高二生物竞赛 【高效备课精研+知识精讲提升】 酶的作用机制课件

酶的作用机制1、酶与底物复合物的形成2、酶具有高效催化效率的分子机制3、酶作用机制的实例化学反应的产物与反应物之间Gibbs自由能(G)的变化决定了自发反应的方向以及可逆反应到达平衡后产物与反应物的浓度之比，但是Gibbs自由能变化不能决定反应速率反应物若要转化为产物，必须首先进入一种能量更高的状态，这种状态称为过渡态(transitionstate)，能量较低的反应物分子所处的状态称为基态(groundstate)，过渡态分子比基态分子多出来的Gibbs自由能称为活化能(activationenergy)进行反应必须克服的能量障碍酶的作用机制酶通过改变化学反应途径降低化学反应的活化能，提高化学反应速率2H2O2→2H2O+O2

反应活化能非催化反应75.24kJ/mol钯催化反应48.9kJ/molH2O2酶催化8.36kJ/mol蔗糖→果糖+葡萄糖反应活化能非催化反应1339.8kJ/molH+(酸)催化反应104.7kJ/mol蔗糖酶催化39.4kJ/mol酶的作用机制1、酶与底物复合物的形成1903年Henri等人利用蔗糖酶进行实验研究底物浓度与反应速率之间的关系，并提出了酶与底物中间复合物学说E+SESE+P底物产物中间复合物酶酶有利于底物转变成过渡态过渡态与酶的活性中心主要以次级键(氢键、范德华力、疏水作用、盐键)相结合，这一过程是放能反应，所释放的能量称为结合能结合能可以抵消一部分活化能，有助于提高酶促反应速率酶的作用机制2、酶具有高效催化效率的分子机制酶的作用机制酶分子的活性部位结合底物形成酶-底物复合物，在酶的帮助作用下(共价作用与非共价作用)，底物进入特定的过渡态，由于形成此类过渡态所需要的活化能远小于非酶促反应所需要的活化能，因而反应能够顺利进行，形成产物并释放出游离的酶，使其能够参与其余底物的反应影响高催化效率分子机制的因素(1)邻近效应与定向效应(2)促进底物过渡态形成的非共价作用(3)酸碱催化作用(4)共价催化作用(5)金属离子催化(6)酶活性部位微环境的作用（1）邻近效应与定向效应邻近效应(approximation)：由于酶和底物分子之间的亲和性，底物分子向酶的活性中心靠近、结合到酶的活性中心，使底物在酶活性中心的有效浓度大大增加，从而使反应速率大大增加2、酶具有高效催化效率的分子机制酶的作用机制定向效应(orientation)：底物会诱导酶分子构象改变，使酶活性中心的相关基团和底物的反应基团正确定向排列，使反应基团之间的分子轨道以正确方向严格定位，使酶促反应易于进行过渡态（1）邻近效应与定向效应2、酶具有高效催化效率的分子机制酶的作用机制（1）邻近效应与定向效应2、酶具有高效催化效率的分子机制酶的作用机制双底物的反应或者多底物的反应，单底物反应的邻近效应不是非常明显影响高催化效率分子机制的因素

（1）邻近效应与定向效应

（2）促进底物过渡态形成的非共价作用（3）酸碱催化作用（4）共价催化作用（5）金属离子催化

（6）酶活性部位微环境的作用酶的作用机制（2）促进底物过渡态形成的非共价作用2、酶具有高效催化效率的分子机制酶的作用机制当酶遇到其底物时：1)酶中某些基团或离子可以使底物分子内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”，使敏感键的一端更加敏感，底物分子发生形变，促进底物形成过渡态，降低了反应活化能，使反应易于发生2)酶活性构象发生变化，更好的与底物过渡态结合酶与底物过渡态的亲和力远大于酶与底物的亲和力抗体酶抗体酶(abzyme)：指具有催化活性的免疫球蛋白，在高可变区赋予酶的属性，是抗体的高度选择性与酶的高效催化性相结合的产物（2）促进底物过渡态形成的非共价作用2、酶具有高效催化效率的分子机制酶的作用机制抗体酶的制备

