酶催化中过渡态稳定学说 ppt课件
催化反应中的过渡态理论
催化反应中的过渡态理论过渡态理论在催化反应中扮演着重要的角色。
催化反应是一种能够加速化学反应速率的过程，它可以通过引入一个外部物质，即催化剂，来改变化学反应路径并提高反应速率。
过渡态理论是解释催化反应机制的基本概念，它描述了在化学反应中的中间态。
过渡态理论认为，在催化反应中，初始物质被转化为过渡态，再转化为产物。
过渡态是一种局部最高能量状态，存在于反应进程中，代表着反应物和产物之间的转化状态。
过渡态理论与活化能有关，它描述了当反应物达到转化为产物的过程中所经历的最高能垒。
理解和研究过渡态理论有助于我们了解催化反应的机制及其影响因素。
在过渡态理论中，反应速率与过渡态的稳定性有关。
过渡态的稳定性由活化能决定，活化能越高，过渡态就越不稳定，反应速率就越慢。
催化剂的作用是通过与反应物发生化学反应，降低活化能并使过渡态更稳定。
这样一来，催化剂能够降低反应活化能，使原本需要高能耗的反应在较低的温度和压力下发生，从而提高反应速率。
在催化反应中，过渡态理论还可以解释催化剂选择性的问题。
选择性是指催化剂在反应过程中优先选择某个特定的反应路径。
通过改变催化剂的组成、形状和表面活性等因素，可以调控过渡态的稳定性，从而影响催化剂的选择性。
催化剂的选择性在工业催化反应中具有重要的意义，可以使反应以期望的产物为主要产物，并减少或避免副产物的生成。
过渡态理论还提供了研究和设计新型催化剂的基础。
通过了解催化反应的过渡态结构和性质，可以针对不同的化学反应设计出具有高活性和选择性的催化剂。
例如，合成氨的工业制造中，使用铁物种作为催化剂，通过调控过渡态的稳定性，可以提高氨的产量和选择性。
类似地，在制药工业中，通过研究过渡态结构与活性位点之间的关系，可以设计出高效的催化剂，用于合成药物中的关键中间体。
除了加速反应速率和调控选择性，过渡态理论还有助于我们了解催化反应的动力学行为。
通过研究过渡态的能垒、活化能和反应速率常数等参数，可以建立反应动力学模型，预测和优化催化反应的性能。
酶反应动力学中的过渡态分析
酶反应动力学中的过渡态分析酶反应动力学是生物化学研究中的一个重要领域，它主要关注的是酶催化反应的速率和机理。
而在酶催化反应中，过渡态分析是非常重要的一环。
本文将从酶反应速率、催化反应机理以及过渡态分析三个方面探讨过渡态分析在酶反应动力学中的重要性。
一、酶反应速率酶催化反应速率是指反应底物转化成产物的速率。
酶反应速率是由反应底物的浓度、酶催化反应速率常数和反应机理共同确定的。
反应底物浓度可以被认为是一定的，因此酶反应速率常数和反应机理是决定酶反应速率的关键。
其中，反应机理包括反应的过程和机理，涉及到酶催化反应的基本原理。
二、催化反应机理酶催化反应机理是酶反应速率的重要组成部分。
它包括被酶分子催化的特异性底物交换、酶催化反应的转化机制、催化反应的产生和消耗等。
根据酶中心的不同，酶催化反应的机理和效果也有所不同。
对于催化反应，它可以产生势能曲线；每个给定的底物或是中间体会有相应的势能值。
因此，对于酶的催化反应，过渡态还有很重要的作用。
三、过渡态分析过渡态是指在酶催化反应中最高的势能状态。
它是中间反应物，只能短暂存在，随即就会稳定成产物。
过渡态是酶催化机理的关键环节，它在整个酶催化反应过程中起着至关重要的作用。
因此，过渡态的分析对于酶催化反应的理解和预测至关重要。
过渡态的理解给出确定性质量的技术框架，而采用这种框架可以开发出快速优化酶的活性的策略。
在过渡态分析的理论中，反应路径可以被抽象为无限密集的层次结构，分为若干不同的层次。
每一层次代表一组不同的物理化学过程（也被称为元素反应）；这些过程涉及到一些性质变化，包括电荷和自旋分布等。
在酶催化反应中，将这一复杂的过程简化为一些简单的反应，可以更容易地理解和预测整个酶催化反应的过程，并确定产物的生成机理。
这样的分析可以通过在生物化学领域和相关领域内发展更复杂的理论工具和算法来实现。
总结：酶反应动力学中过渡态分析是酶催化反应机理和速率的关键组成部分。
在酶催化反应中，过渡态代表着反应路径中的最高势能状态，是一批极其中间的反应物。
简酶过渡态稳定学说的化学机制
简酶过渡态稳定学说的化学机制
简酶过渡态稳定学说是描述酶催化机制的一种重要理论，在过去数十
年的研究中得到广泛应用。
该理论提出，酶通过降低催化反应的过渡态能
垒来促进反应的进行。
