第10章 酶的作用机制
9.1、酶的活性部位
（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.金属离子的催化作用：
通过结合底物为反应定向。 通过可逆的改变金属离子的氧化态调节氧化还原反应。 通过静电稳定或屏蔽静电荷。
9.3、酶催化反应机制的实例
（一）溶菌酶 溶菌酶的生物学功能是催化某些细胞壁多糖的
水解。 X射线晶体结构分析法和竞争性抑制剂揭示了
酶的活性部位。 键张力导致与酶结合的底物特定位置的糖苷键
底物
(NAG)2 (NAG)3 (NAG)4 (NAG)5 (NAG)6 (NAG-NAM)3
相对水解速率 0 1 8 4000 30000 60000
图像分析表明，(NAG)3仅仅占据了半个狭 缝，酶的最小底物应该是(NAG)6
第4个糖残基 D环因空间原 因必须由正常 的椅式变形为 能量较高的半 椅式构象。因 此糖苷键的稳 定性降低，键 容易从此断裂。
稳定性降低。 溶菌酶催化机制是一个广义的酸碱催化，
Glu35和Asp52在催化过程中起了重要作用。
溶菌酶是一种葡糖苷酶，能催化水解NAM的 C1和NAG的C4之间的糖苷键，但不能水解 NAG C1和NAM C4之析法揭示了溶菌酶的三维结构 活性部位？
(NAG)3是研究溶菌酶活性部位的良好竞争性抑制剂
学基团） X- 射线晶体衍射法： 定点诱变法
DFP的作用
二异丙基氟磷酸
9.2、影响酶催化效率的有关因素
（一）底物和酶的邻近效应（approximation）与 定向效应（orientation）
在酶促反应中，由于酶和底物分子之间的亲和性，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叫做 邻近效应。
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。
咪唑催化对-硝基苯酚乙酸酯的水解反应
O CH3 C O
..
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。
（二）酶活性部位的特点
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%。
2.酶的活性部位是一个三维实体，具有三维空间 结构。
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，此时催化基团的位置正好处在 所催化底物键的断裂和即将生成键的适当位置， 这个动态辨认过程称为诱导契合（inducedfit）.
酶-底物复合物形成时，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。
诱导契合模型与底物的形变
（三）酸碱催化（acid-base catalysis）
4.酶的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.底物靠次级键较弱的力与酶结合。
6.酶的活性部位具有柔性和可运动性
（三）研究酶活性部位的主要方法
酶分子侧链基团的化学修饰法 1. 非特异性共价修饰 2. 特异性共价修饰（DFP） 3. 亲和标记（底物类似物，具有活泼的化
某些辅酶，如焦磷酸硫胺素和磷酸吡哆醛等也 可以参与共价催化作用。
(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+
N NH
NO2
CH3
O C
N +
NH
+ O-
NO2
O
CO
NO2
..
N
NH
O
+
N
+
O-
NO2
NH
实验结果表明，分子内咪唑基参与的水解反应 速度比相应的分子间反应速度大 24 倍。说明咪 唑基与酯基的相对位置对水解反应速度具有很 大的影响。
轨道定向(orbital-steering)假说示意图
（二）底物的形变（distortion）
广义酸基团
广义碱基团（质子
供体）
（质子受体）
+
-COOH3,,
-N -SHH,
-CO - O..2 ,, ---S N,H
+
OHHN NH
O- :N NH
影响酸碱催化反应的因素包括酸碱强度 及质子传递的速率。
His咪唑基的解离常数约6.0，咪唑基解 离下来的质子浓度与水中的[H+]相近， 在中性条件下，一半以酸形式存在，一 半以碱形式存在;同时，咪唑基接受质子 和供出质子的速率十分迅速，半衰期小 于10-10秒。
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。
酸-碱催化是催化有机反应的最普遍有效 的催化剂
酶分子中可作为酸碱催化的功能基团
所以，His是酶中最有效最活泼的一个催 化功能基团。
（四）共价催化 （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 的硫基，Asp 的羧 基，Ser 的羟基等；亲电子基团：H+ 、Mg2+、 Mn2+ 、Fe3+