第10章 酶的作用机制[可修改版ppt]
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酶的作用机理
酶的作用机理
酶是生物体内的一类蛋白质，它在生物体中起着催化化学反应的作用。
酶通过降低活化能来加速化学反应的速率。
酶的作用机理包括以下几个方面：
1. 亲和力：酶与底物之间存在一定的亲和力。
酶通过特定的结构与底物结合形成酶底物复合物。
2. 底物定向：酶通过特定的位点与底物结合，并使底物分子在特定的构象或电荷状态下更有利于反应进行。
3. 酶的活性位点：酶分子通常具有一个或多个活性位点，此处对底物分子进行催化。
酶的活性位点通常通过氢键、离子键、范德华力等作用力与底物发生相互作用。
4. 亲合作用：酶通过与底物分子发生相互作用，使底物分子更有利于发生反应，提供更适宜的条件和环境。
5. 催化反应：酶通过改变底物分子的构象或电子状态来降低反应的活化能，从而加速化学反应的速率。
酶可以提供特定的酸碱环境、参与中间体的形成等，以促进化学反应的进行。
总的来说，酶的作用机理可以通过提供亲合作用、底物定向和酶的催化反应来加速化学反应的进行。
这些机理使得酶能够高效地催化各种生物体内的化学反应。
《生物化学》酶的作用机制和酶的调节
side view
胃蛋白酶原
在pH5.0以下断裂 切去44个氨基酸片断
胃蛋白酶
溶菌酶
必需基团
酶的活性中心往往只是包括酶蛋白的几个氨基酸残 基，而对于活性中心以外的氨基酸残基，并非是可有可无 的，有些氨基酸残基也是酶表现催化活性所必需的，称为 必需基团。因此酶的活性中心属于必需基团的一部分，必 需基团还包括其它一些对酶活性必需的氨基酸残基。
(五)金属离子催化
1、需要金属的酶分类 （1）金属酶 含紧密结合的金属离子，多属于过渡金 属离子如，Fe2+、Fe3+、Cu2+、Zn2+、 Mn2+或Co3+。 （2）金属-激活酶 含松散结合的金属离子，通常为碱和碱 土金属离子，如Na+、K+、Mg2+或Ca2+。
(五)金属离子催化
2、金属离子以三种主要途径参加催化过程： （1）通过结合底物为反应定向 （2）通过可逆的改变金属离子的氧化态调 节氧化还原反应 （3）通过静电稳定或屏蔽负电荷
（一）酶活性部位的特点
1、活性部位在酶分子的总体中只占相当小的部分。 2、酶的活性部位是一个三维实体。 3、酶的活性部位并不是和底物的形状正好互补的，而 是在酶和底物结合的过程中，底物分子或酶分子, 有 时是二者构象同时发生变化后才互补的。 （诱导 契合学说）。 4、酶的活性部位位于酶分子表面的一个裂缝内，底物 分子结合到裂缝内并发生催化作用。 5、底物通过次级键较弱的的力结合到酶上。 6、酶活性部位具有柔性或可运动性。
广义酸基团 （质子供体） 广义碱基团（质子受体）
(四)共价催化(covalent catalysis)
共价催化又称亲核催化或亲电子催化,在催化时, 亲核催化剂或亲电子催化剂能分别放出电子或汲 取电子并作用于底物的缺电子中心或负电中心,迅 速形成不稳定的共价中间复合物,降低反应活化能, 使反应加速。
生物化学PPT课件 酶
2、非竞争性抑制
3、反竞争性抑制
七、酶活性测定：
难以测定，常用的衡量方式：
酶在最适条件下，单位时间内，单位体积中底 物的减少量或产物的生成量。
酶的活性单位： 国际单位（IU）：每分钟转化1μmol底物所需的酶 量为一个国际单位（1IU），即1μmol/min
Kat单位：每秒钟转化1mol底物所需的酶量 1 Kat=1mol/sec 1 IU＝16.67×10-9Kat
（2）酶的储存形式
（二） 别构调节
催化部位（活 性中心）
EE
（激活或抑制） 酶活性改变
酶结构改变
调节部位
别构效应剂
（三）酶促化学修饰调节
类型：
（1）磷酸化与脱磷酸（最常见） （2）乙酰化与脱乙酰 （3）甲基化与去甲基 （4）腺苷化与脱腺苷 （5）SH与-S-S互变