在反应过程中，酶和底物之间形成的中间结构被称
为过渡态，而过渡态的稳定性会影响整个反应的速率。
1.底物定向：酶能够通过在活性位点上形成特定的结构，使底物与其
相互作用。
这种作用可以通过氢键、疏水相互作用、静电相互作用等化学
键的形成来实现。
底物的定向作用可以使底物的反应部位更容易与酶相互
作用，降低了过渡态的能量。
2.酸碱催化：酶能够作为酸或碱来催化反应。
例如，酶可以提供质子
或氢离子，从而使底物发生质子转移反应。
这种酸碱催化可以降低反应的
能垒，促进反应的进行。
3.化学固定：酶能够通过与底物形成化学键来稳定过渡态。
例如，酶
可以形成共价鍵或氢键，从而稳定底物与酶之间的中间过渡态。
4.构型变化：酶能够通过构型变化来促进反应的进行。
例如，酶可以
通过蛋白质的构象变化使底物分子更好地适应酶的活性位点，从而稳定过
渡态。
总之，简酶过渡态稳定学说提供了解释酶催化机制的重要理论基础。
酶通过与底物的相互作用，降低过渡态的能垒，从而促进反应的进行。
这
种过渡态的稳定性可以通过多种化学机制来实现，如底物定向、酸碱催化、化学固定和构象变化。
这些机制共同作用，形成了酶催化反应的基本原理。
酶催化中过渡态稳定学说
筛选 免疫动物产生 抗体
水解 催化可卡因水解的抗体酶的制备
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。它们包括： 邻近定向效应 广义的酸碱催化 静电催化 金属催化 共价催化 底物形变
溶菌酶催化中的底物形变
O
O
+
H H H3 3C C
O
O H O NH O C H H C H H H
H H
O C O-O
总结
酶催化过程中结合方式有两种，一种是酶与基态底物结合，另一种 是酶与过渡态底物结合。而酶催化的高效性原因在于酶与过渡态底 物结合远远比酶与底物结合稳定。
几种酶的共价催化
亲核共价修饰反应
乙酰乙酸脱羧酶的亲核催化磷酸吡哆醛的亲电催化 Nhomakorabea 底物形变
底物形变是指当酶与底物相遇时，酶分子诱导 底物分子内敏感键更加敏感，产生“电子张力” 发生形变，比较接近它的过渡态。
溶菌酶也利用这种方式进行催化：与溶菌酶活 性中心结合的6碳糖在溶菌酶的诱导下，从椅 式构象变成半椅式构象而发生形变，周围的糖 苷键更容易发生断裂。
酶结构的一部分
碳酸酐酶的金属催化机制
共价催化
共价催化是指酶在催化过程中必须与底物上的 某些基团暂时形成不稳定的共价中间物的一种 催化方式。许多氨基酸残基的侧链可作为共价 催化剂，例如Lys、His、Cys、Asp、Glu、Ser 或Thr，此外，一些辅酶或辅基也可以作为共 价催化剂，例如硫胺素焦磷酸（TPP）和磷酸 吡哆醛。
① ② ③ ④ ⑤ ⑥
邻近定向效应
酶催化中过渡态稳定学说
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反 应从而加快了反应速度。
kr=κνK#
酶在比催）给化k出u（反：酶应K不K速ue 存度= kk在的uenn）ue相KKue之##对=变kk uenn化euKK可st 以由ke（酶存
酶催化对于反应速率的影响是很大的可达到 1010~1014 数量级，考
“铁丝酶”催化反应的过渡态稳定机制
支持过渡态稳定学说的 证据
根据过渡态的结构设计的过渡 态类似物可作为酶的强抑制剂， 抑制效果远高于竞争性抑制剂。
溶菌酶Asp52的静电 催化
pH对溶菌酶活性 的影响
Glu35和 Asp52分别 所起的广 义酸催化 和静电催 化，解释 了溶菌酶 的活性与 pH之间的 关系以及 它的最适
pH
金属催化
近三分之一酶的活性需要金属离子的存 在，这些酶分为两类，一类为金属酶， 另一类为金属激活酶。前者含有紧密结 合的金属离子，多数为过渡金属，如 Fe2+、Fe3+、Cu2+、Zn2+、Mn2+或Co3+， 后者与溶液中的金属离子松散地结合， 通常是碱金属或碱土金属，例如Na+、 K+、Mg2+或Ca2+。
利用过渡态类似物作为抗原或 半抗原，去免疫动物，由此产 生的抗体可能有类似酶的催化 作用。
脯氨酸消旋酶的过渡态及其过渡态类 似物抑制剂
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
中间复合物学说和过渡态稳定学说
中间复合物学说和过渡态稳定学说
