酶组成、结构和作用机制ppt课件.ppt

第五第五节 酶组成、成、结构和作用机制构和作用机制1.一、一、一、一、酶酶在生物体内的分布在生物体内的分布在生物体内的分布在生物体内的分布GPT与尿激酶、心肌中的细胞色素氧化酶 生物体自身需要决定了生物体自身需要决定了酶的生物合成，的生物合成，酶的生的生物合成机制决定了物合成机制决定了酶在生物体内的分布和所在生物体内的分布和所处环境状境状态；所以：所以：它它们或定位于某或定位于某亚细胞胞结构上构上处于于“溶解溶解”状状态；不同生物体不同生物体细胞内胞内酶的数量和种的数量和种类不同；不同；同一生物体内的不同部位或不同生同一生物体内的不同部位或不同生长发育育 阶段的段的细胞内胞内酶的数量、种的数量、种类不同；不同；SOD2.对微生物微生物酶来来说，合成后分泌有两种情况：，合成后分泌有两种情况：1 1、胞外、胞外酶（分泌型（分泌型酶）是指可以穿是指可以穿过质膜的任何膜的任何酶，大多数，大多数 是水解是水解酶，大多数工，大多数工业用用酶是胞外是胞外酶。优点：点：它比胞内它比胞内酶容易回收、容易回收、纯化，不必化，不必 将将细胞破碎，也不用去核酸，容易胞破碎，也不用去核酸，容易获得高得高产。3.胞外胞外酶的分泌位置由的分泌位置由细胞和胞和酶的的结构所决定构所决定 革革兰氏阳性菌氏阳性菌的外壳由的外壳由细胞胞质膜和包在膜膜和包在膜外面的壁外面的壁组成。其有两成。其有两类胞外胞外酶：合成后分泌到培养基中，如芽合成后分泌到培养基中，如芽孢杆菌的淀杆菌的淀粉粉酶、蛋白、蛋白酶。分泌蛋白穿分泌蛋白穿过质膜后，膜后，结合于膜表面的胞合于膜表面的胞外外酶，当，当细胞形成原生胞形成原生质体体时可部分或全部从可部分或全部从膜上膜上释放，如地衣芽放，如地衣芽孢杆菌的碱性磷酸杆菌的碱性磷酸酯酶和和-葡萄糖苷葡萄糖苷酶。革革兰氏阴性菌氏阴性菌有有4 4种不同位置的分泌型种不同位置的分泌型酶：分泌蛋白分泌蛋白结合在内膜外表面、分布在周合在内膜外表面、分布在周质中、中、结合在外膜上、分泌到培养基中。合在外膜上、分泌到培养基中。4.基因工程中外源蛋白最基因工程中外源蛋白最终在周在周质中表达中表达的情况，常的情况，常给工作工作带来来许多麻多麻烦。用基因工。用基因工程手段程手段获得的微生物高得的微生物高产外源外源酶常会被宿主常会被宿主本身的蛋白本身的蛋白酶迅速降解。因此，尽可能的使迅速降解。因此，尽可能的使产生的外源生的外源酶分泌到分泌到细胞胞质膜外，是膜外，是稳定外定外源源酶的有效措施之一。的有效措施之一。关于胞外关于胞外酶分泌机制分泌机制现在有一种在有一种信号信号肽假假说。5.2 2、胞内、胞内酶 是指合成后仍然在是指合成后仍然在细胞内胞内发挥作用的作用的酶。细胞本身胞本身结构的非均一性决定了构的非均一性决定了酶分布和所分布和所 处状状态非均一，或非均一，或处于于“溶解溶解”状状态，或定，或定位位 结合于某一特定的合于某一特定的亚细胞胞结构中；构中；由于由于细胞器的分工，某些胞器的分工，某些酶对特定特定细胞来胞来说 是独有或主要的；各是独有或主要的；各细胞器上往往集中了具胞器上往往集中了具 各自特征的各自特征的酶系系统（标记酶）。）。6.对于于标记酶,有以下几例：有以下几例：质膜：膜：主要两种：主要两种：NaNa+、K K+-ATP-ATP酶、腺甘酸、腺甘酸环化化酶；细胞核：胞核：主要是担主要是担负DNADNA与与RNARNA合成的合成的酶。如：。如：RNARNA甲基甲基转 移移酶、乳酸脱、乳酸脱氢酶等；等；线粒体：粒体：主要集中了参与三主要集中了参与三羧酸循酸循环、脂肪酸氧化、呼吸、脂肪酸氧化、呼吸 链、氧化磷酸化等、氧化磷酸化等与能量代与能量代谢有关有关的的酶和和酶系。系。如：如：NADHNADH脱脱氢酶、己糖激、己糖激酶等；等；溶溶酶体：体：各种水解各种水解酶（约6060种左右）；种左右）；内内质网：网：蛋白蛋白质合成、脂合成、脂类合成、合成、药物物转化的化的酶。如：如：细胞色素胞色素还原原酶、胆固醇、胆固醇酰基基转移移酶；7.（一）（一）酶的化学本的化学本质19261926年年年年J.B.SumnerJ.B.Sumner首次从刀豆制首次从刀豆制首次从刀豆制首次从刀豆制备备出出出出脲酶结脲酶结晶，晶，晶，晶，证证明其明其明其明其为为蛋白蛋白蛋白蛋白质质，并提出，并提出，并提出，并提出酶酶的本的本的本的本质质就是蛋白就是蛋白就是蛋白就是蛋白质质的的的的观观点。点。点。点。