生物化学第9章酶作用机制和酶活性调节

2）金属离子的催化作用：
通过结合底物为反应定向。 通过可逆的改变金属离子的氧化态调节氧化还原反应。 通过静电稳定或屏蔽静电荷。
金属离子催化的例证：烯醇化酶
（二）酶具有高催化能力的原因
1、底物和酶的邻近效应（approximation）与定 向效应（orientation）
在酶促反应中，由于酶和底物分子之间的亲和性，底物分 子有向酶的活性中心靠近的趋势，最终结合到酶的活性中 心，使底物在酶活性中心的有效浓度大大增加的效应叫做 邻近效应。
酶分子中可作为酸碱催化的功能基团
影响酸碱催化反应的因素包括酸碱强度及质子 传递的速率。
His咪唑基的解离常数约6.0，咪唑基解离下来 的质子浓度与水中的[H+]相近，在中性条件下， 一半以酸形式存在，一半以碱形式存在;同时， 咪唑基接受质子和供出质子的速率十分迅速， 半衰期小于10-10秒。
通过Asp102、His57、Ser195组成的质子传递链， 使Ser195失去质子，生成强亲核基团-O-
底物结合(step 1), S195羟 基对底物羰基碳发动亲核进 攻。 (step 2). 底物羰基氧 洞
在His57帮助下，H2O对酯基 的羰基碳发动亲核进攻。同
1、酸碱催化（acid-base catalysis）
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。
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，以 稳定过渡态，达到降低反应活化能的一种催 化机制。
所以，His是酶中最有效最活泼的一个催化功 能基团。
2、共价催化（Covalent catalysis）
共价催化包括亲核催化和亲电催化。但 由于参与共价催化的主要是亲核基团， 所以共价催化也称为亲核催化。
胰凝乳蛋白酶的Asp102、His57、Ser195组成了催 化三联体结构（ the catalytic triad ）
蛋白质的水解——酸碱催化与共价催化 生物体内每时每刻都在发生着蛋白质的水解反应
但是，生理pH下，没有催化剂时，肽键极难水解。 （为什么？）
❖❖ 酰从胺化氮学上的的 角孤 度对 ，电 如子 何与 帮 相助水邻实羰现基对之羰间基具的有亲共核振 作进用攻，？形成共振杂化体， 阻止了水对羰基的亲核 进攻。
1．结合部位（ Binding site） 酶分子中与底物结合的部位或区域一般称为结合 部位。此部位决定酶的专一性。
2．催化部位（ catalytic site ） 酶分子中促使底物发生化学变化的部位称为催化 部位。此部位决定酶所催化反应的性质。
（二）酶活性部位的特点
1.活性中心只占酶分子总体积的很小一部分，往 往只占整个酶分子体积的1%-2%。
定向效应：当专一性底物向酶活性中心靠近时，会诱导酶 分子构象发生改变，使酶活性中心的相关基团和底物的反 应基团正确定向排列，同时使反应基团之间的分子轨道以 正确方向严格定位，使酶促反应易于进行。以上两种效应 使酶具有高效率和专一性特点。
咪唑催化对-硝基苯酚乙酸酯的水解反应
O CH3 C O
应用举例：有机磷杀虫剂
3、金属离子催化
１）需要金属的酶分类：
（1）金属酶－metalloenzyme:含紧密结合的金属离 子。如Fe2+、Fe3+、Cu2+、Zn2+、Mn2+ （2）金属-激活酶（metal-activated enzyme）:含 松散结合的金属离子，如Na+ K+ Mg2+ Ca2+
第9章酶的作用机制和酶 的调节
主要内容
酶的活性部位及其确定方法 酶促反应机制 酶活性的别构调节 酶活性的共价调节 同工酶
11.1、酶的活性部位
（一）基本概念：酶的活性中心（active center） 是指结合底物和将底物转化为产物的区域，通常 是一级结构相隔很远，而三维结构比较靠近的氨 基酸残基形成的三维实体。酶的活性中心包括两 个功能部位：结合部位和催化部位。
样通过四面体中间体，生成
羧基，离开活性中心。
胰凝乳蛋白酶催化蛋白质的水解
丝氨酸蛋 白酶的催 化机制
共价催化是由亲核催化剂加速反应的，催 化剂向反应物的亲电中心提供电子，形成 共价配位键，并产生一个不稳定的共价中 间物。
中间物的反应性比原来的反应物更大，将 受到第二底物，如H2O分子进攻，生成最终 产物
..
N NH
NO2
CH3
O C
N +
NH
+ O-
NO2
O
CO
NO2
..
N
NH
O
+
N
+
O-
NO2
NH
实验结果表明，分子内咪唑基参与的水解反应 速度比相应的分子间反应速度大 24 倍。说明咪 唑基与酯基的相对位置对水解反应速度具有很 大的影响。
轨道定向(orbital-steering)假说示意图
Rate enhancement by entropy reduction. Shown here are reactions of an ester with a carboxylate group to form an anhydride. The R group is the same in each case.
酶是最复杂的催化剂，它的催化作用包 括若干基元催化。
基元催化是由某些基团或小分子催化反 应的，包括酸碱催化、共价催化、和金 属离子催化等。
这些小分子催化剂或催化基团不是亲电 体（eletrophilic group）就是亲核体 (nucleophilic group)，它们是电荷极化的 结果。
2.酶的活性部位是一个三维实体，具有三维空间 结构。
3.酶的活性部位并不是和底物的形状正好互补的， 而是在酶和底物的结合过程中，底物分子或酶 分子、有时是两者的构象同时发生了一定的变 化后才互补的，此时催化基团的位置正好处在 所催化底物键的断裂和即将生成键的适当位置， 这个动态辨认过程称为诱导契合（inducedfit）.
4.酶的活性部位位于酶分子表面的一个裂 隙（crevice）内.裂隙内是一个相当疏水 的环境，从而有利于同底物的结合。
5.底物靠次级键较弱的力与酶结合。
6.酶的活性部位具有柔性和可运动性
课下习题： 如何确定酶的活性部位？
11.2、酶促反应机制
酶促反应中发生的最本质变化是什么？
（一）基元催化的分子机制