酶作用机理

酶作用机理
人教2019高中生物学必修一P85图示：
教材仅要求回答“这个模型能解释酶的什么特性”。

实际上，此图还可说明“酶的作用机理”——“锁钥”学说。

酶的分子结构和活性部位
酶的分子中存在有许多功能基团例如，－NH2、－COOH、－SH、－OH等，但并不是这些基团都与酶活性有关。

一般将与酶活性有关的基团称为酶的必需基团。

有些必需基团虽然在一级结构上可能相距很远，但在空间结构上彼此靠近，集中在一起形成具有一定空间结构的区域，该区域与底物相结合并将底物转化为产物，这
一区域称为酶的活性中心（active center），对于结合酶来说，辅酶或辅基上的一部分结构往往是活性中心的组成成分。

构成酶活性中心的必需基团可分为两种，与底物结合的必需基团称为结合基团（binding group），促进底物发生化学变化的基团称为催化基团（catalytic group）。

活性中心中有的必需基团可同时具有这两方面的功能。

还有些必需基团虽然不参加酶的活性中心的组成，但为维持酶活性中心应有的空间构象所必需，这些基团是酶的活性中心以外的必需基团。

酶分子很大，其催化作用往往并不需要整个分子，如用氨基肽酶处理木瓜蛋白酶，使其肽链自N端开始逐渐缩短，当其原有的180个氨基酸残基被水解掉120个后，剩余的短肽仍有水解蛋白质
的活性。

又如将核糖核酸酶肽链C末端的三肽切断，余下部分也有酶的活性，足见某些酶的催化活性仅与其分子的一小部分有关。

不同的酶有不同的活性中心，故对底物有严格的特异性。

例如，乳酸脱氢酶是具有立体异构特异性的酶，它能催化乳酸脱氢生成丙酮酸的可逆反应：L（+）乳酸通过其不对称碳原子上的-CH3、-COOH及-OH基分别与乳酸脱氢酶活性中心的A、B及C三个功能基团结合，故可受酶催化而转变为丙酮酸。

而D（-）乳酸由于-OH、-COOH的空间位置与L（+）乳酸相反，与酶的三个结合基团不能完全配合，故不能与酶结合受其催化。

由此可见，酶的特异性不但决定于酶活性中心的功能基团的性质，而且还决定于底物和活性中心的空间构象，只有那些有一定的化学结构，能与酶的结合基团结合，而且空间构型又完全适应的化合物，才能作为酶的底物。

酶作用的机理
1．锁钥学说
生物反应中，酶和底物结合时，底物的结构和酶的活动中心的结构十分吻合，就好像一把钥匙配一把锁一样。

酶的这种互补形状，使酶只能与对应的化合物契合，从而排斥了那些形状、大小不适合的化合物，这就是“锁钥”学说，是“诱导契合”学说的前身。

锁钥学说
酶对于它所作用的底物有着严格的选择，只能催化一定结构或者一些结构近似的化合物，使这些化合物发生生物化学反应。

有的科学家提出，酶和底物结合时，底物的结构和酶的活动中心的结构十分吻合，就好像一把钥匙配一把锁一样。

酶的这种互补
形状，使酶只能与对应的化合物契合，从而排斥了那些形状、大小不适合的化合物，这就是“锁钥”学说。

2．诱导契合学说
“诱导契合”学说指出，酶并不是事先就以一种与底物互补的形状存在,而是在受到诱导之后才形成互补的形状。

底物一旦结合上去，就能诱导酶蛋白的构象发生相应的变化，从而使酶和底物契合而形成酶-底物络合物，并引起底物发生反应。

反应结束当产物从酶上脱落下来后，酶的活性中心又恢复了原来的构象。

诱导契合学说
科学家后来发现，当底物与酶结合时，酶分子上的某些基团常常发生明显的变化。

另外，酶常常能够催化同一个生化反应中正逆两个方向的反应。

因此，“锁和钥匙学说”把酶的结构看成是固定不变的，这是不符合实际的。

于是，有的科学家又提出，酶并不是事先就以一种与底物互补的形状存在，而是在受到诱导之后才形成互补的形状。

这种方式如同一只手伸进手套之后，才诱导手套的形状发生变化一样。

底物一旦结合上去，就能诱导酶蛋图白的构像发生相应的变化，从而使酶和底物契合而形成酶-底物络合物，这就是1958年D.E.Koshland提出的“诱导契合学说”（induced fit theory）。

酶分子活性中心的结构原来并非和底物的结构互相吻合，但酶的活性中心是柔软的而非刚性的。

当底物与酶相遇时，可诱导酶活性中心的构象发生相应的变化，有关的各个基因达到正确的排列和定向，因而使酶和底物契合而结合成中间络合物，并引起底物发生反应。

反应结束当产物从酶上脱落下来后，酶的活性中心又恢复了原来的构象。

后来，科学家对羧肽酶等进行了X射线衍射研究，研究的结果有力地支持了这个学说。

例1．如图是某种酶催化底物发生反应的过程示意图，下列叙述错误的是( )
A．图示反应过程还有水的产生
B．该图能体现酶催化作用的专一性
C．底物与酶能否结合与酶的结构有关
D．.酶在催化过程中的形状改变是不可逆的
答案：D
解析：氨基酸需要脱水缩合形成二肽，因此该过程中会产生
水，A正确；图中酶和底物特异性结合，能体现酶催化作用的专一性，B正确；图中底物与酶能否结合与酶的结构有关，C正确；图中看出，酶在催化过程中的形状改变是可逆的，D错误。

例2．人体蛋白质被水解的过程如图所示，下列相关叙述正确
的是 ( )
A．蛋白质的水解只发生在细胞外，如消化道内
B．该过程中酶分子可发生可逆性形变
C．该过程为放能反应，释放的能量可用于合成ATP
D．酶活性的改变是因为其分子结构被破坏
答案：B
解析：蛋白酶的水解既可以发生在细胞外，也可以发生在细胞内，
A错误；由题图可知，酶与底物结合后，会发生变形，反应结束，酶又恢复原来的形态，B正确；ATP的合成需要的能量来自光合作用中的光能转化和细胞呼吸过程中物质氧化分解，C错误；酶活性改变可能是由于酶的分子结构改变，温度较低时，酶的分子结构不变，酶的活性也降低，D错误。