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1、关于酶的作用机制(2)第一页,本课件共有49页一、中间产物学说一、中间产物学说一、中间产物学说一、中间产物学说目前较满意的解释是:目前较满意的解释是:中间产物学说中间产物学说又叫又叫又叫又叫过渡态学说过渡态学说过渡态学说过渡态学说酶如何使反应的活化能降低而体现出极为强大的催化酶如何使反应的活化能降低而体现出极为强大的催化酶如何使反应的活化能降低而体现出极为强大的催化酶如何使反应的活化能降低而体现出极为强大的催化效率呢效率呢效率呢效率呢?第二页,本课件共有49页一般催化剂一般催化剂一般催化剂一般催化剂反应活化能反应活化能反应活化能反应活化能反应总能量变化反应总能量变化反应总能量变化反应总能量变化
2、酶促反应酶促反应酶促反应酶促反应 活化能活化能活化能活化能 非催化反应非催化反应 活化能活化能底物(初态)底物(初态)产物(终态)产物(终态)能能 量量 改改 变变活活 化化 过过 程程酶促反应活化能的改变酶促反应活化能的改变过渡态过渡态 ES(过渡态过渡态)第三页,本课件共有49页中间产物学说中间产物学说中间产物学说中间产物学说酶酶酶酶与与与与底底底底物物物物通通通通过过过过形形形形成成成成过过过过渡渡渡渡态态态态的的的的中中中中间间间间产产产产物物物物使使使使反反反反应应应应沿沿沿沿一一一一个个个个低低低低活活活活化化化化能能能能的的的的途途途途径进行。径进行。径进行。径进行。E+S ES
3、 ES EP E+P目前许多实验事实证明了中间复合物的存在。目前许多实验事实证明了中间复合物的存在。第四页,本课件共有49页 酶(酶(E E)与底物()与底物(S S)结合)结合生成不稳定的中间物(生成不稳定的中间物(ESES),),再分解成产物(再分解成产物(P P)并释放)并释放出酶,使反应沿一个低活出酶,使反应沿一个低活化能的途径进行,降低反化能的途径进行,降低反应所需活化能,所以能加应所需活化能,所以能加快反应速度。快反应速度。E+SE+SP+EP+EESES能能量量水水平平反应过程反应过程 G G E E1 1 E E2 2中间产物假说中间产物假说第五页,本课件共有49页从溶菌酶结构
4、的研究中,已制成它与底物形成复合物的从溶菌酶结构的研究中,已制成它与底物形成复合物的结晶,并得到了结晶,并得到了X X线衍射图,证明了线衍射图,证明了ESES复合物的存在复合物的存在 第六页,本课件共有49页二、酶的功能部位n n酶的活性部位n n必需基团n n调控部位第七页,本课件共有49页1、酶的活性中心、酶的活性中心(active center)酶分子中直接与底物结合,并催化底物发生化学反酶分子中直接与底物结合,并催化底物发生化学反应的空间区域,也称酶的活性部位应的空间区域,也称酶的活性部位(active site)。第八页,本课件共有49页(1)活性中心的两个功能部位:n n结合部位(
5、binding site)酶分子中与底物结合的部位 决定酶对底物的专一性n n催化部位(catalytic site)酶分子中促使底物发生化学变化的部位酶分子中促使底物发生化学变化的部位 决定酶促反应的类型,即酶的催化性质 第九页,本课件共有49页(2)活性中心的形成n n活性中心的功能基团主要由氨基酸残基的侧链所提供,在结合蛋白酶类中还有辅酶的功能基团参加。n n一个酶的活性中心的氨基酸残基,并不是密集于某段肽链内,而是通过肽链弯曲拆叠才使分散的氨基酸残基相互接近。第十页,本课件共有49页(3)酶活性部位的主要特征)酶活性部位的主要特征相对酶整个体积来说,活性部位占据的空间很小相对酶整个体积
