酶的催化机理

1、酶化学酶是不是活细胞产生的，具有催化活性和高度专一性的特殊蛋白质。酶是生物催化剂，主要是蛋白质，也有核酸，能在比较温和的条件下高效率的起催化作用，使生物体内的各种物质处于不断的新陈代谢中。生物体内T新陈代谢-各种化学反应T条件温和（37°C,近中性），速度快，有条不紊。酶参与化学反应称为酶促反应，酶作用下进行化学变化的物质称为底物。生物体的新陈代谢就是在许多种酶作用下发生的化学变化。、酶的概念（一）酶的生物学意义iCO2+6H2O+giC6Hi2O6+6O2f动物盼地加豊如沁（二）酶是生物催化剂1. 酶与一般催化剂的共同点：（1）用量少而催化效率高（2）能加快化学反应的速度，但不改变

2、平衡点，反应前后本身不发生变化（3）降低反应所需的活化能ActivationenergyofuncatalyzedreactionActivationenergyofcatalyzedreactionReactionfreeenergy(AG)ProgressofReaction2酶作为生物催化剂的特殊点(1) 催化效率高催化效率比化学催化剂高1()71013倍，比非催化反应高1081020倍。(2) 高的专一性酶只能作用于一种或一类物质(3) 反应条件温和(4)酶在体内受到严格调控(5)酶的催化活力与辅酶、辅基和金属离子有关。JohnHowardNorthrop（三）酶的化学本质1大多数酶是

3、蛋白质1925年，美国化学家萨姆纳首次从刀豆中提纯了服酶，并证明是一种蛋白质。美国化学家诺思谱把一系列酶提纯出来，证明它们都是蛋白质。他俩因而共同获得了1946年诺贝尔奖。2.某些RNA有催化活性ThomasR.CechUniversityofColoradoatBoulder,USA近年来，一些研究结果表明，某些RNA分子也有催化活性。1982年美国科罗拉多大学的T.RXech等人发现四膜虫的rRNA前体在完全无蛋白质存在的情况下能进行自我拼接，得到成熟的RNA产物，因此首次提出了RNA具有酶活性的概念。SidneyAltmanYaleUniversity1983年，耶鲁大学的S.Altma

4、n核糖核酸酶P至少能催化六种tRNA前体的加工。真正发挥催化活性的是核糖核酸酶P中的RNA成分，而其中的蛋白质成分是非活性的。酶的化学本质不完全是蛋白质，某些RNA分子也具有催化活性。这类RNA被称为ribozyme（核酶）。Cech和AItman因此获得1989年3.抗体酶抗体：特异性地结合抗原且帮助巨噬细胞摄入，摧毁抗原。酶：高选择性地结合化学反应中特定结构的物质，并催化化学反应，使反应在温和条件下高效率地进行。抗体酶：具有催化功能的抗体分子。在抗体分子肽链的N端是识别抗原的活性区域，同时被赋予了酶的特性。4有些DNA也有催化活性1995年Cuenoud等发现有些DNA分子亦具有催化活性。

5、（四）酶的组成1.单纯蛋白质酶类2缀合蛋白质酶类全酶=酶蛋白+辅助因子（辅酶、辅基或金属离子）CoenzynfeA(CoASH)根据酶蛋白分子的特点将酶分成二类：1.单体酶2.寡聚酶3. 多酶复合物二、酶的命名和分类1961年国际酶学委员会(一) 命名1. 系统名称(1)标明底物，催化反应的性质(2)两个底物参加反应时应同时列出，中间用冒写(:)分开。如其中一个底物为水时，水可略去。习惯命名惯用名常依据酶所作用的底物和反应类型命名。原则：(1) 根据作用底物：如淀粉酶、蔗糖酶、蛋白酶等。(2) 根据反应性质：如水解酶、脱氢酶、转氨酶等。(3) 二者结合：如乳酸脱氢酶、谷丙转氨酶等。(4) 再加

6、上酶的来源、特性：如木瓜蛋白酶、胃蛋白酶、酸性磷酸酯酶、碱性磷酸酯酶等。(二) 系统分类法及编号1. 分类2. 编号4个阿拉伯数字的编号表示，中用隔开,前面冠以EC(为EnzymeCommission),EC类亚类亚亚类排号如EC1.1.1.1在每一大类酶中，又根据底物中被作用的基团或键的特点分为若干亚类，然后再把属于某一亚类、亚亚类的酶按顺序排好，这样把已知的酶分门别类地排成一个表,叫做酶表。类亚类亚亚类序号iiiEC<bbb.27Q乳酸朕氢醜际篱学委员会序号氧一逐酪换仪化荃因氢受体煎字号27-CHOHNAD+（三）六大类酶催化反应的性质1、氧化还原酶类：催化氧化还原反应，涉及H和电子

