酶学基础--酶的分子结构与催化功能

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1、第二篇酶学基础第四章酶的分子结构与催化功能第一节酶分子组成酶单纯酶结合酶（全酶）=酶蛋白+辅因子辅因子辅酶与酶蛋白结合得比较松的小分子有机物。辅基与酶蛋白结合得紧密的小分子有机物。金属激活剂金属离子作为辅助因子。蛋白质具有一级、二级、三级、四级结构以及大分子组织形式。酶的催化专一性主要决定于酶蛋白部分。辅因子通常是作为电子、原子或某些化学基团的载体。第二节酶的结构与功能酶蛋白的结构,包括一级结构和高级结构,与酶的催化功能密切相关，结构的改变会引起酶催化作用的改变或者丧失。研究酶结构与功能的关系是酶学的核心课题。一、酶的活性中心（一）活性中心酶蛋白上只有少数氨基酸残基参与酶对

2、底物的结合和催化，这些相关氨基酸残基在空间上比较靠近，形成一个与酶显示活性直接有关的区域（在酶分子表面上具有三维结构的特定区域）,称为酶的活性中心，又称活性部位(activesite）。构成活性中心的化学基团实际上就是酶蛋白氨基酸残基的侧链，有时尚包括肽链末端的氨基酸。胰凝乳蛋白酶活性中心含有Ile16、His57、Asp102、Asp194、ser195。在酶原形式时它们分散在一条肽链上,但酶原经激活后，形成A、B、C三条肽链。前3个残基在B链,后2个在C链。依靠肽链的折叠，包括肽链间的二硫键，使这些互相远离的基团靠近。(二)必需基团酶活性中心的一些化学基团为酶发挥催化作

3、用所必需，故称为必需基团。在酶活性中心以外的区域，也有不和底物直接作用的必需基团，称为活性中心外的必需基团。这些基团与维持整个酶分子的空间构象有关，间接地对酶的催化活性发挥作用。Koshland将酶分子中的氨基酸残基或其侧链基团分成四类：1.接触残基(contactresidues)如R1、R2、R6、R8、R9、R163、R164和R165。和底物直接接触,参与底物的化学转变，是活性中心的主要组成部分。这些残基中的一个或几个原子与底物分子的一个或多原子接触的距离都是一键距离(即0.15~0.2nm)之内。2.辅助残基(auxiliaryresidues)如R4，虽未直接与

4、底物接触，但在使酶与底物相互结合以及在辅助接触残基发挥作用上起着一定的作用。辅助残基也是活性中心一个不可缺少的组成部分。接触和辅助残基组成酶的活性中心。接触残基的侧链中，有的可能担负和底物结合的作用,称为结合基团；有的可能参与使底物转变成产物的催化作用，称为催化基团。结合基团也可参与催化作用辅助残基，因不与底物接触，只能参与辅助催化基团的作用，如质子的供给或接受等。3、结构残基(structuralresidues)如R10、R162、R169等，这些残基在维持酶蛋白形成一种有规则的空间构象方面起着重要作用。对酶活性的显示也有一定贡献，但离底物分子较远，不能列人活性中心的范

5、围，属于活性中心以外的必需基团。4、非贡献残基(non-contributingresidues)在酶的活性中心外,不参与酶的催化功能，对酶活性的显示不起作用。如图中的R3、R5、R7以及图中未列入的一些残基,这些残基可以被取代，甚至把它们去掉也不会对酶的构象和功能产生重大改变。二、酶的一级结构与催化功能的关系一级结构是酶的基本化学结构，是催化功能的基础。一级结构的改变将使酶的催化功能发生相应的改变。核糖核酸酶在其C末端用羧酸酶去掉3个氨基酸时，对酶的活性几乎没有影响，而若用胃蛋白酶去掉C末端的4个氨基酸时，则酶活性全部丧失。核糖核酸酶，有活性没活性有活性酶原是活性酶的前体

6、，需经激活才显示出酶的性。由酶原转变为活性酶，可通过酶或氢离子的催化而实现。胰蛋白酶原在胰蛋白酶或肠激酶的作用下，使酶原变为活性的酶。酶原转变成酶时，一级结构仅仅发生微小的变化，在碳链的N-末端失去了一个六肽，从而使隐蔽的活性基团解放出来,形成了活性部位。许多酶都存在着二硫键。一般二硫键的断裂将使酶变性而丧失其催化功能。但是某些情况下，二硫键断开，而酶的空间构象不受破坏时，酶的活性并不完全丧失；如果使二硫键复原，酶又重新恢复其原有的生物活性。三、酶的二级和三级结构与催化功能的关系二级、三级结构是所有酶都必须具有的空间结构,是维持酶的活性部位所必须的构型。当酶蛋白的二级和三级

7、结构彻底改变，就可使酶遭受破坏而丧失其催化功能。二级和三级结构的改变，也可以使酶形成正确的催化部位而发挥其催化功能。由于底物的诱导而引起酶蛋白空间结构发生某些精细的改变，与适应的底物相互作用，从而形成正确的催化部位，使酶发挥其催化功能——诱导契合学说的基础。1.酶的变性和失活酶受到变性因素的作用，空间结构破坏，其活性中心的构象也随着改变，酶因此失活。有时只要维持酶活性中心各基团的相对位置，即使一级结构受到轻微破坏，酶活性也不会改变。牛胰核糖核酸酶(RNA酶)有4对二硫键及很多氢键维持其空间构象;活性中心中有两个组氨