一定的柔性(邹承鲁的对比研究发现活性部位的柔性比其他部位更强);包括底物结合基团和催化基团,但二者的区分有时并不严格。
二、研究酶活性部位的方法
(一)侧链基团的化学修饰法
非特异性共价修饰(作用于酶分子中某一基团),酶活力丧失与修饰剂浓度成比例,底物或竞争性抑制剂可降低修饰作用。特异性共价修饰(作用于特定酶的特定基团),如二异丙基氟磷酸(DFP)只与胰凝乳蛋白酶活性部位的丝氨酸羟基结合;亲和标记试剂可以与活性部位的特定基团共价定量结合,如对甲苯磺酰-L-苯丙氨酰氯甲基酮(TPCK)与胰凝乳蛋白酶活性部位丝氨酸羟基的结合。
(二)动力学参数测定法
(三)X-射线晶体结构分析法
(四)定点诱变法
第二节 酶催化反应的独特性质
第三节 影响酶催化效率的有关因素
一、底物和酶的邻近效应(approximation,proximity)与定向效应(orientation)
底物分子结合到酶的活性中心,使底物在酶活性中心的有效浓度大大增加,从而加快反应的速度。
一个有机化学模型。咪唑催化对硝基苯酯的水解,分子内反应比分子间反应快24 倍。
底物分子中参与反应的基团相互接近,并被严格定向定位,使酶促反应具有高效率称定向效应。
邻羟基苯丙酸内脂的形成反应,两个甲基使羧基和羟基更好的定向,使反应速率提高2.5×1011。
二、底物的形变(distortion)和诱导契合(inducednt)
脯氨酸消旋酶的过渡态类似物与酶的亲和力远大于其底物,说明酶可以引起底物的形变。
酵母醛缩酶的过渡态类似物与酶的亲和力远大于其底物,说明酶可以引起底物的形变。
小牛小肠腺苷脱氨酶的过渡态类似物与酶的亲和力远大于其底物,说明酶可以引起底物的形变。
三、酸碱催化(acid—base catalysis)
专一性(狭义)酸碱催化
总酸碱催化或广义酸碱催化
表观速度常数依赖于pH 和溶液浓度。
Brφnsted 催化作用定律:
Logka=CA ? α(pKa)
pKa 和pKb 是总酸碱的解离常数,ka 和kb 是反应的速度常数。CA 和CB 为常数,与反应类型、温度、溶剂等因素有关。
pKa 小,则H+浓度高。
α和β是Brφnsted 系数,范围在0 到1 之间,接近于1 为专一性酸碱催化,接近于0 表示酸碱催化不起作用。
咪唑基的pK 值接近生理pH 值,H+的传递速度快,是酸碱催化中最重要的基团。
四、共价催化
酶与底物形成共价键的3 个例子,其共同特点是酶的亲核中心X 进攻底物的亲电中心。
五、金属离子催化
金属酶含紧密结合的金属离子。 金属激活酶含松散结合的金属离子。
金属离子的作用主要有:
与结合底物为反应定向;
参与氧化还原反应;
稳定或屏蔽负电荷;
活化水分子;
与过渡态底物形成螯合物。
六、多元催化和协同效应
酶的催化过程通常是多种机制同时作用,相互协同,因而有很高的催化效率。
七、活性部位微环境的影响
第四节 酶催化反应机制的实例
一、溶菌酶(1ysozyme)
二、胰核糖核酸酶A(pancreatic ribonuclease A,RNase A)
四、丝氨酸蛋白酶(serine proteases)
胰凝乳蛋白酶、胰蛋白酶、弹性蛋白酶氨基酸序列的比较,黑点表示相同的氨基酸,活性部位的氨基酸用符号标出。
胰凝乳蛋白酶和水蛭蛋白酶抑制剂(蓝色带状)的结构,His57(蓝色),Asp102(红色),Ser195(黄色)在空间上十分靠近。
胰凝乳蛋白酶催化的裂解反应的动力学。
乙酸基以共价键与酶的Ser195 结合,因而释放较晚。
酰基-酶中间物快速形成,随后缓慢释放产物。
胰凝乳蛋白酶催化反应的机制:
五、天冬氨酸蛋白酶(asparticproteases)
若为共价催化,会有两种中间物之一,两种中间物均未能找到,说明这一类酶为非共价催化。
(a)HIV-1 protease,a dimer,and (b) pepsin (a monomer).Pepsin′s N-terminal half is shown in red;
C-terminal half is shown in blue.
HIV-1 protease complexed with the inhibitor CrixivanR(red) the flaps(residues 46-55 from each subunit)covering the active site are shown in g
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