南京农业大学生物化学课件12.ppt

酶的催化机理一、酶与活化能一、酶与活化能碰撞、有效碰撞、活化分子、碰撞、有效碰撞、活化分子、活化能：活化分子所有的最低能量活化能：活化分子所有的最低能量( (E Ea a) )与与分子的平均能量分子的平均能量( (E EA A) )之差分子由常态转之差分子由常态转变为活化状态所需要的能量称为活化能变为活化状态所需要的能量称为活化能酶的催化机理一、酶与活化能一、酶与活化能酶的催化机理二、酶与底物作用机理二、酶与底物作用机理中间产物学说中间产物学说催化机理目前较满意的解释是：催化机理目前较满意的解释是：中间产物学说中间产物学说又叫 过渡态学说中间产物学说中间产物学说酶与底物通过形成中间产物使反应沿一个低活化能的途径进行E + S E + S ESES E + P E + P酶的催化机理二、酶与底物作用机理二、酶与底物作用机理中间产物学说中间产物学说酶的催化机理二、酶与底物作用机理二、酶与底物作用机理vv 底物底物S S与酶结合形成与酶结合形成中间产物中间产物ESESS S与与E E的结合导致分子中某些化学键发生变化的结合导致分子中某些化学键发生变化，呈不稳定状态，亦即活化态，使反应活化能降，呈不稳定状态，亦即活化态，使反应活化能降低。

低vv 复合物复合物ESES转变成酶与产物的复合物转变成酶与产物的复合物EPEPvv EPEP裂解，生成产物裂解，生成产物SumarySumary- -中间产物学说中间产物学说酶的催化机理二、酶与底物作用机理二、酶与底物作用机理酶的催化机理锁锁钥钥钥钥学学说说说说 ( (Lock and key Lock and key Hypothesis)Hypothesis)1890年 Emil Fischer as a great organic chemist led to the notion of an enzyme resembling a “lock” and its particular substrate the “key”. 酶和底物的结合状如钥匙与锁的关系底物分子或其一部分象钥匙一样，专一地楔入到酶的活性中心部位，即底物分子进行化学反应的部位与酶分子活性中心具有紧密互补的关系二、酶与底物作用机理二、酶与底物作用机理酶的催化机理此学说很好地解释了酶的立体异构专一性，但不能解释酶的活性中心既适合于可逆反应的底物，又适合于产物，也不能解释酶专一性中的所有现象二、酶与底物作用机理二、酶与底物作用机理酶的催化机理诱导诱导诱导诱导 契合学契合学说说说说 ( (Induced fit Hypothesis)Induced fit Hypothesis)1958年 D.E.Koshland提出酶分子活性中心的结构原来并非和底物的结构互相吻合，但酶的活性中心是柔性的而非刚性的。

