第9章 催化策略(刘建华)解析.ppt

其他种类的肽水解酶:天冬氨酸蛋白酶 天冬氨酸蛋白酶活性位点中心有一对天冬氨酸，联合作用活化水分子，后者攻击肽键。一个天冬氨酸去质子，攻击水分子（使之脱去质子）。另一个天冬氨酸有质子，极化肽键使肽键对亲核攻击敏感。这类蛋白酶包括肾素 ，HIV蛋白酶。 活性位点有金属离子（几乎都是锌离子）。金属离子活化水分子，后者亲核攻击肽键的羰基。嗜热细菌蛋白酶（thermolysin）和消化酶羧肽酶A是锌离子蛋白酶。嗜热菌蛋白酶是锌蛋白酶家族成员。这个家族很大，包括基质金属蛋白酶（负责组织重构和组织降解）。但是羧肽酶A不属于这一家族。 其他种类的肽水解酶: 金属蛋白酶 讲到此. 图9.19 HIV蛋白酶是二聚体 天冬氨酸蛋白酶 。两个亚基完全相同（分别用蓝色和黄色表示）。每个亚基（有99个氨基酸）给活性位点提供一个Asp。底物结合后关闭结合口袋的扇翼结构。 图9.20 Indinavir 是HIV蛋白酶抑制剂。Indinavir (crixivan)的结构与HIV蛋白酶底物多肽的结构比较。底物断裂化学键用红色标出。 Indinavir 的醇与四面体中间物很相似，其它基团与酶分子识别位点S2, S1, S1’,和S2’结合。在活性位点，indinavir采用的构型接近于酶蛋白的二重对称结构。结合抑制剂后可变翼盖住HIV蛋白酶活性位点。 抑制剂中心醇羟基与活性位点两个Asp相互作用。抑制剂的两个羰基与水分子形成氢键(在图9.21没有绘出)，而水分子又与两翼的肽键NH基团形成氢键。这种互作模式不可能出现在抑制剂与细胞天冬氨酸蛋白酶（如肾素）之间。这些决定 indinavir抑制HIV的特异性。 碳酸脱水酶： 37℃，中性pH，没有催化剂，CO2的水合速度常数相当于一级反应速度k1 =0.15 s-1。而碳酸脱水生成CO2的逆反应速度是k-1 = 50 s-1（更快）。相应的平衡常数K1 = 5.4 x 10-5，即平衡时[CO2]/[H2CO3]是340 : 1。 CO2水合和HCO3-脱水 常常与快速过程（尤其是运输过程）偶联。几乎所有生物都有碳酸脱水酶。 碳酸脱水酶能够将反应速度增加到自动反应的合理速度之上。 1. 血液流过肺，碳酸脱水酶将 HCO3- 脱水生成CO2。相反，碳酸脱水酶能够将CO2水合生成HCO3- ，产生眼泪或其它分泌液。 2. HCO3-和CO2是不同酶促反应的产物或底物。快速转化HCO3-和CO2才能保证这些分子处于合适的浓度水平。 3. 这些酶促反应非常重要。碳酸脱水酶突变会导致骨质硬化（osteopetrosis）(密度过高，贫血)和精神障碍。 碳酸脱水酶能加速CO2水合生成HCO3-。活性最高的碳酸脱水酶水合CO2的速度达到kcat = 106 s-1，即一个酶分子每秒能转化100万分子。基本的物理过程如扩散和质子转移达不到这么高的水合速率，因此酶促反应必需采用特别的策略获得如此巨大的（prodigious）速度。 碳酸脱水酶含有催化活性必需的锌离子 在碳酸脱水酶发现（1932年）10年后，发现这个酶有锌离子，证实酶活性必需锌离子—发现的第一例含锌离子的酶（当时的重大发现）。现在知道，生物体内超过1/3的酶要么有金属离子，要么用金属离子作为辅助因子。 金属离子有几个性质增加反应活性：带正电荷；能形成相对强但相当活泼的化学键；有的金属离子有多种氧化状态。金属离子的化学反应性质提供了进化过程中很多酶利用金属离子进行催化的理由。 人类基因组至少有7种碳酸脱水酶（每种酶都有自身基因）。这些碳酸脱水酶序列一致性明显，是同源酶。 x-射线晶体学研究提供锌离子的详细而又直接的信息。碳酸脱水酶II是红细胞的主要成分，是研究得最深入（图9.22），也是活性最高的碳酸脱水酶之一。 催化经过锌离子活化水分子：锌离子复合物有利于二氧化碳水合。pH值对酶促二氧化碳水合反应的影响（图9.23）。 在pH8，反应速度接近最大值。pH值降低，反应速度迅速下降。在pH7.0反应速度降低一半，提示pH7.0失去一个基团(pKa = 7.0)的一半，这个基团对催化反应很重要。而且这个曲线显示，高pH值（脱质子）形成该基团能有效地催化。尽管有些氨基酸，如组氨酸的pKa值接近7，但是不同证据提示负责转化的基团不是氨基酸而是锌结合的水分子。 图9.24 锌离子结合水分子的pKa值。与锌离子结合使水分子的pKa值从15.7降低至7。 （1）锌离子有利于水分子释放H+离子，产生氢氧根离子。（2）二氧化碳底物结合于酶活性位点，并被定位于与氢氧根反应的位置。（3）氢氧根攻击二氧化碳，产生碳酸氢根离子（HCO3-）。（4）释放HCO3-后，又产生催化活性位点结合另一个水分子。 合成类似物有四个氮原子与锌离子结合（碳酸