酶分子与抑制剂2010.ppt

第四章酶分子与抑制剂第一节 酶作为催化剂的特点 1、高效催化效率2、高度专一性3、条件温和4、酶易变性失活 5、易调控 一、酶具有高效的催化效率 Ø酶的催化效率通常比非催化反应高108～1020倍， 比一般催化剂高107～1013倍Ø酶的催化不需要较高的反应温度Ø酶和一般催化剂加速反应的机理都是降低反应的 活化能(activation energy)酶比一般催化剂更有效地降低反应的活化能 反应总能量改变 非催化反应活化能 酶促反应活化能 一般催化剂催 化反应的活化能 能量反 应 过 程 底物 产物 酶促反应活化能的改变酶促反应活化能的改变 活化能活化能：：底物分子从初态转变到活化态所需的能量底物分子从初态转变到活化态所需的能量催化反应历 程：一般化学反应历程：S P酶促反应历程：S + E ES E + P 一种酶仅作用于一种或一类化合物，或一定的化学键，催化一定的化学反应并生成一定的产物,特异性或专一性 酶的特异性(specificity)二、酶具有高度的特异性二、酶具有高度的特异性根据酶对其底物结构选择的严格程度不同， 酶的特异性可大致分为以下3种类型：n绝对特异性(absolute specificity)：只能作 用于特定结构的底物，进行一种专一的反应， 生成一种特定结构的产物 。

n相对特异性(relative specificity)：作用于 一类化合物或一种化学键n立体结构特异性(stereo specificity)：作用 于立体异构体中的一种绝对特异性酶的相对特异性乳酸脱氢酶的立体异构特异性酶的立体异构特异性三、酶的调节性生命现象表现了它内部反应历程的有序性这种有序性是受多方面因素调节和控制的，而酶活性的控制又是代谢调节作用的主要方式酶活性的调节控制大概有下列9种方式：（一）酶浓度的调节酶浓度的调节主要有两种方式：诱导或抑制酶的合成；调节酶的降解例如，在分解代谢中，β－半乳糖苷酶的合成，平时是处于被阻遏状态当乳糖存在时，抵消了阻遏作用，于是酶受乳糖的诱导而合成l乳糖操纵子(lac operon)的结构调控区CAP结合位点启动序列操纵序列结构基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙酰基转移酶ZYAOPDNAmRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpolp没有乳糖存在时-------关闭阻遏基因mRNA阻遏蛋白p有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录mRNA乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶（二）激素的调节 如乳糖合成酶有两个亚基：催化亚基和修饰亚基n催化亚基：本身不能合成乳糖，但可催化半乳糖以共价键的方式连接到蛋白质上形成糖蛋白。

修饰亚基和催化亚基结合后，改变了催化亚基的专一性，可以催化半乳糖和葡萄糖反应生成乳糖n修饰亚基：由激素控制妊娠时，修饰亚基在乳腺生成分娩时，由于激素水平急剧的变化，修饰亚基大量合成，它和催化亚基结合，大量合成乳糖三）共价修饰调节 酶蛋白肽链上的某些基团可在另一种酶的催化下，与某些化学基团发生可逆的共价结合，引起酶分子结构改变而影响酶的活性称为共价修饰(covalent modification)，也称为化学修饰（chemical modification）ØØ 常见类型常见类型磷酸化与脱磷酸化（最常见）乙酰化和脱乙酰化乙酰化和脱乙酰化甲基化和脱甲基化甲基化和脱甲基化腺苷化和脱腺苷化腺苷化和脱腺苷化－－SHSH与－与－S S－－S S互变互变酶的磷酸化与脱磷酸化 -OHThrSerTyr酶蛋白H2OPi磷蛋白磷酸酶ATPADP蛋白激酶 ThrSerTyr-O-PO32-酶蛋白腺苷酸环化酶 （无活性）腺苷酸环化酶（有活性） ATP cAMP↑ 激素（胰高血糖素、肾上腺素等）+ 受体 PKA (无活性) PKA (有活性) 糖原合酶 糖原合酶-P 磷酸化酶b 磷酸化酶a-P 磷酸化酶b激酶 磷酸化酶b激酶-P 共价修饰酶的级联反应共价修饰酶的级联反应（四）限制性蛋白酶水解作用 限制性蛋白酶水解是一种高特异性的共价修饰调节系统。

