第三节 酶的专一性

第三节 酶的专一性 1、结构专一性概念酶对所催化的分子底物Substrate化学结构的特殊要求和选择。类别绝对专一性和相对专一性绝对专一性有的酶对底物的化学结构要求非常严格一种一种EE只能催化一种只能催化一种S S 脲酶催化脲酶催化尿素水解为尿素水解为氨和水氨和水。相对专一性有的酶对底物的化学结构要求比上述绝对专一性略低一些一种一种EE能催化一能催化一类类S S 一种化学键一种化学键//水解酶类。水解酶类。1键专一性有的酶只作用于一定的键而对键两端的基团并无严格要求脂肪酶、磷酸酯酶等。2基团专一性另一些酶除要求作用于一定的键以外对键两端的基团还有一定要求往往是对其中一个基团要求严格对另一个基团则要求不严格。消化道内几种蛋白酶的专一性芳香赖、精碱性丙、甘、短脂肪链胰凝乳蛋白酶胃蛋白酶弹性蛋白酶羧肽酶胰蛋白酶氨肽酶羧肽酶芳香消化道蛋白酶作用的专一性2、立体异构专一性概念酶除了对底物分子的化学结构有要求外对其立体异构也有一定的要求。类别旋光异构专一性L-氨基酸氧化酶只催化L-氨基酸氧化对D-氨基酸无作用几何异构专一性组HOCH3COOH组CH3OHL-乳酸D乳酸与LDH契合不能在LDH中的三点结合精精L-乳酸脱氢酶的催化作用特异性立体异构专一性只能催化一种立体异构体进行反应。如L-乳酸脱氢酶作用于L-乳酸延胡索酸酶作用于反式的丁烯二酸CH3CCOOHOCH3CCOOHHO H NAD NADH H LDHCOOHCH2CH2COOHHOOCCOOHCCHH FAD FADH2SDH条件温和常温、常压、pH?7高效率降低活化能专一性特异性底物、反应、产物特异??绝对专一作用于一种底物催化一个反应??相对专一作用于结构相近的一类底物键专一/基团专一??立体异构专一作用于某一种立体构型旋光异构/几何异构敏感性受各种因素的影响易失活可调性环境调节酶结构、数量、位置调节酶促反应的特点Binding site??酶分 -多个氨基酸残基。一酶分子的结子中与底物结合的部位或区域一般称为结合部位1 构特点??酶分子中促使底物发生化学变化如底物键的断裂的部位称为催化部位??通常将酶的结合部位和催化部位总称为酶的活性部位或活性中心占酶分子1-2??结合部位决定酶的专一性??催化部位决定酶所催化反应的性质catalytic site由2-3个氨基酸残基组成活性中心是酶与底物结合并 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 现催化作用的空间区域大多由肽链上远隔的氨基酸残基提供必需基团经肽链盘绕折叠使之在三维空间相互接近构成特定的空间构象起催化中心作用。在结合酶中辅基与辅酶也参与活性中心的组成。酶的活性中心是一个三维实体位于酶分子表面的一个裂缝中没有空间结构就没有酶的活性中心受物化因素影响酶活性部位破坏酶失活。鸡蛋清和动物的眼泪水解细菌多糖细胞壁。129个aa4对二硫键AspHisSer活性中心重要基团: His57 Asp102 Ser195为Tyr酪248为Arg 145为Glu 270为底物ZnArg 145Tyr 248Glu 270??丝氨酸的羟基半胱氨酸的巯基组氨酸的咪唑基 H2NCHCCH2OHOOHOHH2NCHCCH2OHOSHSHH2NCHCCH2OHONNHNNH天冬氨酸和谷氨酸的羧基赖氨酸的氨基酪氨酸的酚羟基组氨酸的咪唑基半胱氨酸的巯基等。 H2NCHCCH2OHOCH2COHOH2NCHCCH2OHOCOHOCOOHH2NCHCCH2OHOCH 2CH2CH2NH2NH2H2NCHCCH2OHOOHOHAsp??酶分子中存在着一些可以与其他分子发生某种程度的结合的部位从而引起酶分子空间构象的变化对酶起激活或抑制作用。