2ATP
2ADP
磷酸化酶b激酶
P
磷酸化酶 b(二聚体)
无活性
磷酸化酶a磷酸酶
P
磷酸化酶 a(二聚体)
高活性
2Pi
2H2O
磷酸化酶的活性调节
cAMP信号与糖原降解
二、酶蛋白含量的调节
1. 酶蛋白合成的诱导与阻遏 （1）诱导剂、诱导作用 （2）阻遏剂、阻遏作用
2. 酶蛋白的降解 （1）溶酶体蛋白酶降解途径 （2）泛素参与的降解途径
六、抑制剂(inhibitor, I)
——使酶活性下降但又不使酶蛋白变性的物质 与酶的必须基团结合，抑制酶的催化活性。去除 后，酶表现原有活性。
（一）不可逆抑制作用
• 概念：抑制剂与酶活性中心必需基团共价 结合，不能用透析、超滤等物理方法将其 除去恢复酶活性。
• 常见抑制剂：
巯基酶抑制剂（如某些重金属离子、路易士气等） ——解毒：二巯基丙醇
第10章 酶的作用机制和酶的调节
某些酶活性部位的AA残基 酶 AA残基数 活性部位的AA残基 核糖核酸酶 124 His12, His119, Lys41
溶菌酶 胰凝乳蛋白酶 胃蛋白酶 木瓜蛋白酶 羧肽酶A 129 241 348 212 307 Asp52, Glu35 His57, Asp102, Ser195 Asp32, Asp215 Cys25, His159 Arg127, Glu270,Tyr248,Zn 2+
（一）别构调控
1、别构酶的概念 别构酶也称变构酶，它是代谢过程中的关键酶。除了具有酶的 活性部位外，还有一个调节部位。通过效应物（调节物）和酶 的别构部位的结合来调节其活性，从而调节酶反应速度和代谢 过程。
2、别构效应（allosteric effect）：调节物或效应物
与酶分子上的别构中心结合后，诱导出或稳定住酶分子的某种 构象，使酶活性中心对底物的结合和催化作用受到影响，从而 调节酶反应速度及代谢过程，此效应即为酶的别构效应。 凡能使酶分子发生别构作用的物质称为效应物或别构剂，通常为小 分子代谢物或辅因子。如因别构导致酶活性增加的物质称为正效应 物或别构激活剂。反之称为负效应物或别构抑制剂。
在非极性环境中两个带电基团之间的静电作用比在极性 环境中显著增高。当底物分子与酶的活性部位相结合， 就被埋没在疏水环境中，这里底物分子与催化基团之间 的作用力将比活性部位极性环境的作用力要强得多。这 一疏水的微环境大大有利于酶的催化作用。
三、
52
五、酶活性的调节控制
（三）研究酶活性部位的方法
1.酶分子侧链基团的化学修饰法
（1）非特异性共价修饰
某些化学试剂能和酶蛋白中氨基酸残基的侧链基团反应而 引起共价结合、氧化或还原等修饰反应，使基团的结构和 性质发生改变。如果某基团修饰后不引起酶活力的变化， 可以初步认为，此基团可能是非必需基团。反之，如修饰 后引起酶活力的降低或丧失，则此基团可能是酶的必需基 团。 修饰剂已和活性都位基团结合的鉴别标准有两个： ①酶活力的丧失速率和修饰剂浓度成正比。 ②底物或与活性部位结合的可逆抑制剂可保护共价修饰剂 的抑制作用。
溶菌酶 胰凝乳蛋白酶 胃蛋白酶 木瓜蛋白酶 羧肽酶A 129 241 348 212 307 Asp52, Glu35 His57, Asp102, Ser195 Asp32, Asp215 Cys25, His159 Arg127, Glu270,Tyr248,Zn 2+
（一）别构调控
1、别构酶的概念 别构酶也称变构酶，它是代谢过程中的关键酶。除了具有酶的 活性部位外，还有一个调节部位。通过效应物（调节物）和酶 的别构部位的结合来调节其活性，从而调节酶反应速度和代谢 过程。
2、别构效应（allosteric effect）：调节物或效应物
与酶分子上的别构中心结合后，诱导出或稳定住酶分子的某种 构象，使酶活性中心对底物的结合和催化作用受到影响，从而 调节酶反应速度及代谢过程，此效应即为酶的别构效应。 凡能使酶分子发生别构作用的物质称为效应物或别构剂，通常为小 分子代谢物或辅因子。如因别构导致酶活性增加的物质称为正效应 物或别构激活剂。反之称为负效应物或别构抑制剂。
