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酶催化中过渡态稳定学说 弘毅班罗江 引子 酶 enzyme 这个名称的使用 始于19世纪后半 是1872年由居尼所提出的 来源于希腊语 其中 在酵里面 而19世纪末的酶研究和酿酒业有密不可分的关系 这里面就关系到一个法国科学大师巴斯德的德国化学家李比希的故事 还有一个因此得到诺贝尔奖的布希纳 过渡态稳定学说 1946年Pauling提出 酶与过渡态的亲和力要比对基态 底物 的亲和力高得多 酶的催化源于其对过渡态的稳定作用JosephKraut提出 酶是柔性的分子模板 是通过进化设计出来的能与反应物过渡态的形状而不是基态形状精密互补的分子 考虑底物结合和过渡态结合相关的热力学循环上面途径为非催化反应 下面为酶催化反应 反应中四个平衡常数底物由基态转变为过渡态的平衡常数 在没存在与酶缺失情况下之比与ES与ES 复合物的解离常数之比有关 过渡态理论中反应速率 kr 与从基态反应物转化为过渡态复合物的平衡常数 K 成比例kr K 酶催化反应速度的相对变化可以由ke 酶存在 ku 酶不存在 之比给出 酶催化对于反应速率的影响是很大的可达到1010 1014数量级 考虑到 的比值不可能与酶对速度增加在同一数量级 主要的影响就是KS Kt因此酶对速度的增加因子说明酶与过渡态底物的结合比基态底物结合要牢固的多 铁丝酶 催化反应的过渡态稳定机制 支持过渡态稳定学说的证据 根据过渡态的结构设计的过渡态类似物可作为酶的强抑制剂 抑制效果远高于竞争性抑制剂 利用过渡态类似物作为抗原或半抗原 去免疫动物 由此产生的抗体可能有类似酶的催化作用 脯氨酸消旋酶的过渡态及其过渡态类似物抑制剂 免疫动物产生抗体 水解 筛选 抗体酶 可卡因 催化可卡因水解的抗体酶的制备 过渡态稳定的化学机制 与酶催化相关联的过渡态稳定是酶活性中心结构和反应性以及活性中心与结合底物之间的相互作用的必然结果 酶充分使用一系列的化学机制来实现过渡态的稳定并由此加速反应 它们包括 邻近定向效应广义的酸碱催化静电催化金属催化共价催化底物形变 邻近定向效应 邻近定向效应是指两种或两种以上的底物 特别是双底物 同时结合在酶活性中心上 相互靠近 邻近 并采取正确的空间取向 定向 这样大大提高了底物的有效浓度 使分子间反应近似分子内反应从而加快了反应速度 底物与活性中心的结合不仅使底物与酶催化基团或其它底物接触 而且强行 冻结 了底物的某些化学建的平动和转动 促使它们采取正确的方向 有利于键的形成 广义的酸碱催化 广义的酸碱催化是指水分子以外的分子作为质子供体或受体参与催化 这种机制参与绝大多数酶的催化 蛋白质分子上的某些侧链基团 如Asp Glu和His 可以提供质子并将质子转移到反应的过渡态中间物而达到稳定过渡态的效果 如果一个侧链基团的pKa值接近7 那么该侧链基团就可能是最有效的广义的酸碱催化剂 His残基的咪唑基就是这样的基团 因此它作为很多酶的催化残基 广义的碱催化 广义的酸催化 广义的酸 碱催化 溶菌酶Glu35的广义酸催化 核糖核酸酶A的广义酸碱催化 静电催化 活性中心电荷的分布可用来稳定酶促反应的过渡态 酶使用自身带电基团去中和一个反应过渡态形成时产生的相反电荷而进行的催化称为静电催化 有时 酶通过与底物的静电作用将底物引入到活性中心 溶菌酶Asp52的静电催化 Glu35和Asp52分别所起的广义酸催化和静电催化 解释了溶菌酶的活性与pH之间的关系以及它的最适pH pH对溶菌酶活性的影响 金属催化 近三分之一酶的活性需要金属离子的存在 这些酶分为两类 一类为金属酶 另一类为金属激活酶 前者含有紧密结合的金属离子 多数为过渡金属 如Fe2 Fe3 Cu2 Zn2 Mn2 或Co3 后者与溶液中的金属离子松散地结合 通常是碱金属或碱土金属 例如Na K Mg2 或Ca2 金属离子以5种方式参与催化 作为Lewis酸起作用与底物结合 促进底物在反应中正确定向作为亲电催化剂 稳定过渡态中间物上的电荷通过价态的可逆变化 作为电子受体或电子供体参与氧化还原反应酶结构的一部分 碳酸酐酶的金属催化机制 共价催化 共价催化是指酶在催化过程中必须与底物上的某些基团暂时形成不稳定的共价中间物的一种催化方式 许多氨基酸残基的侧链可作为共价催化剂 例如Lys His Cys Asp Glu Ser或Thr 此外 一些辅酶或辅基也可以作为共价催化剂 例如硫胺素焦磷酸 TPP 和磷酸吡哆醛 几种酶的共价催化 亲核共价修饰反应 乙酰乙酸脱羧酶的亲核催化 磷酸吡哆醛的亲电催化 底物形变 底物形变是指当酶与底物相遇时 酶分子诱导底物分子内敏感键更加敏感 产生 电子张力 发生形变 比较接近它的过渡态 溶菌酶也利用这种方式进行催化 与溶菌酶活性中心结合的6碳糖在溶菌酶的诱导下 从椅式构象变成半椅式构象而发生