第三节 酶的催化作用

1、第三节 酶的催化作用机制和酶的调节能引起反应的最低的能量水平成反应能阈，分子由常态转变为活化状态所需的能量称为活化能。一 酶能显著降低反应活化能活化能 = 过渡态自由能 基态自由能 （transition state) (ground state)（基态）（过渡态）（活化能）使活化分子增多的途径：1 提高反应的温度（加热或光照射），使一部分分子获得能量而活化，直接增加活化分子的数目，以加速化学反应的进行；2 降低反应所需的活化能，间接增加活化分子的数目。二 中间复合物学说与反应过渡态反应体系中各反应物分子所含能量高低不同，只有所含能量达到或超过某一限度的活化分子才能发生反应。反应物分子处于被激

2、活状态时称为过渡态。中间产物学说的内容：酶与底物先结合成一个中间产物，然后中间产物分解成产物和游离的酶。E+SESE+P中间产物学说的证据：1 电子显微镜观察到了核酸聚合酶与核酸结合而成的复合物，X晶体衍射：羧肽酶A和底物Gly-L-Tyr相互作用；2 根据酶和底物反应前后的光谱变化，可证明中间产物的存在；3 酶的物理特性在形成复合物后发生变化；4 已分离到酶和底物相互作用生成的ES复合物；乙酰化胰凝乳蛋白酶D-氨基酸氧化酶和底物复合物的结晶；5 超离心沉降过程中，酶和底物共沉降。发展的中间产物学说：酶先与底物结合成酶-底物复合物(ES)，然后转变成过渡态(ES*)，再形成酶-产物复合物(EP

3、)，最后分解释放出酶，并生成产物。E+SESES*EPE+PS*ES*ESEPE+PPEa(酶促反应）E+SSEa(非酶促反应）自由能(非酶促反应） G 反 应 进 行 方 向SS *P三 与酶的高效率催化有关的因素（一）底物和酶的“趋近” 和“定向”效应趋近效应：指两个反应的分子，它们反应的基团需 要互相靠近，才能反应。 定向效应: 指酶的催化基团与底物的反应基团之间 的正确定向。 趋近：指底物的反应基团和酶活性部位的催化基团互相靠近，以及结合在酶活性部位上的两种底物分子之间的互相靠近。底物分子浓集于酶活性中心，有利于分子相互碰撞而发生反应。定向：指互相靠近的底物分子之间、底物分子与酶活性部

4、位的催化基团之间形成正确的立体排列方向。邻近效应与定向效应在双分子反应中起促进作用至少可分别达104倍，两者共同作用可使反应速率提高108。酶把底物分子从溶液中富集出来，使它们固定在活性中心附近，反应基团相互邻近，同时使反应基团的分子轨道以正确方位相互交叠，反应易于发生。邻近效应与定向效应对反应速度的影响：使底物浓度在活性中心附近很高 酶对底物分子的电子轨道具有导向作用 酶使分子间反应转变成分子内反应邻近效应和定向效应对底物起固定作用 2 底物变形和张力作用酶与底物结合后，底物分子的构象发生变化，不稳定的化学键受到牵拉或变形而易断裂，降低了反应活化能而加速反应，又称张力学说（strain th

5、eory）。原理：酶与底物结合后，酶的某些基团或离子可使底物敏感键中的某些基团的电子云密度增高或降低，产生“电子张力”，底物分子发生形变，更接近过渡态，降低反应活化能，使敏感键更易发生化学反应。n狭义的酸-碱催化：H+及OH-可加快一般化学反应。n广义的酸碱催化：是指通过质子酸提供部分质子,或是通过质子碱接受部分质子的作用，催化酶促反应。n在近中性环境中，作为催化性的质子供体或受体，可提高反应速率102105倍n反应：羰基的加成作用、酮式和烯醇式的异构、肽和酯的水解、磷酸及焦磷酸参与的反应。3 酸碱催化作用酶分子中可以作为广义酸、碱的基团在生理条件下，OH-和H+含量很少，在体内的酶反应以广义

