第十章 酶的催化机理
酶的催化机理研究及应用探究
酶的催化机理研究及应用探究酶是一种生物催化剂，可以加速生物化学反应的速率，并且在反应中不改变自身的化学性质，可以用于工业生产、医药研究等领域。
酶的催化机理研究和应用探究是当前生物化学领域研究的热点和难点之一。
本文就围绕酶的催化机理、应用探究等方面展开论述。
一、酶的催化机理酶作为一种特殊的蛋白质，在催化反应中起到了至关重要的作用。
酶的催化机理主要是基于酶-底物复合物的形成和分解过程，和酶的构象变化有很大关系。
此外，酶还能通过降低活化能来促使反应发生。
1. 酶-底物复合物的形成和分解过程酶催化反应核心是酶-底物复合物的形成和分解过程。
酶和底物之间的相互作用主要包括氢键、电荷-电荷相互作用、范德华力等。
当底物进入酶分子时，它会与酶结合，形成酶-底物复合物，在这个复合物中，底物会逐渐失去能量，形成一些中间体，最终转化成产物。
在反应结束后，产物离开酶分子，酶恢复到自身的构象，等待下一轮的酶催化过程。
2. 酶的构象变化酶的构象变化也是酶催化反应的重要机理，即酶分子通过构象变化来调整底物的构象和位置，使之更容易进行反应。
酶的构象变化主要通过氢键、离子模板作用，亲水和疏水作用等方式来实现。
3. 降低活化能酶催化反应还能通过降低活化能来促进反应的发生。
活化能是指分子在反应过程中必须克服的最小能量。
酶在反应中能够提供较低的活化能，因此可以转化为反应速率的增加。
二、酶的应用探究酶的催化机理研究为其应用探究提供了理论基础。
目前，酶在多个领域得到了广泛应用，包括工业生产、医药研究、生物学研究等。
1. 酶在工业生产中的应用酶在工业生产中应用具有广泛的前景，主要涉及到：制药、食品加工、纸浆生产等行业。
以生物质能源开发为例，利用酶的催化作用，实现玉米秸秆、竹子、稻壳、木材等生物固体废弃物的降解，有望开发新型、高效、可再生的清洁能源。
2. 酶在医药研究中的应用酶在医药研究中应用也具有重要的实际价值。
例如：能够将一些药物转化成更容易被机体吸收、更容易排除的代谢物，从而提高药物的作用效果；可以在病毒或细菌上引入特定的酶分子，从而抑制病毒、细菌的生长。
酶催化机理
3、“变形”与“契合”
酶与底物接触后，酶和底物发生“变形”，使两者彼此互补“契合”。
酶的活性中心
提出重点、难点，
举实例
重点讲解
举实例
分析导入
提出重点、难点，
温度对酶促反应速度的影响
教案续页
教学步骤及主要内容
教学过程
酶促反应的动力学
教案续页
教学步骤及主要内容
教学过程
一、酶的催化作用与分子活化能的关系
酶和一般催化剂加速反应的机制都是降低反应的活化能
二、中间产物学说
酶能与底物形成中复合物
E+S ES E+P
ES的形成，改变原来的化学反应途径，从而降低酶促反应活化能，使化学反应速度加快。
2、趋近效应与定向作用
趋近效应：酶能与底物相互靠近，使底物进入酶的活性中心。
当反应速度为最大速度一半时，米氏方程可以变换如下：
1/2Vmax=Vmax[S]／Km+[S]
举临床实例
分析病例
举临床实例
举实例
分析
重点讲解
举例
举例
教案续页
教学步骤及主要内容
教学过程
举临床实例
分析病例
举临床实例
举临床实例
分析病例
重点讲解
总度对酶促反应的影响
（1）、酶浓度对反应速度的影响
在一定的温度和pH条件下，当底物浓度大大超过酶的浓度时，酶的浓度与反应速度呈正比关系。
（2）、底物浓度对反应速度的影响
在酶的浓度不变的情况下，底物浓度对反应速度影响的作用呈现矩形双曲线。
（3）、米氏方程
V=Vmax[S]／Km+[S]
生物化学中的酶催化机理
生物化学中的酶催化机理酶是一类在生物化学反应中起催化作用的蛋白质分子。
酶通过在反应中提供一个能降低活化能的途径，加速了生物体内的代谢过程。
酶的催化机理是生物化学领域中一个重要的研究课题，探究酶是如何催化生物反应的过程，揭示了生命体系中的基本原理。