19821982年年年年T.CechT.Cech发现发现了第了第了第了第1 1个有催化活性的天然个有催化活性的天然个有催化活性的天然个有催化活性的天然RNARNAribozymeribozyme（核（核（核（核酶酶），以后），以后），以后），以后AltmanAltman和和和和PacePace等又等又等又等又陆续发现陆续发现了了了了真正的真正的真正的真正的RNARNA催化催化催化催化剂剂。核核核核酶酶的的的的发现发现不不不不仅仅表明表明表明表明酶酶不一定都是蛋白不一定都是蛋白不一定都是蛋白不一定都是蛋白质质，还还促促促促进进了有了有了有了有关生命起源、生物关生命起源、生物关生命起源、生物关生命起源、生物进进化等化等化等化等问题问题的的的的进进一步探一步探一步探一步探讨讨。二、二、酶的的组成和成和结构特点构特点8.虽虽然少数有催化活性的然少数有催化活性的然少数有催化活性的然少数有催化活性的RNARNARNARNA分子已分子已分子已分子已经鉴经鉴定，但几乎所有的定，但几乎所有的定，但几乎所有的定，但几乎所有的酶酶都都都都是蛋白是蛋白是蛋白是蛋白质质，因而，因而，因而，因而酶酶必然有必然有必然有必然有四四四四级级空空空空间间结结构形式，构形式，构形式，构形式，一一一一级结级结构构构构是指具有一定氨基酸是指具有一定氨基酸是指具有一定氨基酸是指具有一定氨基酸顺顺序的多序的多序的多序的多肽链肽链的共价骨架，的共价骨架，的共价骨架，的共价骨架，二二二二级结级结构构构构为为在一在一在一在一级结级结构中相近的氨基酸残基构中相近的氨基酸残基构中相近的氨基酸残基构中相近的氨基酸残基间间由由由由氢键氢键的相的相的相的相互作用而形成的互作用而形成的互作用而形成的互作用而形成的带带有螺旋、折叠、有螺旋、折叠、有螺旋、折叠、有螺旋、折叠、转转角、卷曲等角、卷曲等角、卷曲等角、卷曲等细细微微微微结结构，构，构，构，三三三三级结级结构构构构系在二系在二系在二系在二级结级结构基构基构基构基础础上上上上进进一步一步一步一步进进行分子行分子行分子行分子盘盘曲以形成曲以形成曲以形成曲以形成包括主包括主包括主包括主侧链侧链的的的的专专一性三一性三一性三一性三维维排列，排列，排列，排列，四四四四级结级结构构构构是指低聚蛋白中各折叠多是指低聚蛋白中各折叠多是指低聚蛋白中各折叠多是指低聚蛋白中各折叠多肽链肽链在空在空在空在空间间的的的的专专一性三一性三一性三一性三维维排列。排列。排列。排列。具有低聚蛋白具有低聚蛋白具有低聚蛋白具有低聚蛋白结结构的构的构的构的酶酶(寡聚寡聚寡聚寡聚酶酶)必必必必须须具有正确的四具有正确的四具有正确的四具有正确的四级结级结构构构构才有活性。具有活性的才有活性。具有活性的才有活性。具有活性的才有活性。具有活性的酶酶都是球蛋白，即被广泛折叠、都是球蛋白，即被广泛折叠、都是球蛋白，即被广泛折叠、都是球蛋白，即被广泛折叠、结结构构构构紧紧密的多密的多密的多密的多肽链肽链，其氨基酸，其氨基酸，其氨基酸，其氨基酸亲亲水基水基水基水基团团在外表，而疏水基在外表，而疏水基在外表，而疏水基在外表，而疏水基团团向内。向内。向内。向内。9.（二）（二）酶的的组成成酶酶单纯酶单纯酶结结合合合合酶酶（全（全（全（全酶酶）=酶酶蛋白蛋白蛋白蛋白 +辅辅因子因子因子因子辅因子因子辅酶辅酶 与与与与酶酶蛋白蛋白蛋白蛋白结结合得比合得比合得比合得比较较松的小分子有机物。松的小分子有机物。松的小分子有机物。松的小分子有机物。辅辅基基基基 与膜蛋白与膜蛋白与膜蛋白与膜蛋白结结合得合得合得合得紧紧密的小分子有机物。密的小分子有机物。密的小分子有机物。密的小分子有机物。金属激活金属激活金属激活金属激活剂剂 金属离子作金属离子作金属离子作金属离子作为辅为辅助因子。助因子。助因子。助因子。酶酶的催化的催化的催化的催化专专一性主要决定于一性主要决定于一性主要决定于一性主要决定于酶酶蛋白部分。蛋白部分。蛋白部分。蛋白部分。辅辅因子通常是作因子通常是作因子通常是作因子通常是作为电为电子、原子或某些化学基子、原子或某些化学基子、原子或某些化学基子、原子或某些化学基团团的的的的载载体。体。体。体。酶酶蛋白有蛋白有蛋白有蛋白有3 3种种种种组组成形式成形式成形式成形式:单单体体体体酶酶、寡聚、寡聚、寡聚、寡聚酶酶和多和多和多和多酶酶复合物复合物复合物复合物10.（三）（三）单体体酶、寡聚、寡聚酶和多和多酶复合物复合物1.