生物化学 第10章 酶的作用机制

二、酶的专一性的几种假说
1、绝对专一性（absolute specificity）
例:
NH 2 CO
H2O
脲酶
CO2 + 2NH3
NH 2
NH 2 CO
H2O
X
脲酶
NHCH 3
2、相对专一性（relative specificity）
（1）族专一性（基团专一性，group specificity）
第十章 酶的结构、功能及作用机制
• 酶的结构和功能 • 酶的作用机制 • 酶催化反应机制实例 • 酶活性的调节
酶催化作用的实质- 降低反应活化能
一、酶催化作用的实质- 降低反应活化能
酶活性部位的特点
• 酶活性部位氨基酸残基： 大多数酶的分子量远大于所催化的底物，但仅酶的 很小部分（3-4个氨基酸）直接作用与底物，直接 作用与底物作用的部分称为酶活性部位（active site）
酶
AA残基
核糖核酸酶 溶菌酶 胰凝乳蛋白酶
124 129 241
羧肽酶A
307
胰蛋白酶
223
活性中心AA HHKRDE DE HDS
R E Y Zn2+ HDS
胰凝乳蛋白酶 一级结构和空间结构
研究酶活性中心部位的方法
• 酶分子侧链基团化学修饰法 • 动力学参数测定法X • X射线晶体衍射法 • 定点突变法（mutagenesis）
HOOC C H
CHOHCOOH
（3）酶能区分从有机化学观点来看是属于对称分子中两个等 同的基团，只催化其中的一个基团，而不催化另一个。
例1： CH2OH
HO CH + ATP
甘油激酶
14CH2OH
CH2 O HO CH
14CH2OH
P + ADP
若甘油激酶不能区分两个—CH2OH基团，则会生成 :
Hexokinase
-己糖（磷酸）Байду номын сангаас酶
Hexokinase结晶结构
Hexokinase与D-Glucose共结晶结构
二. 酶高效催化的机制
1. 底物和酶的邻近效应和定向效应
定
靠近
向
静电吸引
疏水作用
底物
酶
邻近效应：指两个反应的分子，它们反应的基团需要互相 靠近，才能反应。 定向效应: 指酶的催化基团与底物的反应基团之间的正确定向。
• 酶活性部位局限在酶分子的特定部位
• 酶与底物结合作用力： 氢键、盐键、疏水作用、范得华力
酶活性部位的特点
活性中心
结合中心
与S结合决定酶促 反应的专一性
催化中心
促进S发生化学变化 决定酶促反应的性质
酶催化所需的必需基团
— 与酶的催化活性直接相关的化学基团
常见：His咪唑基、Ser-OH、
Gluγ-COOH、Cys-SH、Asp-OH
4、共价催化（covalent catalysis）
什么是共价催化？催化剂通过提供电子或汲取电子，与底物迅速形成不 稳定的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，称为共价催化。 酶中参与共价催化的基团主要包括 His 的咪唑基，Cys 的硫基，Asp 的羧基，Ser 的羟基等。 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催化作用。
2) 金属离子的作用
(I) 参与底物反应的定向 (II) 通过价态改变参与电子转移 (III)通过静电稳定/屏蔽负电荷
三、酶催化反应机制实例
（1）溶菌酶（lysozyme）
1922年，Alexander Fleming 发现了溶菌酶 1928年，暑期发现青霉素 1941年，首次人体测试青霉素
溶菌酶结晶
广义酸－碱催化是指通过质子酸提供部分质子,或是通过质子碱接受部 分质子的作用，达到降低反应活化能的过程。
酶活性部位上的某些基团可以作为良好的质子供体或受体对底物进行酸 碱催化。
His 残基的咪唑基是酶的酸碱催化作用中最活泼的一个催化功能团。
广义酸基团 （质子供体）
广义碱基团
（质子受体）
参与酸碱催化的氨基酸
溶菌酶晶体结构
Glycoside hydrolases - enzymes (EC 3.2.1.17）
共价催化
亲核催化 (亲核基团-带负电荷性质的基团) 亲电子催化 (亲电基团-带正电荷性质的基团)
酶中亲核基团
酶中亲电子基团
5. 金属离子催化
1) 需要金属离子的酶
（I） 金属酶 (metalloenzyme) • 含紧密结合的金属离子
（II）金属激活酶( metal-activited enzyme) • 含松散结合的金属离子
位于活性中心 必需基团
活性中心以外， 稳定分子构象
非必需基团
活性中心以外 的必需基团
结合基团
底物
催化基团 活性中心
酶活性部位的特点
• 几个残基 + 辅助因子（单纯/结合） • 在空间构象上集中到一起（单体/寡聚) • 疏水空穴 • 通过次级键与底物结合 • 与底物诱导契合 • 活性中心构象具有柔韧性和可塑性
2、张力效应和底物形变（strain and distortion）
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” ，从而促使酶－ 底物中间产物进入过 渡态。
3. 酸碱催化
酸-碱催化可分为狭义的酸-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的酸－碱催化方式。
CH2 O P
HO CH
和
14CH2OH
CH2OH HO CH
14CH2 O P
H
例2：
D
C
4
H3C C OH +
+
D
N
+ D（重氢）
CONH 2 -D
R NAD+
DH
C
4
CONH 2 + H3C C O
N
D
R
NAD 辅酶的还原型
( A型 )
关于酶作用专一性的几种假说
1、锁钥学说（lock and Key theory）
-1894年 Fischer 提出
认为整个酶分子的天然构象是 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样
2、诱导契合学说（induced-fit theory）
- 1958年Koshland提出
•该学说认为酶表面并没 有一种与底物互补的固定 形状，而只是由于底物的 诱导才形成了互补形状.
A—B 或 A—B
如α-D-葡萄糖苷酶
CH2OH O
OH OH
OH
OR
（2）键专一性 A—B
O
酯酶
R1C
+ H2O
OR 2
R1COOH + R2OH
3、立体专一性（stereospecificity）
（1）D-，L-立体异构专一性 （2）几何异构专一性
H C COOH
延胡索酸水化酶
+ H2O
CH2COOH