根据中间复合物学说，当酶催化某一化学反应时，酶首先和底物结合生成中间复合物，然后生成产物，并释放出酶。
根据过渡态稳定学说，在任何一个化学反应系统中，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。
过渡态一般在形状上既不同于反应物，又不同于产物，而是介于两者之间的一种不稳定的结构状态，这时候旧的化学键在减弱，新的化学键开始形成。
过渡态存留的时间极短。
要达到过渡态，反应物必须具有足够的能量以克服势能障碍，即活化能。
然而，一个反应系统中各反应物分子具有不同的能量，只有某些反应物具有足够的能量去进行反应。
酶之所以能够催化反应，是因为它能降低反应的活化能。
实际上，活化能的小幅度下降可导致反应速度大幅度的提升。
那么，酶是如何降低一个反应的活化能的呢？酶在催化的时候，提供了一种替代的反应路径，将反应分割成若干步，因其与反应过渡态的结合比和底物的结合更牢、更好，稳定了反应的过渡态，从而降低活化能，使得反应速率加快。
根据此学说，酶通过活性中心的功能基团稳定底物和产物之间的过渡态来催化反应，因此酶与过渡态的亲和力更高。
酶催化中过渡态稳定学说课件
酶催化中过渡态稳定学说
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几种酶的共价催化
亲酶催核化中共过价渡态修稳定饰学反说 应
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乙酰乙酸脱羧酶的亲核催化
酶催化中过渡态稳定学说
24
磷酸吡酶催哆化醛中过的渡态亲稳电定学催说 化
25
底物形变
底物形变是指当酶与底物相遇时，酶分子诱导 底物分子内敏感键更加敏感，产生“电子张力” 发生形变，比较接近它的过渡态。
比与ES与ES#复合物的解离常数之比有关
ES #
K#
ES
e
K# E S# u
ES
ES
ES
Ks
E S#
Kt
ES #
酶催化中过渡态稳定学说
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过渡态理论中反应速率（kr）与从基态反应物转化为过渡态复合物 的平衡常数（K#）成比例
kr=κνK#
酶比催给化出反：应速度的K相e对变化e 可eK以e#由ke（e酶eK存s在）ku（酶不存在）之
酶催化中过渡态稳定学说
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广义的酸催化
广义的碱催化
广义的酸、碱催化
酶催化中过渡态稳定学说
14
溶菌酶Glu35的广义酸催化
酶催化中过渡态稳定学说
15
核糖酶核催化酸中酶过渡A态的稳广定学义说 酸碱催化
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静电催化
活性中心电荷的分布可用来稳定酶促反应的过渡 态，酶使用自身带电基团去中和一个反应过渡态 形成时产生的相反电荷而进行的催化称为静电催 化。
作为Lewis酸起作用
与底物结合，促进底物在反应中正确定向
作为亲电催化剂，稳定过渡态中间物上的电荷
酶催化反应机制.pptx
(四) 共价催化:
标志：催化过程中形成共价中间物1 亲核催化: 带有多余电子对的基团或原子攻击缺少电子而带有部分正电性的原子或基团并形成不稳定的共价中间物的催化方式。 亲核试剂: Glu-COO- Asp-COO- His-咪唑基2 亲电催化: 由缺少电子的亲电试剂从带负电的基团上夺取一对电子并形成共价中间物的催化方式。 亲电试剂： -NH3+
第2页/共19页
(二) 底物形变与诱导楔合
底物形变(distortion)和诱导契合(induced fit)： 酶与底物在构象上相互诱导以便更好配合，作用力的产生往往导致底物形变，使被作用的底物敏感键极易断裂例如：溶菌酶催化时使底物糖环由椅式转变为半椅式
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(三) 广义酸碱催化及共催化：
第8页/共19页
第二节 几种酶作用机制举例
一 溶菌酶(Lysozyme EC 3.2.1.17 )：存在于鸡蛋清和动物分泌物中，单肽链129个aa，14,600，折叠成近球状(4.53 3nm)， 底物为NAG和NAM相间 排列或NAG的单聚物催化过程： ①与底物结合: 6个糖环第 3个必须是NAG；其它 糖环和酶形成氢键放能 并导致第4个糖环D由 椅式转变为半椅式 （4kcal/mol)
