第三節(jié) 酶的作用機(jī)制

1、三、酶催化作用專一性的機(jī)理三、酶催化作用專一性的機(jī)理一、中間產(chǎn)物學(xué)說一、中間產(chǎn)物學(xué)說四、影響酶催化效率的因素四、影響酶催化效率的因素 二、酶的功能部位中間產(chǎn)物學(xué)說二、酶的功能部位中間產(chǎn)物學(xué)說又叫又叫過渡態(tài)學(xué)說過渡態(tài)學(xué)說過渡態(tài)過渡態(tài) ES ( 過渡態(tài)過渡態(tài))酶與底物通過形成過渡態(tài)的酶與底物通過形成過渡態(tài)的中間產(chǎn)物使反應(yīng)沿一個(gè)低活化能中間產(chǎn)物使反應(yīng)沿一個(gè)低活化能的途徑進(jìn)行。的途徑進(jìn)行。ES EP 目前許多實(shí)驗(yàn)事實(shí)證明了中間復(fù)合物的存在。目前許多實(shí)驗(yàn)事實(shí)證明了中間復(fù)合物的存在。 231KEPKESKSE 酶（酶（E E）與底物（）與底物（S S）結(jié)）結(jié)合生成不穩(wěn)定的中間物（合生成不穩(wěn)定的中間物（ES

2、ES），再分解成產(chǎn)物（），再分解成產(chǎn)物（P P）并釋放出酶，使反應(yīng)沿）并釋放出酶，使反應(yīng)沿一個(gè)低活化能的途徑進(jìn)行一個(gè)低活化能的途徑進(jìn)行，降低反應(yīng)所需活化能，降低反應(yīng)所需活化能，所以能加快反應(yīng)速度。所以能加快反應(yīng)速度。E+SE+SP+ EP+ EESES能能量量水水平平反應(yīng)過程反應(yīng)過程 G G E E1 1 E E2 2中間產(chǎn)物假說中間產(chǎn)物假說 酶分子中直接與底物結(jié)合，并催化底物發(fā)生化酶分子中直接與底物結(jié)合，并催化底物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的空間區(qū)域，也稱酶的活性部位學(xué)反應(yīng)的空間區(qū)域，也稱酶的活性部位(active site)。 酶酶 AAAA殘基數(shù)殘基數(shù) 活性部位的活性部位的AAAA殘基殘基 核糖核酸酶

3、核糖核酸酶 124 124 His12， His119, Lys41 溶菌酶溶菌酶 129 129 Asp52, Glu35 胰凝乳蛋白酶胰凝乳蛋白酶 241 241 His57, Asp102，Ser195 胃蛋白酶胃蛋白酶 348 348 Asp32, Asp215 木瓜蛋白酶木瓜蛋白酶 212 212 Cys25, His159 羧肽酶羧肽酶A 307 A 307 Arg127, Glu270,Tyr248,Zn2+結(jié)合基團(tuán)結(jié)合基團(tuán)binding group催化基團(tuán)催化基團(tuán)(catalytic group)催化底物轉(zhuǎn)變成產(chǎn)物催化底物轉(zhuǎn)變成產(chǎn)物 位于活性中心以外，維持酶空間構(gòu)象必需位于活性

4、中心以外，維持酶空間構(gòu)象必需的基團(tuán)的基團(tuán)活性中心外的必需基團(tuán)活性中心外的必需基團(tuán)2、必需基團(tuán)：酶分子上與酶活性有關(guān)的化學(xué)基團(tuán)、必需基團(tuán)：酶分子上與酶活性有關(guān)的化學(xué)基團(tuán)底底 物物 活性中心以外活性中心以外的必需基團(tuán)的必需基團(tuán)結(jié)合基團(tuán)結(jié)合基團(tuán)催化基團(tuán)催化基團(tuán) 活性中心活性中心 3 3調(diào)控部位調(diào)控部位 Regulatory siteRegulatory site 鎖鑰學(xué)說鎖鑰學(xué)說(lock and key theory)(lock and key theory) 誘導(dǎo)契合學(xué)說誘導(dǎo)契合學(xué)說(induced-fit hypothesis)(induced-fit hypothesis)酶活性中心的形狀與

5、底物分子形狀互補(bǔ)酶活性中心的形狀與底物分子形狀互補(bǔ);酶活性部位酶活性部位鎖孔，底物分子鎖孔，底物分子鑰匙鑰匙;整個(gè)酶分子的天然構(gòu)象具有剛性結(jié)構(gòu)整個(gè)酶分子的天然構(gòu)象具有剛性結(jié)構(gòu)。1890年 Emil Fischer 提出酶表面并沒有一種與底物互補(bǔ)的固定形狀酶表面并沒有一種與底物互補(bǔ)的固定形狀;酶活性部位的構(gòu)象是柔韌可變的酶活性部位的構(gòu)象是柔韌可變的；底物接近活性中心時(shí)，誘導(dǎo)酶蛋白構(gòu)象發(fā)生變化，與底物成底物接近活性中心時(shí)，誘導(dǎo)酶蛋白構(gòu)象發(fā)生變化，與底物成互補(bǔ)形狀有機(jī)的結(jié)合而催化反應(yīng)進(jìn)行；互補(bǔ)形狀有機(jī)的結(jié)合而催化反應(yīng)進(jìn)行；酶反應(yīng)過程中，活性中心構(gòu)象的變化是可逆的。酶反應(yīng)過程中，活性中心構(gòu)象的變化是可

