21
Trypsin
cut at Lys, Arg O O –C–N–C–C–N– C C C C NH3 + COOC Asp
Chymotrypsin
cut at Trp, Phe, Tyr
O O –C–N–C–C–N– C
Elastase
cut at Ala, Gly
O O –C–N–C–C–N– CH3


以参与共价催化作用。
35
(五) 金属离子的催化作用
１.需要金属的酶分类：
（1）金属酶－Metalloenzyme:含紧密结合的金属 离子。如Fe2+、Fe3+、Cu2+、Zn2+、Mn2+ （2）金属-激活酶（metal-activated enzyme）: 含松散结合的金属离子，如Na+ K+ Mg2+ Ca2+
18
19
3.三点附着学说（Three-point attachment hypothesis ）
认为立体异构的一对S，虽然基团相同，但空间排列不 同。因而与酶活性中心基团不能同时互补，只有三点都配 匹互补，才能结合而发生作用。用它来解释甘油激酶的作 用正适合。
2 1 3 1
甘油
甘油激酶
1-磷酸甘油酸
（四） 多功能催化作用

酶的活性中心部位，一般都含有多个起催化作用 的基团，这些基团在空间有特殊的排列和取向， 可以对底物价键的形变和极化及调整底物基团的 位臵等起到协同作用，从而使底物达到最佳反应
状态。
32
按酶催化反应的机制分类
1. Acid base catalysis

酸-碱催化可分为狭义的酸-碱催化和广义的酸 -碱催化。酶参与的酸-碱催化反应一般都是广
13
Chymotrypsin(胰凝乳蛋白酶)的底物和专一性抑制剂
底物：N-对甲苯磺酰 －L－苯丙氨酰乙基酯
专一性抑制剂：N-对甲苯磺酰 －L－苯丙氨酰氯甲基酮 (TPCK） 与必需基团His57结合 14

判பைடு நூலகம்抑制剂是否与酶的活性中心必需基团结合 的标准：
1.反应速度的降低与[I]正比关系，即失活程度与修饰程 度之间成化学计量学关系（Stoichiometric relationship）。
化作用
结构残基－稳定酶的构象和对酶的活性间接起作用 活性中心外的残基
非贡献残基－对酶的稳定和其它方面起作用，由非必需残 基组成
2
Cleft，crevice or cavities (裂 缝、凹穴、裂沟)为疏水的微 环境
底物
产物
3
4
（二）酶活性中心的结构特点
1.活性中心只占酶分子总体积的很小一部分，往往只占整个酶 分子体积的1%-2%。
L-(+)-Lactic acid
20
4. 结构性质互补假说（Structure-properties complementation theory）
S 的结构和E活性中心三维空间结构互补外，在E和S的 性质方面也有要求。如果底物带电荷，酶的活性中心必带 相反电荷，同时底物和活性中心的极性也必然相同。
Shallow and non-polar pocket
Deep and negatively charged pocket
Non-polar pocket
Active Site
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Juang RH (2004) BCbasics
5.4.3 酶作用高效率的机制
（一）降低反应的活化能（activation energy,Ea）
某些酶活性部位的AA残基
酶
AA残基数
124 129 241 348 212
活性部位的AA残基
His12, His119, Lys41 Asp52, Glu35 His57, Asp102, Ser195 Asp32, Asp215 Cys25, His159 Arg127, Glu270,Tyr248,Zn2+
DFP 的 作 用
二异丙基氟磷酸
Inactive enzyme
10
11
Trypsin(胰蛋白酶)的底物和专一性抑制剂
底物：N-对甲苯磺酰 －L－赖氨酰甲基酯 (TPE)
专一性抑制剂：N-对甲苯磺酰 －L－赖氨酰氯甲基酮 (TPCK)
12
牛胰蛋白酶
用DFP修饰得知Ser195,用TPCK得知His189,用X-光衍射 等方法得知Asp102这些必需基团。
2.金属离子的催化作用：
许多氧化-还原酶中都含有铜或铁离子，它们作 为酶的辅助因子起着传递电子的功能。 许多激酶的底物为ATP-Mg2+复合物。 金属离子通过水的离子化促进亲核催化。
36
（六）微环境的影响（酶活性中心是低介电区域） 酶活性中心处于一个非极性环境中， 从而有利于同底物的结合。
5
RNase
Lysozyme（溶菌酶） Chymotrypsin（胰凝乳蛋白酶 ） Pepsin （人胃蛋白酶） Papain （木瓜蛋白酶）
Carboxypeptidase A （羧肽酶A） 307
常见酶活性中心的基团
H 2N CH CH2 OH
O C OH
OH

亲核性基团： 丝氨酸的羟基， 半胱氨酸的巯 基和组氨酸的 咪唑基。
靠近和定向可能使反应速度提高108倍。
30
（三）酶使底物分子中的敏感键发生变形 （Distortion）