单体体酶（monomeric enzyme)monomeric enzyme)：仅仅有一条具有活性部位的多有一条具有活性部位的多有一条具有活性部位的多有一条具有活性部位的多肽链肽链，全部参与水解反，全部参与水解反，全部参与水解反，全部参与水解反应应。2.寡聚寡聚酶 (oligomeric enzyme)(oligomeric enzyme)：由几个或多个由几个或多个由几个或多个由几个或多个亚亚基基基基组组成，成，成，成，亚亚基牢固地基牢固地基牢固地基牢固地联联在一起，在一起，在一起，在一起，单单个个个个亚亚基没有催化活性。基没有催化活性。基没有催化活性。基没有催化活性。亚亚基之基之基之基之间间以以以以非共价非共价非共价非共价键结键结合。合。合。合。3.多多酶复合物复合物 (multienzyme system)(multienzyme system)：几个几个几个几个酶镶酶镶嵌而成的复嵌而成的复嵌而成的复嵌而成的复合物。合物。合物。合物。这这些些些些酶酶催化将底物催化将底物催化将底物催化将底物转转化化化化为产为产物的一系列物的一系列物的一系列物的一系列顺顺序反序反序反序反应应。丙丙酮酸脱酸脱氢酶系（系（E.coliE.coli）：丙）：丙酮酸脱酸脱氢酶（E E）、）、硫辛硫辛酰转乙乙酰酶（E E）和二）和二氢硫辛硫辛酰脱脱氢酶（E E）。）。EEE碱性EEE+EE+脲11.1、酶的活性部位的活性部位 酶酶的特殊催化能力只局限在大分子的一定区域，只有少数特异的氨基酸残的特殊催化能力只局限在大分子的一定区域，只有少数特异的氨基酸残的特殊催化能力只局限在大分子的一定区域，只有少数特异的氨基酸残的特殊催化能力只局限在大分子的一定区域，只有少数特异的氨基酸残基参与底部基参与底部基参与底部基参与底部结结合及催化作用。合及催化作用。合及催化作用。合及催化作用。这这些与些与些与些与酶酶活力直接相关的区域称活力直接相关的区域称活力直接相关的区域称活力直接相关的区域称为酶为酶的的的的活性活性活性活性部位部位部位部位(active site)(active site)(active site)(active site)或活性中心或活性中心或活性中心或活性中心(active center)(active center)(active center)(active center)。(四四)活性部位和必需基活性部位和必需基团通常又将活性部位分通常又将活性部位分通常又将活性部位分通常又将活性部位分为为结结合合合合部位和催化部位部位和催化部位部位和催化部位部位和催化部位，前者，前者，前者，前者负责负责与底物的与底物的与底物的与底物的结结合，决定合，决定合，决定合，决定酶酶的的的的专专一性；后者一性；后者一性；后者一性；后者负责负责催化底物催化底物催化底物催化底物键键的断裂形成新的断裂形成新的断裂形成新的断裂形成新键键，决定，决定，决定，决定酶酶的的的的催化能力。催化能力。催化能力。催化能力。12.（1 1 1 1）活性部位在）活性部位在）活性部位在）活性部位在酶酶分子的分子的分子的分子的总总体中只占相当小的部分，通常体中只占相当小的部分，通常体中只占相当小的部分，通常体中只占相当小的部分，通常只占整个只占整个只占整个只占整个酶酶分子体分子体分子体分子体积积的的的的 1%1%1%1%2%2%2%2%。（2 2 2 2）酶酶的活性部分是由在的活性部分是由在的活性部分是由在的活性部分是由在线线性多性多性多性多肽链肽链中可能相隔很中可能相隔很中可能相隔很中可能相隔很远远的氨的氨的氨的氨基酸残基形成的三基酸残基形成的三基酸残基形成的三基酸残基形成的三维实维实体。体。体。体。（3 3 3 3）酶酶的活性部位并不是和底物的形状正好互的活性部位并不是和底物的形状正好互的活性部位并不是和底物的形状正好互的活性部位并不是和底物的形状正好互补补的，而是的，而是的，而是的，而是在在在在酶酶和底物和底物和底物和底物结结合的合的合的合的过过程中，底物分子或程中，底物分子或程中，底物分子或程中，底物分子或酶酶分子，有分子，有分子，有分子，有时时是两是两是两是两者的构象同者的构象同者的构象同者的构象同时发时发生了一定的生了一定的生了一定的生了一定的变变化后才互化后才互化后才互化后才互补补的，的，的，的，这时这时催化基催化基催化基催化基团团的位置也正好在所催化底物的位置也正好在所催化底物的位置也正好在所催化底物的位置也正好在所催化底物键键的断裂和即将生成的断裂和即将生成的断裂和即将生成的断裂和即将生成键键的适的适的适的适当位置。