酶催化反应机制ppt课件
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H
OH C
O-H
H
+ HB
OH CHO
• 共催化（多元催化）：是酸和碱的共同参与催化的机制 • 电荷中继网（charge relay network）或质子转移通路：
H-O O- …… H-N N …… H-O O …… H+
C
P
O- O-
羧基
咪唑基
磷酸基
电子云由左向右移动，质子由右向左传递
• 质子转移通路上的各个基团都是广义酸，同时又是广义碱
三 其它Ser蛋白酶的催化机制:
• 胰酶、弹性蛋白酶、枯草杆菌蛋白酶的活性中心都有 Asp、His、Ser的质子传递通路，只是底物专一性不同：
Gly216 Gly226 Gly216 Gly226 Val216 Thr226
OH Ser
糜蛋白酶： 水解中性大 侧链aa
O OC
Asp
胰酶：作用 于碱性大侧 链aa
合，作用力的产生往往导致底物形变，使被作 用的底物敏感键极易断裂 • 例如：溶菌酶催化时使底物糖环由椅式转变为 半椅式
(三) 广义酸碱催化及共催化：
• 广义酸碱催化：质子供体或受体的催化
• 例如：葡萄糖变旋反应：
广义碱催化：
:B O OH
H
O OH
HB
OCHO
:B
OH CHO
广义酸催化：
HB O OH
• 金属酶类：酶和金属结合牢固 被金属激活酶类：在分离纯化过程中不带金属， 人为加入来激活酶类
• 金属离子的功能: 1. 维持酶的活性构象，使酶处于催化有利状态 2. 对底物有定位作用，如： Metal 丙酮酸激酶 ATP 丙酮酸 3. 作为超酸催化剂参与催化 ： 金属离子所带电荷可以不止一个；并且 荷电情况不受PH环境变化的影响
亲电试剂： -NH3+
(五) 微环境催化：
① 酶活性中心提供一个低介电区: 低介电环境有利于电荷间相互作用，而极性
环境往往对电荷有屏蔽作用。
② 局部环境差异使催化基团的解离状态不一样, 例如： 溶菌酶的两个催化羧基： Glu35-COOH Asp52-COO-
(六) 作为辅助因子的金属离子的催化
酶催化反应机制
第一节 前言
一 两个专一性假说：
1 锁钥（lock and key)结合假说： 由Fisher早期(1894)提出的理论 整个酶分子的构象是完整无缺的（刚性），酶
和底物之间是紧密配合的。 2 诱导契合学说(induced-fit hypothesis)：
1958年，Koshland 提出。提出酶活性中心的可 变性（挠性）。底物和酶结合时由于诱导和契合使 酶活性中心变化和底物紧密结合。
第二节 几种酶作用机制举例
一 溶菌酶(Lysozyme EC 3.2.1.17 )：
• 存在于鸡蛋清和动物分泌物中，单肽链129个aa，14,600，折 叠成近球状(4.53 3nm)， 底物为NAG和NAM相间 排列或NAG的单聚物
• 催化过程： ①与底物结合: 6个糖环第 3个必须是NAG；其它 糖环和酶形成氢键放能 并导致第4个糖环D由 椅式转变为半椅式
OH Ser
弹性蛋白酶：只水 解如Ala小侧链aa
四 羧肽酶A (EC 3.4.2.1)
1 酶的结构：
• 由胰腺分泌的一个含Zn的蛋白水解酶 • 水解蛋白质或肽的C-端，产生游离aa，对芳香族或大侧
链的脂肪族aa 作用较强 • 307aa构成，含 有38% -helix , 17% β-sheet, 分子椭球形， 表面有长裂隙， Zn位于其中
① 酰化：形成四联体中间物酰化酶
O
O
R’NH – C - R
C-O-H HN N H
Βιβλιοθήκη Baidu
Asp102
His57
H-O Ser195
四联体中间物 酰化酶
②水解脱酰:
R’NH2
H
O
O
R’NOH – C - R
C-O-H HHN N H
Asp102
His57
HO Ser195
• 催化特性： 亲核催化； 质子传递通路
④底物敏感肽键的 C=O代替原来的
• 底物过渡态类似物：
例如天然具有半椅式结构的环内酯作为溶菌酶的
底物，对酶的亲和力比一般糖环高3600倍。
三 酶催化反应机制（高效性影响因素）：