酶的催化作用是通过特殊的三维构象来实现的。
酶分子的活性部位包含了一个或多个亲合基团，与底物结合形成酶-底物复合物。
在这个复合物中，酶分子通过碱基、酸基、亲核基团等化学性质来促进底物分子的转化。
这些功能基团通过催化底物的特定化学键的断裂和形成，达到催化生化反应的目的。
酶的催化机理可以分为三个主要步骤：底物与酶的结合、反应的进行、生成物的释放。
在底物与酶结合的阶段，底物分子在酶的活性部位与特定的基团相互作用形成酶-底物复合物。
酶通过调节底物分子的构象，降低了反应活化能，加速了反应的进行。
在反应进行的阶段，酶分子通过构象变化，使得底物分子发生化学反应。
这个过程中，酶保持了其结构的稳定性，同时在底物分子之间施加必要的作用力，促进化学键的形成和断裂。
最后，在生成物释放的阶段，反应产物被释放出来，酶分子回到了初始的构象。
在这个过程中，酶保持了与底物的选择性结合，排除了产物和废物的杂质，并为下一轮反应做好了准备。
总的来说，酶的催化机理是一个复杂的过程，涉及了酶分子的三维结构、活性位点的构象变化、底物与酶的特异性配位等多个方面。
通过深入研究酶的催化过程，科学家们可以揭示生物体内反应的本质，为药物研发和疾病治疗提供重要的依据。
生物化学中的酶催化机理是一个充满挑战和机遇的领域，值得我们深入探索和研究。
酶催化反应的机理
酶催化反应的机理酶是一种生物体内的蛋白质分子，作为生物体内的催化剂，它能够促进、加快各种生物化学反应的进行。
酶在生物化学反应中扮演着重要的角色，因此研究酶催化反应的机理也很重要。
本文将介绍酶催化反应的机理，包括酶催化反应的基本原理、酶与底物之间的相互作用，以及酶反应中的催化中心和活化能降低。
酶催化反应的基本原理酶催化反应的机理是一个非常复杂的过程，在这个过程中酶与底物之间的相互作用非常重要。
当底物进入酶的活性中心时，酶会通过一系列的反应使底物转化为产物。
酶与底物之间的相互作用酶的活性中心是由其氨基酸残基组成的，这些氨基酸残基能够与底物分子进行特定的相互作用，从而使底物的结构发生变化。
酶与底物的结合方式主要包括亲和力和反应速率。
亲和力指的是酶与底物之间的结合能力，反应速率指的是在酶-底物复合物中反应发生的速率。
酶反应中的催化中心催化中心是指酶的活性中心。
它由一些特定的氨基酸残基组成，这些氨基酸残基能够与底物分子进行特定的相互作用，从而促使反应的发生。
酶的催化中心非常重要，因为它能够决定底物分子的结构和形态，从而影响酶催化反应的速率和产物的种类。
活化能降低酶催化反应的机理中，活化能降低也是一个重要的概念。
随着反应的进行，底物必须克服一定的能量障碍才能变成产物。
酶能够降低反应过程中的能量障碍，从而使反应速率更快。
酶可以通过多种方式降低活化能，包括使底物分子之间的距离变近，利用其自身结构对底物分子进行定位和协同催化等。
总结综上所述，酶催化反应是一个非常复杂、多层次的过程。
在这个过程中，酶与底物之间的相互作用、催化中心和活化能降低等因素都非常重要。
酶是生物体内的催化剂，其研究对于解释生命现象，挖掘生物资源等方面都具有重要的价值。
酶的催化机理
酶和底物的相互作用和变化过程称之为酶的作用机制。
酶的催化机理
目录
1
• 中间产物学说
2
• 影响酶催化效率的因素
3
• 酶催化作用专一性的机理
4
• 几种酶作用机制的举例
关于酶的作用机制，目前较为公认的是Michalis 和Mermen在 1913年首先提出的中间产物学说，即
E1 ES
E2
E+S
G
P+ E
无酶参与
一定时间内 到同一地点
S→P（要求S的自由能高） 马拉松
有酶参与下
E + S →ES →E + P
坐车
w （要求S的自由能低）
ES 中的因素
1、底物与酶的接近与定向效应(邻近反应学说 与轨道定向学说)∶
3、共价催化作用