在非极性环境中两个带电基团之间的静电作用比在极性 环境中显著增高。当底物分子与酶的活性部位相结合， 就被埋没在疏水环境中，这里底物分子与催化基团之间 的作用力将比活性部位极性环境的作用力要强得多。这 一疏水的微环境大大有利于酶的催化作用。
三、
52
五、酶活性的调节控制
（三）研究酶活性部位的方法
1.酶分子侧链基团的化学修饰法
（1）非特异性共价修饰
某些化学试剂能和酶蛋白中氨基酸残基的侧链基团反应而 引起共价结合、氧化或还原等修饰反应，使基团的结构和 性质发生改变。如果某基团修饰后不引起酶活力的变化， 可以初步认为，此基团可能是非必需基团。反之，如修饰 后引起酶活力的降低或丧失，则此基团可能是酶的必需基 团。 修饰剂已和活性都位基团结合的鉴别标准有两个： ①酶活力的丧失速率和修饰剂浓度成正比。 ②底物或与活性部位结合的可逆抑制剂可保护共价修饰剂 的抑制作用。
---酶----生物化学ppt课件
四氢叶酸。
H
N NH
H2N
H
N
N
CH2 NH H
OH H
COOH
CH2
O
CH2
C NH CH COOH
四氢叶酸的主要作用是作为一碳基团，如-CH3, -CH2-, -CHO 等的载体，参与多种生物合成过程。
维生素B12和B12辅酶 维生素B12又称为钴胺素。维生素B12分子中与
Co+相连的CN基被5’-脱氧腺苷所取代，形成 维生素B12辅酶。 维生素B12辅酶的主要功能是作为变位酶的辅酶， 催化底物分子内基团(主要为甲基)的变位反应。
立体异构专一性：这类酶不能辨别底物不同的立体异构体，只对其中的某一种 构型起作用，而不催化其他异构体。包括旋光异构专一性和几何异构专一性。
易变敏感性：易受各种因素的影响，在活细胞内受到精密严格的调节控制。
二、酶的化学本质及结构功能特点
1.发展史
(1)酶是蛋白质: 1926年,James Summer由刀豆制出脲酶结晶确立酶是蛋白质的观
(2) 转移酶 Transferase
转移酶催化基团转移反应，即将一个底物分子的 基团或原子转移到另一个底物的分子上。 例如， 谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。
CH3CHCOOH HOOCCH2CH2CCOOH
NH2
O
CH3CCOOH HOOCCH2CH2CHCOOH
O
NH2
3) 水解酶 Hydrolase
2.酶的组成
单成份酶：脲酶、蛋白酶、淀粉酶、核糖核酸
（简单蛋白质）
酶等。
酶
酶蛋白
（apoenzyme）
双成份酶
辅酶
（结合蛋白质） 辅因子 （coenzyme)
H
N NH
H2N
H
N
N
CH2 NH H
OH H
COOH
CH2
O
CH2
C NH CH COOH
四氢叶酸的主要作用是作为一碳基团，如-CH3, -CH2-, -CHO 等的载体，参与多种生物合成过程。
维生素B12和B12辅酶 维生素B12又称为钴胺素。维生素B12分子中与
Co+相连的CN基被5’-脱氧腺苷所取代，形成 维生素B12辅酶。 维生素B12辅酶的主要功能是作为变位酶的辅酶， 催化底物分子内基团(主要为甲基)的变位反应。
立体异构专一性：这类酶不能辨别底物不同的立体异构体，只对其中的某一种 构型起作用，而不催化其他异构体。包括旋光异构专一性和几何异构专一性。
易变敏感性：易受各种因素的影响，在活细胞内受到精密严格的调节控制。
二、酶的化学本质及结构功能特点
1.发展史
(1)酶是蛋白质: 1926年,James Summer由刀豆制出脲酶结晶确立酶是蛋白质的观
(2) 转移酶 Transferase
转移酶催化基团转移反应，即将一个底物分子的 基团或原子转移到另一个底物的分子上。 例如， 谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。
