酶的作用机制
§4.1 酶的作用机理及实例
一.决定酶高效率催化的机制
1.底物和酶的靠近(proximity)与定向(orientation)
在化学反应中，反应速度与反应物的浓度成正比， 若在酶促反应系统中的催化场所—酶的活性中心，增 加底物浓度，反应速度也会随之增加。
酶促反应加速的原因之一，就是使底物分子集 中于酶的活性中心，大大提高这个区域底物的有效浓 度，从而加速酶促反应速度。
C. 两个基团既靠 近，又定向，有 利于反应进行。
仅仅是靠近还不够，还需要酶和底物的反应基团在 反应中彼此相互严格地定向，即酶活性中心的催化基 团(氨基酸残基上的基团)定向于底物的反应基团。只 有既靠近又定向，底物分子才能迅速的形成过渡态， 加速反应的进行。
2.底物变形(distortion)与电子张力(electron strain)
第五步
水分子的-OH亲核攻击底物羰基碳原子,形成共 价键。 His57作为质子的受体从水分子上接受质子。
第六步 底物C-O-的电子云向His57-N+H转移, Ser195的
氧与底物的碳之间的共价键断开。 Ser195作为质 子的受体从His57接受质子，酶恢复原状。
第七步
第八步
胰凝乳蛋白酶催化机制的特点：
COOH NH3+
OH
广义碱基团（质子受体）
COON¨H2
O-
SH
S-
C CH
NH N+H C H
C CH
NH N∶ C H
蛋白质中作为广义酸碱催化的功能基团
5.微环境效应
酶的活性中心周围的环境是一个非极性环境，即
低介电环境，在低的介电环境中排斥水分子，酶的
催化基团和底物分子的敏感键之间有很大的反应力，
胰凝乳蛋白 酶是由241个氨 基酸组成，分子 量为25000，分 子呈椭圆状，含 α-螺旋较少。活 性部位由Ser195、 His57、Asp102三 个氨基酸残基构 成，这三个氨基 酸残基形成催化 三联体。
催化三联体：
催化机理：
酶活性中 心的三个 氨基酸
底物
第一步
基电 氧子 原云 子向 转底 移物
这三种酶在一级结构上有40%的氨基酸顺序是 相同的，三维结构也很相似，都有Ser195、His57、 Asp102三个氨基酸残基构成的催化三联体，它们的 催化作用机理也相似，但它们的专一性是完全不 同的。
这三种酶的活性部位位于分子表面的凹陷区域， 这个凹陷结构区域称为口袋。由于三种蛋白酶的 口袋的差异造成它们的专一性不同。
• 底物D糖环构象发生变化
溶菌酶底物D糖环变形模型图
C4
C4
C4
C3
C3
C3
C5 C2
C1
O
椅式：C5、C1、C2 和 O不在同一平面
C5 C2
C5 C2
C1
O
C1
O
C5向前移动， O原子向后移动
半椅式：C5、C1、C2 和 O在同一平面上
酶与底物结合后，D 糖环构象发生变形，从正常 的能量较低的椅式构象变为能量较高的半椅式构象。
胰凝乳蛋白酶的口袋底部有一个小的Ser，口袋上方有两 个小的Gly残基，有利于较大的芳香族氨基酸侧链进入，因 此胰凝乳蛋白酶催化芳香族氨基酸形成的肽键。
胰蛋白酶口袋底部有一个带负电荷的Asp，有利于结合带 正电荷的Arg、Lys残基，决定了胰蛋白酶可以催化精氨酸和 赖氨酸羧基形成的肽键。
弹性蛋白酶有一个浅的口袋， 口袋上方有大的Thr和 Val残基，只允许小分子的氨基酸像甘氨酸、丙氨酸进入， 因此弹性蛋白酶可催化甘氨酸和丙氨酸羧基形成的肽键。
有助于加速酶促反应。
如果酶的活性中心周围是一个高介电环境中，活
性中心就会有水分子存在，水分子对带电离子有屏蔽
作用，削弱带电离子之间的静电作用，不利于酶促反
应的进行。例如：
酶活性中心的羧基与水形成
氢键，导致酶活性中心羧基表
面有一层水化层，水分子的屏
蔽作用，大大削弱了酶分子与
底物离子间的静电相互引力，
不利于酶促反应。
要 的
基团，并供出电子，二
亲
者形成共价键，酶和底
核
物形成一个不稳定的中
基 团
间物，进而转变为产物。
共价催化也可以是酶的亲电基团对底物的亲核基团 进行攻击，酶分子上带正电的基团有H+、Mg2+、Fe3+ —NH3+等，它们攻击底物分子上带负电的亲核基团， 与底物形成共价键,进行催化。
4. 酸碱催化 (acid-base catalysis)
一. 胰蛋白酶原的激活
二. 胰凝乳蛋白酶原的激活
三、几种蛋白酶的激活及它们之间的相互作用
胰蛋白酶原
自
肠酶
身 催
化
六肽＋胰蛋白酶
羧肽酶原 胰凝乳蛋白酶原 弹性蛋白酶原
羧肽酶
胰凝乳蛋白酶
弹性蛋白酶
§2.7 寡聚酶、同功酶、诱导酶、固定化酶