酶-底复合物形成时，酶分子构象发生变化，底物分子也常常
受到酶的作用而发生变化，甚至使底物分子发生扭曲变形，从 而使底物分子某些键的键能减弱，产生键扭曲，有助于过度态 的中间产物形成,从而降低了反应的活化能。 31
HN
NH
:N
NH
His 是酶的酸碱催化作用中最活泼的一个催化功能 团。(pK=6) 半寿期小于1010秒
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2. Covalent catalysis

催化剂通过与底物形成反应活性很高的共价过渡
产物，使反应活化能降低，从而提高反应速度的 过程，称为共价催化。 酶中参与共价催化的基团主要包括以下亲核基团： His 的咪唑基，Cys 的巯基，Asp 的羧基，Ser 的羟基等；亲电子基团：H+ 、Mg2+、 Mn2+ 、Fe3+ 某些辅酶，如焦磷酸硫胺素和磷酸吡哆醛等也可
义的酸－碱催化方式。

广义酸－碱催化是指通过质子酸提供部分质子, 或是通过质子碱接受部分质子的作用，达到降 低反应活化能的过程。
33
酶分子中可以作为广义酸、碱的基团 广义酸基团 （质子供体）
-COOH,
+ -NH 3,
广义碱基团 （质子受体）
-COO ,
-SH,
.. -NH 2, -S ,
O
+
OH
（电子显微镜的观察结果、X-射线晶体结构分析、酶与
底物反应前后光谱特性分析、酶的溶解度变化、酶与底物 的共沉降，获得ES复合物结晶）
25
26
27
28
29
（二）邻近效应 （Proximity 效应（Orientation effect）

effect） 和定向
邻近效应:在酶促反应中，由于酶和底物分子之间的亲和性，
V
50%
Time
16
5.4.2 酶作用专一性的机制

1.锁钥学说（1894年Emil Fischer）—lock and key或模
板学说（template）：认为整个酶分子的天然构象是具有刚
性结构的，酶表面具有特定的形状。酶与底物的结合如同一把钥 匙对一把锁一样。
17
2.诱导契合学说（1958年 D.Koshland)_induced fit：
5.4 酶的作用机理
5.4.1 酶的活性中心(Active center)
（一）基本概念：酶的活性中心是指结合底物和将底 物转化为产物的区域，通常是相隔很远的氨基酸残 基形成的三维实体。酶的活性中心包括两个功能部 位：结合部位和催化部位。
1．结合部位（Binding site）
酶分子中与底物结合的部位或区域一般称为结合部 位。此部位决定酶的专一性。 2．催化部位（Catalytic site ） 酶分子中促使底物发生化学变化的部位称为催化部 位。此部位决定酶所催化反应的性质。
底物分子有向酶的活性中心靠近的趋势，最终结合到酶的活 性中心，使底物在酶活性中心的有效浓度大大增加的效应。 曾测得一酶促反应，[S]=0.001mol，活性中心[S]=100mol，达 十万倍。

定向效应：当专一性底物向酶活性中心靠近时，会诱导酶分
子构象发生改变，使酶活性中心的相关基团和底物的反应基 团正确定向排列，同时使反应基团之间的分子轨道以正确方 向严格定位，使酶促反应易于进行。以上两种效应使酶具有 高效率和专一性特点。
铂为催化剂时48.9 KJ/mol; Catalase为催化剂8.36 KJ/mol
酶促反应
24
中间产物学说

在酶催化的反应中，第一步是酶与底物形成酶－
底物中间复合物。当底物分子在酶作用下发生化
学变化后，中间复合物再分解成产物和酶。

E
+
S
E－S
P
+
E
许多实验事实证明了ES复合物的存在。ES复合物 形成的速率与酶和底物的性质有关。
CH2 H2N CH2 C OH H2N CH CH2 O
C O OH
O
O C H2N OH CH CH2 CH2 CH2 CH2 NH 2 OH OH C OH NH 2
7
2.酶的活性部位是一个三维实体，具有三维空间结 构。活性中心的空间构象不是刚性的，在与底物接触时表 现出一定的柔性和运动性。（邹承鲁研究酶变性的工作） 3.酶的活性部位并不是和底物的形状正好互补的，而 是在酶和底物的结合过程中，底物分子或酶分子、有时是 两者的构象同时发生了一定的变化后才互补的，此时催化 基团的位臵正好处在所催化底物键的断裂和即将生成键的 适当位臵，这个动态辨认过程称为诱导契合（inducedfit）. 4.酶活性部位位于酶分子表面的一个裂隙(crevice） 内.裂隙内是一个相当疏水的环境，从而有利于同底物的 结合。 5.底物靠许多弱的键力与酶结合。 8