CH3CHCOOH HOOCCH2CH2CCOOH
NH2
O
CH3CCOOH HOOCCH2CH2CHCOOH
O
NH2
3) 水解酶 Hydrolase
2.酶的组成
单成份酶：脲酶、蛋白酶、淀粉酶、核糖核酸
（简单蛋白质）
酶等。
酶
酶蛋白
（apoenzyme）
双成份酶
辅酶
（结合蛋白质） 辅因子 （coenzyme)
10章酶反应动力学-教学用
将实验测定的米-曼氏曲线的坐 标作平移，并用新坐标系 (x，y) 表示旧坐标系(v0，[S])，米-曼 氏方程可以转变为 xy = -Km 其 曲线为以坐标轴(x，y)为渐近线 的直角或等轴或等边双曲线
Vmax 2
从米-曼氏方程或其曲线可以看出三种情况：
当[ S ] [ K m ]，v0 Vmax[ S ] Km
基于快速平衡模型或平衡稳态模型的米氏方程: 早年的米式方程 最初，Michaelis 和 Menten 根据“快速平衡假说”推出米式方程。 快速平衡假说：一些假设
k1 E S ES k-1
反应可逆，且很快达到平衡 限速步骤，K2 << K-1 P的生成不足以破坏快速平衡
k2 ES PE
5为初始底物浓度s的函数所做的底物饱和曲线也称米曼氏作图或米曼氏曲线将实验测定的米曼氏曲线的坐标作平移并用新坐标系xy表示旧坐标系v0s米曼氏方程可以转变为xykm其曲线为以坐标轴xy为渐近线的直角或等轴或等边双曲线从米曼氏方程或其曲线可以看出三种情况
第 10 章
教学内容
酶促反应动力学
酶促反应动力学： 研究酶促反应的速度及其影响因素的科学。为酶的机理研究提供实验 证据，指导酶在生产中的应用。
2. Kcat 的意义: 催化常数或转换数
3. Kact/KM 的意义: 催化效率指数或专一性常数
1. KM的意义: 真实解离常数和表观解离常数
① 米氏常数KM是 v0=1/2 Vmax时的底物浓度。遵循米-曼氏动力 学的酶,也称为米-曼型酶, 是指呈现v0对[S]的双曲线关系的酶。 ② KM的真实意义决定于酶促反应机制的特定方面, 如反应步骤 数目和各步的速率常数。对于简单的二步反应： KM=(K-1+K2)/K1 当K2是限速步骤的速率常数时，即k2<<k-1 ，KM即Ks。 此时， KM 的意义是真实解离常数，代表ES复合体中酶对 底物的亲和力大小， 但是这种意义对大多数酶是不适用的。 当 k2、k-1 相当时，KM是三个速率常数的函数。
第十章蛋白质的酶促降解及氨基酸代谢ppt课件
-CH=NH
H-CO-CH2OH -CH= -CH2-CH3
亚氨甲基 甲酰基 甲醇基 次甲基 亚甲基
甲基
• 一碳基团的转移由相应的一碳基团转移酶催化，
其辅酶为FH4
• 一碳基团和氨基酸代谢
叶酸和 四氢叶酸（FH4或THFA）
叶 酸
四
氢
H
叶
10
酸
5
H
CHOCH2
N5N，5-NC1H0-OC-HF2H-F4 H4
(His、 Arg)
二 十 种 氨 基 酸 的 生 物 合 成 概 况
_x0
00b
丝氨 酸族
His 和 芳香族
丙氨 酸族
天冬氨 酸族
谷氨酸族
氨基酸生物合成的分族情况
（1）丙氨酸族 丙酮酸 Ala、Val、Leu
（2）丝氨酸族 甘油酸-3-磷酸 Ser、Gly、Cys
（3）谷氨酸族 -酮戊二酸 Glu、Gln、Pro、Arg
Mg2+
谷氨酰胺合成酶
+H2O
+2H
谷氨酸合成酶
3、联合脱氨基作用
（1）概念 （2）类型
转氨基作用 和氧化脱氨基 作用联合进行 的脱氨基作用 方式。
a、转氨酶与L-谷氨酸脱氢酶作用相偶联 b、转氨基作用与嘌呤核苷酸循环相偶联
转氨酶与L-谷氨酸脱氢酶作用相偶联
α-氨基酸
α-酮戊二酸
转氨酶
NH3+NADH
1、氧化脱氨基作用
氨基酸在酶的催化下脱去氨基生成相应的α-酮酸 的过程称为氧化脱氨基作用。主要有以下两种类型：
COOH
CH2
CH2
+ H2O
L-谷氨酸脱氢酶
CH NH2 COOH
酶促反应动力学