二 酶与底物相互作用——过渡态
E + S ES* E+P 酶通过与底物形成过渡态中间物， 降低反应活化能而加速反应。过渡态中间物的维持力主要是一 些次级键：氢键、离子键、疏水力等， 形成过程中放出大量能量，抵消了部分活化能处于过渡态的酶与底物的具有很高的亲和力，比底物或产物高出几个数量级底物过渡态类似物： 例如天然具有半椅式结构的环内酯作为溶菌酶的底物，对酶的亲和力比一般糖环高3600倍。
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几种酶的共价催化
亲核共PP价T课件修饰反应
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乙酰乙酸脱羧酶的亲核催化
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磷酸吡哆醛PP的T课亲件 电催化
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底物形变
底物形变是指当酶与底物相遇时，酶分子诱导 底物分子内敏感键更加敏感，产生“电子张力” 发生形变，比较接近它的过渡态。
溶菌酶也利用这种方式进行催化：与溶菌酶活 性中心结合的6碳糖在溶菌酶的诱导下，从椅 式构象变成半椅式构象而发生形变，周围的糖 苷键更容易发生断裂。
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
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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。
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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 碱催化剂。His残基的咪唑基就是这样的基团，因此它 作为很多酶的催化残基。
底物由基态转变为过渡态的平衡常数，在没存在与酶缺失情况下之 比与ES与ES#复合物的解离常数之比有关
轾 臌ES #
[ E][S]
K#
ES
[ ] e =
K#
[ ] u
E 轾 臌S #
=
[
[ ES] E] 轾 臌S #
= Ks Kt
[ E] [ S] 轾 臌ES #
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过渡态理论中反应速率（kr）与从基态反应物转化为过渡态复合物
是KS/Kt 因此酶对速度的增加因子说明酶与过渡态底物的结合比基态
底物结合要牢固的多
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“铁丝酶”催化P反PT课应件的过渡态稳定机制
7
支持过渡态稳定学说的证据
根据过渡态的结构设计的过渡态类似物可作 为酶的强抑制剂，抑制效果远高于竞争性抑 制剂。
利用过渡态类似物作为抗原或半抗原，去免 疫动物，由此产生的抗体可能有类似酶的催 化作用。
S+E
K
# u
E+S #
ku
P+EKSຫໍສະໝຸດ KtK# e
ke
ES
ES #
P+E
上面途径为非催化反应，下面为酶催化反应
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4
反应中四个平衡常数
KS
=
[
E] [ S] [ ES]
[ ] Kt =
E 轾 臌S # 轾 臌ES #
K # = 轾 臌ES #
e [ ES]
K # = [ E] 轾 臌S # u [ E][ S]
酶催化中过渡态稳定学说
弘毅班 罗江
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1
引子
• “酶”（enzyme）这个名称的使用，始于19世纪后半，是1872年 由居尼所提出的。来源于希腊语：ενζυμον，其中“在酵里面”
• 而19世纪末的酶研究和酿酒业有密不可分的关系，这里面就关系 到一个法国科学大师巴斯德的德国化学家李比希的故事，还有一 个因此得到诺贝尔奖的布希纳。