6、来说,活性部位占据的空间很小活性部位是一个三维空间结构,具有特殊的构象活性部位是一个三维空间结构,具有特殊的构象活性部位通常位于酶蛋白的两个结构域或亚基之间的活性部位通常位于酶蛋白的两个结构域或亚基之间的裂隙,或位于裂隙,或位于酶分子酶分子表面的凹槽。表面的凹槽。大多数底物都是通过大多数底物都是通过大多数底物都是通过大多数底物都是通过次级键次级键与酶结合与酶结合与酶结合与酶结合构成活性中心的大多数氨基酸残基为疏水性,使此小构成活性中心的大多数氨基酸残基为疏水性,使此小区形成一个非极性的微环境,有利于与底物结合区形成一个非极性的微环境,有利于与底物结合活性中心表现出一定的柔性和可运动性。活性中心
7、表现出一定的柔性和可运动性。第十一页,本课件共有49页一些酶活性部位的一些酶活性部位的AA残基残基 酶酶 AAAA残基数残基数 活性部位的活性部位的AAAA残基残基 核糖核酸酶核糖核酸酶 124 124 His12,His119,Lys41 溶菌酶溶菌酶 129 129 Asp52,Glu35 胰凝乳蛋白酶胰凝乳蛋白酶 241 241 His57,Asp102,Ser195 胃蛋白酶胃蛋白酶 348 348 Asp32,Asp215 木瓜蛋白酶木瓜蛋白酶 212 212 Cys25,His159 羧肽酶羧肽酶A 307 A 307 Arg127,Glu270,Tyr248,Zn2+第十二页,本
8、课件共有49页活性中心内的必需基团结合基团结合基团(binding group)与底物相结合与底物相结合催化基团催化基团(catalytic group)催化底物转变成产物催化底物转变成产物 位于活性中心以外,维持酶空间构象必需位于活性中心以外,维持酶空间构象必需的基团的基团活性中心外的必需基团活性中心外的必需基团2、必需基团:酶分子上与酶活性有关的化学基团、必需基团:酶分子上与酶活性有关的化学基团第十三页,本课件共有49页常见的必需基团常见的必需基团n n丝氨酸的丝氨酸的-OHn n半胱氨酸的半胱氨酸的-SH-SHn n组氨酸的咪唑基组氨酸的咪唑基n n天冬氨酸和谷氨酸的天冬氨酸和谷氨酸的-
9、COOHn n赖氨酸的赖氨酸的-NH2n n酪氨酸的酚羟基酪氨酸的酚羟基第十四页,本课件共有49页底底 物物 活性中心以外活性中心以外的必需基团的必需基团结合基团结合基团催化基团催化基团 活性中心活性中心 第十五页,本课件共有49页牛胰蛋白酶第十六页,本课件共有49页酶的活性中心与酶蛋白空间构象完整性之间,酶的活性中心与酶蛋白空间构象完整性之间,是辩证统一的关系是辩证统一的关系。n n当酶以具有催化活性的构象存在时,活性中心便自然地形成。n n一旦外界理化因素破坏了酶的构象,肽链伸展,活性中心的特定结构解体,酶就失去催化底物发生反应的能力,结果是酶变性失活。第十七页,本课件共有49页n n酶分
10、子中存在着一些可以与其他非底物酶分子中存在着一些可以与其他非底物分子发生某种程度的结合的部位,从而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,对酶起激引起酶分子空间构象的变化,对酶起激活或抑制作用。活或抑制作用。3 3调控部位调控部位 Regulatory siteRegulatory site第十八页,本课件共有49页三、酶催化作用专一性的机理三、酶催化作用专一性的机理酶的专一性是由酶的活性中心的构象和酶的专一性是由酶的活性中心的构象和 性质决定的性质决定的酶的活性中心是如何专一性的选择底物?第十九页,本课件共有49页酶的专一性学说酶的专一性学说 锁钥学说锁钥学说(lock
11、and key theory)(lock and key theory)诱导契合学说诱导契合学说(induced-fit hypothesis)(induced-fit hypothesis)第二十页,本课件共有49页酶的专一性学说酶的专一性学说1 1、锁钥学说、锁钥学说、锁钥学说、锁钥学说 (Lock and key)(Lock and key)酶活性中心的形状与底物分子形状互补酶活性中心的形状与底物分子形状互补;酶活性部位酶活性部位锁孔,底物分子锁孔,底物分子钥匙钥匙;整个酶分子的天然构象具有刚性结构整个酶分子的天然构象具有刚性结构。1890年 Emil Fischer 提出第二十一页,本
