(2.1)--酶与酶工程
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酶工程
一 酶的结构
为什么酶蛋白具有催化活性而 非酶蛋白无催化活性？
活性中心（活性部位）
活性中心（活性部位） 必需基团：
活性
活wenku.baidu.com部
中心
位
活性中心必需基 团分为两类
结合基团：与底物结合的必 需基团 催化基团：直接参与催化
反应的必需基团
活性中心外 的必需基团
酶活性中心示意图
多肽链 底物分子
酶
底 物
A. 互补匹配，能进 行作用
不匹配，不能作用
二 酶的催化作用
• （ 1 ） 研究方法 • （ 2 ）影响酶的催化作用
（ 1 ） 研究方法
• a. 从非酶系统模式获得催化作用规律
• b. 从酶的结构与功能研究中得到催化作 用机理的证据。
（ 2 ）影响酶的催化作用
• a. 广义的酸碱催化 • b. 共价催化 • c. 邻近效应及定向效应 • d. 变形或张力 • e. 酶的活性中心为疏水区域
1. 广义的酸碱催化
指的是质子供体及质子受体的催化 能供给质子的物质即为酸，能接受质子的物质即为碱 • 例 HA=A-+H+ HA 为酸， A- 为碱 • 例 HA （酸） +A=AXH （酸催化） • AXH+B- （碱） =Y+BH+A- （碱催化）
酶蛋白中含有好几种可以起广义酸碱催化作 用的功能基，如氨基、羧基、巯基、酚羟基 及咪唑基等。如下表。其中组氨酸的咪唑基 值得特别注意
+_
结合基团 活性中心内 催化基团 的必需基团
酶活性中心
• 酶的活性部位：
• 可以是由在线性多肽中可能相隔很远 的氨基酸残基形成的三维实体。
总结
“ 三点结合”的催化理论
认为酶与底物的结合 处至少有三个点，而 且只有一种情况是完 全结合的形式。只有 这种情况下，不对称 催化作用才能实现。
“ 三点附着”学说：
5. 酶的活性中心为疏水区域
酶的活性中心为酶分子的凹穴 , 此处
常为非极性或疏水性的氨基酸残基
。
活性 中心
活性 中心
结合区可避免水分子干扰
+ -
在避开水分子的干扰下，分子间的离子键才容易产生。
举例：胰凝乳蛋白酶（ chymotrypsin ）的作用机 理
三条肽链的折叠
酶活性中心 的ＡＡ残基
： Asp102 His57 Ser195
现在用高分辨率的 X- 射线衍射分析直接证明了，三个氨基酸残基在三维 结构中确实靠的很近：
42 58 组 57
天冬 102
丝 195
245 182
作用机理：
活性中心的这三种氨基酸残基可构成一个氢键体系，他们的排列 使组氨酸的咪唑基成为天冬氨酸羧基及丝氨酸羟基间的桥 梁。 Ser195 由于 His57 及 Asp102 的影响而成为很强的亲核基团， 易于供出电子。这个氢键体系又可称为电荷中继网（ charge relay network ）
4. 变形或张力
底物和酶结合时的构象变化示意图
底物分 子发生 变形
底物分 子和酶 分子都 发生变 形
张力学说
R CH2 OH
C OH RO
Sreric strain
H2O
RHH O
R
O
• 这是一个形成内酯的反应。当 R ＝ CH3 时，其反 应速度比 R ＝ H 的情况快 315 倍。
• 由于 -CH3 体积比较大，与反应基团之间产生一 种立体排斥张力，从而使反应基团之间更容易形 成稳定的五元环过渡状态。
亲核基团催化酰基的反应
（ 1 ）亲核基团（ Y ）催化的反应：
第一步RX Y + RY X- +
（快）
（酰基供体） （酰化了的催化剂）
第二R步Y H2O + ROH Y +H+ + 二步合R并X H2O + ROH X- +H+ +
（快） （快）
（ 2 ）非催化的反应： RX +H2O
ROH +X- +H+ （慢）
广义的酸基团
广义的碱基团
—COOH —NH3+ —SH
-C CH
HN
N+H
CH
OH
—COO— —NH2 —S —
-C CH
HN
N
CH
O_
2. 共价催化 （ covalent catalysi s）
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。
共价催化提高反应速度的原因
从有机模式反应的机理来理解：
共价催化的最一般形式是催化剂的亲核基团 （ nucleophilic group ）对底物中亲电子的碳原子 进行攻击。亲核基团含有多电子的原子，可以提 供电子，它是有效的催化剂。
3. 邻 近 效 应 和定向效应 （ proximity effect ）
（ orientation effect ）
A. 反应物的反应基 团和催化基团既不 靠近，也不彼此定 向
B. 两个基团靠近，但 不定向，也不利于反应
C. 两个基团既靠 近，又定向，大 大有利于底物形 成过渡态，加速 反应
邻近与定向（轨道定向）效应的示意图
结果
1. 大大提高了活性中心区域内的底物的有效浓度，而 化学反应的速度是与浓度成正比的，使分子间反应 近似于分子内反应
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。
2. 共价催化 （ covalent catalysi s）
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 的巯基， Asp 的 羧基， Ser 的羟基等 亲 电子基 团： H+ 、 Mg2+ 、 Mn2+ 、 Fe3+ ，蛋 白质 中的酪氨酸羟基及 -NH3+ 等
3. 邻 近 效 应 和定向效应 （ proximity effect ）
（ orientation effect ）
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。
2. 同时还为分子轨道交叉提供了有利条件，使底物进 入过渡时的熵变负值减小，反应活化能降低，从而 大大增加了底物与酶中间产物进入过渡态的几率。
3. 邻 近 效 应 和定向效应 （ proximity effect ）
（ orientation effect ）
