第三節酶的作用機理

（一）基本概念：酶的活性中心是指結合底物和將底物轉化為產物的區域，通常是相隔很遠的氨基酸殘基形成的三維實體。酶的活性中心包括兩個功能部位：結合部位和催化部位。1．結合部位（Bindingsite）

酶分子中與底物結合的部位或區域一般稱為結合部位。此部位決定酶的專一性。2．催化部位（catalyticsite

）

酶分子中促使底物發生化學變化的部位稱為催化部位。此部位決定酶所催化反應的性質。（必需基團、非必需基團）一、酶的活性中心1必需基團:酶分子中有些基團若經化學修飾（氧化、還原、?；?、烷化）使其改變，則酶的活性喪失，這些基團稱為必需基團。非必需基團：有的酶溫和水解掉幾個AA殘基，仍能表現活性，這些基團即非必需基團。2（二）酶活性中心的結構特點1.活性中心只占酶分子總體積的很小一部分，往往只占整個酶分子體積的1%-2%。

某些酶活性部位的AA殘基酶AA殘基數活性部位的AA殘基核糖核酸酶124

His12,His119,Lys41溶菌酶129Asp52,Glu35胰凝乳蛋白酶241His57,Asp102,Ser195胃蛋白酶348Asp32,Asp215木瓜蛋白酶212Cys25,His159羧肽酶A307Arg127,Glu270,Tyr248,Zn2+32.酶的活性部位是一個三維實體，具有三維空間結構?；钚灾行牡目臻g構象不是剛性的，在與底物接觸時表現出一定的柔性和運動性。（鄒承魯研究酶變性的工作）3.酶的活性部位并不是和底物的形狀正好互補的，而是在酶和底物的結合過程中，底物分子或酶分子、有時是兩者的構象同時發生了一定的變化后才互補的，此時催化基團的位置正好處在所催化底物鍵的斷裂和即將生成鍵的適當位置，這個動態辨認過程稱為誘導契合（induced-fit）.4.酶的活性部位位于酶分子表面的一個裂隙（crevice）內.裂隙內是一個相當疏水的環境，從而有利于同底物的結合。5.底物靠許多弱的鍵力與酶結合。（二）酶活性中心的結構特點4（三）判斷和確定酶活性中心的主要方法酶的專一性研究：研究酶的專一性底物的結構特點、酶的競爭性抑制劑結構特點等。酶分子側鏈基團的化學修飾法：例如1.用共價修飾的試劑作用于酶，查明保持酶活力的必需基團；2.親和標記（合成底物類似物）；3.—SH保護劑的使用；X- 射線晶體衍射法：定點誘變法5用共價修飾的試劑作用于酶，查明保持酶活力的必需基團DFP的作用二異丙基氟磷酸6牛胰蛋白酶7二、酶作用專一性的機制

鎖鑰學說（1894年EmilFischer）—lockandkey或模板學說（temolate）：認為整個酶分子的天然構象是具有剛性結構的，酶表面具有特定的形狀。酶與底物的結合如同一把鑰匙對一把鎖一樣。（酶的多底物現象、酶對正反方向的催化、相對專一性）誘導契合學說（1958年D.Koshland)_inducedfit：該學說認為酶表面并沒有一種與底物互補的固定形狀，而只是由于底物的誘導才形成了互補形狀,從而有利于底物的結合。概括其要點：四個方面8誘導契合學說的要點酶有其原來的形狀，不一定一開始就是底物的模板底物能誘導酶蛋白的形狀發生一定變化（專一性結合）當酶的形狀發生變化后，就使得其中的催化基團形成正確的排列。在酶反應過程中，酶活性中心構象的變化是可逆的。即酶與底物結合時，產生一種誘導構象，反應結束時，產物從酶表面脫落，酶又恢復其原來的構象。9（一）降低反應的活化能（activationenergy）活化能:在一定溫度下一摩爾底物全部進入活化態所需要的自由能，單位是KJ/mol.

