第四章酶化学()

1、第四章 酶化学第四章 酶化学4.1 酶酶生物催化剂生物催化剂4.2 酶的非蛋白组分酶的非蛋白组分辅酶和金属离子辅酶和金属离子4.3 酶促反应的速率和影响因素酶促反应的速率和影响因素4.4 酶的结构和酶的催化作用机制酶的结构和酶的催化作用机制4.5 酶的抑制作用和抑制剂酶的抑制作用和抑制剂4.6 人工合成酶的新进展人工合成酶的新进展4.7 酶在化学研究中的应用酶在化学研究中的应用4.8 非水溶剂中的酶促反应非水溶剂中的酶促反应4.9 酶工程酶工程4.4 酶的结构和酶的催化作用机制 单纯蛋白酶单纯蛋白酶 决定催化决定催化 反应的特异性反应的特异性 （选择选择E催化的催化的S）结合蛋白酶结合蛋白酶

2、酶蛋白酶蛋白 + 辅助因子辅助因子有机小分子有机小分子金属离子金属离子（ 全全 酶酶 ）（B族族Vit） 决定催化决定催化 反应的类型反应的类型 （递电子、氢或一些基团）（递电子、氢或一些基团） 4.4.1 酶分子的结构特点调控部位调控部位：调节酶促反应的速率或方向：调节酶促反应的速率或方向活性中心活性中心结合部位：与底物形成复合物，专一性结合部位：与底物形成复合物，专一性催化部位：激活底物，降低过渡态活化能，酶的高效性催化部位：激活底物，降低过渡态活化能，酶的高效性酶活性中心的必需基团 亲核性基团亲核性基团 丝氨酸的羟基，半胱氨酸的巯基和组氨酸的咪唑基。丝氨酸的羟基，半胱氨酸的巯基和组氨酸的

3、咪唑基。 酸碱性基团酸碱性基团 门冬氨酸和谷氨酸的羧基，赖氨酸的氨基，酪氨酸的酚羟门冬氨酸和谷氨酸的羧基，赖氨酸的氨基，酪氨酸的酚羟基，组氨酸的咪唑基，组氨酸的咪唑 基和半胱氨酸的巯基基和半胱氨酸的巯基 酶活性中心的特点1. 酶的活性部位是一个酶的活性部位是一个三维实体三维实体；2. 酶的活性部位与底物的构象是动态互补的，这个过程成为酶的活性部位与底物的构象是动态互补的，这个过程成为诱诱导契合导契合(Induced-fit)；3. 活性部位位于酶活性部位位于酶表面的裂缝表面的裂缝内；内；4. 底物通过底物通过次级键次级键结合到酶上；结合到酶上；5. 酶的活性部位具有酶的活性部位具有柔性柔性或可

4、运动性。或可运动性。 单纯蛋白酶：单纯蛋白酶：其活性中心通常由酶分子中几个氨基酸残基侧链上的极性基团组成。其活性中心通常由酶分子中几个氨基酸残基侧链上的极性基团组成。天冬氨酸、谷氨酸、丝氨酸、组氨酸、半胱氨酸、赖氨酸等，它们的天冬氨酸、谷氨酸、丝氨酸、组氨酸、半胱氨酸、赖氨酸等，它们的侧链上分别含有羧基、羟基、咪唑基、巯基、氨基等极性基团侧链上分别含有羧基、羟基、咪唑基、巯基、氨基等极性基团结合蛋白酶：结合蛋白酶：辅酶（或辅基）分子或其分子上某一部分结构往往也是活性中心的组辅酶（或辅基）分子或其分子上某一部分结构往往也是活性中心的组成部分。成部分。 AspHisSer胰胰凝凝乳乳蛋蛋白白酶酶的

5、的活活性性中中心心活性中心重要基团活性中心重要基团: His57 , Asp102 , Ser1954.4.2 酶活性中心的测定方法（1）蛋白酶水解法）蛋白酶水解法（2）化学修饰法）化学修饰法（3）X -射线晶体衍射法射线晶体衍射法（4）基因定点突变技术）基因定点突变技术 胰蛋白酶胰蛋白酶 Asp102突变为突变为Asn102；kcat降低降低5000倍。倍。4.4.3 酶与底物分子相互作用主要的结合作用力主要的结合作用力:1、静电引力、静电引力2、氢键、氢键3、疏水键、疏水键132E + S E - S P + Ekkk 锁钥学说认为整个酶分子的天然构象是具有刚性结构的，酶表面认为整个酶分子

6、的天然构象是具有刚性结构的，酶表面具有特定的形状。酶与底物的结合如同一把钥匙对一把锁一具有特定的形状。酶与底物的结合如同一把钥匙对一把锁一样。样。锁钥模型较好地解释了立体异构专一性。但不能解释可锁钥模型较好地解释了立体异构专一性。但不能解释可逆反应。逆反应。诱导契合学说 酶分子与底物分子接近时，酶蛋白质受底物分子诱酶分子与底物分子接近时，酶蛋白质受底物分子诱导，导，构象发生有利于与底物结合的变化构象发生有利于与底物结合的变化，酶与底物在此，酶与底物在此基础上互补楔合，进行反应。基础上互补楔合，进行反应。酶催化的高效性机制1）邻基效应和定向效应）邻基效应和定向效应2）与反应过渡态结合作用）与反应