当位置。当位置。当位置。（4 4 4 4）酶酶的活性部位通常在的活性部位通常在的活性部位通常在的活性部位通常在酶酶的表面空隙或裂的表面空隙或裂的表面空隙或裂的表面空隙或裂缝处缝处，形成促，形成促，形成促，形成促进进底物底物底物底物结结合的合的合的合的优优越的非极性越的非极性越的非极性越的非极性环环境。境。境。境。（5 5 5 5）底物通）底物通）底物通）底物通过过次次次次级键较级键较弱的力弱的力弱的力弱的力结结合到合到合到合到键键上。上。上。上。（6 6 6 6）酶酶活性部位具有柔性或可运活性部位具有柔性或可运活性部位具有柔性或可运活性部位具有柔性或可运动动性。性。性。性。13.结合部位合部位 Binding siteBinding site酶分子中与底物分子中与底物结合的合的部位或区域一般称部位或区域一般称为结合部位。合部位。酶分子的分子的结构特点构特点14.15.酶分子中促使底物分子中促使底物发生化学生化学变化的部位称化的部位称为催化部位催化部位。通常将通常将酶的的结合部位和催化合部位和催化部位部位总称称为酶的活性部位或的活性部位或活性中心。活性中心。结合部位决定合部位决定酶的的专一性，一性，催化部位决定催化部位决定酶所催化反所催化反应的性的性质。催化部位催化部位 catalytic sitecatalytic site16.17.酶分子中存在着一些可以与其他分子分子中存在着一些可以与其他分子发生某种程生某种程度的度的结合的部位，从而引起合的部位，从而引起酶分子空分子空间构象的构象的变化，化，对酶起激活或抑制作用。起激活或抑制作用。调控部位控部位 Regulatory siteRegulatory site18.必需基必需基必需基必需基团团：酶酶的分子中与的分子中与的分子中与的分子中与酶酶活性有关的基活性有关的基活性有关的基活性有关的基团团称称称称为酶为酶的必需的必需的必需的必需基基基基团团(essential group)(essential group)。活性部位活性部位活性部位活性部位：必需基：必需基：必需基：必需基团虽团虽然在一然在一然在一然在一级结级结构上可能相距很构上可能相距很构上可能相距很构上可能相距很远远，但，但，但，但在空在空在空在空间结间结构上彼此靠近，集中在一起形成具有一定空构上彼此靠近，集中在一起形成具有一定空构上彼此靠近，集中在一起形成具有一定空构上彼此靠近，集中在一起形成具有一定空间结间结构的区域，构的区域，构的区域，构的区域，该该区域与底物相区域与底物相区域与底物相区域与底物相结结合并将底物合并将底物合并将底物合并将底物转转化化化化为产为产物，物，物，物，这这一区域称一区域称一区域称一区域称为酶为酶的活性中心的活性中心的活性中心的活性中心(active center)(active center)。必需基必需基团活性部位活性部位活性部位活性部位必需基必需基团维维持持持持酶酶的空的空的空的空间结间结构（构（构（构（中心外中心外中心外中心外必需基必需基团）结结合基合基合基合基团团催化基催化基催化基催化基团团专专一性一性一性一性催化性催化性催化性催化性质质2、必需基、必需基团19.必需基必需基团分分类1 1 1 1）活性中心必需基）活性中心必需基）活性中心必需基）活性中心必需基团团 催化基催化基团：促：促进底物底物发生化学生化学变化的基化的基团称称为(catalytic group)。结合基合基团：与底物：与底物结合的必需基合的必需基团 活性中心中有的必需基团可 同时具有这两方面的功能。2 2）活性中心以外的必需基）活性中心以外的必需基团团不参加不参加不参加不参加酶酶的活性中心的的活性中心的的活性中心的的活性中心的组组成成成成但但但但为维为维持持持持酶酶活性中心活性中心活性中心活性中心应应有的有的有的有的空空空空间间构象所必需构象所必需构象所必需构象所必需20.主要包括：主要包括：亲核性基核性基团：丝氨酸氨酸的的羟基，半胱氨酸的基，半胱氨酸的巯基和基和组氨酸的咪氨酸的咪唑基。基。酶活性中心的必需基活性中心的必需基团21.酸碱性基酸碱性基团：门冬氨酸和谷氨酸冬氨酸和谷氨酸的的羧基，基，赖氨酸的氨基，氨酸的氨基，酪氨酸的酚酪氨酸的酚羟基，基，组氨酸的咪氨酸的咪唑基基半胱氨酸的半胱氨酸的巯基等。基等。