（增加溫度、加入催化劑降低反應活化能）酶促反應：E+S===ES===ES*

EPE+P非酶促反應：三、酶作用高效率的機制催化劑的作用是降低反應活化能,從而起到提高反應速度的作用10反應過程中能的變化Fe非酶促反應酶促反應非酶促反應自由能能反應進程底物產物ESES*EP實例：H2O2的分解無催化劑時活化能為75.24KJ/mol;鉑為催化劑時48.9;H2O2酶為催化劑8.3611三、酶作用高效率的機制

（一）降低反應的活化能（activationenergy）中間產物學說

在酶催化的反應中，第一步是酶與底物形成酶－底物中間復合物。當底物分子在酶作用下發生化學變化后，中間復合物再分解成產物和酶。

E+S====E-SP+E

許多實驗事實證明了E－S復合物的存在。E－S復合物形成的速率與酶和底物的性質有關。（電子顯微鏡的觀察結果、X-射線晶體結構分析、酶與底物反應前后光譜特性分析、酶的溶解度變化、酶與底物的共沉降，獲得ES復合物結晶）12在酶促反應中，由于酶和底物分子之間的親和性，底物分子有向酶的活性中心靠近的趨勢，最終結合到酶的活性中心，使底物在酶活性中心的有效濃度大大增加的效應叫做鄰近效應。定向效應：當專一性底物向酶活性中心靠近時，會誘導酶分子構象發生改變，使酶活性中心的相關基團和底物的反應基團正確定向排列，同時使反應基團之間的分子軌道以正確方向嚴格定位，使酶促反應易于進行。以上兩種效應使酶具有高效率和專一性特點。（二）鄰近效應（proximityeffect）和定向效應（orientationeffect）13

（三）酶使底物分子中的敏感鍵發生變形（distortion）酶-底復合物形成時，酶分子構象發生變化，底物分子也常常受到酶的作用而發生變化，甚至使底物分子發生扭曲變形，從而使底物分子某些鍵的鍵能減弱，產生鍵扭曲，有助于過度態的中間產物形成,從而降低了反應的活化能。（P276）14（四）多功能催化作用酶的活性中心部位，一般都含有多個起催化作用的基團，這些基團在空間有特殊的排列和取向，可以對底物價鍵的形變和極化及調整底物基團的位置等起到協同作用，從而使底物達到最佳反應狀態。151.酸－堿催化(acidbasecatalysis)酸-堿催化可分為狹義的酸-堿催化和廣義的酸-堿催化。酶參與的酸-堿催化反應一般都是廣義的酸－堿催化方式。廣義酸－堿催化是指通過質子酸提供部分質子,或是通過質子堿接受部分質子的作用，達到降低反應活化能的過程。按酶催化反應的機制分類16廣義酸基團廣義堿基團（質子供體）（質子受體）酶分子中可以作為廣義酸、堿的基團His是酶的酸堿催化作用中最活潑的一個催化功能團。(pK=6)半壽期小于1010秒172.共價催化

（covalentcatalysis）催化劑通過與底物形成反應活性很高的共價過渡產物，使反應活化能降低，從而提高反應速度的過程，稱為共價催化。酶中參與共價催化的基團主要包括以下親核基團：

His的咪唑基，Cys的硫基，Asp的羧基，Ser的羥基等；親電子基團：H+、Mg2+、Mn2+、Fe3+某些輔酶，如焦磷酸硫胺素和磷酸吡哆醛等也可以參與共價催化作用。

18１.需要金屬的酶分類：

（1）金屬酶－metalloenzyme:含緊密結合的金屬離子。如Fe2+、Fe3+、Cu2+、Zn2+、Mn2+

（2）金屬-激活酶（metal-activatedenzyme）:含松散結合的金屬離子，如Na+K+Mg2+Ca2+2.金屬離子的催化作用：許多氧化-還原酶中都含有銅或鐵離子，它們作為酶的輔助因子起著傳遞電子的功能。許多激酶的底物為ATP-Mg2+復合物。金屬離子通過水的離子化促進親核催化。(五)金屬離子的催化作用19酶活性中心處于一個非極性環境中，從而有利于同底物的結合。（水的極性和形成氫鍵的能力都較強，能夠減弱極性基團間的相互作用。）（六）微環境的影響（酶活性中心是低介電區域）20四、胰凝乳蛋白酶（chymotrypsin）的作用機理三條肽鏈的折疊酶活性中心的ＡＡ殘基：Asp102His57Ser19521胰凝乳蛋白酶（chymotrypsin）

EC3.4.4.5的活性中心Asp102-His57-Ser195

功能：在動物小腸中催化蛋白質的水解氫鍵體系-電荷中繼網22胰凝乳蛋白酶（chymotrypsin）

的活性中心Asp102-His57-Ser19523除了胰凝乳蛋白酶外，在催化中具有“天冬氨酸-組氨酸