7、过渡态结合作用3）多功能催化作用）多功能催化作用4）手性选择结合作用）手性选择结合作用邻近效应与定向效应邻近效应与定向效应变分子间反应为分子内反应邻近效应与定向效应变分子间反应为分子内反应。邻近效应：邻近效应：酶与底物形成中间复合物后使底物之间、酶的催酶与底物形成中间复合物后使底物之间、酶的催化基团与底物之间相互靠近，提高了反应基团的有效浓度。化基团与底物之间相互靠近，提高了反应基团的有效浓度。定向效应：定向效应：由于酶的构象作用，底物的反应基团之间、酶与由于酶的构象作用，底物的反应基团之间、酶与底物的反应基团之间正确取向的效应底物的反应基团之间正确取向的效应 酶把底物分子从溶液中酶把底物分子

8、从溶液中富集富集出来，使它们固定在活性出来，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正确方位相互交叠，反应易于发生。相互交叠，反应易于发生。邻位效应与邻位效应与定向效应在定向效应在双分子反应双分子反应中起的促进中起的促进作用，可加作用，可加速反应速反应104108倍。倍。与反应过渡态结合作用 反应速度与形成的过渡状态稳定性密切相关。反应速度与形成的过渡状态稳定性密切相关。 在酶催化的反应中，与酶的活性中心形成复合物的实际上在酶催化的反应中，与酶的活性中心形成复合物的实际上是底物形成的过渡状是底物形成的过

9、渡状 态，态， 酶与过渡状态的亲和力要大于酶与底物或产物的亲和力。酶与过渡状态的亲和力要大于酶与底物或产物的亲和力。 132E + S E - S P + Ekkk 与反应过渡态结合作用张力学说张力学说 当当 RCH3 时，其反应时，其反应 速度比速度比 RH的情况快的情况快 315倍。倍。 由于由于-CH3 体积比较大，与反应基团之间产生一种立体积比较大，与反应基团之间产生一种立 体排体排斥张力，从而使反应基团之间更容易形成稳定斥张力，从而使反应基团之间更容易形成稳定 的五元环的五元环过渡状态。过渡状态。多功能催化作用酶的活性中心部位，一般都含有多个起催化作用的基团，酶的活性中心部位，一般都

10、含有多个起催化作用的基团，这些基团在空间有特殊的排列和取向，可以对底物价键的形这些基团在空间有特殊的排列和取向，可以对底物价键的形变和极化及调整底物基团的位置等起到协同作用，从而使底变和极化及调整底物基团的位置等起到协同作用，从而使底物达到最佳反应状态。物达到最佳反应状态。酸碱催化酸碱催化共价催化共价催化金属离子的催化作用金属离子的催化作用手性选择结合作用 酶分子活性中心部位，一般都含有多个具有催化活性的手酶分子活性中心部位，一般都含有多个具有催化活性的手性中心，这些手性中心对底物分子构型取向起着性中心，这些手性中心对底物分子构型取向起着诱导和定诱导和定向向的作用，使反应可以按单一方向进行。的

11、作用，使反应可以按单一方向进行。 酶能够区分对称分子中等价的前手性基团。酶能够区分对称分子中等价的前手性基团。“三点结合三点结合”的催化理的催化理论论认为酶与底物的结合处认为酶与底物的结合处至少有三个点，而且只至少有三个点，而且只有一种情况是完全结合有一种情况是完全结合的形式。只有这种情况的形式。只有这种情况下，不对称催化作用才下，不对称催化作用才能实现能实现4.4.4 酶的催化作用机制 酸碱催化酸碱催化 共价催化共价催化 金属离子的催化作用金属离子的催化作用酸碱催化酸碱催化酸碱催化是是通过瞬时的向反应物提供质子（作为酸）或从反通过瞬时的向反应物提供质子（作为酸）或从反应物接受质子（作为碱）来

12、达到加速反应的一类催化机制。应物接受质子（作为碱）来达到加速反应的一类催化机制。 狭义的酸碱催化狭义的酸碱催化就是就是H+离子或离子或OH -离子对化学反应速度表现离子对化学反应速度表现出的催化作用。出的催化作用。 酸碱催化在有机化学反应中是比较普遍的现象。酸碱催化在有机化学反应中是比较普遍的现象。 在生物体内进行的酶促反应，在生物体内进行的酶促反应，H+与与OH -离子的直接作用相当离子的直接作用相当微弱。微弱。 广义的酸碱催化广义的酸碱催化是指组成酶活性中心的极性基团，在底物的是指组成酶活性中心的极性基团，在底物的变化中起质子的供体或受体的作用。变化中起质子的供体或受体的作用。 发生在细胞

13、内的许多类型的有机反应都是广义的酸碱催化。发生在细胞内的许多类型的有机反应都是广义的酸碱催化。酸酸质子的供体质子的供体碱碱质子的受体。质子的受体。 谷氨酸、天冬氨酸谷氨酸、天冬氨酸酪氨酸酪氨酸半胱氨酸半胱氨酸组氨酸组氨酸丝氨酸丝氨酸赖氨酸赖氨酸 精氨酸精氨酸酸碱催化影响酸碱催化反应速度的因素：影响酸碱催化反应速度的因素： （1）酸或碱的强度（）酸或碱的强度（pK）；）； （2）质子传递的速度。）质子传递的速度。 His的的最活跃：最活跃： pK约约6.0； 传递质子的速度十分迅速，其半衰期小于传递质子的速度十分迅速，其半衰期小于10-10秒秒 。共价催化共价催化是催化剂通过与底物形成反应活性很高的共价过渡共价催化是催化剂通过与底物形成反应活性很高的共价过渡产物，使反应活化能降低，从而提高反应速度的过程。产物，使反应活化能降低，从而提高反应速度的过程。酶亲核基团：酶亲核基团：Ser-OH，Cys-SH，His-N，Asp-COOH：底物亲电中心：底物亲电中心：