第五章 酶2教材

1、定义：定义：具有催化能力的生物催化剂。具有催化能力的生物催化剂。酶的化学本质：酶的化学本质：除具有催化活性的除具有催化活性的RNA以外几乎以外几乎都是蛋白质。都是蛋白质。活性部位活性部位：酶分子中直接与底物结合，并和酶催化作用直接相关的部位酶催化的特性酶催化的特性1、高效性高效性；2、专一性：酶对底物具有严格的选择性；、专一性：酶对底物具有严格的选择性； 结合部位结合部位和和催化部位催化部位总称为酶的总称为酶的活性活性部位或活性中心部位或活性中心。 结合部位决定酶的专一性，结合部位决定酶的专一性， 催化部位决定酶所催化反应的性质催化部位决定酶所催化反应的性质( (高效性高效性）五、酶的专一性结

2、构专一性结构专一性立体异构专一性立体异构专一性1、结构专一性、结构专一性 概念概念：酶对所催化的分子（底物，酶对所催化的分子（底物，Substrate）化学结构）化学结构的特殊要求和选择。的特殊要求和选择。 类别：类别：绝对专一性绝对专一性和和相对专一性相对专一性2、立体异构专一性、立体异构专一性 概念：概念：酶除了对底物分子的化学结构有要求外，对其立酶除了对底物分子的化学结构有要求外，对其立体异构也有一定的要求。体异构也有一定的要求。 类别：类别：旋光异构专一性和几何异构专一性旋光异构专一性和几何异构专一性 用途：用途：药物的不对称合成或不对称拆分。药物的不对称合成或不对称拆分。（一）酶专一

3、性类型Back酶专一性的绝对与相对1、绝对专一性、绝对专一性 对底物的要求非常严格，只作用于一种底物，而不作用对底物的要求非常严格，只作用于一种底物，而不作用于任何其他物质，于任何其他物质，Absolute specificity。从一而终从一而终爱你没商量爱你没商量2、相对专一性、相对专一性对底物的要求较低，可作用于一类结构相似的底物。对底物的要求较低，可作用于一类结构相似的底物。氨肽酶氨肽酶羧肽酶羧肽酶A、B胃蛋白酶胃蛋白酶弹性弹性胰凝乳胰凝乳胰蛋白酶胰蛋白酶芳香芳香Ala碱性碱性Next六、酶作用机制（一）酶的催化作用、过渡态、分子活化能（一）酶的催化作用、过渡态、分子活化能前提：前提：

4、酶只能催化热力学上允许进行的反应。（酶只能催化热力学上允许进行的反应。（G0 )G0 )过渡态过渡态：反应物分子处于被激活的状态，是反应途径：反应物分子处于被激活的状态，是反应途径中分子具有最高能量的形式。中分子具有最高能量的形式。活化能活化能：过渡态与常态分子之间的能量差（：过渡态与常态分子之间的能量差（E Ea a） 。 酶促反应：酶促反应：E + S = ES = E + S = ES = ESES EP EP E + P E + P 反应方向反应方向, , 即化学平衡方向即化学平衡方向, ,主要取决于反应主要取决于反应自由能变化自由能变化 G G。 反应速度快慢反应速度快慢, ,则主要

5、取决于反应的活化能则主要取决于反应的活化能E Ea a。 催化剂的作用是催化剂的作用是降低反应活化能降低反应活化能E Ea,a,从而起到从而起到提高反应速度的作用提高反应速度的作用酶催化作用的酶催化作用的本质：本质：降低活化能降低活化能反应过程中能的变化反应过程中能的变化过渡态过渡态2H2O22H2O + O2无催化剂无催化剂过氧化氢酶过氧化氢酶75 348 J66 976 J8 372V V酶酶/V/V无催化剂无催化剂10108 8酶催化作用的酶催化作用的本质：本质：降低活化能降低活化能（二）中间产物学说（二）中间产物学说 在酶催化的反应中，第一步是酶与底物形成酶在酶催化的反应中，第一步是酶

6、与底物形成酶底物中间复合物。当底物分子在酶作用下发底物中间复合物。当底物分子在酶作用下发生化学变化后，中间复合物再分解成产物和酶。生化学变化后，中间复合物再分解成产物和酶。 E + S = E-S E + S = E-S P + E P + E 许多实验事实证明了许多实验事实证明了E ES S复合物的存在。复合物的存在。E ES S复合物形成的速率与酶和底物的性质有关。复合物形成的速率与酶和底物的性质有关。中间产物学说的实验证据1、超离心沉降时，可观察到酶和底物共沉淀的现象；、超离心沉降时，可观察到酶和底物共沉淀的现象；2、酶的物理性质如溶解度、热稳定性，在形成、酶的物理性质如溶解度、热稳定性

7、，在形成ES复合物后复合物后会发生变化；会发生变化；3、酶和底物的、酶和底物的光谱特性在形成光谱特性在形成ES后发生变化后发生变化；4、ES复合物已经被电子显微镜和复合物已经被电子显微镜和X射线晶体结构分析直接射线晶体结构分析直接观察到；观察到；5、已经分离得到某些酶与底物相互作用生成的、已经分离得到某些酶与底物相互作用生成的ES复合物。复合物。Back色氨酸合成酶Ser + 吲哚吲哚Trp450550500荧荧光光强强度度酶本身酶本身加入加入Ser后后再加入吲哚再加入吲哚Ser吲吲哚哚酶酶酶酶Backw（要求S的自由能低） 无酶参与无酶参与 SP（要求S的自由能高） E + S E + P一