Regulatory site调节亚基催化亚基催化位点活性状态非活性状态蛋白激酶酶表现活性不可缺少的基团参与构成酶的活性中心和维持酶的特定构象所必需的基团为 酶分子的必需基团。活性中心的必需基团结合、催化。调节部位的必需基团维持三维空间结构的必需基团其它必需基团底物活性中心以外的必需基团结合基团催化基团活性中心必需基团只能进行热力学上允许进行的反应可以缩短化学反应到达平衡的时间而不改变反应的平衡点酶能加速达到平衡不能改变平衡常数自身不参与反应通过降低活化能加快化学反应速度。过渡态起始态终态能量反应过程化学反应速率的依赖因素分子间碰撞频率有效碰撞分子具有高能量处于活化态的分子即活化分子的百分数。能阈: 反应物分子发生化学变化所需最低能量活化分子: 含有高于反应能阈而能起反应的分子活化能: 活化分子具有的高于平均水平的能量供给能量如加温、光照等酶促反应要求在一定温度范围内进行降低活化能加快反应速度的方法几个概念底物催化剂反应温度反应速度常数尿素H 62 7.4 10-7脲酶21 5.0 106过氧化氢Fe 222 56 过氧化氢酶22 3.5 107酶的高催化效率与不加催化剂相比提高1081020与普通催化剂相比提高1071013一般催化剂一般催化剂反应活化能反应活化能反应总能量变化反应总能量变化酶促反应活化能酶促反应活化能非催化反应活化能非催化反应活化能初初态态终终态态能量改变活化过程酶促反应降低活化能酶促反应降低活化能过渡态P87在酶催化的反应中第一步是酶与底物形成酶底物中间复合物。当底物分子在酶作用下发生化学变化后分解成产物和酶。??S P??E S E-S P E许多实验事实证明了ES复合物的存在。ES复合物形成的速率与酶和底物的性质有关。1kSE1kES2kEPESP EES能量水平反应过程GE1E2酶E与底物S结合生成不稳定的中间物ES再分解成产物P并释放出酶使反应沿一个低活化能的途径进行降低反应所需活化能所以能加快反应速度。1、锁钥学说1890年Emil Fischer提出??认为整个酶分子的天然构象是具有刚性结构的酶表面具有特定的形状。酶与底物的结合如同一把钥匙对一把锁一样lock and key theory能很好解释酶的立体异构专一性。但不能解释可逆反应的底物和产物与酶的结合不能解释酶的专一性的所有问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。2、“三点结合”的催化理论??认为酶与底物的结合处至少有三个点而且只有一种情况是完全结合的形式。甘油激酶催化甘油转变为磷酸甘油。锁钥和三点结合学说把酶与底物之间的关系认为是刚性的只能解释结合专一性3、诱导契合学说induced-fit hypothesis1964 年Koshland提出??酶的活性中心在结构上具柔性底物接近活性中心时可诱导酶蛋白构象发生变化这样就使使酶活性中心有关基团正确排列和定向使之与底物成互补形状有机的结合而催化反应进行。该学说认为酶表面并没有一种与底物互补的固定形状而只是由于底物的诱导才形成了互补形状.AB1、邻近效应和定向效应四、酶高效催化的策略P89在酶促反应中底物分子结合到酶的活性中心??一方面在酶活性中心底物的有效浓度大大增加有利于提高反应速度。由于邻近效应使分子间的反应变成分子内反应??另一方面由于活性中心的立体结构和相关基团的诱导和定向作用使底物分子中参与反应的基团相互接近并被严格定向、定位。把分子内反应变成定向反应使酶促反应具有高效率和专一性特点。临近效应??