(一) 邻近、定向效应及分子内催化： • 邻近效应(approximation, proximity) ：
酶活性中心的特定构象使两底物残基互相靠近， 使底物在活性中心有效浓度提高从而加速反应
二 酶与底物相互作用——过渡态
• E+S
ES*
E+P
能量 (S*)
酶通过与底物形成过渡态中间物，
ΔE
降低反应活化能而加速反应。
• 过渡态中间物的维持力主要是一
S
些次级键：氢键、离子键、疏水力等，
P
形成过程中放出大量能量，抵消了部分活化能
• 处于过渡态的酶与底物的具有很高的亲和力，比底物 或产物高出几个数量级
• 定向效应( orientation effect) ：
酶使底物的构象固定，使分子轨道正确交叉 • 分子内催化：
由于邻近和定向效应的存在，使原本处于游离 状态的底物反应，转变成分子内反应。
(二) 底物形变与诱导楔合
• 底物形变(distortion)和诱导契合(induced fit)： 酶与底物在构象上相互诱导以便更好配
2 底物与酶的配合：以甘氨酰酪氨酸为底物（钝化二肽底物）
• 酶与底物之间形成5个相互作用力
① Arg145正电荷与底物Tyr羧基形成离子键 ② 底物Tyr侧链非极性口袋并和酶形成疏水键，并至少置换
出4个H2O ③ Tyr248的酚羟基和
OH ②
4H2O
待作用底物敏感肽
键的NH形成氢键
His69
CH2 ① Arg145
（4kcal/mol)
② 催化：
A B NAG O
O
HNAC C1
Glu35 H OOC
OO
H
E
F
H
Asp52-COO-
2 催化特征: ① 有明显的底物形变过程 ② 微环境催化 ③ 广义酸碱催化
二 胰凝乳酶 (EC 3.4.4.5)
• 活性中心三个基团: Asp102 His57 Ser195构成质子转移通路 • 水解分为两个步骤：
(四) 共价催化:
• 标志：催化过程中形成共价中间物 1 亲核催化:
带有多余电子对的基团或原子攻击缺少电子 而带有部分正电性的原子或基团并形成不稳定的 共价中间物的催化方式。
亲核试剂: Glu-COO- Asp-COO- His-咪唑基 2 亲电催化:
由缺少电子的亲电试剂从带负电的基团上夺 取一对电子并形成共价中间物的催化方式。
OH C
O-H
H
+ HB
OH CHO
• 共催化（多元催化）：是酸和碱的共同参与催化的机制 • 电荷中继网（charge relay network）或质子转移通路：
H-O O- …… H-N N …… H-O O …… H+
C
P
O- O-
羧基
咪唑基
磷酸基
电子云由左向右移动，质子由右向左传递
• 质子转移通路上的各个基团都是广义酸，同时又是广义碱
三 其它Ser蛋白酶的催化机制:
• 胰酶、弹性蛋白酶、枯草杆菌蛋白酶的活性中心都有 Asp、His、Ser的质子传递通路，只是底物专一性不同：
Gly216 Gly226 Gly216 Gly226 Val216 Thr226
OH Ser
糜蛋白酶： 水解中性大 侧链aa
O OC
Asp
胰酶：作用 于碱性大侧 链aa
合，作用力的产生往往导致底物形变，使被作 用的底物敏感键极易断裂 • 例如：溶菌酶催化时使底物糖环由椅式转变为 半椅式
(三) 广义酸碱催化及共催化：
• 广义酸碱催化：质子供体或受体的催化
• 例如：葡萄糖变旋反应：
广义碱催化：
:B O OH
H
O OH
HB
OCHO
:B
OH CHO
广义酸催化：
HB O OH
• 金属酶类：酶和金属结合牢固 被金属激活酶类：在分离纯化过程中不带金属， 人为加入来激活酶类
• 金属离子的功能: 1. 维持酶的活性构象，使酶处于催化有利状态 2. 对底物有定位作用，如： Metal 丙酮酸激酶 ATP 丙酮酸 3. 作为超酸催化剂参与催化 ： 金属离子所带电荷可以不止一个；并且 荷电情况不受PH环境变化的影响
亲电试剂： -NH3+
(五) 微环境催化：
① 酶活性中心提供一个低介电区: 低介电环境有利于电荷间相互作用，而极性
环境往往对电荷有屏蔽作用。
② 局部环境差异使催化基团的解离状态不一样, 例如： 溶菌酶的两个催化羧基： Glu35-COOH Asp52-COO-
(六) 作为辅助因子的金属离子的催化
酶催化反应机制
第一节 前言