细胞内合成的新生肽大都以无活性的前体形式存在，一旦生理需要，才通过限制性水解作用使前体转变为具有生物活性的蛋白质或酶，从而启动和激活以下各种生理功能：酶原激活、血液凝固、补体激活等除了参与酶活性调控外，还起着切除、修饰、加工等作用，因而具有重要的生物学意义l酶原与酶原的激活酶原酶原 ( (zymogenzymogen) )有些酶在细胞内合成或初分泌时只是酶的有些酶在细胞内合成或初分泌时只是酶的 无活性前体，此前体物质称为酶原无活性前体，此前体物质称为酶原 酶原的激活酶原的激活在一定条件下，酶原向有活性酶转化的过程在一定条件下，酶原向有活性酶转化的过程酶原激活的机理酶 原分子构象发生改变形成或暴露出酶的活性中心一个或几个特定的肽键断裂，水解 掉一个或几个短肽在特定条件下赖缬天天天天甘异赖缬天天天天缬组丝S SS SS SS S464618183 3甘异缬组 丝S SS SS SS S肠激酶肠激酶胰蛋白酶胰蛋白酶活性中心活性中心胰蛋白酶原的激活过程胰蛋白酶原的激活过程酶原激活的生理意义酶原激活的生理意义避免细胞产生的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，保证体内代谢正常进行。

有的酶原可以视为酶的储存形式在需要时，酶原适时地转变成有活性的酶，发挥其催化作用例如：Ø 消化道蛋白酶以酶原形式分泌，避免了胰腺细胞和细胞外间质的蛋白被蛋白酶水解而破坏，并保证酶在特定环境及部位发挥其催化作用Ø 正常情况下血管内凝血酶原不被激活，则无血液凝固发生，保证血流通畅运行一旦血管破损，凝血酶原激活成凝血酶，血液凝固发生催化纤维蛋白酶原变成纤维蛋白阻止大量失血，而起保护作用五)抑制剂和激活剂的调节 抑制剂的调节：指酶活性受到大分子或小分子抑制剂抑制，从而影响酶的活性大分子－－如胰脏的胰蛋白酶抑制剂(抑肽酶)；小分子－－如2，3一二磷酸甘油酸，是磷酸变位酶的抑制剂激活剂的调节：指酶活性受到离子、小分子化合物或生物大分子的激活，从而提高酶的活性金属离子对酶的激活最常见，小分子化合物，如2，6一二磷酸果糖是磷酸果糖激酶有效的激活剂，生物大分 子如酶原的激活、cAMP对蛋白激酶的激活等 (六)反馈调节许多小分子物质的合成是由一连串的反应组成的催化此物质生成的第一步反应的酶，往往可以被它的终端产物所抑制，这种对自我合成的抑制叫反馈抑制如合成嘧啶核苷酸时，终端产物UTP和CTP可以控制合成过程一连串反应中的第一个酶。

反馈抑制就是通过这种调节控制方式，调节代谢物流向，从而调节生物合成 - -- --ATP + CO2+ 谷氨酰胺氨基甲酰磷酸UMP氨基甲酸天冬氨酸UTPCTP天冬氨酸嘌呤核苷酸ATP + 5-磷酸核糖嘧啶核苷酸PRPP -氨基甲酰磷酸合成酶氨基甲酰磷酸合成酶ⅡⅡ天冬氨酸氨基甲酰天冬氨酸氨基甲酰 磷酸转移酶磷酸转移酶（七）酶的变构调节细胞内一些代谢物能与某些酶分子活性中心以外的某一部位以非共价键可逆结合，使酶构象发生改变并影响其催化活性，进而调节代谢反应速率，这种现象为变构调节（allosteric regulation） 变构酶 调节亚基： 与变构剂结合，改变酶的构象催化亚基： 含有催化基团（活性中心）l变构酶的解聚与聚合C—— 催化亚基R—— 调节亚基蛋白激酶的变构调节蛋白激酶A（R2C2）的R2与4个cAMP（4×▲ ）结合后，使R亚基对C亚基的抑制作用消失，C亚基则具有催化活性l蛋白激酶A的变构调 节(八)金属离子和其他小分子化合物的调节有些酶需要K+活化，但Na+不能活化这些酶，有时还有抑制作用这一类酶有丙酮酸激酶、酵母丙酮酸羧化酶等另有一些酶需要Na+活化，K+起抑制作用如肠中的蔗糖酶。

