酶与生物催化剂

活性中心外的必需基团 位于活性中心以外，维持酶活性中心应有的空间
构象所必需。
活性中心以外的 必需基团
结合基团
底物 催化基团 活性中心
第一节 酶的催化机制
1. 一般酸碱催化 酶分子的某些功能基团起酸或碱催化作
用，即供质子（酸）或接纳质子（碱）， 从而促进作用物发生过度态的转变，加 速反应过程。
单纯酶 (simple enzyme) 结合酶 (conjugated enzyme)
全酶 (holoenzyme)
蛋白质部分：酶蛋白 (apoenzyme)
辅助因子 (cofactor)
小分子有机化合物 金属离子
*各部分在催化反应中的作用
酶蛋白决定反应的特异性 辅助因子决定反应的种类与性质
一般酸碱催化作用通过酶催化中心的功 能基团形成酸性或碱性环境，影响底物 的解离状态而起作用，与无机酸碱的催 化原理一样。
酸碱催化作用
结合
过度状态
生成产物
2. 亲核或亲电催化
酶分子的功能基团或辅基呈正或负解离 状态，从而起亲电攻击（正解离）或亲 核击（负解离）作用。
金属离子、辅基或辅酶可呈不同的解离 状态，直接参与催化作用。
金属酶(metalloenzyme) 金属离子与酶结合紧密，提取过程中不易丢失。
金属激活酶(metal-activated enzyme) 金属离子为酶的活性所必需，但与酶的结合不甚紧 密。
金属离子的作用 稳定酶的构象； 参与催化反应，传递电子； 在酶与底物间起桥梁作用； 中和阴离子，降低反应中的静电斥力等。
酶学研究简史
公元前两千多年，我国已有酿酒记载。 一百余年前，Pasteur认为发酵是酵母细胞生命
活动的结果。
1878年，Kuhne首次提出 Enzyme 一词。
1897年，Buchner兄弟用不含细胞的酵母提取液， 实现了发酵。
1926年，Sumner首次从刀豆中提纯出脲酶结晶。 1982年，Cech首次发现rRNA前体也具有酶的催
化活性，提出 “核酶ribozyme ” 的概念。
酶的生物学意义
酶在机体中十分温和条件下的高效率催化 作用，使得生物体内的物质代谢有条不紊地进 行，并在多种因素的影响下对代谢发挥着巧妙 的调节作用(实验室中复杂有机物的合成与分 解必须在高温、强酸或强碱等剧烈条件下才能 进行)。
一、 酶的分子组成
或称活性部位(active site)，指必需基团在空间 结构上彼此靠近，组成具有特定空间结构的区域， 能与底物特异结合并将底物转化为产物。
活性中心内的必需基团
结合基团 (binding group) 与底物相结合
催化基团 (catalytic group) 催化底物转变成产物
常见基团：His残基的咪唑基、Ser残基的羟基、Cys残基 的巯基及Glu残基的-羧基。
羧基肽酶A的催化作用
活
特异
性 区
性识 别区
肽链
C-端识别
3. 临近效应及定向排列 酶对作用物的亲和力导致作用物浓集到
酶分子的表面上，从而提高了局部的反 应浓度。
作用物与酶的结合具有定向作用，有利 于作用物被催化攻击，提高反应效率。
作用物与 酶的结合
1）临近效应
胰凝乳蛋白酶的一级结构和空间结构
C. 多糖与溶菌酶结合时发生诱导契合，水 解点的糖环结构由稳定的椅式变成不稳 定的船式（过度状态）。
D. 溶菌酶的水解点位于6糖环结构的第4与 第5位之间的NAM-NAG b-糖苷键。
E. 溶菌酶作用的最佳pH为5，此时各功能 基团处于最佳的不同解离状态。
裂解位点
NAG—NAM—NAG—NAM—NAG—NAM
2）糜蛋白酶：糜蛋白酶原（含245个氨基 酸残基）由胰腺分泌，受胰蛋白酶激活， 在小肠催化蛋白质水解。
糜蛋白酶的催化特点
A. 糜蛋白酶催化水解疏水性侧链氨基酸 （如芳香族氨基酸、亮基酸等）形成的 肽键。
B. 具有一个疏水性口袋，结合氨基酸残 基的疏水性侧链，决定其催化特异性。
C. 催化部位有Ser195、His57、Asp102组 成一个电子接力系统，起催化作用。
D. 催化作用包括亲核攻击和酸碱催化，并 形成不稳定的四面体过度态。
糜
蛋
白
酶
肽键
的
催
化
电子接力
机
制
亲核攻击wk.baidu.com
糜 蛋 白 酶 的 催 化 机 制
糜 蛋 白 酶 的 催 化 机 制
糜 蛋 白 酶 的 催 化 机 制
糜 蛋 白 酶 的 催 化 机 制
第二节 金属在酶催化中的作用
1. 金属酶与金属激活酶 由金属离子作为辅基或辅酶与酶蛋白组
脲酶
Ni
谷胱甘肽过氧化物酶 Se
1）溶菌酶：由129个氨基酸残基组成，通 过水解细菌壁多糖的b-糖苷键而达到杀 菌作用。
溶菌酶的催化反应
溶菌酶与多糖的结合
溶菌酶的一般酸碱催化机制
溶菌酶的催化特点
A. 溶菌酶只能水解NAM-NAG（N-乙酰基 粘质酸-乙酰氨基葡萄糖）糖苷键，但 不能水解NAG-NAM糖苷键。
B. 溶菌酶的结合部位正好结合六个糖环结 构，两者形成多点的次级键结合。
成的酶称为金属酶（Metalloenzyme）。 如碳酸酐酶（含锌）和淀粉酶（含钙） 等。
不含金属离子，但需要金属离子激活的 酶称为金属激活酶。如柠檬酸合成酶 （需钾）和精氨酸酶（需锰）等。
常见的几种金属酶
金属酶
所含金属
羧肽酶A
Zn
醇脱氢酶
Zn
铁氧还蛋白
Fe
顺乌头酸酶
Fe
赖氨酰氧化酶
Cu
丁酰CoA脱氢酶 Cu
小分子有机化合物的作用 在反应中起运载体的作用，传递电子、质子或
其它基团。
辅助因子分类 （按其与酶蛋白结合的紧密程度）
辅酶 (coenzyme): 与酶蛋白结合疏松，可用透析或超滤的方法除 去。
辅基 (prosthetic group): 与酶蛋白结合紧密，不能用透析或超滤的方 法除去。
酶的活性中心(active center)
2）定向作用
4. 诱导契合作用
酶与作用物的接触，导致结构的相互变 形、相互适应的变化。例如酶分子的构 象在作用物的诱导下发生改变，从而有 利于酶与作用物的结合和促进作用物过 度状态的形成。
诱导契合作用
5、综合效应
酶的催化作用常常包括几种催化机制。 例如溶菌酶、糜蛋白酶的催化作用，包 括一般酸碱催化、定向作用、亲核攻击 等作用。