20世纪80年代，在过渡态理论的启发下，R.A.Lerner与P.G.Schultz研究小组分别以不同的底物过渡态类似物作为半抗原免疫动物，筛选得到了具有催化活性的单克隆抗体，其抗原结合部位与底物过渡态类似物有互补构象，可与底物结合并促使底物进入过渡态，降低反应活化能，催化相应底物的化学反应，使反应速率显著增加，其催化反应的动力学行为符合米氏方程，同时这些催化性抗体还具有专一性、易受pH变化影响等酶的特点（2）促进底物过渡态形成的非共价作用2、酶具有高效催化效率的分子机制酶的作用机制抗体酶的意义1、为过渡态理论提供了有利的实验证据2、各种抗体酶在医学与工业领域具有良好的应用前景（2）促进底物过渡态形成的非共价作用2、酶具有高效催化效率的分子机制酶的作用机制立体异构专一性的抗体酶可在制药工业上用于制备单一构型的药物分子抗体与抗体酶各取一半组装在一起形成的新型抗体酶，抗体部分特异性地识别癌细胞表面的特殊抗原，与癌细胞结合，抗体酶部分催化无活性药物前体的转化反应，从而靶向治疗癌症影响高催化效率分子机制的因素

（1）邻近效应与定向效应（2）促进底物过渡态形成的非共价作用（3）酸碱催化作用（4）共价催化作用（5）金属离子催化

（6）酶活性部位微环境的作用酶的作用机制酸碱催化(acid-basecatalysis)：指催化剂通过向反应物提供质子或从反应物接受质子，从而稳定过渡态，降低反应活化能，加速反应

酸碱催化分为：狭义的酸碱催化和广义的酸碱催化酶参与的酸碱催化反应一般都是广义酸碱催化方式，由酶活性部位功能基团提供质子或接受质子，在酶的活性中心上：有些基团是质子供体(酸催化基团)，可以向底物分子提供质子，发生酸催化反应有些催化基团是质子受体(碱催化基团)，可以从底物分子上接受质子，发生碱催化反应（3）酸碱催化2、酶具有高效催化效率的分子机制酶的作用机制氨基酸残基酸的形式(质子供体)碱的形式(质子受体)（3）酸碱催化2、酶具有高效催化效率的分子机制酶的作用机制影响酸碱催化反应速度的两个因素：（1）酸碱强度:组氨酸咪唑基的解离常数为6(pK=6)，在pH

6附近给出质子和结合质子能力相同，是最活泼的催化基团（2）给出质子或结合质子的速度，咪唑基最快酸碱催化作用使酶反应速度提高不及其他因素大，但因它可在近中性生理条件下发挥作用，故其作用不可小看，牛胰RNaseA，牛凝乳蛋白酶等机理均是酸碱催化（3）酸碱催化2、酶具有高效催化效率的分子机制酶的作用机制影响高催化效率分子机制的因素

（1）邻近效应与定向效应（2）促进底物过渡态形成的非共价作用（3）酸碱催化作用

（4）共价催化作用（5）金属离子催化

（6）酶活性部位微环境的作用酶的作用机制催化剂通过与底物形成反应活性很高的共价过渡产物(相对不稳定)，改变了反应历程，使反应活化能降低，从而使反应速度提高。具体机制分为亲核催化和亲电催化：亲核催化：催化剂作为提供电子的亲核试剂攻击反应物的缺电子中心，与反应物形成共价中间复合物亲电催化：催化剂作为吸取电子的亲电试剂攻击反应物的负电中心，与之形成共价中间复合物（4）共价催化(covalentcatalysis)2、酶具有高效催化效率的分子机制酶的作用机制酶中参与共价催化的基团主要包括:亲核基团：His(咪唑基)，Cys(巯基)，Asp(羧基)，Ser(羟基)亲电子基团：H+、Mg2+、Mn2+、Fe3+等丝氨酸蛋白酶、酯酶和磷酸酯酶巯基蛋白酶(木瓜蛋白酶)甘油醛-3-磷酸脱氢酶磷酸甘油变位酶琥珀酰辅酶A合成酶2、酶具有高效催化效率的分子机制酶的作用机制（4）共价催化(covalentcatalysis)影响高催化效率分子机制的因素