12、课件共有49页锁钥学说的特点锁钥学说的特点n n锁钥学说能很好地解释酶的立体异构专一性;n n但不能解释酶的可逆反应,即酶的活性中心既适合于可逆反应的底物,又适合于可逆反应的产物。n n也不能解释酶专一性中的所有现象。也不能解释酶专一性中的所有现象。第二十二页,本课件共有49页2 2、诱导契合学说、诱导契合学说、诱导契合学说、诱导契合学说 (Induced fit)(Induced fit)酶表面并没有一种与底物互补的固定形状酶表面并没有一种与底物互补的固定形状;酶活性部位的构象是柔韧可变的酶活性部位的构象是柔韧可变的;底物接近活性中心时,诱导酶蛋白构象发生变化,与底物成互底物接近活性中心时,
13、诱导酶蛋白构象发生变化,与底物成互补形状有机的结合而催化反应进行;补形状有机的结合而催化反应进行;酶反应过程中,活性中心构象的变化是可逆的。酶反应过程中,活性中心构象的变化是可逆的。第二十三页,本课件共有49页四、影响酶催化效率的因素四、影响酶催化效率的因素 n n高效率比非催化高1081020倍比非酶催化高1071013倍 Why?Why?第二十四页,本课件共有49页酶高效催化的策略酶高效催化的策略uu邻近效应和定向效应邻近效应和定向效应uu诱导契合与底物的形变诱导契合与底物的形变uu酸碱催化酸碱催化uu共价催化共价催化 uu金属离子的催化作用金属离子的催化作用uu多元催化多元催化uu活性中
14、心微环境的影响活性中心微环境的影响第二十五页,本课件共有49页1、邻近效应和定向效应、邻近效应和定向效应 酶与底物结合形成中间复合物后,使底物和底物分酶与底物结合形成中间复合物后,使底物和底物分子(如双分子反应)之间、酶的催化基团与底物子(如双分子反应)之间、酶的催化基团与底物之间相互邻近,而使活性部位上底物的有效浓度之间相互邻近,而使活性部位上底物的有效浓度增加,从而使反应速率大大增加的效应。增加,从而使反应速率大大增加的效应。邻近邻近邻近邻近效应效应效应效应 定定向向效效应应:相相互互靠靠近近的的底底物物分分子子之之间间及及底底物物分分子子的的反应基团与酶的催化基团之间正确的定向取位。反应
15、基团与酶的催化基团之间正确的定向取位。第二十六页,本课件共有49页 仅仅是靠近还不够,还需要酶活性中心的催化基团和仅仅是靠近还不够,还需要酶活性中心的催化基团和底物的反应基团在反应中彼此相互严格地定向。只有底物的反应基团在反应中彼此相互严格地定向。只有既既靠近又定向靠近又定向,底物分子才能迅速的形成过渡态,加速反应,底物分子才能迅速的形成过渡态,加速反应的进行。的进行。靠靠近近与与定定向向A.A.酶的催化基团和底物酶的催化基团和底物的反应基团既不靠近,的反应基团既不靠近,也不定向。也不定向。B.B.两个基团靠近,但两个基团靠近,但不定向,还不利于反不定向,还不利于反应进行。应进行。C.C.两个
16、基团既靠近,两个基团既靠近,又定向,有利于反又定向,有利于反应进行。应进行。第二十七页,本课件共有49页因为酶的特殊结构及功能,通过专一性识别,使参加反应的底物分因为酶的特殊结构及功能,通过专一性识别,使参加反应的底物分因为酶的特殊结构及功能,通过专一性识别,使参加反应的底物分因为酶的特殊结构及功能,通过专一性识别,使参加反应的底物分子结合在酶的活性部位上,由于邻近效应和定向效应使得酶促反应子结合在酶的活性部位上,由于邻近效应和定向效应使得酶促反应子结合在酶的活性部位上,由于邻近效应和定向效应使得酶促反应子结合在酶的活性部位上,由于邻近效应和定向效应使得酶促反应由分子间反应变得近似于分子内反应