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18
五、Km和Vmax值的测定
(3) Hanes— Woolf作图法 将前式两边均 乘以[S]得：以 [s]/ v～[s]作图， 得一直线，横 轴的截距为 -Km，斜率为 1/ Vmax
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19
第二节 酶的抑制作用
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20
抑制与失活之间的关系
失活作用(inactivation) :使酶蛋白变性 而引起酶活力丧失的作用 ,变性剂对酶 的变性作用无选择性.
(3)反竞争性抑制:酶只有与底物结合后， 才能与抑制剂结合，即ES+I-ESI,不能分 解为产物。
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26
三、可逆抑制作用动力学
1．竞争性抑制 底物或抑制剂与酶的结合都是可逆的，存在着 下面平衡式：
Ki：为抑制剂常数 Ki= Ki2 / Ki1
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27
1．竞争性抑制曲线图
（1）V下降，发生抑制
底物浓度对酶反应 速率的影响
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3
底
物
浓
度
对
速
率
影 当底物浓度较低时，表现为一级反应（其反应速 响 率与浓度的关系能以单分子反应的动力学方程式 的 表示：v=dc/dt=kc （线性关系）
曲 随着底物浓度的增加，反应表现为混合级反应。
线 当底物浓度达到相当高时，表现为零级反应（与
图 底物浓度无关）。
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14
四、Vmax的意义
在一定酶浓度下，酶对特定底物的Vmax 也是一个常数。 pH、温度和离子强度等 因素也影响Vmax的数值， 同一种酶对不同底物的Vmax也不同。
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15
转换数的定义
当底物浓度很高时，Vmax = k3[ES] = k3[E]，k3表示当酶被底物饱和时，每秒 钟每个酶分子转换底物的分子数，这个 常数又叫做转换数(简称TN)，又称为催 化常数(catalytic constant，kcat)。 kcat值越大，表示酶的催化效率越高。
酶的作用机制和酶的活性部位调节 精品
（二）酶具有高催化能力的原因
1. 邻近效应与定向效应 作用：使分子间的反应变成类似分子内的反应
邻近效应（proximity effect） ：中间复合物的形成使有效 浓度极大升高。 定向效应（orientation effect）：正确取位。
2.诱导契合和底物的形变
诱导契合（induced fit）：很多酶的活性部位并不直接与底 物契合，必须在底物诱导下发生构象变化才能与底物贴切结 合。 底物的形变（substrate distortion）：底物一旦被结合上， 酶就能使底物形变或扭曲。主要是电子的重新分配，产生所 谓电子张力，使旧键弱化，并促使新键形成。
ATCase活性调节的机理:
C C C
汞盐
R R R R R R
C C
C C
C
+
C
催化亚基 （三聚体）
R R R R
R R
C
C
C
完整的 ATCase （活性）
调节亚基 （二聚体）
CTP ATP
有催化活性的构象
无催化活性的构象
•渐变模型（sequential model，KNF 模型）
1966年由Koshland D E、Nemethy G和Filmer D提出。
例
蛋白水解的消化酶类：胰凝乳蛋白酶。