二价金属离子如Ca2+ 、Zn2+ 、Mg2+ 、Mn2+往往也为一些酶表现活力所必需，它们的调节作用可能和维持酶分子一定的三级、四级结构有关，有的则和底物的结合及催化反应有关这些离子的浓度变化都会影响有关的酶活性九)蛋白质剪接(protein splicing) 20世纪90年代初期，人们发现了一种蛋白质活性的调节方式——蛋白质剪接l蛋白内含子与蛋白剪接1、 蛋白内含子的发现蛋白内含子(intein)是指包含在前体蛋白中的一段序列,在蛋白翻译后成熟过程中被准 确切除并将两侧序列又称蛋白外显子(extein) 以正常的肽键连接形成有功能的成熟蛋白,这 个过程称为蛋白剪接(protein splicing）蛋白剪接类似于RNA剪接蛋白内含子的编码序列位于两侧的蛋白外显子编码序列中间,它们共同构成一个连续的开放读码框架,翻译后形 成一个前体蛋白蛋白剪接过程与简单的蛋白催化加工过程不同,它使两个外显子中间形成一个自然的肽键 第一个蛋白内含子是在酵母中发现的,目前已有100多个蛋白内含子被发现最初发现的蛋白内含子曾有不同的称谓，如：蛋白质内含子(protein intron)插入蛋白序列(intervening protein sequence)间隔序列(spacer sequence)蛋白酶(protozyme)等。

现在所采用的蛋白内含子(intein)和蛋白外显子(extein)是从1994年开始统一使用的p基本结构：通过序列分析表明,目前发现的蛋白内含子大小为1342608氨基酸，大部分蛋白内含子具有 两个功能域即：n由N－端和C－端组成的剪接域(splicing domain)n中间的核酸内切酶结构域(endonuclease domain)2 2、蛋白内含子的结构、蛋白内含子的结构p蛋白剪接的功能单位研究表明蛋白内含子是触发蛋白剪接的功能单位,只要有完整的剪接序列存在就可以发生 蛋白剪接许多实验证明蛋白剪接功能包含在蛋白内含子序列加上C－端蛋白外显子第一个氨基酸结构中通过删除 中间的核酸内切酶结构或用一个连接子(linker)取代,不影响蛋白内含子的剪接功能,表明蛋白内含子的剪 接域和核酸内切酶结构在结构和功能上是独立 的两个单位3 、蛋白内含子的剪接机理蛋白剪接是一个非常快速的过程,在自然状态下极难观察到如果将蛋白内含子加上外显子第一个氨基酸残基,在一个外源蛋白系统中就足可以发生蛋白剪接通过理论模型和实验分析,对蛋白内含子的剪接过程基本上已经清楚剪接过程涉及4个亲核取代,是由3个保守的剪接残基激活,整个剪接过程可分成四步完成。

p剪接过程第一步：N－X酰基化重排第二步：酯化反应转移第三步：蛋白内含子C－端的Asn环化第四步：X-N酰基化重排4、 蛋白内含子是可移动的遗传元件一个最直接的证据是许多蛋白内含子中间含有核酸内切酶序列,并有一段保守的特定基序LAGLIDADG,核酸内切酶活性在许多种蛋白内含 子中观察到了蛋白内含子中所包含核酸内切 酶类似于由具有移动能力的内含子(intron)所 编码的居家核酸内切酶(hominendonuclease),因此认为蛋白内含子也具有居家 (inteinhoming)能力,与内含子的居家 (intronhoming)作用是类似5、蛋白内含子和蛋白剪接研究热点蛋白内含子的独特性在于其蛋白剪接功能,即能将两个多肽以一个正常肽键相连,而且其蛋白剪接功能又可分解成N-端和C-端切割功能 这些蛋白内含子(或修饰后的蛋白内含子)自主催化的生化反应为蛋白合成和加工提供了新的 途径,因而在蛋白工程及其它领域具有广泛的应用 前景因此除了对蛋白内含子本身结构与功能研 究外,在应用研究方面产生了许多新的热点①可用于蛋白纯化：蛋白内含子载体的开发不仅使蛋白纯化一步化,而且通过蛋白内含子介导蛋白连接,有时 也称表达蛋白连接生产多肽。