8、定时间内一定时间内到同一地点到同一地点马拉松马拉松坐车E ES SESES？诱导契合学说诱导契合学说 1.1 锁钥学说锁钥学说 (lock and key theory)：1894年由年由 Fisher 提出，提出，将酶的活性中心比喻作锁孔，底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。物分子象钥匙，底物能专一性地插入到酶的活性中心。 诱导契合学说诱导契合学说底物底物酶酶酶酶底底复合物复合物Back2.2 2.2 诱导契合学说诱导契合学说 (induced-fit hypothesis)(induced-fit hypothesis) 19581958年由年由K

9、oshland Koshland 提出，提出，酶的活性中心在结构上具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柔性，底物接近活性中心时，可诱导酶蛋白构象发生变化，这样就使酶活性中心有关基团正确排列和定向，使化，这样就使酶活性中心有关基团正确排列和定向，使之与底物成互补形状有机的结合而催化反应进行。之与底物成互补形状有机的结合而催化反应进行。底物底物酶酶底底复合物复合物酶专一性的“诱导契合学说”酶酶Next诱导契合机制诱导契合机制 A.靠近靠近定向定向电性吸引、疏水作用 B.诱导诱导契合契合互补性结互补性结构变化构变化活性中心催化基团进行催化能否契合能否契合专一性的由

10、来专一性的由来 C.产物脱离产物脱离酶复原酶复原催化剂催化剂( (四）酶与反应过渡状态互补四）酶与反应过渡状态互补 反应速度与形成的过渡状态稳定性密切反应速度与形成的过渡状态稳定性密切相关。相关。 在酶催化的反应中，与酶的活性中心形在酶催化的反应中，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成复合物的实际上是底物形成的过渡状态，态， 所以，酶与过渡状态的亲和力要大于酶所以，酶与过渡状态的亲和力要大于酶与底物或产物的亲和力。与底物或产物的亲和力。（五）抗体酶五）抗体酶 既是抗体又具有催化功能的蛋白质设计稳定的过设计稳定的过渡态类似物渡态类似物蛋白质蛋白质半抗原半抗原抗原抗原单克隆抗体单克

11、隆抗体抗体抗体酶酶 普通化学反应普通化学反应随机碰撞（受浓度、碰撞角随机碰撞（受浓度、碰撞角度影响）度影响） 邻近作用邻近作用提高了提高了酶的活性中心酶的活性中心底物的浓度底物的浓度 定向作用定向作用缩短了缩短了底物与催化基团间底物与催化基团间的距离的距离 提高反应速度（成功率）提高反应速度（成功率）10108 8倍倍 严格定向定位，具有专一性严格定向定位，具有专一性 （六）与酶高效性有关的因素（六）与酶高效性有关的因素 1. 1. 邻近定向作用邻近定向作用2 2“张力张力”和和“形变形变” l底物与酶结合诱导酶的分子构象变化，变化的酶分子又使底物分子的敏感键产生“张力”甚至“形变” ，从而促

12、使酶底物中间产物进入过渡态。 诱导诱导“电子云形变电子云形变”:EA : B:A- : B+: 这样的共价键易于被酶活性这样的共价键易于被酶活性中心中心酸碱催化或共价催化酸碱催化或共价催化电子云电子云形变形变3 3 酸碱催化酸碱催化 酸酸- -碱催化可分为狭义的酸碱催化可分为狭义的酸- -碱催化和广碱催化和广义的酸义的酸- -碱催化。酶参与的酸碱催化。酶参与的酸- -碱催化反碱催化反应一般都是广义的酸碱催化方式。应一般都是广义的酸碱催化方式。 广义酸碱催化是指通过质子酸提供部广义酸碱催化是指通过质子酸提供部分质子分质子, ,或是通过质子碱接受部分质子的或是通过质子碱接受部分质子的作用，达到降低

13、反应活化能的过程作用，达到降低反应活化能的过程。 广义酸基团广义酸基团 广义碱基团广义碱基团（质子供体）（质子供体） （质子受体）（质子受体） -COOH, -NH3, -SH,+OHNHNH+-COO , -NH2, -S , -.-O-NHN:酶分子中可以作为广义酸、碱的基团酶分子中可以作为广义酸、碱的基团His His 是酶的酸碱催化作用中最活泼的一个是酶的酸碱催化作用中最活泼的一个催化功能团。催化功能团。碱碱催催化化酸酸催化催化4 4 共价催化共价催化 催化剂通过与底物形成反应活催化剂通过与底物形成反应活性很高的共价过渡产物，使反性很高的共价过渡产物，使反应活化能降低，从而提高反应应活化能降低，从而提高反应速度的过程，称为共价催化速度的过程，称为共价催化。 酶中参与共价催化的基团主要酶中参与共价催化的基团主要包括包括 His His 的咪唑基，的咪唑基，Cys Cys 的的硫基，硫基，Asp Asp 的羧基，的羧基，Ser Ser 的羟的羟基等。基等。 某些辅酶，如焦磷酸硫胺素和某些辅酶，如焦磷酸硫胺素和磷酸吡哆醛等也可以参与共价磷酸吡