第二篇酶结构和功能酶催化机制

酶的催化机制酶催化机理研究的主要方法（1）找出保守性的氨基酸残基（2）三维结构的研究（3）定点突变（4）动力学分析（5）化学修饰过渡态稳定学说根据过渡态理论，在任何一个化学反应体系中，反应物需要到达一个特定的高能状态以后才能发生反应。这种不稳定的高能状态被称为过渡态。达到过渡态要求反应物必须含有足够的能量以克服活化能，然而，一个反应系统中各反应物分子具有不同的能量，只有某些反应物才含有足够的能量去进行反应。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。化学反应的过渡态及其前后的自由能变化HA-HB+HC→HA-HB-HC（过渡态）→HB-HC+HA酶促反应和非酶促反应过程的自由能变化支持过渡态稳定学说的证据根据中间物的结构设计一种稳定的过渡态类似物，以检测它能否作为酶的抑制剂，以及抑制效果是不是比竞争性抑制剂强。因为如果酶促反应中的确存在所谓过渡态的中间物，那么由此人工设计得到的过渡态类似物只要遇到酶就会与活性中心紧密地结合，会牢牢地卡住酶的活性中心，使之无法完成反应，即成为酶的强抑制剂。进一步证明过渡态类似物参与催化的证据是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。这些机制归纳起来主要有六种机制：（1）邻近定向效应；（2）广义的酸碱催化；（3）静电催化；（4）金属催化；（5）共价催化；（6）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。蛋白质分子上的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。

广义的酸碱催化溶菌酶Glu35的广义酸催化溶菌酶的Glu35被疏水氨基酸残基所环绕核糖核酸酶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Glu35将质子交给糖苷键上的O原子以后，O因此带上正电荷，随后糖苷键断裂，左边的糖基1号位的C原子带上正电荷，邻近的Asp52的羧基本来于解离状态，带负电荷，起着中和正电荷稳定过渡态的作用。溶菌酶的最适pH与Glu35和Asp52的解离状态有关金属催化近三分之一已知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+。金属离子参与的催化被称为金属催化。金属离子以5种方式参与催化：（1）作为Lewis酸起作用；（2）与底物结合，促进底物在反应中正确定向；（3）作为亲电催化剂，稳定过渡态中间物上的电荷；（4）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；（5）酶结构的一部分。金属离子对于某些酶

分子的结构十分重要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