6、的酸碱催化。狭义酸碱催化的反应速度不受溶液pH的影响。在缓冲溶液中，酶通过提供或者夺取质子稳定反应。咪唑基是催化反应中最有效最活泼的一个功能基团。pK67，在生理pH条件下，一半以酸形式存在，一半以碱形式存在。提供质子或接受质子的速度十分迅速，其半衰期小于10-10秒。广义酸基团质子供体广义碱基团质子受体酶活性中心提供/使敏感键断裂的机制。酸催化(OH、NH3+、NH+、-COOH、SH)A- : H+EHE-EH + OH-+ H+AH + B+碱催化(失电子态)A- : B+ E-COO-A- + E-COOH E-COO- + H+乙酸对硝基苯酯的水解反应对硝基乙酸苯酯乙酸对硝基苯酚吲哚

7、基碱催化酸催化 共价催化又称亲核或亲电子催化，在反应过程中，亲核催化剂或亲电子催化剂分别放出电子或汲取电子并作用于底物的缺电子中心或负电中心，形成反应活性很高的共价过渡产物，使反应活化能降低，从而提高反应速度。 一般地，酸是可以接受电子对的物质，而碱是可以提供电子对的物质，前者是亲电物质，后者是亲核物质。4 共价催化（covalent catalysis） 中间产物不稳定，断裂，形成产物，酶复原。（不同酶促反应中的催化因素影响大小不同。）A- : B+ -OH - NH2 咪唑基 亲电催化2A- : 2 B+ Mg2+A: MgA + 2B+亲核催化-OH-SHA- : + HO :B 亲核催

8、化：酶活性中心的亲核催化基团提供一对电子，与底物分子中缺少电子、具有部分正电性的原子形成共价键，从而产生不稳定的共价中间物。酶亲核基团：Ser-OH，Cys-SH，His-N、Asp-COOH；底物亲电中心：磷酰基（-P=O），酰基（-C=O），糖基（Glu-C-OH）某些辅酶，如焦磷酸硫胺素和磷酸吡哆醛等也可以参与共价催化作用。酶的亲核中心X未成键电子对进攻底物的亲电中心，形成共价结合，迅速形成不稳定的中间复合物，降低反应活化能，促进产物生成。亲电子催化：酶活性中心的亲电子催化基团，与底物分子的亲核原子形成共价键，从而产生不稳定的共价中间物。5、金属离子催化金属酶：含紧密结合的金属离子，如F

9、e2+、Fe3+、Cu2+、Zn2+、Mn2+、Co3+。金属激活酶：含松散结合的金属离子，如Na+、K+、Mg2+、Ca2+。金属离子的主要作用途径：（1）通过结合底物为反应定向（2）通过可逆改变离子价态调节氧化还原反应（3）通过静电稳定或屏蔽负电荷6 活性部位微环境的影响酶在反应中提供一个特殊的环境，如溶菌酶分子表面有一个凹穴，活性部位就位于这个凹穴里面.当底物与活性部位结合时就被埋没在疏水环境中，这样的微环境有利于酶的 催化作用。 疏水环境（酶分析表面的裂缝） 介电常数低，加强极性基团间的作用。 电荷环境 在酶活性中心附近，往往有一电荷离子，可稳定过渡态的离子。 活性中心的微环境酶活性中心的羧基与水形成氢键，导致酶活性中心羧基表面有一层水化层，水分子的屏蔽作用，大大削弱了酶分子与底物离子间的静电相互引力，不利于酶促反应。酶催化作用实例： 丝氨酸蛋白酶（胰凝乳蛋白酶）胰凝乳蛋白酶分子中催化三联体构象His57Asp102Ser195Asp102His57Ser195His57102AspSer195A.酶分子中的电荷中继网B.加上底物后，从Ser转移一个质子给His，带正电荷的咪唑基