1、第三节 酶的作用机理酶是一种高效催化剂，与一般催化剂比较，可使反应的活化能降低得更多，因此，同样初态的分子所需要的活化能就更低，活化分子数也就更多，反应更容易进行。一、酶的活性中心1、活性中心的概念酶是生物大分子，酶作为蛋白质，其分子体积比底物分子体积要大得多。在反应过程中酶与底物接触结合时，只限于酶分子的少数基团或较小的部位。酶分子中直接与底物结合，并催化底物发生化学反应的部位，称为酶的活性中心。2、催化部位和结合部位从功能上看，活性中心有两个功能部位，一是与底物结合的结合部位，决定酶对底物的专一性；二是催化底物发生键的断裂及新键形成的催化部位，决定酶促反应的类型，即酶的催化性质。3、必需基
2、团从形体上看，活性中心往往是酶分子表面上的一个凹穴；从结构上讲，如果是单纯蛋白酶，其活性中心通常由酶分子中几个氨基酸残基侧链上的极性基团组成。构成酶的活性中心的氨基酸有天冬氨酸（Asp） 、谷氨酸（Glu） 、丝氨酸（Ser） 、组氨酸（His） 、半胱氨酸（ Cys） 、赖氨酸（Lys）等，它们的侧链上分别含有羧基、羟基、咪唑基、巯基、氨基等极性基团。这些基团若经化学修饰，如氧化、还原、酰化、烷化等发生改变，则酶的活性丧失，这些基团就称为必需基团。对于需要辅因子的结合蛋白酶来说，辅酶（或辅基）分子或其分子上某一部分结构往往也是活性中心的组成部分。构成酶活性中心的几个氨基酸，虽然在一级结构上并
3、不紧密相邻，可能相距很远，甚至可能在不同的肽链上，但由于肽链的折叠与盘绕使它们在空间结构上彼此靠近，形成具有一定空间结构的位于酶分子表面的、呈裂缝状的小区域。二、酶的作用机理1、中间产物学说酶催化某一化学反应时，酶总是先与作用物结合，形成不稳定的中间产物，此中间产物极为活泼，很容易转变分解成反应产物，同时使酶重新游离出来。以便继续起催化作用。现以 E 代表酶，S 代表反应物，ES 代表中间产物，P 代表反应产物，按照中间产物学说写出酶所催化的反应，并与无酶催化的反应加以比较：无酶时： (缓慢) S P有酶时： （快）中间产物学说的关键在于中间产物的形成。酶和底物可以通过共价键、离子键和配位键等
4、而结合成中间产物。根据中间产物学说，酶促反应分两步进行，而每一步反应的能阈较低,所需活化能较少,如图从图中可以看到，当非酶催化反应时,SP 所需的活化能为 a，而在酶的催化下，由 SES 所需的活化能为 b,由 ESP 需要活化能为 c，b和 c 均比 a 小得多，所以酶促反应比非酶催化反应所需的活化能要小，从而加快反应的进行。对有两种底物参加的酶催化反应，该学说可用下式表示： E + S1 ES1ES1 + S2 P1+P2+E中间产物学说已经获得可靠的实验证据，中间产物的存在也已得到确证。2、锁钥学说酶在催化化学反应时要和底物形成中间络合物。但是酶和底物如何结合成中间络合物? 又如何完成其
5、催化作用 ?酶对它所作用的底物有着严格的选择性。它只能催化一定结构或一些结构近似的化合物发生反应。于是有学者认为酶和底物结合时，底物分子或底物分子的一部分象钥匙那样，专一地楔入到酶的活性中心部位，底物的结构必须和酶活性中心的结构非常吻合，也就是说底物分子进行化学反应的部位与酶分子上有催化效能的必需基团间具有紧密互补的关系，这样才能紧密结合形成中间络合物。这就是 1890 年由 Emil Fischer提出的“锁钥学说” 。锁钥学说属于刚性模板学说，可以较好地解释酶的E+K1K2ESK3E + PS酶促反应减少所需的活化能立体专一性。酶和底物的三点结合决定了酶的立体专一性。锁钥学说虽然说明了酶与
6、底物结合成中间产物的可能性及酶对底物的专一性，但有些问题是这个学说所不能解释的，如对于可逆反应，酶常常能够催化正逆两个方向的反应，很难解释酶活性中心的结构与底物和产物的结构都非常吻合，因此“锁钥学说”把酶的结构看成是固定不变是不切实际的。3、诱导契合学说近年来，大量的试验证明，酶和底物在游离状态时，其形状并不精确的互补。但酶的活性中心不是僵硬的结构，它具有一定的柔性。当底物与酶相遇时，可诱导酶蛋白的构象发生相应的变化，使活性中心上有关的各个基团达到正确的排列和定向，因而使酶和底物契合而结合成中间络合物，并引起底物发生反应。这就是 1958 年由 D.E .Koshland 提出的“诱导契合学说
