高级生物化学-3

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1、动物生物化学·第三章生命科学技术学院动物生物化学教研组制作高级动物生物化学AdvancedAnimalBiochemistry主讲教师杨孝朴第三章酶的作用原理前言☞第一节酶与底物相结合的两种假说☞第二节酶促反应的本质和机制☞第三节酶促反应动力学☞第四节酶工程简介☞第五节核酶☞第三章酶的作用原理在生物体内几乎所有的生命活动都需要酶的参与。酶是一种生物催化剂。其化学本质是蛋白质，许多酶分子在发挥作用时，还需要辅酶或辅基参与，辅酶和辅基是小分子有机物，有些酶虽然不需要辅酶或辅基，但需要金属离子，有些酶既需要辅酶或辅基，又需要金属离子。酶作为催化剂具有底物专一性和催化反应的高效率两大特

2、点，这些都与酶的结构有关。酶的催化活性与其一级结构密切相关，如果酶活性中心的氨基酸组成和结构发生改变，酶的活性也发生改变。酶的活性与其高级结构也有密切关系，如果酶的高级结构发生改变，则酶的活性亦发生改变。在酶促反应中，酶首先与底物结合成不稳定的中间产物，此中间产物再生成产物并释放出酶。即：E+SESP+EE表示酶，S表示底物，ES表示中间产物，P表示产物。第一节酶与底物相结合的两种假说“钥匙”假说认为：酶活性中心的必需基团与底物分子在化学结构上具有十分密切的互补关系，如同锁与钥匙的关系一样，因而能专一性的结合形成中间复合物。一、“钥匙”假说底物和酶相互作用的锁钥学说酶和底物分子

3、都有三维空间结构，按照这一理论，酶的活性中心与底物分子的空间结构必须十分吻合，所以这一假说可以解释某些酶的立体异构专一性和酶的竞争性抑制作用，但却不能解释一个酶可以与几个底物结合的现象和酶催化的可逆反应等问题。二、“诱导楔合”假说“诱导楔合”假说认为：酶分子和酶分子活性中心的构象都是可变的，当底物与酶分子接近时，可诱导酶分子的构象发生改变，使之有利于与底物结合。此假说的要点是：在酶促反应中，酶分子活性中心的构象发生了变化。这一点已经通过旋光测定和X—射线衍射分析得到了证明。底物和酶相互作用的诱导契合学说第二节酶促反应的本质和机制酶促反应包括酶与底物的结合和催化基对反应的加速两个

4、过程。酶活性中心与底物之间大多数是通过短程非共价力相结合的，因此反应产物易于与酶分开，但也发现在某些酶催化的反应中，存在着过渡性的共价复合物。酶的催化活力部分地受到活性中心内具有一定空间排列的带电荷基团的影响，这些基团是酶蛋白中某些氨基酸残基的电离侧链，它们通过酶蛋白分子的二级和三级折叠在空间相互靠近，从而组成了酶的活性中心。催化基团的精确位置对酶促反应甚为重要，当酶蛋白变性时，使这些基团在空间的排列状态受到破坏，酶因而失去活性。酶催化反应的高效率是由几种不同的效应引起的，现已观察到在酶促反应中至少有五种不同的效应。一、“张力”效应酶可使底物分子中的敏感健产生“张力”，使底物激

5、活。当底物与酶活性中心结合时，不仅使酶的构象发生变化，而且也常常使底物分子发生变化，在酶活性中心关键性电荷的影响下，使底物分子内敏感键的电子发生重排，其中的某些基团的电子云密度增高或降低，产生了电子张力，使敏感键更为敏感，更易于发生反应，以致反应所需要的活化能降低，从而加快了反应速度。酶与底物结合后产生的张力效应如何使底物激活的问题，可借助于非酶促反应的例子来理解。如二甲基磷酸和乙烯磷酸的水解反应：乙烯磷酸可以看作二甲基磷酸的环状类似物，由于二甲基之间形成了共价键，影响了C—O键的电子云密度，使其产生了张力，变得更为敏感，因而易于断裂。它的水解速度较二甲基磷酸的水解速度快108

6、倍。二、底物与酶的“靠近”及“定向”效应由于化学反应速度与反应物浓度成正比，若在反应系统的某一局部区域，底物浓度升高，则反应速度也随之增加。提高酶促反应速度最主要的方法是：使底物分子进入酶的活性中心区域，也就是说大大提高酶活性中心底物的有效浓度。有人曾测过某底物在溶液中的浓度为0.001mol/L，而在其酶的活性中心的浓度竟达到了100mol/L，比溶液中的浓度高十万倍，这可能是酶活性中心与底物具有很高亲合力的原因。因此，可以想象，在酶活性中心区域反应速度必定是很高的。这就是酶和底物的“靠近”效应。酶与底物的这种靠近“效应”对提高反应速度的作用可以用一个著名的有机化学实验来说明

7、。如下表所示：双羧酸苯酯在分子内催化过程中，自由羧基作为催化剂起作用，而连有R基的酯键则作为底物，受—COO-的催化断裂成环而形成酸酐，催化基团—COO-越靠近酯键则反应速度越快，在最近的情况下，反应速度可增加53000倍。但仅仅“靠近”还不够，还需要使反应基团和催化基团彼此严格地“定向”，只有既“靠近”又“定向”，反应物分子才被作用，迅速形成过渡态，从而加速了反应的进行。当底物未与酶结合时，活性中心的催化基团还未能与底物十分靠近，但由于酶活性中心有一定的适应性，即当专一性底物与活性中心结合