第四章酶的生物有机化学

酶分子的结构 活性部位：包括结合部位 与催化部位。 结合部位：决定酶的专一性。在空间形状和氨基酸残基组 成上．有利于与底物形成复合物，起到固定底物，使底物中 参加化学变化的反应基团相互接近并定向，从而使反应具有 分子内反应特点。 催化部位：决定酶的高效性。其作用是使底物的价键发生 形变或极化，起到将底物激活和降低过渡态活化能作用。 调控部位：可以与底物以外的其他分子发生某种程度的结合， 从而引起酶分子空间构型的变化，对酶起到激活或抑制作用。
第一步：His—12作为一个广义碱，从 RNA核苷酸残基的2’—oH中接受一个质子， 从而促使2’—oH基上的氧原子亲核进攻相 邻的磷原子。而His—l19则作为一个广义的 酸促进了3’—5’磷酸酯键的断裂．并形成 2’—3’环磷酸酯中间产物。 第二步：2’—3’环磷酸酯中间产物，可以 通过与第—步反应相反的过程，水解生成 3‘—磷酸酯产物， 而在这一步中，His— 12起广义酸作用，His—119起广义碱作 用．而酶本身则恢复到原来的状态。
酶与底物的相互作用
静电引力：正负带电基团的相互作用。 氢键：酶与底物含有大量能形成氢键的基团。 疏水键：按相似相溶原则，蛋白质分子中含有大量 的亲水性和疏水性基团。疏水性基因常常趋向于形 成疏水核心。酶分子的活性中心部位，相对处于一 定程度的疏水环境。活性中心的疏水键不仅具有维 持活性中心空间结构稳定性的重要作用，而且也是 和底物分子中疏水部分结合的重要作用力之一。

水解作用的动力学模型
以乙酸对硝基苯酚酯酶促水解为模型 动力学研究表明，本反应过程具有两相特征 (1)快速反应相：水解产物对硝基苯酚离子 快速形成，并与活性酶的量成正比。 (2)‘恒态反应相：水解产物对硝基苯酚离子 以一种比较慢的，但是恒定的速率形成。反 应速率大小与底物浓度无关。这是决定反应 速率的步骤。
酶是生物催剂
酶是生物活细胞产生的一类具有催化功能的
生物分子 酶的分类： 按结构：蛋白酶、核酸酶。 按来源：天然酶、人工模拟酶、杂化酶。 按功能：氧化酶、水解酶、还原酶、甲基化 酶等。
酶的催化特性
高效率：
能催化自然条件下难以进行的反应 能使复杂的反应有序可控进行 能使生物有机化学反应在常温常压和水介 质中进行。 能使反应速率提高106~1012倍

丝氨酸蛋白酶水解机制
丝氨酸蛋白水解酶是一大类蛋白水解酶的总 称。这类酶的特征是酶的活性中心都含有ser 残基，并具有相似的催化作用机制。 胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶和弹性蛋白酶都属 于消化酶系。它们在胰腺胞内合成，并分泌 到十二指肠中。这几种酶都能催化肽链的水 解反应，仅对肽键的选择性有所不同。
酶中金属离子



金属酶： 酶蛋白与金属离子 以配位键形式紧密 结合 。金属离子 作为金属酶中的辅 助因子，起传递电 子、原子和官能团 作用。 金属激活酶： 酶从溶液中结合某 些金属离子而激活。 常为碱金属和碱土 金属，结合较松散， 对酶有一定选择性。
酶的催化作用机制
催化机理： 通过形成新的反应途径 降低反应活化能。
共价催化




催化剂与底物形成共价产物，降 低活化能，提高反应速度。 亲核共价催化： 催化剂的亲核基团对底物进行亲 核进攻形成活性中间体。 亲电共价催化： 催化剂的亲电基团对底物进行亲 电进攻形成活性中间体。亲电基 团可为非蛋白如金属离子。 形成活性中间体是共价催化剂的 关键。 Lys的-NH2可以起伯胺类似的反 应。
金属离子的催化作用


电荷稳定作用：作为 Lewis酸，具有高于1 价的正电荷，在中性 pH下高浓度存在，金 属往往比质子酸更强 的酸催化作用。 提高水的亲核共价催 化作用：金属离子与 水中的OH共价结合， 提高了水的亲核催化 性能。
电荷屏蔽作用： 多种激酶的底物是 Mg2+-ATP复合物，金 属离子屏蔽磷酸基的负 离子。 电子传递中间体： 氧化还原酶中的铁、铜 离子可传递电子。
遵守米氏 (Michaelis-Menten)方程



：在底物低浓度时，反应速 率与底物浓度成正比．表现 为一级反应特征： 当底物浓度达到一定值，几 乎所有的酶都与底物结合后， 反应速率达到最大值．此时 再增加底物浓度，反应速率 不再增加，表现为零级反应。 Km为米氏常数
影响酶催化特性的因素

高选择：


反应专一性：只催化一种或一类 化学反应。如蛋白水解酶 底物专一性：只作用于一种或一 类结构与性质相似的物质。 结构专一性： 绝对专一性：只作用于特定 的底物。如脲酶 相对专一性：作用于一类化 学键。如胰凝乳蛋白酶 立体专一性：专一性地与手性 底物结合并催化其反应。如胰蛋 白酶、淀粉酶等 几何专一性：只催化某种几何 异构体底物的反应。如延胡索水 解酶。

邻基参与和定向效应

分子内反应与分子间反 应具有很大的速度差异。
K1=0.0018s-1
与过渡状态的结合作用
酶与反应过渡状态的亲和能力远大于酶与底物或产 物的亲和能力 这种亲和力使过渡态能量降低，反应速度加快。

多功能催化作用

酶的活性中心部位，一般都含有多个起催化作用的 基团，这些基团在空间有特殊的排列和取向，可以 对底物价键的形变和极化及调整底物基团的位置等 起到协同作用，从而使底物达到最佳反应状态。

酶催化反应机制类型
酸碱催化 广义酸碱催化是通过 质子酸碱提供或接受 质子的作用来降低反 应活化能。

许多酶促反应同时包括了广义酸和广义 碱的催化过程 结构研究(包括应用x衍射技术等)证明， RNase A活性中心含有两个His残基(His— 12和His—l19)，这两个His的咪唑基作为 广义的酸和碱在催化过程中起着重要作用。
手性选择结合
酶的非蛋白成分




辅酶 与酶蛋白结合在一起 协同实施催化作用的 有机小分子称辅酶。 结构与功能的关系： 氧化还原、转移 作用特点：直接参与 反应，种类少，各具 特殊功能，可与不同 的蛋白结合形成不同 的全酶。 与维生素的关系：大 部分辅酶的前体是维 生素，主要是水溶性 的B族维生素。