某些酶能与底物形成一个反应活性很高的 共价中间复合物。底物只需越过较低的活化能 就可以形成产物。
4、酸碱催化
这里指出的是广义的酸碱催化。
酶活性中心的一些基团（氨基、羧基、酚羟基、咪 唑基）可作为质子供体或受体对底物进行催化，从而加 快反应速度。
酸碱催化
酶活性中心提供H+或提供H+受体使敏感键断 裂的机制称酸碱催化。
底物的反应基团与酶活性中心的催化基团相 互严格的定向，使得活性中心的底物浓度特别 高，从而使反应速度增高。
定向效应包括： 反应物的反应基团之间 酶的催化基团和底物反应基团之间
2、底物分子的敏感键产生张力或变形
酶分子中某些基团可使底物分子的敏感键中电子云 密度部分的增加或减少从而产生“电磁张力”使敏感键 更敏感，更易于反应。
酶催化的介绍
一．酶催化的介绍1.酸-碱催化（acid-base catalysis）：质子转移加速反应的催化作用。
2.共价催化（covalent catalysis）：一个底物或底物的一部分与催化剂形成共价键，然后被转移给第二个底物。
许多酶催化的基团转移反应都是通过共价方式进行的。
三．催化机理酶的催化机理和一般化学催化剂基本相同，也是先和反应物（酶的底物）结合成络合物，通过降低反应的能来提高化学反应的速度，在恒定温度下，化学反应体系中每个反应物分子所含的能量虽然差别较大，但其平均值较低，这是反应的初态。
S（底物）→P（产物）这个反应之所以能够进行，是因为有相当部分的S分子已被激活成为活化（过渡态）分子，活化分子越多，反应速度越快。
在特定温度时，化学反应的活化能是使1摩尔物质的全部分子成为活化分子所需的能量（千卡）。
酶（E）的作用是：与S暂时结合形成一个新化合物ES，ES的活化状态（过渡态）比无催化剂的该化学反应中反应物活化分子含有的能量低得多。
ES再反应产生P，同时释放E。
E可与另外的S分子结合，再重复这个循环。
降低整个反应所需的活化能，使在单位时间内有更多的分子进行反应，反应速度得以加快。
四、催化的特征1．高效性：酶的催化效率比无机催化剂更高，使得反应速率更快；2．专一性：一种酶只能催化一种或一类底物，如蛋白酶只能催化蛋白质水解成多肽；因此在食用酵素当今在功能上，主要有四种：高浓缩SOD酵素如，复方天然酵素主要用于乳腺瘤、子宫肌瘤、卵巢囊肿等肿瘤方面；长生酵素直接补脾补肾补气血，全面调理；纤体酵素专门转化脂肪减肥；肠毒清酵素则专门清理肠皱褶的毒素。
3．多样性：酶的种类很多，大约有5000多种，其中可以通过食用补充的酵素达2000多种；形态上主要有三种：专业级酵素为酵素胶囊，其次为酵素粉，而液体酵素含量低、效价低、易腐败而安全性较差一些，食用风险较高。
4．温和性：是指酶所催化的化学反应一般是在较温和的条件下进行的，因此，纯正酵素是中性的，温和的，不存在副作用，或“好转反应”。
酶的催化机理
酶的催化机理酶是一种在生物体内起到催化作用的蛋白质分子。
其作用是加速生命体内的化学反应速率，从而维持生命体的正常代谢活动。
酶催化机理是酶分子为了实现自身催化功能而运用的办法，这种机理并不简单，是一个有相当深度的问题。
1.酶的催化作用原理在酶催化下，化学反应能够通过低于其在非催化条件下需要的能量，使它们在生物体内迅速进行。
酶催化作用的过程中，酶与底物结合形成酶-底物复合物，并通过激活能使反应物发生近似于失活状态的调整构形。
在这个状态下，酶有效地利用其较高的局部浓度位于酶活性中心的羟基（OH^-）和氨基(—NH2)等基团引发底物分子的化学反应。
2.激活能的降低酶催化作用最基本的作用是激活能的降低。
激活能是启动绝大部分化学反应的最小能量值。
在没有酶催化下，大多数化学反应的激活能非常高，需要消耗大量的能量才能启动反应。
而酶通过该激活能的降低，使化学反应无需用来启动其化学反应所需的大量能量，从而提高化学反应速率。
3.酶活性中心的特殊性酶催化主要是依靠酶分子中的活性中心。