22.3、研究研究酶活性部位的方法活性部位的方法 （1 1 1 1）酶酶的的的的专专一性研究一性研究一性研究一性研究（2 2 2 2）酶酶分子分子分子分子侧链侧链基基基基团团的化学修的化学修的化学修的化学修饰饰法法法法 非特异性共价修非特异性共价修非特异性共价修非特异性共价修饰饰 特异性共价修特异性共价修特异性共价修特异性共价修饰饰 亲亲和和和和标记标记（affinity labelingaffinity labelingaffinity labelingaffinity labeling）法）法）法）法（3 3 3 3）动动力学参数力学参数力学参数力学参数测测定法定法定法定法（4 4 4 4）X X X X射射射射线线晶体晶体晶体晶体结结构分析法构分析法构分析法构分析法（5 5 5 5）定点）定点）定点）定点诱变诱变法法法法23.目前一般目前一般目前一般目前一般认为认为，酶酶催化某一反催化某一反催化某一反催化某一反应时应时，首先在，首先在，首先在，首先在酶酶的活性中心与底物的活性中心与底物的活性中心与底物的活性中心与底物结结合合合合生成生成生成生成酶酶底物复合物，底物复合物，底物复合物，底物复合物，此复合物再此复合物再此复合物再此复合物再进进行分解而行分解而行分解而行分解而释释放出放出放出放出酶酶，同，同，同，同时时生成一种或数种生成一种或数种生成一种或数种生成一种或数种产产物，此物，此物，此物，此过过程可用下式表示：程可用下式表示：程可用下式表示：程可用下式表示：1 1、酶与底物的作用与底物的作用过程程中中间络合物学合物学说上式中上式中上式中上式中E E E E代表代表代表代表酶酶，S S S S代表底物，代表底物，代表底物，代表底物，ESESESES代表中代表中代表中代表中间络间络合物合物合物合物)，P P P P代表反代表反代表反代表反应产应产物。由于物。由于物。由于物。由于ESESESES的形成速度很快，且很不的形成速度很快，且很不的形成速度很快，且很不的形成速度很快，且很不稳稳定，一般不易得到定，一般不易得到定，一般不易得到定，一般不易得到ESESESES复合物存在的直接复合物存在的直接复合物存在的直接复合物存在的直接证证据。据。据。据。但从溶菌但从溶菌但从溶菌但从溶菌酶结酶结构的研究中，已制成它与底物形成复合物的构的研究中，已制成它与底物形成复合物的构的研究中，已制成它与底物形成复合物的构的研究中，已制成它与底物形成复合物的结结晶，并得到了晶，并得到了晶，并得到了晶，并得到了X X X X线线衍射衍射衍射衍射图图，证证明了明了明了明了ESESESES复合物的存在。复合物的存在。复合物的存在。复合物的存在。ESESESES的形成，改的形成，改的形成，改的形成，改变变了原来反了原来反了原来反了原来反应应的途径，可使底物的活化能大大降低，从而使的途径，可使底物的活化能大大降低，从而使的途径，可使底物的活化能大大降低，从而使的途径，可使底物的活化能大大降低，从而使反反反反应应加速。加速。加速。加速。四、四、酶的作用机制的作用机制24.酶酶的活性部位的活性部位的活性部位的活性部位(activesite)(activesite)(activesite)(activesite)是是是是结结合底物和将底物合底物和将底物合底物和将底物合底物和将底物转转化化化化为为产产物的区域，通常是整个物的区域，通常是整个物的区域，通常是整个物的区域，通常是整个酶酶分子相当小的一部分，它是由在分子相当小的一部分，它是由在分子相当小的一部分，它是由在分子相当小的一部分，它是由在线线性多性多性多性多肽链肽链中可能相隔很中可能相隔很中可能相隔很中可能相隔很远远的氨基酸残基形成的三的氨基酸残基形成的三的氨基酸残基形成的三的氨基酸残基形成的三维实维实体。体。体。体。活性部位通常在活性部位通常在活性部位通常在活性部位通常在酶酶的表面空隙或裂的表面空隙或裂的表面空隙或裂的表面空隙或裂缝处缝处，形成促，形成促，形成促，形成促进进底物底物底物底物结结合的合的合的合的优优越的非极性越的非极性越的非极性越的非极性环环境。境。境。境。在活性部位，底物被多重的、弱的作用力在活性部位，底物被多重的、弱的作用力在活性部位，底物被多重的、弱的作用力在活性部位，底物被多重的、弱的作用力结结合合合合(静静静静电电相互相互相互相互作用、作用、作用、作用、氢键氢键、范德、范德、范德、范德华键华键、疏水相互作用、疏水相互作用、疏水相互作用、疏水相互作用)，在某些情况下被可，在某些情况下被可，在某些情况下被可，在某些情况下被可逆的共价逆的共价逆的共价逆的共价键结键结合。合。合。合。