7、的转移。如脱氢酶类。AHj4BA+BH：CllaCil31乳醱脱氢解1HOC一且+NALT<0-01NADH4-H+COO-0002、转移酶类：催化分子间功能基团的转移。如转氨酶类。.XR+BA+BRCIla0OC)coo11111(；XM.a+*(rLoil.1丨11coocnawoClljIjo11<：N*Uakx>-iw亠丙用酸3. 水解酶类：催化水解反应。如蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶、蔗糖酶等。AB4H2O匸AOH+BH4. 裂合酶类：催化非水解地除去底物分子中的基团及其逆反应的酶。如醛缩酶脱氨酶脱竣酶ABRA+BCH-Lt(H)Am(TCHa4*1會成醐11nocg)-

8、i<r_v(J(HYiA1CII$(WI*6ji31乙就toAt«1vi5. 异构酶类：催化同分异构体的相互转变。CHOCH/JHHCOH1C-0HO-（；H6濮廉葩萄糠升构臨1HO-CTHHCOHH-C-OHH-Q-O1CH-Kl-OH1cH/)por费萄惦-苗酸果衲6请酸A+B+ATP-AB+ADP+Pi6、合成酶：与ATP分解相偶联，并由二种物质合成一种物质。如天冬酰胺合成酶丙酮酸竣化酶nh3H%/XCHCTP住成欝'CHATP+I卜于Pi+|O-Cx,CHO-CvM、n/45jFPCTPrvrrrUTP二、酶的结构活性中心:酶分子表现催化活性的关键部位，指酶分子

9、中与底物结合并起催化反应的空间部位。活性中心是由酶分子中几个位点上的氨基酸组成。活性中心由2部分组成：结合部位：酶分子与底物直接结合的部位。催化部位：酶分子中催化底物发生化学变化的部位。活性中心的形成需要酶分子具有一定的空间构象,因此，酶分子中其他部位的作用对于酶的催化来说,可能是次要的，但绝对不是毫无意义的，它们至少为酶活性中心的形成提供了结构基础。Tyr248Glu270Arg145ZnCarboxypeptidaseLysozymemafnchainNAc(N-Acetylglucosarnine)Monomersofsubstrate°ch2ohch2ohLysozymema

10、inchainGlu35酶的活性中心是由少数几个氨基酸组成,这几个氨基酸可能位于同一条肽链上，也可能位于不同的肽链上，因此，酶的活性中心是一个三维的结构，这些活性中心的氨基酸残基在一级结构上可能相距很远，但通过多肽链的盘绕折叠，在空间结构上都处于十分邻近的位置。'三、酶的催化机理哲苧酶为什么能催化化学反应酶如何降低化学反应活化能酶高效性的解释溶菌酶的催化机理丝氨酸蛋白酶的催化机理I1酶的催化机理是解释酶催化特性的理论，如：酶为什么能催化化学反应.酶是如何催化化学反应的.酶为什么有专一性.酶为什么有高效性等。（一）酶为什么能催化化学反应一个化学反应要能够发生,关键的是反应体系中的分子必须

11、具备一定能量即分子处于活化状态,活化分子比一般分子多含的能量就称为活化能。反应体系中活化分子越多,反应就越快。因此,设法増加活化分子数量,是加快化学反应的唯一途径。増加反应体系的活化分子数有两条途径:一是向反应体系中加入能量,如通过加热.加压.光照等,另一途径是降低反应活化能。酶的作用就在于降低化学反应活化能,如下图1所示：29（二）、酶如何降低化学反应的活化能：中间产物学说中间产物学说认为:酶在催化化学反应时,酶与底物首先形成不稳定的中间物,然后分解酶与产物。即酶将原来活化能很高的反应分成两个活化能较低的反应来进行,因而加快了反应速度。S+EfES-P+E底物酶中间产物产物中间产物学说已经得

12、到一些可靠的实验依据。如,用吸光法证明了含铁吓財的过氧化物酶参加反应时,单纯的酶的吸收光谱与加入了第一个底物H2O2后确实产生了变化。酶作用专一性机理锁钥学说：将酶的活性中心比喻作锁孔，底物分子象钥匙，底物能专一性地插入到酶的活性中心。诱导契合学说：酶的活性中心在结构上具柔性，底物接近活性中心时，可诱导酶蛋白构象发生变化，同时底物构象也发生变化。这样就使酶活性中心有关基团正确排列和定向，使酶与底物完全契合而结合成中间产物并引起底物发生反应。37酶专一性的“锁钥学说”S心他酶专-性的#“诱导契合学说”35（三）酶的高效性的解释1. 底物与酶的邻近效应和走向效应2. 底物分子的形变和扭曲3. 共价

