生物化学酶的催化机制

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1、酶的催化机制酶催化机理研究的主要方法（1）找出保守性的氨基酸残基得到不同生物来源的同一种酶的一级结构以后，将它们进行对比，找出高度保守的氨基酸，可以获得一些可能与催化有关的氨基酸残基的信息。在酶的进化中，保守性越高的氨基酸残基对酶的三维结构和功能贡献越大，这些氨基酸残基很可能直接与酶的催化机制有关。例各种丝氨酸蛋白酶的一级结构对比，His（组氨酸）57、Asp（天冬氨酸）102、Ser195不变，事实证明，这三种氨基酸残基直接参与肽键的水解。（2）三维结构的研究酶的三维结构决定了酶的功能，如果得到酶的三维结构信息，对酶的催化机制的研究提供最直接的线索。获得酶三维结构的方法有X射线衍

2、射和NMR。（3）定点突变分子生物学技术的发展使对蛋白质定点突变变的很容易，所以只要得到一个酶的基因，就可以对其氨基酸序列进行任意的突变。如果对一个酶氨基酸残基进行有的放矢的突变，会对酶的作用机制研究提供有价值的信息。把胰蛋白酶活性中心裂缝底部的Asp189突变成不带电荷或带正电荷的氨基酸残基，胰蛋白酶活性完全丧失。胰蛋白酶只水解碱性氨基酸残基与其他氨基酸氨基形成肽键，所以Asp189通过侧链的负电荷与底物上的碱性氨基酸残基带正电荷的侧链结合。（4）动力学分析动力学分析可以为研究酶的作用机制提供有用的数据。（5）化学修饰用双功能试剂对酶的修饰有助于确定在三维结构上相邻的基团。借助底

3、物或竞争性抑制剂的保护，可以通过化学修饰确定活性中心的氨基酸残基的性质。例：假定一个酶分子上有6个Csy残基，但又无法确定它的活性中心是否有或者有几个Csy残基，可以分别在有或无过量底物存在下，用碘代乙酸修饰酶，然后进行对比，在底物保护的情况下，不能被修饰的Csy残基就在活性中心。过渡态稳定学说根据过渡态理论，在任何一个化学反应体系中，反应物需要到达一个特定的高能状态以后才能发生反应。这种不稳定的高能状态被称为过渡态。达到过渡态要求反应物必须含有足够的能量以克服活化能，然而，一个反应系统中各反应物分子具有不同的能量，只有某些反应物才含有足够的能量去进行反应。一个双分子HA-HB和单

4、原子HC之间形成一个新的HB-HC和HA，反应发生需要形成不稳定的过渡态HA-HB-HCHA-HB+HC→HA-HB-HC（过渡态）→HB-HC+HAΔG活为反应活化能HA-HB-HC为过渡态中间物。过渡态中间物既不是产物，也不是底物，而是介于旧化学键减弱，新化学键开始形成的一种不稳定的结构状态。活化能也不是反应的总自由能变，自由能变与反应平衡时底物浓度和产物浓度有关，而活化能与反应速度有关。活化能越低含有足够能量的反应物分子越多，反应发生的越快。提高温度或其他因素的作用可以促进更多的反应物达到过渡态，提高反应速度。所有的催化剂都是通过降低活化能加快反应速率。过渡态中间物化学反应的

5、过渡态及其前后的自由能变化酶与过渡态的亲和力要比对基态（底物）的亲和力高得多，酶的催化源于其对过渡态的稳定作用。酶把反应分成几步，因为酶与过渡态的中间物结合比和基态（底物）的结合更牢、更好而稳定反应的过渡态，从而降低活化能，加快反应速度。单底物反应S→P：如果没有酶，S要克服能障变为过渡态后再反应生成P。如果有酶催化，通过分子碰撞，酶与底物先形成可逆复合物ES。ES形成的结合能一部分用来驱动过渡态复合物形成。经过EP复合物，最终释放出产物P和自由酶E。形成过渡态复合物需要的活化能比单独形成过渡态底物所需的活化能低，导致总反应活化能显著下降，所以酶促反应速率大大增加。但是，酶不能改变

6、反应的总自由能变，也就是它不影响反应的平衡方向。酶促反应和非酶促反应过程的自由能变化过渡态稳定的化学机制与酶催化相关联的过渡态稳定是酶活性中心结构和反应性以及活性中心与结合底物之间的相互作用的必然结果。酶充分使用一系列的化学机制来实现过渡态的稳定并由此加速反应。这些机制归纳起来主要有六种机制：（1）邻近定向效应；（2）广义的酸碱催化；（3）静电催化；（4）金属催化；（5）共价催化；（6）底物形变。邻近定向效应邻近定向效应是指两种或两种以上的底物（特别是双底物）同时结合在酶活性中心上，相互靠近（邻近），并采取正确的空间取向（定向），这样大大提高了底物的有效浓度，使分子间反应近似分子内

7、反应从而加快了反应速度。底物与活性中心的结合不仅使底物与酶催化基团或其它底物接触，而且强行“冻结”了底物的某些化学建的平动和转动，促使它们采取正确的方向，有利于键的形成。广义的酸碱催化广义的酸碱催化是指水分子以外的分子作为质子供体或受体参与催化，这种机制参与绝大多数酶的催化。蛋白质分子上的某些侧链基团（如Asp、Glu和His）可以提供质子并将质子转移到反应的过渡态中间物而达到稳定过渡态的效果。如果一个侧链基团的pKa值接近7，那么该侧链基团就可能是最有效的广义的酸碱