酶结酶结合底物分子，形成合底物分子，形成合底物分子，形成合底物分子，形成酶酶-底物复合物底物复合物底物复合物底物复合物(enzyme-substrate complex)(enzyme-substrate complex)(enzyme-substrate complex)(enzyme-substrate complex)。酶酶活性部位的活性残基与底物分子活性部位的活性残基与底物分子活性部位的活性残基与底物分子活性部位的活性残基与底物分子结结合，首先将它合，首先将它合，首先将它合，首先将它转变转变为为过过渡渡渡渡态态，然后生成，然后生成，然后生成，然后生成产产物，物，物，物，释释放到溶液中。放到溶液中。放到溶液中。放到溶液中。这时这时游离的游离的游离的游离的酶酶与与与与另一分子底物另一分子底物另一分子底物另一分子底物结结合，开始它的又一次循合，开始它的又一次循合，开始它的又一次循合，开始它的又一次循环环。25.酶如何如何结合？合？已已已已经经提出有两种模型解提出有两种模型解提出有两种模型解提出有两种模型解释酶释酶如何如何如何如何结结合它的底物。合它的底物。合它的底物。合它的底物。锁钥锁钥模型模型模型模型(lock-and-keymodel)(lock-and-keymodel)(lock-and-keymodel)(lock-and-keymodel)：1894189418941894年年年年Emil FischerEmil FischerEmil FischerEmil Fischer提出提出提出提出锁钥锁钥模型，底物的形状和模型，底物的形状和模型，底物的形状和模型，底物的形状和酶酶的活性部位被的活性部位被的活性部位被的活性部位被认为认为彼此相适合，彼此相适合，彼此相适合，彼此相适合，像像像像钥钥匙插入它的匙插入它的匙插入它的匙插入它的锁锁中，两种形状被中，两种形状被中，两种形状被中，两种形状被认为认为是是是是刚刚性的和固定的，性的和固定的，性的和固定的，性的和固定的，当正确当正确当正确当正确组组合在一起合在一起合在一起合在一起时时，正好互相，正好互相，正好互相，正好互相补补充。充。充。充。诱导诱导契合模型契合模型契合模型契合模型(induced-fitmodel)(induced-fitmodel)(induced-fitmodel)(induced-fitmodel)：是是是是1958195819581958年提出的，底物年提出的，底物年提出的，底物年提出的，底物的的的的结结合在合在合在合在酶酶的活性部位的活性部位的活性部位的活性部位诱导诱导出构象出构象出构象出构象变变化，此外化，此外化，此外化，此外酶酶可以使底物可以使底物可以使底物可以使底物变变形，迫使其构象近似于它的形，迫使其构象近似于它的形，迫使其构象近似于它的形，迫使其构象近似于它的过过渡渡渡渡态态。例如，葡萄糖与己糖激例如，葡萄糖与己糖激例如，葡萄糖与己糖激例如，葡萄糖与己糖激酶酶的的的的结结合，当葡萄糖合，当葡萄糖合，当葡萄糖合，当葡萄糖刚刚刚刚与与与与酶结酶结合后，即合后，即合后，即合后，即诱导酶诱导酶的的的的结结构构构构产产生一种构象生一种构象生一种构象生一种构象变变化，使活化部位与底化，使活化部位与底化，使活化部位与底化，使活化部位与底物葡萄糖形成互物葡萄糖形成互物葡萄糖形成互物葡萄糖形成互补补关系。不同的关系。不同的关系。不同的关系。不同的酶酶表表表表现现出两种不同的模型特出两种不同的模型特出两种不同的模型特出两种不同的模型特征，某些是互征，某些是互征，某些是互征，某些是互补补性的，某些是构象性的，某些是构象性的，某些是构象性的，某些是构象变变化。化。化。化。26.锁钥学学说：认为整个整个酶分子的天然构象是具有分子的天然构象是具有刚性性结构的，构的，酶表面具有特定的形状。表面具有特定的形状。酶与底物与底物的的结合如同一把合如同一把钥匙匙对一把一把锁一一样27.诱导契合学契合学说该学学说认为酶表面并没有一种与底物互表面并没有一种与底物互补的固定形状，而只是由于底物的的固定形状，而只是由于底物的诱导才形才形成了互成了互补形状形状.28.“三点三点结合合”的催化理的催化理论认为酶与底物的与底物的结合合处至少有三个点，至少有三个点，而且只有一种情况而且只有一种情况是完全是完全结合的形式。合的形式。只有只有这种情况下，种情况下，不不对称催化作用才称催化作用才能能实现。29.研究研究研究研究酶酶的催化作用机理，一般采用两种方法。