一、寡聚酶 寡聚酶是由两个或多个亚基组成的酶。
二、同功酶 同功酶是指能催化同一化学反应，但其酶 蛋白本身的分子结构组成都有所不同的一 组酶，它们的Km和Vm各不相同。 如：哺乳动物中有五中乳酸脱氢酶，它 们催化同一反应，分子量相近，但氨基酸 组成及顺序不同，可用电泳法得到。
羰
His57作为质子的受体从Ser195吸取一个质子，形 成共价键，使Ser195-O-成为很强的亲核试剂，攻击底 物羰基碳原子，二者形成共价键。
第二步 底物-NH上的电子云向酶分子的His57-N+H转移， His57作为酸向底物提供质子。
第三步 底物的C-N键断裂
C-N
第四步
底 物
键 氮 端 产 物 释 放
四、固定化酶
• 把水溶性的酶固定在一固相的载体上，很 容易从反应液里分离出来，可以反复使用， 比较经济。
• 固定化酶稳定性高，有利于储藏保存，有 一定机械强度，可用于工厂的连续自动化 生产。
• 固定化酶弥补了水溶性酶的很多缺点。如： 不能反复利用，不易于产物分离，不利于 产品的提纯精制，成本高。近年来，固定 化酶发展相当迅速，许多酶已实现工业化 生产。
共价催化的一般形式是酶活性中心上的亲核基团 对底物的亲电子基团进行攻击，二者形成共价键， 这个共价中间物很容易变成过渡态，反应的活化能 大大降低，反应速度加快。
酶分子上的亲核基团
蛋 白
有Ser-OH、Cys-SH、
质
His-咪唑基等，这些富
中
含电子的基团(有孤对电
三
种
子)，攻击底物分子中电
主
子云密度较小的亲电子
• 溶菌酶的底物 溶菌酶通过水解某些细菌细胞壁的多糖组份
来溶解细胞壁，细胞壁的多糖由两种糖组成: N-乙酰氨基葡萄糖 (NAG)
N-乙酰氨基葡萄糖乳酸(NAM)
溶菌酶的最适小分子底物
NAG和NAM交替排列形成多聚物，它们 之间通过β-1,4糖苷键相连。溶菌酶的最适小 分子底物为NAG-NAM交替形成的六糖。6 个糖环分别用A 、B、C、D、E、F表示。溶 菌酶水解D糖环和E糖环之间的糖苷键。
O
52
最后，来自环境中的水分子上的H+与Glu35的-COO-结合， 水分子上的HO-与正碳离子结合，至此，一次反应完成， 细胞壁打开一个缺口。经多次重复作用，细菌的细胞壁溶 解。
3. 溶菌酶催化特点小结
▪ 靠近与定向 ▪ 底物形变 ▪ 酸碱催化
（二）胰 凝 乳 蛋 白 酶 （chymotrypsin)
§2.8 酶 原 激 活
有些酶在体内合成出来即可自发的折叠成一定 的三级结构，酶就立刻表现出酶活性，如溶菌酶。 有些酶在体内合成出来的只是它的无活性的前体， 经过蛋白酶的催化作用，构象发生变化，才能变 成有活性的酶。该活化过程，是生物体内的一种 调控机制。这种调控机制的特点：由无活性的酶 原转变成有活性的酶是不可逆转的。
酶与底物结合后，底物发生变形，底物由基态变为 激发态，降低了活化能，使酶促反应加速。
底酶 物与 发底 生物 形结 变合 。后
，
酶与底物结合后，酶分子中的某些基团或离子可 以使底物敏感键中的某些基团的电子云密度增加或降 低，从而产生电子张力，使敏感键的一端更加敏感， 更易于发生反应。
3.共价催化(covalent catalysis)
• 溶菌酶的结构
溶菌酶由129个氨基酸残基构成，是一 个单链蛋白，分子内含有四对二硫键。 活性中心的氨基酸残基是Glu35和Asp52 。
鸡蛋蛋清溶菌酶的氨基酸序列
• 溶菌酶和底物结合的空间构象
从表面构象看，酶的结构不很紧密，大多 数极性氨基酸残基分布在分子的表面，非极性 氨基酸残基分布在分子的内部。整个酶分子中 有一狭长的凹穴。最适底物正好与酶分子的凹 穴相结合，凹穴中的Glu35和Asp52 是活性中心 的氨基酸残基。
三、诱导酶
• 根据诱导酶合成与代谢物的关系。人们把酶 相对地区分为结构酶和诱导酶。
• 结构酶是指细胞内天然存在的酶，它的含量 稳定，受外界的影响小。
• 诱导酶是指当细胞中加入特定诱导物后诱导 产生的酶。它的含量在诱导物存在下显著增 高。这种诱导物往往是该酶底物的类似物或 底物本身。
• 诱导酶或许是细胞中本身就存在，但含量低， 当加入诱导物后显著增高；或许是细胞中不 存在这种酶，当加入诱导物后诱导产生。
• 酸碱催化
酶活性中心的Glu35处于非极性区，其羧基呈不 解离状态，而Asp52处于极性区，羧基呈解离状态。
NAG
NAG
EO
OH
Glu C
35
O
EO
C4 H
O
-O
C1 H C
O
D
O
Asp
52
O
Glu C
35 O