酶作用机制和酶的调节-PC-1646806641

生物化学酶作用机制的笔记大纲整理，主要内容有酶的活性中心、研究酶活性部位的方法、酶催化反应的独特性质、酶催化反应的实例、酶的活性调节、同工酶。

酶作用机制和酶的调节

• 酶的活性中心
  • 对于不需要辅酶的酶来说，活性中心就是酶分子在三维结构上比较靠近的少数几个氨基酸残基或是这些残基上的某些基团；对于需要辅酶的酶来说，辅酶分子或其某一部分往往就是活性中心的组成部分。
  • 结合部位和催化部位
    • 结合部位专一性，催化部位底物的键在此部位被打断或形成新的键，从而发生一定的化学变化，决定酶的催化能力且决定反应类型
  • 特点
    • 只占很小的一部分
    • 三维实体
    • 疏水酶的活性部位是位于酶分子表面的一个裂缝，这是相当疏水的区域，非极性基团较多，产生一个微环境，此裂缝内的底物有效浓度相当高，从而提高了与底物的结合能力
    • 诱导契合是一个动态的辨认过程
    • 底物通过次级键较弱的力结合到酶上
    • 酶活性部位具有柔性或可运动性
• 研究酶活性部位的方法
  • 化学修饰
    • 侧链基团化学修饰
      • 非特异性共价修饰: 某些化学试剂与酶蛋白中某些氨基酸残基特异性共价结合或者氧化、还原，使基团结构和性质改变。
        • 实验现象：酶活性的丧失程度与化学试剂加入的量有关，当加入底物或酶可逆抑制剂时降低了化学试剂对酶的修饰
      • 特异性共价修饰： 利用某一化学试剂特异性与酶活中心某一氨基酸结合后，使酶失活。
        • 适用于已知酶活性中心的残基，用于检验其属于催化部位还是结合部位
      • 亲和标记法：修饰剂与底物结构相似，并利用酶对底物的特殊亲和力进入酶的活性位点。
        • 不可逆性抑制剂
    • 定点改变
      • 利用定点改变编码蛋白质基因的DNA序列，研究酶活性部位的必需氨基酸。
        • Km（变高）,Kcat（变低）的变化可区分该氨基酸与催化部位有关还是结合部位有关
        • 改变的是进化过程中的保守部位
  • 动力学参数测定
  • 定点诱变
  • 晶体
• 酶催化反应的独特性质
  • 涉及电子转移
  • 涉及到电子和质子两者或者其他基团的转移
  • 酶促反应的意义
    • 酶分子与底物分子相互作用旧键断裂新键形成的反应机理
      • 涉及的基元反应：酸碱反应，共价反应（亲核攻击）、金属离子反应
      • 底物以某种方式结合到酶上，使底物分子中的键产生张力， 有利于过渡态复合物的形成
    • 酶参与的催化一般是广义的酸碱催化，注意：组氨酸的咪唑基即可作为 广义酸也可作为广义碱，一般认为其是位于催化部位
    • 共价催化：以亲核攻击为例，在反应是酶分子上的亲和催化剂汲取电子攻击底物的缺电子中心形成极不稳定的过渡态，随后会被水分子或第二种底物攻击而给出所需的产物，由此可加快中间物的分解而释放出产物
      • 一般有羟基、巯基、咪唑基
    • 金属离子催化（定向反应，通过自身价态的变化来调节氧化还原反应，通过静电稳定屏蔽负电荷）
      • 金属酶
      • 金属激活酶
  • 影响酶催化效率的因素
    • 邻近效应
      • 分子间反应→分子内反应：催化基团与底物之间结合于同一分子而使有效浓度得以极大地升高，从而使反应速率大大增加
    • 定向效应
      • 指酶的催化基团与底物的反应基团的正确定向：酶与反应物结合后构象发生改变
    • 底物形变和诱导契合
    • 活性部位微环境的影响
      • 水分子能减少极性分子间的相互作用
      • 酶活性中心大多都是非极性的，将水分子挤出后底物分子的敏感键和酶的催化部位就会有很大的反应力
    • 多元催化和协同效应
• 酶催化反应的实例
  • 溶菌酶：谷氨酸在非极性区域充当广义酸与糖苷键上的氧结合使之断开，氧被带走后碳一称为亲电中心。天冬氨酸在非极性中心称为广义碱稳定C1直至水中解离出的氢氧根与之结合
  • 胰凝乳蛋白酶：催化部位残基丝氨酸，组氨酸（充当广义酸碱）和天冬氨酸，1、丝氨酸的羧基离子亲核攻击α氧该状态能量高不稳定/2、组氨酸将氢原子给氨基使酰胺键断裂/3、水分子进入活化中心将氢原子给组氨酸，羟基给α氧随后亲核攻击产生的键断裂
  • 羧肽酶：锌离子它与两个组氨酸（His196, 69）侧链和一个谷氨酸（Glu72）的两个羧基氧及一个水分子形成5个配位键
• 酶的活性调节
  • 别构调节（别构中心与活性中心位置不同，性能也不同其调控的是物质反应的速率）
    • 同促
    • 异促
    • 正协同
    • 负协同
    • 别构模型
      • 协同模型
        • 对称模型
        • 齐变模型（变的是TR构象）
      • 序变模型
  • 酶原激活
    • 酶原是没有活性的酶前体，在适当的条件下经过特定物质的作用肽键的一处或多处断裂从而被激活
      • 胃蛋白酶是自身激活
    • 消化道的蛋白酶、血液中有关凝血和纤维蛋白溶解的酶类也以酶原的形式存在，且存在级联反应。 消化道内蛋白酶以酶原的形式分泌，避免细胞产生的蛋白酶对细胞进行自身消化，并使酶在特定的部位和环境中发挥作用。 酶原可视为酶的贮存形式，如凝血和纤维蛋白溶解酶类以酶原的形式在血液循环中运行，一旦需要便转化为有活性的酶
  • 可逆共价修饰
    • 酶蛋白肽链上的某些残基侧链在另一组酶的催化下发生可逆的共价修饰 ，使酶处于活性与非活性的互变状态
    • 通过各种蛋白激酶的催化使酶蛋白中丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸的羟基发生磷酸化，又可通过各种蛋白磷酸酶催化水解此类磷酸基团，从而形成可逆的共价修饰来改变酶的构象，调节酶的活性。 磷酸化及脱磷酸化分别由蛋白激酶及蛋白磷酸酶催化。 可连锁进行，逐级磷酸化或脱磷酸化，出现级联放大。 磷酸化以ATP供给磷酸基团，几乎都需要镁离子
      • 注意：磷酸化激酶（磷酸化）和蛋白磷酸酶（去磷酸化）的作用是不同的
• 同工酶
  • 催化相同的化学反应酶蛋白的分子结构、理化性质乃至免疫学性质不同的一组酶
  • 遗传标志，从同工酶异常表现型直接推测基因型改变 与个体发育和组织分化相关 与代谢调节相关：适应不同组织、不同细胞器在代谢上的需要 与癌症发生相关
  • 心肌中含量最多的是LDH1（H4）对NAD+有较大的亲和力，易受丙酮酸抑制，它的作用主要是催化乳酸脱氢生成丙酮酸，有利于心肌利用乳酸氧化供能；骨胳肌中含量多的LDH5，对NAD+亲和力低，不受丙酮酸的抑制，其作用是催化丙酮酸加氢生成乳酸，有利于骨胳肌生成乳酸。