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。
一 酶的结构
为什么酶蛋白具有催化活性而 非酶蛋白无催化活性？
活性中心（活性部位）
活性中心（活性部位） 必需基团：
活性
活wenku.baidu.com部
中心
位
活性中心必需基 团分为两类
结合基团：与底物结合的必 需基团 催化基团：直接参与催化
反应的必需基团
活性中心外 的必需基团
酶活性中心示意图
多肽链 底物分子
酶
底 物
A. 互补匹配，能进 行作用
不匹配，不能作用
二 酶的催化作用
• （ 1 ） 研究方法 • （ 2 ）影响酶的催化作用
（ 1 ） 研究方法
• a. 从非酶系统模式获得催化作用规律
• b. 从酶的结构与功能研究中得到催化作 用机理的证据。
（ 2 ）影响酶的催化作用
• a. 广义的酸碱催化 • b. 共价催化 • c. 邻近效应及定向效应 • d. 变形或张力 • e. 酶的活性中心为疏水区域
1. 广义的酸碱催化
指的是质子供体及质子受体的催化 能供给质子的物质即为酸，能接受质子的物质即为碱 • 例 HA=A-+H+ HA 为酸， A- 为碱 • 例 HA （酸） +A=AXH （酸催化） • AXH+B- （碱） =Y+BH+A- （碱催化）
酶蛋白中含有好几种可以起广义酸碱催化作 用的功能基，如氨基、羧基、巯基、酚羟基 及咪唑基等。如下表。其中组氨酸的咪唑基 值得特别注意
+_
结合基团 活性中心内 催化基团 的必需基团
酶活性中心
• 酶的活性部位：
• 可以是由在线性多肽中可能相隔很远 的氨基酸残基形成的三维实体。
总结
“ 三点结合”的催化理论
认为酶与底物的结合 处至少有三个点，而 且只有一种情况是完 全结合的形式。只有 这种情况下，不对称 催化作用才能实现。
“ 三点附着”学说：
5. 酶的活性中心为疏水区域
酶的活性中心为酶分子的凹穴 , 此处
常为非极性或疏水性的氨基酸残基
。
活性 中心
活性 中心
结合区可避免水分子干扰
+ -
在避开水分子的干扰下，分子间的离子键才容易产生。
举例：胰凝乳蛋白酶（ chymotrypsin ）的作用机 理
三条肽链的折叠
酶活性中心 的ＡＡ残基
： Asp102 His57 Ser195
现在用高分辨率的 X- 射线衍射分析直接证明了，三个氨基酸残基在三维 结构中确实靠的很近：
42 58 组 57
天冬 102
丝 195
245 182
作用机理：
活性中心的这三种氨基酸残基可构成一个氢键体系，他们的排列 使组氨酸的咪唑基成为天冬氨酸羧基及丝氨酸羟基间的桥 梁。 Ser195 由于 His57 及 Asp102 的影响而成为很强的亲核基团， 易于供出电子。这个氢键体系又可称为电荷中继网（ charge relay network ）
4. 变形或张力
底物和酶结合时的构象变化示意图
底物分 子发生 变形
底物分 子和酶 分子都 发生变 形
张力学说
R CH2 OH
C OH RO
Sreric strain
H2O
RHH O
R
O
• 这是一个形成内酯的反应。当 R ＝ CH3 时，其反 应速度比 R ＝ H 的情况快 315 倍。
• 由于 -CH3 体积比较大，与反应基团之间产生一 种立体排斥张力，从而使反应基团之间更容易形 成稳定的五元环过渡状态。
亲核基团催化酰基的反应
（ 1 ）亲核基团（ Y ）催化的反应：
第一步RX Y + RY X- +
（快）
（酰基供体） （酰化了的催化剂）
第二R步Y H2O + ROH Y +H+ + 二步合R并X H2O + ROH X- +H+ +
（快） （快）
（ 2 ）非催化的反应： RX +H2O
ROH +X- +H+ （慢）
广义的酸基团
广义的碱基团
—COOH —NH3+ —SH
-C CH
HN
N+H
CH
OH
—COO— —NH2 —S —
-C CH
HN
N
CH
O_
2. 共价催化 （ covalent catalysi s）
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。
共价催化提高反应速度的原因
从有机模式反应的机理来理解：
共价催化的最一般形式是催化剂的亲核基团 （ nucleophilic group ）对底物中亲电子的碳原子 进行攻击。亲核基团含有多电子的原子，可以提 供电子，它是有效的催化剂。
3. 邻 近 效 应 和定向效应 （ proximity effect ）
（ orientation effect ）
A. 反应物的反应基 团和催化基团既不 靠近，也不彼此定 向
B. 两个基团靠近，但 不定向，也不利于反应
C. 两个基团既靠 近，又定向，大 大有利于底物形 成过渡态，加速 反应
邻近与定向（轨道定向）效应的示意图
结果
1. 大大提高了活性中心区域内的底物的有效浓度，而 化学反应的速度是与浓度成正比的，使分子间反应 近似于分子内反应
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。
2. 共价催化 （ covalent catalysi s）
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 的巯基， Asp 的 羧基， Ser 的羟基等 亲 电子基 团： H+ 、 Mg2+ 、 Mn2+ 、 Fe3+ ，蛋 白质 中的酪氨酸羟基及 -NH3+ 等
3. 邻 近 效 应 和定向效应 （ proximity effect ）
（ orientation effect ）
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。
2. 同时还为分子轨道交叉提供了有利条件，使底物进 入过渡时的熵变负值减小，反应活化能降低，从而 大大增加了底物与酶中间产物进入过渡态的几率。
3. 邻 近 效 应 和定向效应 （ proximity effect ）
（ orientation effect ）
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。