的催化作用机理，一般采用两种方法。的催化作用机理，一般采用两种方法。的催化作用机理，一般采用两种方法。一种方法是从非一种方法是从非一种方法是从非一种方法是从非酶酶系系系系统统模式模式模式模式获获得催化作用得催化作用得催化作用得催化作用规规律，其律，其律，其律，其优优点是反点是反点是反点是反应应简单简单，易于探究，而其缺点是非，易于探究，而其缺点是非，易于探究，而其缺点是非，易于探究，而其缺点是非酶酶系系系系统统与与与与酶酶系系系系统统不同，其不同，其不同，其不同，其实验实验结结果不一定完全适合于果不一定完全适合于果不一定完全适合于果不一定完全适合于阐阐明明明明酶酶的催化作用。的催化作用。的催化作用。的催化作用。另一种方法是从另一种方法是从另一种方法是从另一种方法是从酶酶的的的的结结构与功能研究构与功能研究构与功能研究构与功能研究中得到催化作用机理的中得到催化作用机理的中得到催化作用机理的中得到催化作用机理的证证据。据。据。据。根据两种方法的研究根据两种方法的研究根据两种方法的研究根据两种方法的研究结结果，据果，据果，据果，据现现在所知，在所知，在所知，在所知，酶酶的催化作用可能来的催化作用可能来的催化作用可能来的催化作用可能来自自自自5 5 5 5个方面，即个方面，即个方面，即个方面，即广广广广义义的酸碱催化、共价催化、的酸碱催化、共价催化、的酸碱催化、共价催化、的酸碱催化、共价催化、邻邻近效近效近效近效应应及定向及定向及定向及定向效效效效应应、变变形或形或形或形或张张力以及活性中心力以及活性中心力以及活性中心力以及活性中心为为疏水区域疏水区域疏水区域疏水区域。2 2 2 2、酶酶的催化作用机理的催化作用机理的催化作用机理的催化作用机理30.（1 1 1 1）广）广）广）广义义的酸碱催化的酸碱催化的酸碱催化的酸碱催化(acid-base catalysis)(acid-base catalysis)(acid-base catalysis)(acid-base catalysis)酸碱催化酸碱催化酸碱催化酸碱催化是通是通是通是通过过瞬瞬瞬瞬时时的向反的向反的向反的向反应应物提供物提供物提供物提供质质子或从反子或从反子或从反子或从反应应物物物物接受接受接受接受质质子以子以子以子以稳稳定定定定过过渡渡渡渡态态，加速反，加速反，加速反，加速反应应的一的一的一的一类类催化机制。催化机制。催化机制。催化机制。狭狭狭狭义义的酸碱催化的酸碱催化的酸碱催化的酸碱催化剂剂即是即是即是即是H H H H+与与与与OHOHOHOH-。广广广广义义的酸碱的酸碱的酸碱的酸碱是指能供是指能供是指能供是指能供给质给质子子子子(H(H(H(H+)与接受与接受与接受与接受质质子的物子的物子的物子的物质质。酸碱催化酸碱催化酸碱催化酸碱催化剂剂是催化有机反是催化有机反是催化有机反是催化有机反应应中普遍、有效的催化中普遍、有效的催化中普遍、有效的催化中普遍、有效的催化剂剂。它它它它们们在在在在酶酶反反反反应应中的中的中的中的协调协调一致可能起到特一致可能起到特一致可能起到特一致可能起到特别别重要的作用。由重要的作用。由重要的作用。由重要的作用。由于生物体内酸碱度偏于中性，在于生物体内酸碱度偏于中性，在于生物体内酸碱度偏于中性，在于生物体内酸碱度偏于中性，在酶酶反反反反应应中起到催化作用的中起到催化作用的中起到催化作用的中起到催化作用的酸碱不是狭酸碱不是狭酸碱不是狭酸碱不是狭义义的酸碱，而是广的酸碱，而是广的酸碱，而是广的酸碱，而是广义义的酸碱。的酸碱。的酸碱。的酸碱。31.在所有的广在所有的广在所有的广在所有的广义义酸碱的功能基酸碱的功能基酸碱的功能基酸碱的功能基团团中以中以中以中以组组氨酸的眯氨酸的眯氨酸的眯氨酸的眯唑唑基特基特基特基特别别重要，重要，重要，重要，其理由有以下两点：一是咪其理由有以下两点：一是咪其理由有以下两点：一是咪其理由有以下两点：一是咪唑唑基在中性溶液条件下有一半以基在中性溶液条件下有一半以基在中性溶液条件下有一半以基在中性溶液条件下有一半以质质子供体子供体子供体子供体(广广广广义义酸酸酸酸)形式存在，另一半以形式存在，另一半以形式存在，另一半以形式存在，另一半以质质子受体子受体子受体子受体(广广广广义义碱碱碱碱)形形形形式存在。它可在式存在。它可在式存在。它可在式存在。