活性中心是酶分子特有的结构，能够通过与底物结合形成酶-底物复合物。
在酶活性中心中，常常有一些与底物的功能羟基或氨基等基团相互作用的氨基酸残基。
这些氨基酸残基的配合作用导致了局部环境的改变，并进一步导致底物分子向正确的构形调整。
因此，活性中心是酶能够快速催化反应的关键所在。
4.物质转移的方向性酶催化作用的另一个特征是能够增加物质转移的方向性。
例如，在许多转移酶中，底物在进入活性位点之前，酶可以将其稳定在高能态，而这个位点在酶底物复合物中是最稳定的。
这意味着该底物倾向于与该酶“选择性地结合”，而倾向于从底物和酶复合物中解离。
5.杂交模型酶催化作用的杂交模型是酶催化作用的基本模型之一。
杂交模型有助于描述酶催化作用的各种不同形式。
它的核心思想是酶与底物之间的交互作用产生一种共同的中间体，这个中间体是酶活性中心与底物之间的相互作用的产物。
该杂交模型可以描述酶在催化过程中发生的各种不同的构象变化。
酶作用机制
酶活性中心示意图
S- S
活性中心外 必需基团 活 性 中 心 必 需 基 团
底物
结合基团
催化基团 肽链
活性中心
多肽链 底物分子 活性 中心 以外 必需 基团 酶活性中心 活性 催化基团 中心 必需 结合基团 基团
有的酶的必需基团 兼有两者的功能
胰凝乳蛋白酶活性部位示意图
一些酶活性中心的氨基酸残基
酶
糖原磷酸化酶 磷酸化酶b激酶 糖原合成酶 丙酮酸脱羧酶 磷酸果糖激酶 丙酮酸脱氢酶 HMG-CoA还原酶 HMG-CoA还原酶激酶 乙酰CoA羧化酶 脂肪细胞甘油三脂脂肪酶 黄嘌呤氧化酶
化学修饰类型
磷酸化/脱磷酸化 磷酸化/脱磷酸化 磷酸化/脱磷酸化 磷酸化/脱磷酸化 磷酸化/脱磷酸化 磷酸化/脱磷酸化 磷酸化/脱磷酸化 磷酸化/脱磷酸化 磷酸化/脱磷酸化 磷酸化/脱磷酸化 -SH/-S-S-
1
（接近过渡 CH 2 CH 2 态） 108
O
三）酸碱催化
酸碱催化是通过瞬间的向反应物提供质子或 从反应物接受质子以稳定过渡态，加速反应 的一类催化机制。
狭义的酸碱催化 H+、OH-
酸碱催化
广义的酸碱催化，质子受体和供体
酶蛋白中具有广义的酸碱催化的功能基：氨 基、羧基、巯基、酚羟基、咪唑基等。
His存在于许多酶的活性中心；咪唑基是催化中很活泼的一个催化 功能基，它既能供出质子又能接受质子，且速度十分迅速，所 以，His在Pr的含量虽小，往往位于活性中心。
研究酶活性部位的方法
1．分子侧链基团的化学修饰法 2、动力学参数测定法 3、射线晶体结构分析法 4、定点诱变法
二、酶反应的独特性质
• 酶反应；一类反应仅涉及电子转移，另一类 反应涉及电子和质子两者或其他基团的转移 • 酶催化作用以残基上的功能基团和辅酶为媒 介，如His, Ser, Cys, Lys, Glu, Asp • 酶催化反应的最适pH范围狭小 • 酶活性部位比底物稍大 • 酶除进行催化反应所必需的活性基团外，还 有其他因素，如使底物产生张力等作用因素
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可卡因
抗 体 酶 水解
筛选 免疫动物 产生抗体
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 机制
肽键水解在热力学上是十分有利的，但若无蛋白酶的催化，1 个肽键在中性pH和25℃条件下约需300~600年的时间才能完 成水解。 根据活性中心催化基团的性质，蛋白酶可分为四类：（1）丝 氨酸蛋白酶——此类蛋白酶的催化基团包括1个不可缺少的 Ser残基，DIFP是它们的不可逆抑制剂；（2）金属蛋白酶— —这类蛋白酶在活性中心结合有金属离子，其活性绝对需要 金属离子，故金属离子螯合剂可导致活性的丧失；（3）天冬 氨酸蛋白酶——其催化基团包括2个Asp，在偏碱性的pH下无 活性；（4）巯基蛋白酶——其催化基团包括1个Cys的巯基， 碘代乙酸为它们的不可逆抑制剂。 所有蛋白酶在催化中都经历四面体的过渡态，该过渡态形成 的原因是反应涉及一个亲核基团进攻肽键的羰基碳。若是丝 氨酸蛋白酶和巯基蛋白酶，进攻的亲核基团分别是Ser残基的 羟基和Cys残基的巯基，否则就是水分子。