血液凝固系统：血纤蛋白凝块的形成。 蛋白激素：前胰岛素原→ 胰岛素（有活性）。 皮肤和骨骼中的纤维蛋白：前胶原→ 胶原。 发育过程：蝌蚪变成蛙时的尾巴变化等。
必需残基
酶蛋白
酶分子中的残基分为四类：
接触残基：负责底物的结合与催化
辅助残基：起协助作用；
结构残基：维持酶的构象； 非贡献残基：它的替换对活性无影响，但对酶的 免疫、运输、调控与寿命等有作用。 前二者构成活性中心，前三者称为酶的必需基团。
第10章 酶动力学
Km
24
kcat值越大，表示酶的催化速率越高 kcat/Km常用来比较酶催化效率的参数
（四）米-曼氏方程的线性化作图求Km和Vmax
1. 双倒数(Lineweaver-Burk)作图
v0
Vmax[S ] Km [S]
1 Km 1 1 v0 Vmax [S ] Vmax
26
E+S
k 2
ES
k -1
E+P
Ks
Kcat
在低底物浓度时：反应速度与 底物浓度成正比，表现为一级 反应特征。
随着底物浓度的增高 反应速度不再成正比例加速； 反应为混合级反应。
当底物浓度达到一定值
反应速度达到最大值（Vmax），
此时再增加底物浓度，反应速度不 再增加，表现为零级反应。
（二）米-曼氏方程所确定的图形是直 角双曲线
单分子反应 A P v k[ A]
一级反应
AB P 双分子反应 v k[ A][B] 二级反应
2A P v k[ A]2
7
二、底物浓度对酶促反应速率的影响 （一）米-曼氏方程
k1 E+S
k-1
ES k2
E+P
8
米-曼氏方程的推导
26
k1 E+S
ES k2
E+P
k-1
27
d[ES] dt
2.Eadie-Hofstee作图法
第十章 酶动力学
Enzyme kinetics
本章内容
1. 有关的化学动力学概论（了解） 2. 底物浓度对酶促反应速率的影响（重点） 3. 多底物的酶促反应（了解） 4. 影响酶促反应速率的其他因素（了解） 5. 酶的抑制作用（重点、难点）
24
kcat值越大，表示酶的催化速率越高 kcat/Km常用来比较酶催化效率的参数
（四）米-曼氏方程的线性化作图求Km和Vmax
1. 双倒数(Lineweaver-Burk)作图
v0
Vmax[S ] Km [S]
1 Km 1 1 v0 Vmax [S ] Vmax
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E+S
k 2
ES
k -1
E+P
Ks
Kcat
在低底物浓度时：反应速度与 底物浓度成正比，表现为一级 反应特征。
随着底物浓度的增高 反应速度不再成正比例加速； 反应为混合级反应。
当底物浓度达到一定值
反应速度达到最大值（Vmax），
此时再增加底物浓度，反应速度不 再增加，表现为零级反应。
（二）米-曼氏方程所确定的图形是直 角双曲线
单分子反应 A P v k[ A]
一级反应
AB P 双分子反应 v k[ A][B] 二级反应
2A P v k[ A]2
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二、底物浓度对酶促反应速率的影响 （一）米-曼氏方程
k1 E+S
k-1
ES k2
E+P
8
米-曼氏方程的推导
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k1 E+S
ES k2
E+P
k-1
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d[ES] dt
2.Eadie-Hofstee作图法
第十章 酶动力学
Enzyme kinetics
本章内容
1. 有关的化学动力学概论（了解） 2. 底物浓度对酶促反应速率的影响（重点） 3. 多底物的酶促反应（了解） 4. 影响酶促反应速率的其他因素（了解） 5. 酶的抑制作用（重点、难点）