17、,极大提高了反应速率。由分子间反应变得近似于分子内反应,极大提高了反应速率。由分子间反应变得近似于分子内反应,极大提高了反应速率。由分子间反应变得近似于分子内反应,极大提高了反应速率。第二十八页,本课件共有49页“张力张力”和和“形变形变”底物与酶结合底物与酶结合底物与酶结合底物与酶结合酶分子构象变化酶分子构象变化酶分子构象变化酶分子构象变化底物分子的底物分子的底物分子的底物分子的敏感键敏感键敏感键敏感键产生产生产生产生“张力张力张力张力”和和和和“形变形变形变形变”敏感键断裂敏感键断裂诱导诱导诱导诱导有利于有利于有利于有利于 酶催化的高效性机理第二十九页,本课件共有49页张力学说张力学说n
18、n这是一个形成内酯的反应。当这是一个形成内酯的反应。当 R RCHCHCHCH3 3时,其反应速度时,其反应速度比比 R R R RH H的情况快的情况快315315倍。倍。n n由于由于-CH-CH-CH-CH3 3体积比较大,与反应基团之间产生一种立体排体积比较大,与反应基团之间产生一种立体排斥张力,从而使反应基团之间更容易形成稳定的五元环斥张力,从而使反应基团之间更容易形成稳定的五元环过渡状态。过渡状态。第三十页,本课件共有49页2、诱导契合与底物形变诱导契合与底物形变 酶与底物在诱导契合过程中酶与底物在诱导契合过程中,酶受底物诱导构象发生酶受底物诱导构象发生变化变化,同时酶也使底物分子
19、中的敏感键产生同时酶也使底物分子中的敏感键产生“张力张力”和变形,和变形,从而促使底物中的敏感键更易于破裂,发生从而促使底物中的敏感键更易于破裂,发生反应。反应。第三十一页,本课件共有49页3、酸碱催化酸碱催化(acid base catalysis)广义酸碱催化是指通过质子酸提供部分质子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应活化能的过程。酶活性部位上的某些基团可以作为良好的质子供酶活性部位上的某些基团可以作为良好的质子供体或受体,体或受体,通过瞬时的向底物提供质子或从底物通过瞬时的向底物
20、提供质子或从底物接受质子以稳定过渡态接受质子以稳定过渡态而加速反应的催化机制。而加速反应的催化机制。第三十二页,本课件共有49页酶分子中可以作为广义酸、碱的基团酶分子中可以作为广义酸、碱的基团咪唑基咪唑基咪唑基咪唑基第三十三页,本课件共有49页His57,Asp102,Ser195形成催化三联体(形成催化三联体(catalytic triad)第三十四页,本课件共有49页4 4、共价催化共价催化共价催化共价催化 (covalent catalysis)共价催化又称亲核催化或亲电子催化共价催化又称亲核催化或亲电子催化酶的活性基团和底物通过亲核或亲电反应形成反应活性酶的活性基团和底物通过亲核或亲电
21、反应形成反应活性很高的很高的不稳定共价过渡复合物不稳定共价过渡复合物,使反应的活化能大大降,使反应的活化能大大降低,从而提高反应速度。低,从而提高反应速度。共价催化的最一般形式共价催化的最一般形式:酶的亲核基团对底物中的碳原酶的亲核基团对底物中的碳原子进行攻击,形成共价中间物子进行攻击,形成共价中间物。第三十五页,本课件共有49页酶中参与共价催化的亲核基团酶中参与共价催化的亲核基团Ser 的羟基的羟基Cys 的巯基的巯基Asp 的羧基的羧基His 的咪唑基等的咪唑基等某些辅酶,如焦磷酸硫胺素和磷酸吡哆醛等也可以某些辅酶,如焦磷酸硫胺素和磷酸吡哆醛等也可以参与共价催化作用。参与共价催化作用。第三