它可在酶酶的催化反的催化反的催化反的催化反应应中中中中发挥发挥重要作用；二是咪重要作用；二是咪重要作用；二是咪重要作用；二是咪唑唑基基基基供供供供给质给质子或接受子或接受子或接受子或接受质质子的速度十分迅速，而且两者的速度几乎子的速度十分迅速，而且两者的速度几乎子的速度十分迅速，而且两者的速度几乎子的速度十分迅速，而且两者的速度几乎相等，因此咪相等，因此咪相等，因此咪相等，因此咪唑唑基是基是基是基是酶酶的催化反的催化反的催化反的催化反应应中最有效、最活中最有效、最活中最有效、最活中最有效、最活泼泼的一个的一个的一个的一个功能基功能基功能基功能基团团。32.Figure 8-9 Many organic reactions are promoted by proton donors(general acids)or proton acceptors(general bases).The active sites of some enzymes contain amino acid functional groups,such as those shown here,that can participate in the catalytic process as proton donors or proton acceptors33.（2 2 2 2）共价催化）共价催化）共价催化）共价催化 所所所所谓谓共价催化就是共价催化就是共价催化就是共价催化就是底物与底物与底物与底物与酶酶以共价方式形成中以共价方式形成中以共价方式形成中以共价方式形成中间间物物物物。这这种种种种中中中中间间物可以很快物可以很快物可以很快物可以很快转变为转变为活化能大活化能大活化能大活化能大为为降低的降低的降低的降低的转变态转变态，从而提，从而提，从而提，从而提高催化反高催化反高催化反高催化反应应速度。速度。速度。速度。例如糜蛋白例如糜蛋白例如糜蛋白例如糜蛋白酶酶与乙与乙与乙与乙酰对酰对硝基苯硝基苯硝基苯硝基苯酯酯可可可可结结合成合成合成合成为为乙乙乙乙酰酰糜蛋白糜蛋白糜蛋白糜蛋白酶酶的复合中的复合中的复合中的复合中间间物，同物，同物，同物，同时时生成生成生成生成对对硝基苯酚。在复合中硝基苯酚。在复合中硝基苯酚。在复合中硝基苯酚。在复合中间间物中乙物中乙物中乙物中乙酰酰基与基与基与基与酶酶的的的的结结合合合合为为共价形式。乙共价形式。乙共价形式。乙共价形式。乙酰酰糜蛋白糜蛋白糜蛋白糜蛋白酶酶与水作用后，与水作用后，与水作用后，与水作用后，迅速生成乙酸并迅速生成乙酸并迅速生成乙酸并迅速生成乙酸并释释放出糜蛋白放出糜蛋白放出糜蛋白放出糜蛋白酶酶。乙。乙。乙。乙酰酰糜蛋白糜蛋白糜蛋白糜蛋白酶酶是共价是共价是共价是共价结结合的合的合的合的酶酶-底物底物底物底物(enzyme-substrate(enzyme-substrate(enzyme-substrate(enzyme-substrate，ES)ES)ES)ES)复合物。能形成共价复合物。能形成共价复合物。能形成共价复合物。能形成共价ESESESES复合物的复合物的复合物的复合物的酶还酶还有一些。有一些。有一些。有一些。34.35.亲亲核催化核催化核催化核催化剂剂之所以能之所以能之所以能之所以能发挥发挥催化作用是催化作用是催化作用是催化作用是由于它能供由于它能供由于它能供由于它能供给给底物一底物一底物一底物一对电对电子。子。子。子。这这种种种种倾倾向是催化反向是催化反向是催化反向是催化反应应速度的部分或速度的部分或速度的部分或速度的部分或全部决定因素。由于全部决定因素。由于全部决定因素。由于全部决定因素。由于给给予予予予电电子，催化子，催化子，催化子，催化剂剂就可与底物就可与底物就可与底物就可与底物共价共价共价共价结结合，而合，而合，而合，而这这种共价种共价种共价种共价结结合合合合的中的中的中的中间间物可以很快地分物可以很快地分物可以很快地分物可以很快地分解，解，解，解，结结果反果反果反果反应应速度大大加快速度大大加快速度大大加快速度大大加快。共价催化共价催化共价催化共价催化的常的常的常的常见见型式是型式是型式是型式是酶酶的催化基的催化基的催化基的催化基团团中中中中亲亲核原子核原子核原子核原子对对底物的底物的底物的底物的亲电亲电子原子的攻子原子的攻子原子的攻子原子的攻击击。它。它。它。它们类们类似似似似亲亲核核核核试剂试剂与与与与亲亲电试剂电试剂。36.所所所所谓谓亲电试剂亲电试剂就是一种就是一种就是一种就是一种试剂试剂具有具有具有具有强强烈烈烈烈亲亲和和和和电电子的原子中心。子的原子中心。子的原子中心