咪唑和对-硝基苯酚乙酸酯的反应是一个双分子氨解反应.CH3COONO2NNH..NNHCOCH3O-NO2分子间反应咪唑浓度1MNNHCOONO2..ONNHO-NO2实验结果表明分子内咪唑基参与的氨解反应速度比相应的分子间反应速度大24 倍。说明咪唑基与酯基的相对位置对水解反应速度具有很大的影响。咪唑基有效浓度增加24倍1酶-底物结合方式诱导契合2、诱导契合与底物扭曲变形“形变”和“张力”酶与底物结合时酶的构象发生改变时底物分子也发生形变形成一个互相契合的复合物进一步转换成过度态大大提高反应速度。??反应 速度与形成的过渡状态稳定性密切相关??在酶催化的反应中与酶的活性中心形成复合物的实际上是底物形成的过渡状态??酶与过渡状态的亲和力要大于酶与底物或产物的亲和力。--稳定的底物通过电荷等相互作用底物张力变形激活形成过渡态strain--??酶促反应ES ES EP EP??自由能变化决定反应方向。??活化能高低决定反应速度快慢。??催化剂的作用是降低反应活化能。??酶催化作用的本质是酶的活性中心与底物分子通过短程非共价力如氢键离子键和疏水键等的作用形成E-S反应中间物其结果使底物的价键状态发生形变或极化这是酶促反应的初始敏感键断裂新的化学键形成则是酶促反应的完成。3敏感键形变降低活化能??酶的活性中心部位一般都含有多个起催化作用的基团这些基团在空间有特殊的排列和取向可以对底物价键的形变和极化及调整底物基团的位置等起到协同作用从而使底物达到最佳反应状态。??酸-碱催化狭义、广义的酸-碱催化。??酶参与的酸-碱催化反应一般都是广义的酸碱催化方式。??广义酸碱催化是指通过质子酸提供部分质子或是通过质子碱接受部分质子的作用达到降低反应活化能的过程。??广义酸基团广义碱基团质子供体质子受体-COOH -NH3 -SHOHNHNH-COO -NH2 -S -..-O-NHN:酶分子中可以作为广义酸、碱的基团His 是酶的酸碱催化作用中最活泼的一个催化功能团。广义酸基团广义碱基团pKa质子供体质子受体酶活性中心广义酸碱基团C??催化剂通过与底物形成反应活性很高的共价过渡产物使反应活化能降低从而提高反应速度的过程称为共价催化。??酶中参与共价催化的基团主要包括His 的咪唑基Cys 的巯基Asp 的羧基 ??某些辅酶如焦磷酸硫胺素和磷酸吡哆醛等也可以参与共价催化作Ser 的羟基等。 用。酶-底物醛缩酶类、脱羧酶类反应基团R-NH3共价中间物R-NC西佛碱16-二磷酸果糖Tyr酪氨酸3-磷酸甘油醛磷酸二羟丙酮在酶分子表面有一个裂缝活性部位就位于疏水环境中的裂缝中。介电常数低于水介质的介电常数两个带电基团的静电作用比极性环境中显著增高当底物与活性部位结合后就埋没在疏水环境中这里底物分子与催化基团之间的作用力比活性部位在极性环境中的作用力强利于酶的催化作用。6、微环境的影响表面效应surface effectOHCH2CHNHCOO-COCH2NHNH2CNH2Arg145OHTy r248COO_Glu270Zn2 羧肽酶疏水“口袋”羧肽酶催化C末端肽键水解对芳香族或大的脂肪族侧链较敏感。1967年Lipscomb解析出羧肽酶A的三维结构外形紧密38 α-螺旋17 β-折叠片一个紧密结合的Zn 2Zn 2对位于表面附近的一个裂缝中对酶的活性很重要Zn 2同His69、His196、Glu72的两个羧基氧配位无底物时为5个配位价当与底物结合时被裂解的肽键羰基氧与Zn 2形成第六个配位键。Zn 2附近的口袋正好容纳底物羧基末端的侧链。对底物结合重要的残基包括Arg71、Arg127、Asn144、Arg145、Tyr248、Glu270小结一、酶结构活性中心active site必需基团活性中心的必需基团、活性中心以外的必需基团活性中心底物结合部位催化部位二、一般催化剂的共性