13、催化4. 酸碱催化5金属离子的作用6活性部位的微环境的影响：酶活性中心是低介电区,介电常数越大,极性基团的相互作用越小。底物与酶的邻近效应和定向效应邻近效应:酶与底物结合形成中间复合物后f使酶的催化基团邻近底物,使有效浓度极大提咼f从而反应速率大大j是咼。有人曾测过某底物在溶液中的浓度为0-OOlmoll1而在活性中心的浓度lOOmolL,比溶液中的浓度高十万倍。37_定向效应由于活性中心的立体结构和相关基团的诱导和定向作用，使底物分子中参与反应的基团相互接近，并被严格定向定位，使酶促反应具有高效率和专一性特点。定向效应包括片反应物的反应基团之间(双底物反应基团邻近)酶的催化基团和底物反应基团

14、之间活性中心内定向使反应变成分子内反应(p38910-3)酶与底物相互诱导发生形变断裂,必须与底物密切结合酶与底物相互接近时，其结构相互诱导.相互变形和相互适应,进而相互结合酶的构象改变有利于与底物结合；底物在酶的诱导下发生变形,处于不稳定状态（过渡态），易受催化基团的攻击时间过渡态的底物与酶的活性中心结构最相吻合39pH8pH68液浓度都相关BufferconcentrationBufferconcentration专一酸碱催化只与pH相关,）与缓冲液浹度无关1. 专一酸穢催化在水溶液中通过高反应的U+和0H-进行的的酸礙催化，即强酸强碱的催化细胞一处于中性pH«T,H+0H-浓度

15、很低，因此细胞环璟中通常不是专一的酸藏催化2. 广义酸碱催化由广泛的质子供体酸）和质子受体（碱）参与的酸藏催化生理条件不是强酸强磁而是近于中性的环境，因此鬲反应性的屮才“旷环境不存在因此广义酸碱催化指的是细胞内的弱酸弱碱参与的接受片和提供屮的催化酸碱催化活性中心常见的氨基酸残基Glu,AspLys,ArgCys酸的形式（质子供体）礙的形式（质子受体）RCOOHRCOOHRNHRNH2HRSHRS-HisrC=CH/tHN、歹NFIcHSerTyrRC=CHshnLJCNH,-VR1共价催化3-磷酸甘油醛脱氢酶3-礁酸甘油醛+NAD+,1,3-二磷酸甘油酸+NADH+H*OSH+RCOPOtGN

16、H,ylbCCHOPOOH离子催化b氧更容易靠近P|ch2ohMgATP+OHHOHHOHGlucoseA2HHOHOHH己膽徼酶MgADP+HOHOHGlucose6-phosphate许多氧化Y原酶中都含有铜或铁壽子，它们作为酶的辅助因子起着传递电子的功能。二一溶菌酶)1常见酶的催化机理<f:h«Al5溶菌酶的作用是水解多聚糖链细®细胞壁上的多聚糖被溶菌酶特异的水解从而破坏细菌细胞壁鸡蛋清中的溶菌酶由129个氨基|酸残基构成含4个二硫键，分子量14600伤39驚图10-9),”.?rr-»厂，孑.，1922年,Fleming发现溶菌酶(Fleming的另

17、一个更为公众溶菌酶广泛存在于微生物及动植物组织及分泌液中所疑岛发现是1929年发孤了青霉素）：:J：孚"严I.|k"、l.tw444TWQB*1965年DavidPhil1ips用X-射线晶体结构分析法测上TF-Jr.宀、欢；，-.定了该酶的结构ti>溶菌酶ClLOHCH,OHORNHNilCOch2ob<CoCOOH乳酸基ch3NAMN乙酰氨基葡萄藕乳酸NAM细菌细胞壁多糖(NAG-NAM)n溶菌酶水解断开NAM-NAG的P1*4穗甘犍N乙酰氨基葡萄麓Q。NAGch$NAGNAGNAMCH,OHo溶菌酶不能水解NAG-NAM间的P1,4-Wch2oho涿菌酶也

