上海交大第9章生化-(刘建华).ppt

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1、BiochemistrySixthEditionChapter9:CatalyticStrategiesCopyright©2007byW.H.FreemanandCompanyBerg•Tymoczko•Stryer国际象棋和酶都使用策略，国际象棋通过比赛发展策略，而酶则通过进化建立酶促反应机制。右边是能够酶切肽键的活性位点，由三个氨基酸残基（化学键是白色）构成。用黑色化学键表示的底物分子如同左边比赛中已经落入圈套的国王，面临被裂解的命运。酶催化效率高、特异性强、条件温和。这些特征的基础是什么？介绍四类酶促反应的机制，丝氨酸蛋白酶、碳酸脱水酶、限制性核酸内切酶、和核苷单

2、磷酸激酶。前三类将水分子加成到底物分子上，第四类避免水分子的加成。经过大量的实验研究（包括蛋白质结构测定、定点突变），这些酶的催化机制已经清楚。基本策略是结合能、诱导匹配、和一些特殊的催化策略，协助底物形成转化态。每类酶的催化机制能解决各种化学反应所面临的问题。蛋白酶：将缺乏催化剂和pH7.0几乎不发生的反应(蛋白质水解）进行下去。碳酸脱水酶：将化学反应加速到能够与其他快速生理过程融合的水平。限制性内切酶：实现酶切反应的高度特异性。NMP激酶，磷酸基团从ATP转移给另一个核苷酸（而不会转移到水分子）。酶采用的几个基本的催化原则底物与酶结合启动催化。结合能是酶和底物之间形成

3、大量弱相互作用所释放的自由能。这种结合能既可建立底物特异性，又能增加酶促效率。当底物转化成转化态，底物与酶之间完全互补。因此酶和底物之间的相互作用稳定转化态，从而降低反应的活化自由能。结合能对酶分子和底物的结构变化都有促进作用，使它们相互间匹配度更高（诱导匹配），有助于催化反应。酶通常采用下列一种或几种策略催化特定化学反应。共价催化。共价催化的活性位点有活泼基团，通常是很强的亲核基团。在酶促过程中亲核基团能暂时性共价连接底物。胰凝乳蛋白酶就采用这种策略。酸碱催化。酸碱催化中，水分子之外的物质提供质子或接受质子。接近催化。很多酶有两个不同的底物。将两种底物置于一个酶分子的同

4、一结合面能显著增加反应速度。金属离子催化。金属离子起催化作用的方式有几种。有的是配位作用产生OH-离子（亲核试剂），有的本身是亲电试剂，稳定带负电荷的中间体，还有的作为底物与酶结合的桥梁，增加结合能、将底物置于酶分子合适位置适于催化。蛋白酶能促进非常难于发生的反应图9.1胰凝乳蛋白酶的特异性。裂解芳香氨基酸或大的疏水氨基酸（已经用桔色涂出）C-端肽键（用红色标出）。图9.2胰凝乳蛋白酶有一个很活泼的丝氨酸。用DIPF处理，胰凝乳蛋白酶分子28个丝氨酸残基中195位丝氨酸与DIPF反应，导致胰凝乳蛋白酶失活。胰凝乳蛋白酶具有高度活泼的丝氨酸图9.3颜色底物。胰凝乳蛋白酶水解

5、N-乙酰-L-苯丙氨酸-p-硝基苯酚酯产生黄色产物对硝基苯酚。在pH7.0，对硝基苯酚解离。停留法(stopped-flowmethod)检测反应的起始状态，能够在毫秒范围内混合酶和底物、跟踪毫秒时间内的反应结果。结果显示起始状态迅速形成一种颜色产物，随后缓慢（即进入稳态）（图9.4）。这些结果提示，酶促反应过程有两个步骤，第一步很快，第二步很慢。图9.4胰凝乳蛋白酶催化的动力学。酶水解N-乙酰-L-苯丙氨酸-p-硝基苯酚酯有两个阶段：快速（稳态前）阶段和稳态阶段。胰凝乳蛋白酶促水解反应的两个步骤涉及酶与底物的共价结合（图9.5）。第一步，底物的酰基与酶共价结合，同时释放

6、对硝基苯酚或胺类（如果底物是酰胺键）。酶-酰基复合物称为酰化酶中间物。第二步，酰化酶中间物水解，释放底物的羧酸组分和游离酶。酶酰化并释放对硝基苯酚的速度很快，但是水解酰化酶“恢复”游离酶的速度很慢。图9.5共价催化。胰凝乳蛋白酶水解有两个阶段：（A）酰化形成酰化-酶中间体；随后(B)去酰化释放游离酶。1967年DavidBlow解析了胰凝乳蛋白酶的三维结构。球状、三条多肽链、二硫键连接在一起。合成的时候是一条多肽链（胰凝乳蛋白酶原）。蛋白酶裂解蛋白酶原（酶原活化），生成三条多肽链。酶促活性位点有Ser195，位于酶表面的裂缝中（图9.6）。活性位点的结构说明Ser195特

7、别活泼（图9.7）。Ser195的侧链与His57的咪唑环形成氢键。咪唑环的NH又与Asp102形成氢键。活性位点氨基酸残基这样的排布称为催化三体。这种排布使Ser195特别活泼。组氨酸残基定位Ser残基侧链，极化Ser侧链的羟基（去质子）。底物存在时，His57侧链接受Ser195侧链羟基的质子，因此His57是碱催化剂。Ser195丢失氢离子，产生烷基氧离子。烷基氧离子的亲核性比羟基大得多。Asp102协助His57定位，通过氢键和静电相互作用使His57更能接受Ser195的质子。球状、三条多肽链、二硫键连接在一起。酶促