云南大学 生化 上册 第五章

第五章 酶作用机理

一、酶的活性中心

必需基团(essential group)

酶分子中氨基酸残基侧链的化学基团中，一些与酶活性密切相关的化学基团。 常见的必需基团

Ser-OH His-咪唑基 Cys-SH Asp、Glu-COOH 酶的活性中心

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 催化基团

(catalytic group) (binding group) 催化底物转变成产物 与底物相结合 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。

1.酶的活性中心是酶分子中具有三维结构的很小区域 组成酶活性中心的必需基团在一级结构上可能相距很远，但在形成三级结构时相互接近，形成具有三维结构的区域，且多是酶分子中的裂隙或凹陷所形成的疏水口袋。

2 酶的活性中心对底物具有高度的特异性

酶活性中心与底物结合时，发生构象改变，相互诱导契合，增加与底物的互补性 3.大多数情况下底物与酶活性中心最初的结合是非共价性的

酶与底物结合的力 氢键 离子键 疏水键 van der Waals力 二、酶促反应的独特性质

1、酶反应分两类：仅仅是电子的转移，反应速率在108.S-1数量级；既有电子转移又有基团转移，反应速率在103.S-1数量级. 2.通过侧链基团和辅酶为媒介。

3.酶分子比底物分子大，这个巨大的酶分子对于稳定酶的活性部位是必要的。 4.酶催化的最适pH范围是比较小的。

5.除活性中心的基团外，酶的其它 特性对酶的催化作用也是重要的。 三、影响酶催化效率的有关因素

——酶促反应的机理

1.邻近效应（approximation,proximity)和定向效应（orientation)

由于在酶的作用下，底物与底物分子的反应基团在空间上靠近，在方向上适合，使反应更易于进行

邻近效应、定向排列和表面效应有利于底物形成过渡态

邻近效应（proximity effect）和定向排列

（orientation arrange）将分子间的反应变成类似分子内的反应，使反应速率显著提高。

趋近和定向效应 在酶反应体系中：底物与酶随机碰撞 趋近和定向效应

2.底物的形变（distortion)和诱导契合效应(induce fit)

底物在酶的作用下，构象发生改变，导致电子张力的产生，使得活化能降低，反应易于进行。

酶-底物相互作用在过渡态达到最优化 酶与底物结合时相互诱导发生构象改变 酶-底物复合物

酶与底物相互接近时，其结构相互诱导、相互变形和相互适应，进而相互结合。这一过程称为酶-底物结合的诱导契合假说 。 3.酸碱催化效应（acid-base catalysis)

酸碱催化是靠向反应底物瞬时提供质子或接受质子，使反应加速的一种作用机制。

在酶催化的反应中，不是由纯H+或OH-的数目决定的狭义酸碱催化，而是广义的酸碱催化，这种广义酸碱催化需要提供质子和接受质子的基团，在酶分子中存在着多种这样的基团。

广义酸碱催化与基团的解离常数有关 质子转移反应都包含广义酸-碱催化反应

酶是两性解离的蛋白质，酶活性中心上有些基团是质子供体（酸），有些是质子接受体（碱）。

这些基团在酶活性中心的准确定位有利于质子的转移，这种广义酸-碱催化（general acid-base catalysis）可以使反应速率提高102105倍。

酶分子中具有酸-碱催化作用的基团 氨基酸残基 酸（质子供体） 碱（质子接受体） 谷氨酸、天冬氨酸 RCOOH RCOO 赖氨酸、精氨酸 半胱氨酸 组氨酸 丝氨酸 酪氨酸

RSH ROH RS RO

组氨酸的咪唑基在酸碱催化中的作用和意义：

1. 解离常数6.0；在接近生物生理pH的条件下，既可以作为质子供体，也可以作为质子 受体;

2.给出质子和接受质子的速度较快。

酶能在近于中性的pH下进行催化, 提高酶反应速度 组氨酸在蛋白质中含量少, 但作用大.

4.共价催化（covalent catalysis)

酶分子中的亲核基团进攻底物中的亲电基团,形成共价中间物——产物

5.金属离子催化

6. 活性部位微环境的影响—— 活性中心的低介电常数效应

表面效应

在疏水环境中进行酶反应有很大的优越性，此现象称为表面效应（surface effect）。

酶的活性中心多位于其分子内部的疏水“口袋”中，酶反应在酶分子内部的疏水环境中进行。

疏水环境可使底物分子脱溶剂化（desolvation）。排除水分子的干扰，防止酶和底物分子之间形成水化膜。

7.多元催化和协同效应

酶活性中心催化基团通过多种途径催化产物的生成 1．质子转移反应都包含广义酸-碱催化反应 2．酶可与底物形成瞬时共价键(共价催化) 3．酶可通过亲核催化或亲电子催化加速反应

三、酶促反应机制实例 1.溶菌酶

作用机制1.——底物构象变化

2—酸碱催化原理

3—活性中心的微环境 2.胰核糖核酸酶A 3.羧肽酶A

作用机制1—酶分子的构象变化 2—酸碱催化 4.丝氨酸蛋白酶

丝氨酸蛋白酶是一类以丝氨酸残基为活性中心作用基团的一类酶。包括消化系统的蛋白酶，凝血酶系统，纤溶酶系统，甚至乙酰胆碱酯酶。 消化系统蛋白酶类是一类经典的丝氨酸蛋白酶。 5.天冬氨酸蛋白酶

主要特点是：在活性中心有2个天冬氨酸残基。也是一类降解多种蛋白

的蛋白酶。

结构：含有323-340个氨基酸残基，相对分子量35kd.有2个相同的结构域。每个结构域由2个折叠和2个螺旋组成。2个结构域通过6股反平行的折叠片连接起来。酶的活性中心是一个深宽的裂缝，在两个并列的结构域之间。大的可容纳7个氨基酸残基。

四、酶活性的调节控制