酶的作用机理
酶的作用机理
酶是一类生物大分子催化剂，能够在生物体内加速化学反应速度，并在反应结束后不被消耗或改变。
酶在生物体内扮演着至关重要的角色，而其作用机理是通过一系列复杂的过程来实现的。
酶的结构
酶通常由蛋白质组成，蛋白质是由氨基酸组成的多肽链。
酶的活性部位是其结构中特定的区域，这里的氨基酸序列决定了酶的特定催化活性。
酶在反应过程中与底物结合形成酶-底物复合物，通过与底物分子的作用来催化反应。
酶的作用过程
酶的作用过程可以分为几个关键步骤：
1.底物结合：酶通过与底物特定的结合方式形成酶-底
物复合物。
2.过渡态形成：酶通过调整底物分子的构象，降低反
应所需的活化能，促进反应速率。
3.反应催化：酶引导底物分子以特定方式相互作用，
使得反应发生特定的化学变化。
4.产物释放：反应结束后，酶释放产生的产物，准备
接受新的底物继续催化反应。
酶与底物的相互作用
酶与底物之间的相互作用是通过亲和性来实现的。
亲和力越高，酶对底物的结合效率就越高，反之亦然。
酶结合底物后会发生构象变化，从而稳定底物分子在合适的位置和构象以促进反应的进行。
酶的催化机理
酶催化反应的机理可以分为两种：锁-键模型和诱导拟合模型。
在锁-键模型中，酶和底物之间的结合就像锁和钥匙的关系，具有高度特异性。
而在诱导拟合模型中，酶在与底物结合后发生构象变化，从而调整底物的构象以促进反应。
总的来说，酶通过其特殊的结构和活性部位，在生物体内实现了高效的催化作用，从而调节并加速生物体内的代谢和生化反应，对维持生命活动起着至关重要的作用。
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第10章 酶的作用机制
9.1、酶的活性部位
（一）基本概念：酶的活性中心是指结合底物和 将底物转化为产物的区域，通常是相隔很远的 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。
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.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。
9.3、酶催化反应机制的实例
（一）溶菌酶 溶菌酶的生物学功能是催化某些细胞壁多糖的
水解。 X射线晶体结构分析法和竞争性抑制剂揭示了
酶的活性部位。 键张力导致与酶结合的底物特定位置的糖苷键
底物
(NAG)2 (NAG)3 (NAG)4 (NAG)5 (NAG)6 (NAG-NAM)3
相对水解速率 0 1 8 4000 30000 60000
图像分析表明，(NAG)3仅仅占据了半个狭 缝，酶的最小底物应该是(NAG)6
第4个糖残基 D环因空间原 因必须由正常 的椅式变形为 能量较高的半 椅式构象。因 此糖苷键的稳 定性降低，键 容易从此断裂。
稳定性降低。 溶菌酶催化机制是一个广义的酸碱催化，
Glu35和Asp52在催化过程中起了重要作用。
溶菌酶是一种葡糖苷酶，能催化水解NAM的 C1和NAG的C4之间的糖苷键，但不能水解 NAG C1和NAM C4之析法揭示了溶菌酶的三维结构 活性部位？
(NAG)3是研究溶菌酶活性部位的良好竞争性抑制剂
学基团） X- 射线晶体衍射法： 定点诱变法
DFP的作用
二异丙基氟磷酸
9.2、影响酶催化效率的有关因素
（一）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。
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
..
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%。
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）.