22、十六页,本课件共有49页 胰凝乳蛋白酶胰凝乳蛋白酶chymotrypsinchymotrypsin酶催化的高效性机理第三十七页,本课件共有49页5、金属离子的催化作用金属离子的催化作用n n金属离子通过金属离子通过3 3种主要途径参与催化过程:种主要途径参与催化过程:n n1 1 1 1)通过结合底物为反应定向)通过结合底物为反应定向n n2 2)通过可逆的改变金属离子的价数介导氧化还原反通过可逆的改变金属离子的价数介导氧化还原反应应(许多氧化(许多氧化-还原酶含有铜或铁离子,作为酶的辅助还原酶含有铜或铁离子,作为酶的辅助因子起着传递电子的功能。)因子起着传递电子的功能。)n n3 3)屏蔽底
23、物或酶活性中心的负电荷屏蔽底物或酶活性中心的负电荷屏蔽底物或酶活性中心的负电荷屏蔽底物或酶活性中心的负电荷 第三十八页,本课件共有49页肌红蛋白活性中心肌红蛋白活性中心Fe2+的作用的作用第三十九页,本课件共有49页羧肽酶活性中心羧肽酶活性中心ZnZn2+2+的作用的作用第四十页,本课件共有49页许多激酶的底物为许多激酶的底物为ATP-MgATP-Mg2+2+复合物复合物第四十一页,本课件共有49页6、多元催化、多元催化u酶的活性部位,一般含有多个起催化作用的基酶的活性部位,一般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,可团,这些基团在空间有特殊的排列和取向,可以起到协同作用
24、,从而使底物达到最佳反应状以起到协同作用,从而使底物达到最佳反应状态态,极大地提高酶的催化效能。极大地提高酶的催化效能。u如:胰凝乳蛋白酶是通过如:胰凝乳蛋白酶是通过Asp102,Asp102,His57,Ser195His57,Ser195组成电荷中继网催化肽键水解。组成电荷中继网催化肽键水解。第四十二页,本课件共有49页His57,Asp102,Ser195形成催化三联体(形成催化三联体(catalytic triad)第四十三页,本课件共有49页第四十四页,本课件共有49页7 7、活性中心微环境的影响活性中心微环境的影响(1)疏水微环境:介电常数低,酶的催化基团被低介)疏水微环境:介电常
25、数低,酶的催化基团被低介)疏水微环境:介电常数低,酶的催化基团被低介)疏水微环境:介电常数低,酶的催化基团被低介电环境所包围,底物分子的敏感键和酶的催化基团之间就会电环境所包围,底物分子的敏感键和酶的催化基团之间就会电环境所包围,底物分子的敏感键和酶的催化基团之间就会电环境所包围,底物分子的敏感键和酶的催化基团之间就会有很大的反应力,有助于加速酶促反应。有很大的反应力,有助于加速酶促反应。有很大的反应力,有助于加速酶促反应。有很大的反应力,有助于加速酶促反应。(2)电荷环境:在酶活性中心附近,往往有一电)电荷环境:在酶活性中心附近,往往有一电荷离子,可稳定过渡态的离子。荷离子,可稳定过渡态的离
26、子。酶催化的高效性的机理第四十五页,本课件共有49页活性中心微环境的影响活性中心微环境的影响Val216 Thr226Gly216 Gly226Gly216 Gly226胰凝乳蛋白酶胰凝乳蛋白酶胰凝乳蛋白酶胰凝乳蛋白酶胰蛋白酶胰蛋白酶胰蛋白酶胰蛋白酶弹性蛋白酶弹性蛋白酶弹性蛋白酶弹性蛋白酶第四十六页,本课件共有49页n n酶催化的反应常常是多种催化机制的综合作用,这正是酶促反应具有高效率的重要原因。第四十七页,本课件共有49页 酶作用的专一性机理酶作用的专一性机理 锁锁钥钥学学说说:将将酶酶的的活活性性中中心心比比喻喻作作锁锁孔孔,底底物物分分子子象象钥匙,底物能专一性地插入到酶的活性中心。钥匙,底物能专一性地插入到酶的活性中心。诱诱导导契契合合学学说说:酶酶的的活活性性中中心心在在结结构构上上具具柔柔性性,底底物物接接近近活活性性中中心心时时,可可诱诱导导酶酶蛋蛋白白构构象象发发生生变变化化,这这样样就就使使酶酶活活性性中中心心有有关关基基团团正正确确排排列列和和定定向向,使使之之与与底物成互补形状有机的结合而催化反应进行。底物成互补形状有机的结合而催化反应进行。小结小结第四十八页,本课件共有49页感感谢谢大大家家观观看看第四十九页,本课件共有49页