（1）邻近效应与定向效应（2）促进底物过渡态形成的非共价作用（3）酸碱催化作用（4）共价催化作用（5）金属离子催化

（6）酶活性部位微环境的作用酶的作用机制需要金属的酶分类：（1）金属酶：金属离子与酶结合紧密或主要为稳定酶的天然构象所必须Fe2+、Fe3+、Cu2+、Zn2+、Mn2+、Co3+（2）金属激活酶：与酶结合松散，可能只在催化期间结合Na+、K+、Mg2+、Ca2+（5）金属离子催化2、酶具有高效催化效率的分子机制酶的作用机制金属离子参加催化过程的作用主要有：提高水的亲核性能；稳定或屏蔽负电荷；稳定反应时形成的负电荷，利于底物进入过渡态；结合底物为反应定向；参与氧化还原反应(传递电子)；

例：多种激酶的真正底物是Mg2+-ATP复合物，Mg2+静电屏蔽ATP磷酸基的负电荷，使其不会排斥亲核基团的攻击（5）金属离子催化2、酶具有高效催化效率的分子机制酶的作用机制影响高催化效率分子机制的因素

（1）邻近效应与定向效应（2）促进底物过渡态形成的非共价作用（3）酸碱催化作用（4）共价催化作用（5）金属离子催化

（6）酶活性部位微环境的作用酶的作用机制酶活性部位的微环境(疏水、酸性或碱性)，有利于酶与底物的相互作用一种酶的催化作用常常是多种催化机制的综合作用，多种机制配合在一起共同起作用，称多元催化。酶作为生物大分子，具有多个能起催化作用的基团，这些基团通过协同的方式作用于底物，从而大幅度提高酶促反应速率。这些因素是酶具有高效性的重要原因。（6）酶活性部位微环境的作用2、酶具有高效催化效率的分子机制酶的作用机制影响高催化效率分子机制的因素

（1）邻近效应与定向效应（2）促进底物过渡态形成的非共价作用（3）酸碱催化作用（4）共价催化作用（5）金属离子催化

（6）酶活性部位微环境的作用酶的作用机制丝氨酸蛋白酶家族成员，该家族中常见的酶有胰凝乳蛋白酶、胰蛋白酶、弹性蛋白酶三种消化酶及其他蛋白酶。胰凝乳蛋白酶的活性部位处于酶表面的一个裂隙中，主要包含Ser195、His57与Asp102三个关键残基胰凝乳蛋白酶(chymotrypsin)胰凝乳蛋白酶的催化三联体Ser195通过与肽键共价结合促使肽键断裂Asp102的功能是定向His573、酶作用机制的实例酶的作用机制His57担当酸碱催化胰凝乳蛋白酶的催化机制Asp102通过氢键定位并固定His57，稳定His57的正电形式3、酶作用机制的实例酶的作用机制催化三联体底物与酶结合，使被断裂的肽键刚好处于Ser195附近的一个疏水口袋(只容纳芳香族与大的疏水性氨基酸的侧链)His57作为广义碱，从Ser195得到质子，促进Ser195亲核攻击需被断裂肽键的羰基CSer195亲核攻击羰基C，质子转移给His57，留下相当不稳定的Ser氧的负电荷，形成酰基酶共价复合物胰凝乳蛋白酶的催化机制3、酶作用机制的实例酶的作用机制His57质子供给肽的酰胺基，得到共价的质子化胺，形成四面体中间物，C-N键非常脆弱，很快断裂，第一个产物被