酶-底物复合物形成时，酶分子构象发生 变化，底物分子也常常受到酶的作用而 发生变化，甚至使底物分子发生扭曲变 形，从而使底物分子某些键的键能减弱， 产生键扭曲，有助于过度态的中间产物 形成,从而降低了反应的活化能。
诱导契合模型与底物的形变
（三）酸碱催化（acid-base catalysis）
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
（三）研究酶活性部位的主要方法
酶分子侧链基团的化学修饰法 1. 非特异性共价修饰 2. 特异性共价修饰（DFP） 3. 亲和标记（底物类似物，具有活泼的化
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。
(五) 金属离子的催化作用
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+
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
（二）底物的形变（distortion）
广义酸基团
广义碱基团（质子
供体）
（质子受体）
+
-COOH3,,
-N -SHH,
-CO - O..2 ,, ---S N,H
+
OHHN NH
O- :N NH
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。
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，达到降低反应活化能的过程。
酸-碱催化是催化有机反应的最普遍有效 的催化剂
酶分子中可作为酸碱催化的功能基团
所以，His是酶中最有效最活泼的一个催 化功能基团。
（四）共价催化 （covalent catalysis）
催化剂通过与底物形成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以下亲核基 团： His 的咪唑基，Cys 的硫基，Asp 的羧 基，Ser 的羟基等；亲电子基团：H+ 、Mg2+、 Mn2+ 、Fe3+
9.1、酶的活性部位
（一）基本概念：酶的活性中心是指结合底物和 将底物转化为产物的区域，通常是相隔很远的 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。
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.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。
9.3、酶催化反应机制的实例
（一）溶菌酶 溶菌酶的生物学功能是催化某些细胞壁多糖的
水解。 X射线晶体结构分析法和竞争性抑制剂揭示了
酶的活性部位。 键张力导致与酶结合的底物特定位置的糖苷键
底物
(NAG)2 (NAG)3 (NAG)4 (NAG)5 (NAG)6 (NAG-NAM)3
相对水解速率 0 1 8 4000 30000 60000
图像分析表明，(NAG)3仅仅占据了半个狭 缝，酶的最小底物应该是(NAG)6
第4个糖残基 D环因空间原 因必须由正常 的椅式变形为 能量较高的半 椅式构象。因 此糖苷键的稳 定性降低，键 容易从此断裂。
稳定性降低。 溶菌酶催化机制是一个广义的酸碱催化，
Glu35和Asp52在催化过程中起了重要作用。
溶菌酶是一种葡糖苷酶，能催化水解NAM的 C1和NAG的C4之间的糖苷键，但不能水解 NAG C1和NAM C4之析法揭示了溶菌酶的三维结构 活性部位？
(NAG)3是研究溶菌酶活性部位的良好竞争性抑制剂
学基团） X- 射线晶体衍射法： 定点诱变法
DFP的作用
二异丙基氟磷酸
9.2、影响酶催化效率的有关因素
（一）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。
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
..
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%。
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）.
酶-底物复合物形成时，酶分子构象发生 变化，底物分子也常常受到酶的作用而 发生变化，甚至使底物分子发生扭曲变 形，从而使底物分子某些键的键能减弱， 产生键扭曲，有助于过度态的中间产物 形成,从而降低了反应的活化能。
诱导契合模型与底物的形变
（三）酸碱催化（acid-base catalysis）
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
（三）研究酶活性部位的主要方法
酶分子侧链基团的化学修饰法 1. 非特异性共价修饰 2. 特异性共价修饰（DFP） 3. 亲和标记（底物类似物，具有活泼的化
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。
(五) 金属离子的催化作用
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+
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
（二）底物的形变（distortion）
广义酸基团
广义碱基团（质子
供体）
（质子受体）
+
-COOH3,,
-N -SHH,
-CO - O..2 ,, ---S N,H
+
OHHN NH
O- :N NH
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。
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，达到降低反应活化能的过程。
酸-碱催化是催化有机反应的最普遍有效 的催化剂
酶分子中可作为酸碱催化的功能基团
所以，His是酶中最有效最活泼的一个催 化功能基团。
（四）共价催化 （covalent catalysis）
催化剂通过与底物形成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以下亲核基 团： His 的咪唑基，Cys 的硫基，Asp 的羧 基，Ser 的羟基等；亲电子基团：H+ 、Mg2+、 Mn2+ 、Fe3+