酶催化中过渡态稳定学说

筛选 免疫动物产生 抗体
水解 催化可卡因水解的抗体酶的制备
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。它们包括： 邻近定向效应 广义的酸碱催化 静电催化 金属催化 共价催化 底物形变
溶菌酶催化中的底物形变
O
O
+
H H H3 3C C
O
O H O NH O C H H C H H H
H H
O C O-O
总结
酶催化过程中结合方式有两种，一种是酶与基态底物结合，另一种 是酶与过渡态底物结合。而酶催化的高效性原因在于酶与过渡态底 物结合远远比酶与底物结合稳定。
几种酶的共价催化
亲核共价修饰反应
乙酰乙酸脱羧酶的亲核催化磷酸吡哆醛的亲电催化 Nhomakorabea 底物形变
底物形变是指当酶与底物相遇时，酶分子诱导 底物分子内敏感键更加敏感，产生“电子张力” 发生形变，比较接近它的过渡态。
溶菌酶也利用这种方式进行催化：与溶菌酶活 性中心结合的6碳糖在溶菌酶的诱导下，从椅 式构象变成半椅式构象而发生形变，周围的糖 苷键更容易发生断裂。



酶结构的一部分
碳酸酐酶的金属催化机制
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、Glu、Ser 或Thr，此外，一些辅酶或辅基也可以作为共 价催化剂，例如硫胺素焦磷酸（TPP）和磷酸 吡哆醛。
① ② ③ ④ ⑤ ⑥
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。
溶菌酶Asp52的静电催化
Glu35和Asp52 分别所起的广 义酸催化和静 电催化，解释 了溶菌酶的活 性与pH之间的 关系以及它的 最适pH
pH对溶菌酶活性的影响
金属催化
近三分之一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+。 金属离子以5种方式参与催化： 作为Lewis酸起作用 与底物结合，促进底物在反应中正确定向 作为亲电催化剂，稳定过渡态中间物上的电荷 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
酶催化中过渡态稳定学说
弘毅班 罗江
引子
• “酶”（enzyme）这个名称的使用，始于19世纪后半，是1872年 由居尼所提出的。来源于希腊语：ενζυμον，其中“在酵里面” • 而19世纪末的酶研究和酿酒业有密不可分的关系，这里面就关系 到一个法国科学大师巴斯德的德国化学家李比希的故事，还有一 个因此得到诺贝尔奖的布希纳。
过渡态稳定学说
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 Joseph Kraut提出，酶是 柔性的分子模板，是通过 进化设计出来的能与反应 物过渡态的形状而不是基 态形状精密互补的分子。
反应中四个平衡常数
KS =
“铁丝酶”催化反应的过渡态稳定机制
支持过渡态稳定学说的证据
根据过渡态的结构设计的过渡态类似物可作 为酶的强抑制剂，抑制效果远高于竞争性抑 制剂。 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
可卡因
抗 体 酶
广义的酸催化
广义的碱催化
广义的酸、碱催化
溶菌酶Glu35的广义酸催化
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。
# 轾 ES K e# = 臌 [ ES ]
# 轾 E S [ ]臌 Kt = # 轾 ES 臌 # 轾 E S [ ]臌 K u# = [ E][ S ]
过渡态理论中反应速率（kr）与从基态反应物转化为过渡态复合物 的平衡常数（K#）成比例 kr=κνK# 酶催化反应速度的相对变化可以由ke（酶存在）ku（酶不存在）之 比给出： #
[ E][ S ] [ ES ]
底物由基态转变为过渡态的平衡常数，在没存在与酶缺失情况下之 比与ES与ES#复合物的解离常数之比有关
# 轾 ES E][ S ] 臌 [ K e# ES ] ES ] Ks [ [ = = = # # # 轾 轾 K u [ E] 臌 Kt S S [ E] 臌 # 轾 E S ES [ ][ ] 臌
Ke k en e K e k en e K s = = # Ku k un u Ku k un u Kt
酶催化对于反应速率的影响是很大的可达到1010~1014 数量级，考 虑到κν的比值不可能与酶对速度增加在同一数量级，主要的影响就 是KS/Kt 因此酶对速度的增加因子说明酶与过渡态底物的结合比基态 底物结合要牢固的多
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。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。