第三節(jié)酶的催化作用

第三節(jié)酶的催化作用第1頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月能引起反應的最低的能量水平成反應能閾，分子由常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榛罨癄顟B(tài)所需的能量稱為活化能。一酶能顯著降低反應活化能活化能=過渡態(tài)自由能－基態(tài)自由能（transitionstate)(groundstate)（基態(tài)）（過渡態(tài)）（活化能）第2頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月使活化分子增多的途徑：1提高反應的溫度（加熱或光照射），使一部分分子獲得能量而活化，直接增加活化分子的數(shù)目，以加速化學反應的進行；2降低反應所需的活化能，間接增加活化分子的數(shù)目。第3頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月二中間復合物學說與反應過渡態(tài)反應體系中各反應物分子所含能量高低不同，只有所含能量達到或超過某一限度的活化分子才能發(fā)生反應。反應物分子處于被激活狀態(tài)時稱為過渡態(tài)。中間產(chǎn)物學說的內(nèi)容：酶與底物先結(jié)合成一個中間產(chǎn)物，然后中間產(chǎn)物分解成產(chǎn)物和游離的酶。E+SESE+P第4頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月中間產(chǎn)物學說的證據(jù)：1電子顯微鏡觀察到了核酸聚合酶與核酸結(jié)合而成的復合物，X晶體衍射：羧肽酶A和底物Gly-L-Tyr相互作用；2根據(jù)酶和底物反應前后的光譜變化，可證明中間產(chǎn)物的存在；3酶的物理特性在形成復合物后發(fā)生變化；4已分離到酶和底物相互作用生成的ES復合物；乙酰化胰凝乳蛋白酶D-氨基酸氧化酶和底物復合物的結(jié)晶；5超離心沉降過程中，酶和底物共沉降。第5頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月發(fā)展的中間產(chǎn)物學說：酶先與底物結(jié)合成酶-底物復合物(ES)，然后轉(zhuǎn)變成過渡態(tài)(ES*)，再形成酶-產(chǎn)物復合物(EP)，最后分解釋放出酶，并生成產(chǎn)物。E+SESES*EPE+P第6頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月S*ES*ESEPE+PPEa(酶促反應）E+SSEa(非酶促反應）自由能(非酶促反應）△G○反應進行方向SS*P第7頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月三與酶的高效率催化有關的因素（一）底物和酶的“趨近”和“定向”效應趨近效應：指兩個反應的分子，它們反應的基團需要互相靠近，才能反應。定向效應:指酶的催化基團與底物的反應基團之間的正確定向。

第8頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月趨近：指底物的反應基團和酶活性部位的催化基團互相靠近，以及結(jié)合在酶活性部位上的兩種底物分子之間的互相靠近。底物分子濃集于酶活性中心，有利于分子相互碰撞而發(fā)生反應。第9頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月定向：指互相靠近的底物分子之間、底物分子與酶活性部位的催化基團之間形成正確的立體排列方向。鄰近效應與定向效應在雙分子反應中起促進作用至少可分別達104倍，兩者共同作用可使反應速率提高108。第10頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月酶把底物分子從溶液中富集出來，使它們固定在活性中心附近，反應基團相互鄰近，同時使反應基團的分子軌道以正確方位相互交疊，反應易于發(fā)生。鄰近效應與定向效應對反應速度的影響：①使底物濃度在活性中心附近很高