二、酶与底物作用机理二、酶与底物作用机理酶的催化机理当底物与酶相遇时，可当底物与酶相遇时，可诱导酶活性中心的诱导酶活性中心的构象发生相应的变化构象发生相应的变化，其上有关的各个基团达，其上有关的各个基团达到正确的排列和定向，因而到正确的排列和定向，因而使底物和酶能完全使底物和酶能完全契合当反应结束产物从酶分子上脱落下来后， 当反应结束产物从酶分子上脱落下来后，酶的活性中心又恢复成原来的构象酶的活性中心又恢复成原来的构象二、酶与底物作用机理二、酶与底物作用机理对于双分子反应，底物结合到酶的活性中心好象对于双分子反应，底物结合到酶的活性中心好象(1) 邻近效应和定向效应vv 两个底物分子相邻近，大大提高了底物的两个底物分子相邻近，大大提高了底物的 有效浓度有效浓度—— —— 邻近效应邻近效应vv 底物分子还在活性中心底物分子还在活性中心“ “定向定向” ”排布，有利排布，有利于原子轨道的重叠于原子轨道的重叠 —— —— 轨道定向，使分子轨道定向，使分子间反应近似于分子内反应间反应近似于分子内反应三、酶催化的高效性的机理酶催化的高效性三、酶催化的高效性的机理酶催化的高效性(2) “张力”和“形 变”底物与酶结合底物与酶结合酶分子构象变化酶分子构象变化底物分子的底物分子的敏感键敏感键 产生产生“ “张力张力” ”和和“ “形变形变” ”敏感键断裂敏感键断裂诱导诱导有利于有利于酶催化的高效性三、酶催化的高效性的机理(3) 酸碱催化vv 酶活性部位上的某些基团可以作为质子供体酶活性部位上的某些基团可以作为质子供体( (或或质子受体质子受体) )对底物进行酸或碱催化对底物进行酸或碱催化—— —— 酸碱催化酸碱催化酶催化的高效性vv 在酶的活性中心上，有些基团是质子供体（在酶的活性中心上，有些基团是质子供体（酸酸催化基团催化基团），可以向底物分子提供质子，称为），可以向底物分子提供质子，称为（（酸催化）酸催化）vv 有些催化基团是质子受体（有些催化基团是质子受体（碱催化基团碱催化基团），可），可以从底物分子上接受质子，称为（以从底物分子上接受质子，称为（碱催化）碱催化）三、酶催化的高效性的机理酶催化的高效性酶分子中作为酸碱催化的功能基团 三、酶催化的高效性的机理vv 有时，酶活性部位上有几个基团分别作为质子有时，酶活性部位上有几个基团分别作为质子的供体和受体，同时进行酸碱催化的供体和受体，同时进行酸碱催化—— —— 酸碱共酸碱共同催化同催化酶催化的高效性如如 HisHis的咪唑基的咪唑基在中性条件下，有一半是酸形式、一半是在中性条件下，有一半是酸形式、一半是 碱形式。

因此既可进行酸催化，又可进行碱催碱形式因此既可进行酸催化，又可进行碱催 化所以咪唑基是酶分子最有效、最活泼的一所以咪唑基是酶分子最有效、最活泼的一 个功能基团个功能基团三、酶催化的高效性的机理(4) 共价催化某些酶在催化反应时，本身能放出或吸取电子某些酶在催化反应时，本身能放出或吸取电子并作用于底物的缺电子或负电子中心，并与底物形并作用于底物的缺电子或负电子中心，并与底物形成共价连结的成共价连结的共价中间物共价中间物，使反应活化能大大降低，使反应活化能大大降低按照酶对底物所攻击的基团的不同，该催按照酶对底物所攻击的基团的不同，该催 化方式又分为亲核催化（化方式又分为亲核催化（nucleophilicnucleophilic catalysiscatalysis））和亲电子催化（和亲电子催化（cetecrophiliccetecrophilic catalysis catalysis） 酶催化的高效性三、酶催化的高效性的机理(4) 共价催化前者是指酶攻击底物的基团是富电子的，前者是指酶攻击底物的基团是富电子的，这些基团首先攻击底物的亲电子基团（亦称缺这些基团首先攻击底物的亲电子基团（亦称缺电子基团）而形成酶电子基团）而形成酶——底物的共价复合物。

反底物的共价复合物反之，酶的缺电子基团攻击底物分子上富电子基之，酶的缺电子基团攻击底物分子上富电子基团而形成酶团而形成酶——底物共价中间产物在酶的共价底物共价中间产物在酶的共价催化中，亲核催化较为常见催化中，亲核催化较为常见 酶催化的高效性三、酶催化的高效性的机理羧肽酶A催化 作用的模式 如如 胰凝乳蛋白酶胰凝乳蛋白酶 chymotrypsinchymotrypsin酶催化的高效性三、酶催化的高效性的机理(5) 活性中心是低介电区某些酶的活性中心穴内是非极性的，这种某些酶的活性中心穴内是非极性的，这种低介电环境甚至还可能排除水分子低介电环境甚至还可能排除水分子这样，底物分子的敏感键和酶的催化基团这样，底物分子的敏感键和酶的催化基团之间就会有很大的反应力，加速反应的进行之间就会有很大的反应力，加速反应的进行酶催化的高效性三、酶催化的高效性的机理。