18、能水解几丁质(NAG多聚熹)NAG-NAG间的P匚4糖昔键NHNHNHNI!COcoCoc=o1CH,CH)CHyNAGNAMNAGNAMHODisulfidebridgesozyme:、底物类似物Substrateanalog侧链基团酸性基团碱性基团=极性基团=非极性基团68455065608D623776909492IK）10196910115104219H784Asp53理6Glu3556119图3-9溶菌酶-底物复合物（粗黑线为糖链AF）（引自SJPerkins）溶菌酶由于天然底物在酶活性中心不稳定因此不适宜于酶结构的研究但一些类似物很稳定，能被用来研究酶的结构和僅化机制，例如(NAG

19、)它是溶菌酶的竞争性抑制剂溶菌酶分子存在一个裂缝,能容纳6个葡萄牆基ABCDE巴因此酶的最适底物(lfol/L徊对水解速率(NAG)2AB0(NAG)3ABC*(NAG)4ABCD8(NAG)5ABODE4000(NAG)6ABCDEF30000(NAG)730000(NAG)830000底物是£个葡萄膽基由于(NAG)?是抑制剂，因此AB,BC键不可能被水解由表中数据得知E键和理键是可能的水解位置但酶的C4±空间小，不能容纳NAM,此位只能是MAG那么ABCDEF位置结合的糖基就是NAG-NAM-NAG-NAM-NAG-NAM由于溶篦酶只能水MNAM-NAG间和NAG-N

20、AG间的膽苜键因此NAG-NAM-NAG-MAM-NAG-NAM只能是DE间的p1,4ft昔键被水解siteDsite<|'411FWUA.V.讨-SIwl乂塚u01#记示踪表明水解位置为c0键断裂k不是0C4键、3o葡萄穗残基结合于酶D#使葡萄膽基由椅式转为高能量维持的半椅式活化态 IMi葡萄膽基环上氧原子未咸键电子对向C转移形成畑 q-0间电子对转移至0成（匚0-接受GIF搀基之此匚弋斷裂,释放第1个产物R-0H C因电子丢失呈正电状态,Asp3$电壽的。一维持G的正电过渡态因GI1I35之0H间电子对转移至O/lii防之0呈负电（未成键电子对） GIU35T-攻击也。之只形

21、成T出促使水电离产生0旷葡萄穗C与（MT结合恢复低能量维持的稳定葡萄癱椅式构象并释放第2个产物溶菌酶催化机理:1、D糖构象由椅式一半椅式#2、ASP52在极性区以AspCOO存在，GU135在非极性区以GlnCOOH右在GluCOOH竣基3、G1U35起广义酸催化D环Co断龜ClC1+4、AspCOO竣基O与D环C/OJnm,O与D环C1+0.3nm5、AspCOO稳定（Y6、GI1135COO进攻HqO的H形成GluCOOH,促使比0形成OH、7、C£与OH-结合并恢复椅式构象ASP52ClABC环一xASP52ABC环一O'ASP5255OHABC坏一°x

22、76;ASP52图3-10溶菌酶催化过程丝氨酸蛋白酶族胰蛋台酶、胰凝乳蛋白酶、弾#蛋白酶、凝血酶、枯草杆菌蛋白酶、纤溶酶、组织纤溶酶原激活剂(TPA)上述酶都存在丝氨酸残基的催化基团，故名Ser是SenHis、Asp【確化三联体】中的一个氨基酸残基丝氨酸蛋白酶族的胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶和弹性蛋白酶具有商浜程"£.:乱勺僚/'C”*§旅鮭4丄J广41“乂畏|：J明显的同源性：其余蛋白酶无同源性，但都存在催化三联体”严“:&匕嚼hAjfik.酶学研究显示，三种消化酶的催化三联体一级结构上的源伐置总是His-57,Asp-102,Ser-195(p407

23、,图10-32).JF*二、：j】界卜二$X'上卜、“1#动力学研究揭示它们具有相同的僅化机理！ChynK>trypsinEliastaseTrypsinElastase弹性蛋白酶Chymotrypsin陕疑亂蛋台酶Chymotrypsinfelastase,andtrypsfnsuperimposed缝歎蛋白酶族丝氨酸蛋白酶通过共价催化和广义酸碱催化的混合方式进行Ser-195通过与肽傩共价结合促使肽键断幵Asp-102的功能是定向His-57丝氨酸蛋白酶族存在较洗的口範底竽存在Aspf可容纳Arg.Lys等长而带正&的残基丝氨酸蛋白酶表面的裂缝和口袋决定了酶的专一性肢緊白酶胺凝乳養台酶存在能容纳芳香环残基的口袋弹性资白酶存住大_而戌的口傅.可容纳较补的幾基Ap代9丝氨酸蛋白酶族®Y。疔驚'