酶学-4-酶的催化机制

表3－1
酶蛋白中的酸碱催化基团
碱催化基团（质子受体） —COONH2
酸催化基团（质子供体） —COOH
NH3
+
—SH
HN NH
+
—SHN N:
OH
O
-
二、共轭酸与共轭碱的催化通式
酶分子中 作为质子供体的酸催化基团是一种共轭酸， 以HB—表示； 作为质子受体的碱催化基团是一种共轭碱， 以:B—表示。
与酸碱催化相似，放出电子和吸取电子一般是一慢过程， 催化速度取决于放出电子与吸取电子的速度，催化效率 也取决于亲核催化剂和亲电催化剂的pK值与反应系统的 pH。但和酸碱催化不同，它形成的过渡态络合物不是离 子键，而是共价键。
1.胰蛋白酶原的激活
体内合成出来的酶，有时不具有生物活性，经过 蛋白水解酶专一作用后，构象发生变化，形成活性中 心，变成有活性的酶。这个不具活性的蛋白质称为酶 原（zymogen或proenzyme），这个过程称为酶原的 激活。 该变化过程，是生物体的一种调控机制 。这种调控 作用的特点是，蛋白质由 无活性状态转变成活性状态 是不可逆的。
①酶分子中共轭酸的催化通式：
O R C O H H X + H B O HB R C X H O H OH R C
+
X
+
B :
H O H
OH R C X OH + H B
O H R C +X + HB OH
-
+
O
-
R C O
O
-
R C OH + H + H X B
②酶分子中共轭碱的催化通式：
O R C X + B : H O H
变形或张力(*)
图4-3 变形或张力示意图
非酶系统中存在变形或张力加速反应的实例：
化合物Ⅰ
O O
-
HO O P O O + HO 2 HO P O O
-
+
C 2 H
CH2
CH3
CH3 O O
-
CH3 O + HO 2 HO P O
-
化合物Ⅱ
O P O
O
+
C 3OH H
第三节
酸碱催化机制
在酶催化反应中，大多是在生理条件下， +或OH-的浓度很低，很难 pH近于中性，游离的H 说游离的H+或OH-起到催化剂的作用。但酶分子 中大量存在酸催化基团（质子供体）和碱催化 基团（质子受体）二者发挥和协调作用与底物 分子中的基团之间实现质子传递而提高反应速 度。 这种催化理论称为酶的酸碱催化机制。
酸碱催化（acid-bases catalysis）
通过瞬时地向反应物提供质子或从反应物中汲 取质子，以稳定过渡态、加速反应的一类催化机 制。如酯的水解：
在水溶液中通过高反应性的质子（H+）和氢氧 离子（OH-）进行的催化称为狭义的酸碱催化；而 通过H+、 OH-以及能提供H+、 OH-的供体进行的催 化称为广义的酸碱催化。
定向效应（orientation）
酶的催化基团与底物的反应基之间的正确取位后产生的 反应速度增大的一种效应。正确定向取位问题在游离的反 应物体系中很难解决，但当反应体系由分子间反应变为分 子内反应后，这个问题就有了解决的基础。
戊二酸由于α和β 碳原子间的连接的旋转自由度很大，所以水 解速度较小，反之，当两羧酸完全固定，取向问题解决后， 反应速度提高很快。
肠 激 酶
胰蛋白酶原
六肽
活性中心 胰蛋白酶
胰蛋白酶原的激活示意图
.
胰蛋白酶对各种胰脏蛋白酶的激活作用
胰蛋白酶原 肠 激 酶 六肽
胰凝乳蛋白酶原
弹性蛋白酶原
胰蛋白酶
胰凝乳蛋白酶
弹性蛋白酶
羧肽酶原
羧肽酶
胰蛋白酶对各种胰脏蛋白酶的激活作用
胰蛋白酶原 肠 激 酶 六肽
胰凝乳蛋白酶原
弹性蛋白酶原
胰蛋白酶
邻近效应（proximity）
指酶、底物结合形成络合物时，底物分子和底物分子 （如双分子反应）间、酶的催化基团和底物分子间，由于 结合形成了“一个分子”，反应基团的有效浓度得到了极 大升高，反应速度得以大大增大的一种效应。
图中（A）为三甲基胺对对硝基苯酯羰基直接进行亲核作用， 催化酯进行水解，（B）为三甲基胺与对硝基苯酯结合成一个 分子后进行的催化。从1k/2k可以看出，当分子间反应变为分子 内反应后，底物的有效浓度增加了近6000 mol/L。
(a) 不靠近、不定向
(b) 趋近、不定向
(c) 趋近、定向
图7-1 底物与酶定向效应的三种情况 这种趋近定向的联合效应可能使反应增加108 倍。 对酶催化反应而言，“趋近”、“定向”虽然是两个概念，但 实际上是共同产生的催化效果。 要使酶既与底物靠近，又与底物定向，就要求底物必须是酶的 最适底物，就象左手的手套必须戴在左手上一样。
酸碱催化机制：
Br nsted 催化作用定律
CA、CB为常数，由反应类型、温度