与底物结合，促进底物在反应中正确定向
作为亲电催化剂，稳定过渡态中间物上的电荷
通过价态的可逆变化，作为电子受体或电子供体参与 氧化还原反应
酶结构的一部分
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碳酸酐酶的金属催化机制
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共价催化
共价催化是指酶在催化过程中必须与底物上的 某些基团暂时形成不稳定的共价中间物的一种 催化方式。许多氨基酸残基的侧链可作为共价 催化剂，例如Lys、His、Cys、Asp、Glu、Ser 或Thr，此外，一些辅酶或辅基也可以作为共 价催化剂，例如硫胺素焦磷酸（TPP）和磷酸 吡哆醛。
的平衡常数（K#）成比例
kr=κνK#
酶催化反应速度的相对变化可以由ke（酶存在）ku（酶不存在）之
比给出：
Ke
=
k
en
e
K
#
e
= k en e Ks
Ku k un u Ku# k un u Kt
酶催化对于反应速率的影响是很大的可达到1010~1014 数量级，考
虑到κν的比值不可能与酶对速度增加在同一数量级，主要的影响就
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广义的酸催化
广义的碱催化
广义的酸、碱催化
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溶菌酶Glu35的广义酸催化
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核糖核酸P酶PT课A的件 广义酸碱催化
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静电催化
活性中心电荷的分布可用来稳定酶促反应的过渡 态，酶使用自身带电基团去中和一个反应过渡态 形成时产生的相反电荷而进行的催化称为静电催 化。
为两类，一类为金属酶，另一类为金属激活酶。前者
含有紧密结合的金属离子，多数为过渡金属，如Fe2+、 Fe3+、Cu2+、Zn2+、Mn2+或Co3+，后者与溶液中的金属 离子松散地结合，通常是碱金属或碱土金属，例如Na+、 K+、Mg2+或Ca2+。
金属离子以5种方式参与催化：
作为Lewis酸起作用
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脯氨酸消旋酶的过渡态及其过渡态类似物抑制剂
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可卡因
抗
体
酶
筛选
免疫动物产生
抗体
水解
催化可卡因水解的抗体酶的制备
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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。它们包括：
有时，酶通过与底物的静电作用将底物引入到活 性中心。
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溶菌酶Asp52的静电催化
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Glu35和Asp52 分别所起的广
义酸催化和静
电催化，解释
了溶菌酶的活 性与pH之间的 关系以及它的 最适pH
pH对溶菌酶活性的影响
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金属催化
近三分之一酶的活性需要金属离子的存在，这些酶分
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过渡态稳定学说
☺1946年Pauling 提出，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
☺Joseph Kraut提出，酶是 柔性的分子模板，是通过 进化设计出来的能与反应 物过渡态的形状而不是基 态形状精密互补的分子。
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考虑底物结合和过渡态结合相关的热力学循环