丝氨酸蛋白酶
这类蛋白酶以一个特定的Ser残基作为必需的催化基团，属 于该家族成员的有胰蛋白酶、糜蛋白酶、弹性蛋白酶、枯 草杆菌蛋白酶、激肽释放酶原、凝血酶、纤溶酶等。 丝氨酸蛋白酶的催化机制属于共价催化和广义酸碱催化的 混合体，还有氧阴离子穴对过渡态的稳定，由3个不变的 Ser、His和Asp残基构成的催化三元体起主导作用，这3个 氨基酸任何一种突变或修饰均可导致酶活性的丧失。 构成催化三元体的3个氨基酸在催化中的具体功能是：
过渡态稳定学说
HA-HB + HC→HA-HB-HC（过渡态）→HB-HC + HA 根据过渡态理论，在任何一 个化学反应体系中，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。达到过渡态要求反应 物必须含有足够的能量以克 服活化能。 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。
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。
① ② ③ ④ ⑤
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。
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
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。
第十章 酶的催化机制
提纲
一、酶催化机理研究的主要方法 二、过渡态稳定学说 三、过渡态稳定的化学机制
1. 2. 3. 4. 5. 6. 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
四、几种常见酶的结构与功能
1. 蛋白酶 2. 溶菌酶
酶催化机理研究的主要方法
① ② ③ ④ ⑤ ⑥ 找出保守性的氨基酸残基 三维结构的研究 定点突变 动力学分析 化学修饰 计算机模拟
① ② ③ ④ ⑤ ⑥
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。
溶菌酶Asp52的静电催化
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
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+。 金属离子以5种方式参与催化： 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 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
广义的酸催化
广义的碱催化
广义的酸、碱催化
pH 和缓冲溶液浓度对特定酸碱催化和广义酸碱催化的影响
溶菌酶Glu35的广义酸催化
核糖核酸酶A的广义酸碱催化
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。 有时，酶通过与底物的静电作用将底物引入到 活性中心。
化学反应的过渡态及 其前后的自由能变化
“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。 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