酶催化中過渡態穩定學說第1頁，課件共26頁，創作于2023年2月引子“酶”（enzyme）這個名稱的使用，始于19世紀后半，是1872年由居尼所提出的。來源于希臘語：ενζυμον，其中“在酵里面”而19世紀末的酶研究和釀酒業有密不可分的關系，這里面就關系到一個法國科學大師巴斯德的德國化學家李比希的故事，還有一個因此得到諾貝爾獎的布希納。第2頁，課件共26頁，創作于2023年2月過渡態穩定學說1946年Pauling提出，酶與過渡態的親和力要比對基態（底物）的親和力高得多，酶的催化源于其對過渡態的穩定作用JosephKraut提出，酶是柔性的分子模板，是通過進化設計出來的能與反應物過渡態的形狀而不是基態形狀精密互補的分子。第3頁，課件共26頁，創作于2023年2月

考慮底物結合和過渡態結合相關的熱力學循環

上面途徑為非催化反應，下面為酶催化反應K#uS+EE+S#P+EkuKSKe#ESES#P+EkeKt第4頁，課件共26頁，創作于2023年2月反應中四個平衡常數底物由基態轉變為過渡態的平衡常數，在沒存在與酶缺失情況下之比與ES與ES#復合物的解離常數之比有關

第5頁，課件共26頁，創作于2023年2月過渡態理論中反應速率（kr）與從基態反應物轉化為過渡態復合物的平衡常數（K#）成比例

kr=κνK#酶催化反應速度的相對變化可以由ke（酶存在）ku（酶不存在）之比給出：

酶催化對于反應速率的影響是很大的可達到1010~1014

數量級，考慮到κν的比值不可能與酶對速度增加在同一數量級，主要的影響就是KS/Kt因此酶對速度的增加因子說明酶與過渡態底物的結合比基態底物結合要牢固的多第6頁，課件共26頁，創作于2023年2月“鐵絲酶”催化反應的過渡態穩定機制第7頁，課件共26頁，創作于2023年2月支持過渡態穩定學說的證據根據過渡態的結構設計的過渡態類似物可作為酶的強抑制劑，抑制效果遠高于競爭性抑制劑。利用過渡態類似物作為抗原或半抗原，去免疫動物，由此產生的抗體可能有類似酶的催化作用。第8頁，課件共26頁，創作于2023年2月脯氨酸消旋酶的過渡態及其過渡態類似物抑制劑第9頁，課件共26頁，創作于2023年2月免疫動物產生抗體水解篩選抗體酶可卡因催化可卡因水解的抗體酶的制備第10頁，課件共26頁，創作于2023年2月過渡態穩定的化學機制與酶催化相關聯的過渡態穩定是酶活性中心結構和反應性以及活性中心與結合底物之間的相互作用的必然結果。酶充分使用一系列的化學機制來實現過渡態的穩定并由此加速反應。它們包括：鄰近定向效應廣義的酸堿催化靜電催化金屬催化共價催化底物形變第11頁，課件共26頁，創作于2023年2月鄰近定向效應鄰近定向效應是指兩種或兩種以上的底物（特別是雙底物）同時結合在酶活性中心上，相互靠近（鄰近），并采取正確的空間取向（定向），這樣大大提高了底物的有效濃度，使分子間反應近似分子內反應從而加快了反應速度。底物與活性中心的結合不僅使底物與酶催化基團或其它底物接觸，而且強行“凍結”了底物的某些化學建的平動和轉動，促使它們采取正確的方向，有利于鍵的形成。

第12頁，課件共26頁，創作于2023年2月廣義的酸堿催化廣義的酸堿催化是指水分子以外的分子作為質子供體或受體參與催化，這種機制參與絕大多數酶的催化。蛋白質分子上的某些側鏈基團（如Asp、Glu和His）可以提供質子并將質子轉移到反應的過渡態中間物而達到穩定過渡態的效果。如果一個側鏈基團的pKa值接近7，那么該側鏈基團就可能是最有效的廣義的酸堿催化劑。His殘基的咪唑基就是這樣的基團，因此它作為很多酶的催化殘基。第13頁，課件共26頁，創作于2023年2月廣義的堿催化廣義的酸催化廣義的酸、堿催化第14頁，課件共26頁，創作于2023年2月溶菌酶Glu35的廣義酸催化第15頁，課件共26頁，創作于2023年2月核糖核酸酶A的廣義酸堿催化第16頁，課件共26頁，創作于2023年2月靜電催化活性中心電荷的分布可用來穩定酶促反應的過渡態，酶使用自身帶電基團去中和一個反應過渡態形成時產生的相反電荷而進行的催化稱為靜電催化。有時，酶通過與底物的靜電作用將底物引入到活性中心。第17頁，課件共26頁，創作于2023年2月溶菌酶Asp52的靜電催化第18頁，課件共26頁，創作于2023年2月Glu35和Asp52分別所起的廣義酸催化和靜電催化，解釋了溶菌酶的活性與pH之間的關系以及它的最適pHpH對溶菌酶活性的影響第19頁，課件共26頁，創作于2023年2月金屬催化近三分之一酶的活性需要金屬離子的存在，這些酶分為兩類，一類為金屬酶，另一類為金屬激活酶。前者含有緊密結合的金屬離子，多數為過渡金屬，如Fe2+、Fe3+、Cu2+、Zn2+、Mn2+或Co3+，后者與溶液中的金屬離子松散地結合，通常是堿金屬或堿土金屬，例如Na+、K+、Mg2+或Ca2+。金屬離子以5種方式參與催化：作為Lewis酸起作用與底物結合，促進底物在反應中正確定向作為親電催化劑，穩定過渡態中間物上的電荷通過價態的可逆變化，作為電子受體或電子供體參與氧化還原反應酶結構的一部分第20頁，課件共26頁，創作于2023年2月碳酸酐酶的金屬催化機制第21頁，課件共26頁，創作于2023年2月共價催化共價催化是指酶在催化過程中必須與底物上的某些基團暫時形成不穩定的共價中間物的一種催化方式。許多氨基酸殘基的側鏈可作為共價催化劑，例如Lys、His、Cys、Asp、Glu、Ser或Thr，此外，一些輔酶或輔基也可以作為共價催化劑，例如硫胺素焦磷酸（TPP）和磷酸吡哆醛。第22頁，課件共26頁，創作于2023年2月幾種酶的共價催化親核共價修飾反應第23頁，課件共26頁，創作于2023年2月乙酰乙酸脫羧酶的親核催化第24頁，課件共26頁，創作于2023年2月磷酸吡哆醛的親電催化第25頁，課件共26頁，創作于2023年2月底物形變底物