一 两个专一性假说：
1 锁钥（lock and key)结合假说： 由Fisher早期(1894)提出的理论 整个酶分子的构象是完整无缺的（刚性），酶
和底物之间是紧密配合的。 2 诱导契合学说(induced-fit hypothesis)：
1958年，Koshland 提出。提出酶活性中心的可 变性（挠性）。底物和酶结合时由于诱导和契合使 酶活性中心变化和底物紧密结合。
第二节 几种酶作用机制举例
一 溶菌酶(Lysozyme EC 3.2.1.17 )：
• 存在于鸡蛋清和动物分泌物中，单肽链129个aa，14,600，折 叠成近球状(4.53 3nm)， 底物为NAG和NAM相间 排列或NAG的单聚物
• 催化过程： ①与底物结合: 6个糖环第 3个必须是NAG；其它 糖环和酶形成氢键放能 并导致第4个糖环D由 椅式转变为半椅式
OH Ser
弹性蛋白酶：只水 解如Ala小侧链aa
四 羧肽酶A (EC 3.4.2.1)
1 酶的结构：
• 由胰腺分泌的一个含Zn的蛋白水解酶 • 水解蛋白质或肽的C-端，产生游离aa，对芳香族或大侧
链的脂肪族aa 作用较强 • 307aa构成，含 有38% -helix , 17% β-sheet, 分子椭球形， 表面有长裂隙， Zn位于其中
① 酰化：形成四联体中间物酰化酶
O
O
R’NH – C - R
C-O-H HN N H
Βιβλιοθήκη Baidu
Asp102
His57
H-O Ser195
四联体中间物 酰化酶
②水解脱酰:
R’NH2
H
O
O
R’NOH – C - R
C-O-H HHN N H
Asp102
His57
HO Ser195
• 催化特性： 亲核催化； 质子传递通路
④底物敏感肽键的 C=O代替原来的
• 底物过渡态类似物：
例如天然具有半椅式结构的环内酯作为溶菌酶的
底物，对酶的亲和力比一般糖环高3600倍。
三 酶催化反应机制（高效性影响因素）：
(一) 邻近、定向效应及分子内催化： • 邻近效应(approximation, proximity) ：
酶活性中心的特定构象使两底物残基互相靠近， 使底物在活性中心有效浓度提高从而加速反应
二 酶与底物相互作用——过渡态
• E+S
ES*
E+P
能量 (S*)
酶通过与底物形成过渡态中间物，
ΔE
降低反应活化能而加速反应。
• 过渡态中间物的维持力主要是一
S
些次级键：氢键、离子键、疏水力等，
P
形成过程中放出大量能量，抵消了部分活化能
• 处于过渡态的酶与底物的具有很高的亲和力，比底物 或产物高出几个数量级
• 定向效应( orientation effect) ：
酶使底物的构象固定，使分子轨道正确交叉 • 分子内催化：
由于邻近和定向效应的存在，使原本处于游离 状态的底物反应，转变成分子内反应。
(二) 底物形变与诱导楔合
• 底物形变(distortion)和诱导契合(induced fit)： 酶与底物在构象上相互诱导以便更好配
2 底物与酶的配合：以甘氨酰酪氨酸为底物（钝化二肽底物）
• 酶与底物之间形成5个相互作用力
① Arg145正电荷与底物Tyr羧基形成离子键 ② 底物Tyr侧链非极性口袋并和酶形成疏水键，并至少置换
出4个H2O ③ Tyr248的酚羟基和
OH ②
4H2O
待作用底物敏感肽
键的NH形成氢键
His69
CH2 ① Arg145
（4kcal/mol)
② 催化：
A B NAG O
O
HNAC C1
Glu35 H OOC
OO
H
E
F
H
Asp52-COO-
2 催化特征: ① 有明显的底物形变过程 ② 微环境催化 ③ 广义酸碱催化
二 胰凝乳酶 (EC 3.4.4.5)
• 活性中心三个基团: Asp102 His57 Ser195构成质子转移通路 • 水解分为两个步骤：
(四) 共价催化:
• 标志：催化过程中形成共价中间物 1 亲核催化:
带有多余电子对的基团或原子攻击缺少电子 而带有部分正电性的原子或基团并形成不稳定的 共价中间物的催化方式。
亲核试剂: Glu-COO- Asp-COO- His-咪唑基 2 亲电催化:
由缺少电子的亲电试剂从带负电的基团上夺 取一对电子并形成共价中间物的催化方式。