②酶對底物分子的電子軌道具有導向作用

③酶使分子間反應轉(zhuǎn)變成分子內(nèi)反應④鄰近效應和定向效應對底物起固定作用第11頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月2底物變形和張力作用酶與底物結(jié)合后，底物分子的構(gòu)象發(fā)生變化，不穩(wěn)定的化學鍵受到牽拉或變形而易斷裂，降低了反應活化能而加速反應，又稱張力學說（straintheory）。第12頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月原理：酶與底物結(jié)合后，酶的某些基團或離子可使底物敏感鍵中的某些基團的電子云密度增高或降低，產(chǎn)生“電子張力”，底物分子發(fā)生形變，更接近過渡態(tài)，降低反應活化能，使敏感鍵更易發(fā)生化學反應。第13頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月狹義的酸-堿催化：H+及OH-可加快一般化學反應。廣義的酸－堿催化：是指通過質(zhì)子酸提供部分質(zhì)子,或是通過質(zhì)子堿接受部分質(zhì)子的作用，催化酶促反應。在近中性環(huán)境中，作為催化性的質(zhì)子供體或受體，可提高反應速率102～105倍反應：羰基的加成作用、酮式和烯醇式的異構(gòu)、肽和酯的水解、磷酸及焦磷酸參與的反應。3酸堿催化作用第14頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月酶分子中可以作為廣義酸、堿的基團在生理條件下，OH-和H+含量很少，在體內(nèi)的酶反應以廣義的酸堿催化。狹義酸堿催化的反應速度不受溶液pH的影響。在緩沖溶液中，酶通過提供或者奪取質(zhì)子穩(wěn)定反應。第15頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月咪唑基是催化反應中最有效最活潑的一個功能基團。pK6～7，在生理pH條件下，一半以酸形式存在，一半以堿形式存在。提供質(zhì)子或接受質(zhì)子的速度十分迅速，其半衰期小于10-10秒。廣義酸基團質(zhì)子供體廣義堿基團質(zhì)子受體第16頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月酶活性中心提供H+/H+受體使敏感鍵斷裂的機制。酸催化(－OH、－NH3+、＝NH+、-COOH、－SH)A-:H+EHE-H2OEH+OH-+H+AH+B+堿催化(失電子態(tài))A-:B++E-COO-A-+E-COOHE-COO-+H+第17頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月乙酸對硝基苯酯的水解反應對硝基乙酸苯酯乙酸對硝基苯酚吲哚基第18頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月堿催化＋酸催化第19頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月共價催化又稱親核或親電子催化，在反應過程中，親核催化劑或親電子催化劑分別放出電子或汲取電子并作用于底物的缺電子中心或負電中心，形成反應活性很高的共價過渡產(chǎn)物，使反應活化能降低，從而提高反應速度。一般地，酸是可以接受電子對的物質(zhì)，而堿是可以提供電子對的物質(zhì)，前者是親電物質(zhì)，后者是親核物質(zhì)。4共價催化（covalentcatalysis）第20頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月中間產(chǎn)物不穩(wěn)定，斷裂，形成產(chǎn)物，酶復原。（不同酶促反應中的催化因素影響大小不同。）A-:B+¨+-OH-NH2咪唑基

親電催化2A-:2B++Mg2+A:Mg¨A+2B+親核催化¨-OH¨-SHA-:+HO:B¨第21頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月親核催化：酶活性中心的親核催化基團提供一對電子，與底物分子中缺少電子、具有部分正電性的原子形成共價鍵，從而產(chǎn)生不穩(wěn)定的共價中間物。第22頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月酶親核基團：Ser-OH，Cys-SH，His-N、Asp-COOH；底物親電中心：磷酰基（-P=O），?；?C=O），糖基（Glu-C-OH）某些輔酶，如焦磷酸硫胺素和磷酸吡哆醛等也可以參與共價催化作用。第23頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月酶的親核中心X未成鍵電子對進攻底物的親電中心，形成共價結(jié)合，迅速形成不穩(wěn)定的中間復合物，降低反應活化能，促進產(chǎn)物生成。第24頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月親電子催化：酶活性中心的親電子催化基團，與底物分子的親核原子形成共價鍵，從而產(chǎn)生不穩(wěn)定的共價中間物。第25頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月5、金屬離子催化金屬酶：含緊密結(jié)合的金屬離子，如Fe2+、Fe3+、Cu2+、Zn2+、Mn2+、Co3+。金屬激活酶：含松散結(jié)合的金屬離子，如Na+、K+、Mg2+、Ca2+。金屬離子的主要作用途徑：（1）通過結(jié)合底物為反應定向（2）通過可逆改變離子價態(tài)調(diào)節(jié)氧化還原反應（3）通過靜電穩(wěn)定或屏蔽負電荷第26頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月第27頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月6活性部位微環(huán)境的影響

酶在反應中提供一個特殊的環(huán)境，如溶菌酶分子表面有一個凹穴，活性部位就位于這個凹穴里面.當?shù)孜锱c活性部位結(jié)合時就被埋沒在疏水環(huán)境中，這樣的微環(huán)境有利于酶的催化作用。⑴疏水環(huán)境（酶分析表面的裂縫）

介電常數(shù)低，加強極性基團間的作用。⑵電荷環(huán)境

在酶活性中心附近，往往有一電荷離子，可穩(wěn)定過渡態(tài)的離子。第28頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月

活性中心的微環(huán)境酶活性中心的羧基與水形成氫鍵，導致酶活性中心羧基表面有一層水化層，水分子的屏蔽作用，大大削弱了酶分子與底物離子間的靜電相互引力，不利于酶促反應。第29頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月酶催化作用實例：絲氨酸蛋白酶（胰凝乳蛋白酶）胰凝乳蛋白酶分子中催化三聯(lián)體構(gòu)象His57Asp102Ser195Asp102His57Ser195His57102AspSer195A.酶分子中的電荷中繼網(wǎng)B.加上底物后，從Se