7、” 。后来，对羧肽酶等进行 X-射线衍射研究的结果也有力地支持了这个学说。应当说诱导是双向的，既有底物对酶的诱导，又有酶对底物的诱导。由于酶是大分子，可以转动的化学键多，易变形；而底物多是小分子物质，可供选择的构象有限，故底物对酶的诱导是主要的。酶与底物的结合是包括多种化学键参加的反应。酶蛋白分子中的共价键、氢键、酯键、偶极电荷都能作为酶与底物间的结合力。4、酶原的激活某些酶，特别是一些与消化作用有关的酶，在最初合成分泌时，没有催化活性。这种没有活性的酶的前体称为“酶原” 。酶原在一定条件下经适当的物质作用可转变成有活性的酶。酶原转变为具有活性的酶的作酶和底物的结合示意图用称为酶原激活或活化作
8、用。酶原激活过程的实质是酶活性部位形成或暴露的过程。实例分析：胰脏蛋白酶刚从胰细胞分泌出来时，是没有催化活性的胰蛋白酶原。当它随胰液进入小肠时，可被肠液中的肠激酶激活。在肠激酶的作用下，水解下一个六肽，因而促使酶的构象发生某些变化，使组氨酸、丝氨酸、异亮氨酸等残基互相靠近，构成了活性中心，于是无活性的酶原就变成了有活性的胰蛋白酶。在组织细胞中，某些酶以酶原的形式存在，具有重要的生物学意义。因为分泌酶原的组织细胞含有蛋白质，而酶原无催化活性，故可保护组织细胞不被水解破坏。胰蛋白酶原激活示意图三、酶催化的高效机制使酶具有催化效率高的因素有以下几个方面。1、邻近与定向效应是指酶受底物诱导发生构象变化
9、，使底物与酶的活性中心楔合，对于双分子反应来说，两底物能集中在酶活性中心，彼此靠近并有一定的取向。这样就大大提高了活性部位上底物的有效浓度，使一个分子间的反应变成了一个近似于分子内的反应，从而增加了反应速度。2、底物分子敏感键扭曲变形酶活性中心的结构有一种可适应性，当专一性底物与活性中心结合时，可以诱导酶分子构象的变化，使反应所需要的酶中的催化基团与结合基团正确的排列和定位，使催化基团能够合适地处在被作用的键的地方，这也就是前面提到过的“诱导契合”学说。与此同时，变化的酶分子又使底物分子的敏感键产生“张力” ，甚至“变形” ，从而促进酶-底物络合物进过渡态，降低了反应活化能，加速了酶促反应。实
10、际上这是酶与底物诱导契合的动态过程。3、酸碱催化酸碱催化有狭义的和广义的。狭义的酸碱催化就是 H+离子或 OH-离子对化学反应速度表现出的催化作用。酸碱催化在有机化学反应中是比较普遍的现象。如在酸碱的作用下，蛋白质可能水解为氨基酸，脂肪可以水解为甘油和脂肪酸。由于细胞内的环境接近中性，H +与 OH-离子的浓度都很低，因此，在生体内进行的酶促反应，H +与 OH-离子的直接作用相当微弱。后来把酸定义为质子的供体，碱定义为质子的受体。广义的酸碱催化是指组成酶活性中心的极性基团，在底物的变化中起质子的供体或受体的作用。发生在细胞内的许多类型的有机反应都是广义的酸碱催化。具有酸碱催化特征的酶促反应，
11、酶与底物结合成的中间产物是离子型络合物。4、共价催化还有一些酶以共价催化提高催化反应的速度。指酶活性中心处的极性基团，首先以共价键与底物结合，生成一个活性很高的共价型的中间产物，很容易向着最终产物的方向变化，反应所需的活化能大大降低，速度明显加快。根据活性中心处极性基团对底物进攻的方式不同，共价催化可分为亲电催化与亲核催化两种。较常见的是活性中心处的亲核基团对底物的亲核进攻。亲核基团含有未成键的电子对，在酶促反应中，向底物上缺少电子的正碳原子进攻。因亲核基团对底物亲核进攻而进行的催化作用，称为亲核催化。活性中心处的亲核基团有：丝氨酸的羟基、半胱氨酸的巯基、组氨酸的咪唑基等。此外，辅酶中还含有另一些亲核中心。以硫胺素为辅酶的一些酶如丙酮酸脱羧酶、含辅酶 A 的一些脂肪降解酶、含巯基的木瓜蛋白酶、以丝氨酸为催化基团的蛋白水解酶等，都有亲核催化的机制。亲电催化则是亲电基团对底物亲电进攻而引起的催化作用。常见的亲电基团有 NH3+、Mg 2+、Mn 2+、Fe 2+等。