6、逆的。 定向效應(yīng)：定向效應(yīng)：相互靠近的底物分子之間及底物分子相互靠近的底物分子之間及底物分子的反應(yīng)基團(tuán)與酶的催化基團(tuán)之間正確的定向取位。的反應(yīng)基團(tuán)與酶的催化基團(tuán)之間正確的定向取位。僅僅是靠近還不夠，還需要酶活性中心的催化基團(tuán)僅僅是靠近還不夠，還需要酶活性中心的催化基團(tuán)和底物的反應(yīng)基團(tuán)在反應(yīng)中彼此相互嚴(yán)格地定向。只和底物的反應(yīng)基團(tuán)在反應(yīng)中彼此相互嚴(yán)格地定向。只有有既靠近又定向既靠近又定向，底物分子才能迅速的形成過渡態(tài)，底物分子才能迅速的形成過渡態(tài)，加速反應(yīng)的進(jìn)行。加速反應(yīng)的進(jìn)行?！皬埩埩Α焙秃汀靶巫冃巫儭?酶催化的高效性機(jī)理RCRCH2OHOOHH2ORROOHHSreric strain 酶

7、與底物在誘導(dǎo)契合過程中酶與底物在誘導(dǎo)契合過程中, ,酶受底物誘導(dǎo)構(gòu)象酶受底物誘導(dǎo)構(gòu)象發(fā)生變化發(fā)生變化, , 同時(shí)酶也使底物分子中的敏感鍵產(chǎn)生同時(shí)酶也使底物分子中的敏感鍵產(chǎn)生“張力張力”和變形，和變形， 從而促使底物中的敏感鍵更易于從而促使底物中的敏感鍵更易于破裂，發(fā)生反應(yīng)。破裂，發(fā)生反應(yīng)。廣義酸堿催化是指通過質(zhì)子酸提供部分質(zhì)子廣義酸堿催化是指通過質(zhì)子酸提供部分質(zhì)子, ,或是通過質(zhì)子堿接受部分質(zhì)子的作用，達(dá)到降或是通過質(zhì)子堿接受部分質(zhì)子的作用，達(dá)到降低反應(yīng)活化能的過程低反應(yīng)活化能的過程。酶活性部位上的某些基團(tuán)可以作為良好的質(zhì)子酶活性部位上的某些基團(tuán)可以作為良好的質(zhì)子供體或受體，供體或受體，通過瞬

8、時(shí)的向底物提供質(zhì)子或從通過瞬時(shí)的向底物提供質(zhì)子或從底物接受質(zhì)子以穩(wěn)定過渡態(tài)底物接受質(zhì)子以穩(wěn)定過渡態(tài)而加速反應(yīng)的催化而加速反應(yīng)的催化機(jī)制。機(jī)制。His57,Asp102,Ser195形成催化三聯(lián)體（形成催化三聯(lián)體（catalytic triad)共價(jià)催化又稱親核催化或親電子催化共價(jià)催化又稱親核催化或親電子催化酶的活性基團(tuán)和底物通過親核或親電反應(yīng)形成反應(yīng)酶的活性基團(tuán)和底物通過親核或親電反應(yīng)形成反應(yīng)活性很高的活性很高的不穩(wěn)定共價(jià)過渡復(fù)合物不穩(wěn)定共價(jià)過渡復(fù)合物，使反應(yīng)的活化，使反應(yīng)的活化能大大降低，從而提高反應(yīng)速度。能大大降低，從而提高反應(yīng)速度。共價(jià)催化的最一般形式共價(jià)催化的最一般形式: :酶的親核基

9、團(tuán)對(duì)底物中的酶的親核基團(tuán)對(duì)底物中的碳原子進(jìn)行攻擊，形成共價(jià)中間物碳原子進(jìn)行攻擊，形成共價(jià)中間物。某些輔酶，如焦磷酸硫胺素和磷酸吡哆醛等也可某些輔酶，如焦磷酸硫胺素和磷酸吡哆醛等也可以參與共價(jià)催化作用。以參與共價(jià)催化作用。 酶催化的高效性機(jī)理羧肽酶活性中心羧肽酶活性中心ZnZn2+2+的作用的作用 His57,Asp102,Ser195形成催化三聯(lián)體（形成催化三聯(lián)體（catalytic triad)7 7、 活性中心微環(huán)境的影響活性中心微環(huán)境的影響酶催化的高效性的機(jī)理Val216 Thr226Gly216 Gly226Gly216 Gly226 鎖鑰學(xué)說鎖鑰學(xué)說：將酶的活性中心比喻作鎖孔，底物分：將酶的活性中心比喻作鎖孔，底物分子象鑰匙，底物能專一性地插入到酶的活性中心。子象鑰匙，底物能專一性地插入到酶的活性中心。 誘導(dǎo)契合學(xué)說誘導(dǎo)契合學(xué)說：酶的活性中心在結(jié)構(gòu)上具柔性，底：酶的活性中心在結(jié)構(gòu)上具柔性，底物接近活性中心時(shí)，可誘導(dǎo)酶蛋白構(gòu)象發(fā)生變化，這物接近活性中心時(shí)，可誘導(dǎo)酶蛋白構(gòu)象發(fā)生變化，這樣就使酶活性中心有關(guān)基團(tuán)正確排列和定向，使之與樣就使酶活性中心有關(guān)基團(tuán)正確排列和定向，使之與底物成互補(bǔ)形狀有機(jī)的