酶學及酶工程EnzymologyandEnzymeEngineering田維熙教授中國科學院大學第二章酶的結構與功能第三節酶的活性部位及催化機理一、酶的活性部位模型假說1.鎖鑰模型假說鎖鑰模型假說提出了酶作為生物催化劑有一個重要特點，即實現催化的必要條件是底物必須在酶上特異性結合。酶上存在特定的結合部位，結合部位與底物之間存在互補的特點，就像鎖和鑰匙的關系，因而造成酶催化反應的很強的專一性。結合部位是酶的活性中心的組成部分。底物在活性部位的結合力底物和結合部位有形狀的配合，使底物的原子與結合部位的原子有盡可能多的接近到范德華半徑內。除范德華力，穩定底物結合的力還有離子間引力、氫鍵和疏水作用，側鏈、輔基和底物之間存在相應的配合。按鎖鑰模型假說，酶的活性中心空間結構是剛性的。2.誘導契合模型假說后來的研究發現自由酶的活性部位和底物間并不精確地像鎖鑰匙一般配合，從而提出了誘導契合模型假說。該假說認為，酶與底物結合時，結合力促使酶和底物分別發生一些構象的變化，從而更有利于催化反應的發生。構象變化使活性部位和底物達到精確配合，結合更緊密，并使催化基團處于更有利于催化的位置上。底物形變造成應力狀態會使發生反應的鍵變弱，降低反應的活化自由能，使反應速度增加。形變所需的能量則是由結合能提供的。

誘導契合示意圖底物誘導酶活性部位發生形變，反作用力使底物也相應形變，達到底物和活性部位完全契合。誘導契合模型是目前酶學界的主流認識。誘導契合—鎖鑰新模型探索蚯蚓蛋白酶I有三種蛋白酶活性：凝血酶Th，胰凝乳蛋白酶Ch，尿激酶U。發現該酶作用Th或Ch底物后，U活性下降。但與U底物作用后不影響Th和Ch活性。而Th和Ch底物剛性，U底物相對柔性。——R.Panetal.JBC,2010；該酶活性部位含有熒光基團。測定表明該酶與Th或Ch底物結合后內源熒光有較大變化，但和U底物結合后變化不大。用低濃度胍擾動該酶活性部位也造成熒光變化，但結合過Th或Ch底物后再用胍擾動熒光變化不大了。用蚯蚓蛋白酶II、枯草桿菌蛋白酶、乳酸脫氫酶也能得到類似的結果。表明這些酶活性部位有較大構象變化后會維持該構象,再作用按鎖鑰模型,形成先誘導契合再鎖鑰的機制。有無普遍性還需證明。——張子健，博士論文，2013二、活性部位的催化理論1.活性部位的組成按功能，酶的活性部位包含底物結合部位和催化基團兩部分。底物在酶上的結合可有效地降低反應所需的自由能，是酶反應的必要基礎。降低反應自由能的因素包括鄰近效應，定向效應和形變效應。

催化基團實施具體的催化反應。如酸堿催化，共價催化。活性部位的組成成分形成活性部位的組成成分包括主鏈結構，側鏈基團和輔基。主鏈形成活性部位的基礎形狀。側鏈基團完成活性部位的構成，是活性部位的主要成分。很多酶還包含金屬或有機輔基，它們雖不是肽鏈的一部分，但緊密結合在酶分子中，并實際參與了活性部位的形成，有的是結合部位的一部分，有的本身是催化基團，還有的能夠傳遞中間產物。2.酶催化的熱力學原理過渡態和活化能化學反應通過過渡態完成，形成過渡態需要活化自由能。酶促進過渡態形成，并和過渡態結合更緊密。因此過渡態類似物往往是優良的專一性抑制劑。活化自由能非催化反應的活化能高，反應不易進行，速度慢。與酶結合成復合物時底物變為過渡態，結合能提供了所需的活化能。由復合物進行反應所需要的活化能就少了。酶的催化功能主要是由于降低了反應活化能，從而提高了反應速度。k=(kbT/h)e–ΔG/RT酶降低活化自由能的方式

ΔG=ΔH–TΔS1）熵因素：底物結合于酶使其自由度減少，ΔS是負值而增加系統自由能，據計算常溫下反應所需活化自由能約一半是熵因素貢獻的。底物在酶上結合時，存在臨近效應和定向效應，使系統自由度減少，因此形成復合物時熵減少。活化自由能中的熵因素在此效應中實現，其后進行反應時所需的活化自由能就減少了。鄰近效應和定向效應

底物之間及底物對活性部位的鄰近和定向增加了有序性，減小了自由度，從而降低了系統的熵，而增加了系統的自由能。雙分子反應兩個底物在結合部位定向結合并彼此靠近，比溶液中發生反應的可能性高得多，相當于大大提高了反應物濃度。所有酶反應底物和酶之間都有反應所需的相互作用，定向和鄰近使反應加快。底物結合時墑減少所需要的自由能由底物結合時放能提供。結合能鄰近效應和定向效應例子羧基和酯基間可反應生成酸酐。二羧酸單苯酯的的反應比雙分子羧酸和酯的反應速度快得多，表現了鄰近效應和定向效應。而羧基和酯之間自由度越少，鄰近效應和定向效應越強，反應速度越快。

作用物反應速度2）焓因素：形變效應誘導契合使底物在活性部位結合時出現形變，造成底物分子內應力，相關鍵變弱。對于磷酸酯水解反應，有形變應力的環狀磷酸酯水解比無應力的開環磷酸酯快108倍，表現了底物形變對反應速度的影響。形變效應熱力學鍵的形變需要吸收一定能量ΔH，自由能增加。所需能量也由底物在酶上的結合能提供。其后進行反應時所需的活化自由能就減少了，這使反應速度加快。三、酶催化的化學機制1.酸堿催化：酸催化堿催化酸堿催化的特點是由廣義酸或堿（質子提供者或接受者）啟動，催化反應通過質子和電子的轉移而實現。酸堿催化可使反應速度提高2到5個數量級。酶分子中的質子供體和受體質子供體質子受體

-COOH-COO--NH3+-NH2-SH-S-