及溶剂系统等因素决定；α和β称为 Bronsted常数，它们是衡量酸碱强度对 反应速度影响的灵敏度指标，变动于 0～1之间。当α或β＝0时，说明没有 质子转移，反应速度与酸碱强度无关； 反之，当α或β＝1时，质子完全转移， 反应速度敏感于酸碱强度。 根据上述关系进行Bronsted作图， 可估算出广义酸碱对反应速度所能发挥 的作用。
第二节 构象变化效应
一、底物诱导酶分子构象的改变 1958年（Daniel E. Koshland）提出诱导契合学说。
图4-2 底物与酶的结合
a: 羧肽酶A在结合底物前 b: 羧肽酶A在结合底物后
▼
▼
▼
底物甘氨酰-酪氨酸 甘氨酰酪氨酸在羧肽酶A活性部位上的三维结构
羧 肽 酶 结 合 底 物 前 后 构 象 变 化
1）过程： L IVS 414nt -15 自我环化 c399nt – 4 c395nt L 395 nt – 19nt L-19 IVS
2）多功能酶 水解RNA、转核苷酸作用、转磷酸基作用
二、酶的二、三级结构与催化功能的关系 有时只要酶活中心各基团的相对位置 得以维持，一级结构的破坏却并不影响 酶的活性。 例如: 牛胰核糖核酸酶 RNase A 124aa 切开 N端 1－20aa (S)肽 C端 104aa (S)蛋白 无活性 混合1：1，恢复活性
E
+
k1 S ES k-1
k2
E
+
P
酶的高效催化机理 1. 过渡态中间物和活化自由能
2. 邻近效应和定向效应
邻近效应：底物分子从稀溶液中密集到酶分子活性 中心后，酶分子活性中心能使底物分子彼此靠近， 大大提高了底物在活性中心部位的有效浓度，因而 提高了反应速度。 定向效应：酶分子活性中心的催化基团与底物分 子的反应基团之间能正确的定向排布，从而大大降 低活化自由能，提高反应速度。 两种效应可以变分子间反应成分子内反应。
对于需要辅因子的酶来说，辅因子或它的部分结构，也是 酶活性中心的组成部分。
有7种氨基酸参与酶活性中心的频率最高： 丝氨酸（Ser） 组氨酸（His） 半胱氨酸（Cys） 酪氨酸（Tyr） 色氨酸（Trp）
天冬氨酸（Asp）谷氨酸（Glu） 赖氨酸（Lys）
核酶活性中心
二、酶活性中心区域的一级结构 可以把催化机制非常相似的一些酶归为一个小类。 例如： 丝氨酸蛋白酶 [EC.3.4.21] 在它们接触残基丝氨酸（Ser）的附近具有完全相同 的六肽： （…Gly — Asp — Ser — Gly — Gly — Pro…） 疏基蛋白酶 [EC.3.4.22] 在其活性中心半胱氨酸附近的氨基酸顺序几乎相同： （…Cys — Gly — Ser (Ala) — Cys — Trp…）
酶的催化机制
酶的组织结构与活性中心 趋近与定向效应 构象变化效应 酸碱催化机制 共价催化机制 微环境效应 酶作用机制的研究方法
酶 的 催 化 机 制
第一节
酶的活性中心
一、酶活性中心上的残基 1. 接触残基 2. 辅助残基 3. 结构残基 4. 非贡献残基
图2-2 酶分子各种残基的作用示意图
活性中心形成的特点 1960年，Koshland将酶 分子中的氨基酸残基分 为四类：
Glu270
Zn
Tyr248
Arg145
Zn
底物
羧肽酶活性中心Zn2+的中心作用
羧肽酶活性中心必需基团与 底物间的结合
145
羧肽酶活性中心的共价催化机理
二、酶分子诱导底物构象的改变
如：脯氨酸消旋酶，催化
L Pro D Pro
SP3杂化
SP2杂化
*
脯氨酸
吡咯—2—羧酸
猪胰淀粉酶诱导葡萄糖残基构象变化示意图
O R C X H O H :B
O
-
R C X + HB OH
O R C OH + H X + B :
三、核糖核酸酶的酸碱催化过程
图4-4 RNase催化RNA水解过程示意图
+
图4-4 RNase催化RNA水解过程示意图
图4-4 RNase催化RNA水解过程示意图
图4-4 RNase催化RNA水解过程示意图
核糖核酸酶 A（ribonuclease)
核糖核酸酶 A（ribonuБайду номын сангаасlease)
RNase-底物复合物
核糖核酸链受RNase水解的位点
核糖核酸酶 A（ribonuclease)
RNase活性中心的酸碱催化机理
第四节
共价催化机制
共价催化(covalent catalysis)又称为亲核或 亲电催化。在催化时，亲核催化剂或亲电催化剂能分别 放出电子或汲取电子并作用底物的缺电子中心或负电中 心，迅速形成不稳定的共价络合物，降低反应活化自由 能，以达到加速反应的目的。