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第四章 酶化学 第四章 酶化学 4.1 酶——生物催化剂 4.2 酶的非蛋白组分——辅酶和金属离子 4.3 酶促反应的速率和影响因素 4.4 酶的结构和酶的催化作用机制 4.5 酶的抑制作用和抑制剂 4.6 人工合成酶的新进展 4.7 酶在化学研究中的应用 4.8 非水溶剂中的酶促反应 4.9 酶工程 4.4 酶的结构和酶的催化作用机制 4.4.1 酶分子的结构特点 调控部位：调节酶促反应的速率或方向 酶活性中心的必需基团 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。 酸碱性基团 门冬氨酸和谷氨酸的羧基，赖氨酸的氨基，酪氨酸的酚羟基，组氨酸的咪唑 基和半胱氨酸的巯基 酶活性中心的特点 酶的活性部位是一个三维实体； 酶的活性部位与底物的构象是动态互补的，这个过程成为诱导契合(Induced-fit)； 活性部位位于酶表面的裂缝内； 底物通过次级键结合到酶上； 酶的活性部位具有柔性或可运动性。 4.4.2 酶活性中心的测定方法 （1）蛋白酶水解法 （2）化学修饰法 （3）X -射线晶体衍射法 （4）基因定点突变技术 胰蛋白酶 Asp102突变为Asn102；kcat降低5000倍。 4.4.3 酶与底物分子相互作用 主要的结合作用力: 1、静电引力 2、氢键 3、疏水键 锁钥学说 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。 诱导契合学说 酶催化的高效性机制 1）邻基效应和定向效应 2）与反应过渡态结合作用 3）多功能催化作用 4）手性选择结合作用 邻近效应与定向效应 邻近效应与定向效应变分子间反应为分子内反应。 邻近效应：酶与底物形成中间复合物后使底物之间、酶的催化基团与底物之间相互靠近，提高了反应基团的有效浓度。 定向效应：由于酶的构象作用，底物的反应基团之间、酶与底物的反应基团之间正确取向的效应?? 酶把底物分子从溶液中富集出来，使它们固定在活性中心附近，反应基团相互邻近，同时使反应基团的分子轨道以正确方位相互交叠，反应易于发生。 与反应过渡态结合作用 反应速度与形成的过渡状态稳定性密切相关。 在酶催化的反应中，与酶的活性中心形成复合物的实际上是底物形成的过渡状 态， 酶与过渡状态的亲和力要大于酶与底物或产物的亲和力。 与反应过渡态结合作用 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置等起到协同作用，从而使底物达到最佳反应状态。 手性选择结合作用 酶分子活性中心部位，一般都含有多个具有催化活性的手性中心，这些手性中心对底物分子构型取向起着诱导和定向的作用，使反应可以按单一方向进行。 酶能够区分对称分子中等价的前手性基团。 4.4.4 酶的催化作用机制 酸碱催化 共价催化 金属离子的催化作用 酸碱催化 酸碱催化是通过瞬时的向反应物提供质子（作为酸）或从反应物接受质子（作为碱）来达到加速反应的一类催化机制。 酸碱催化 影响酸碱催化反应速度的因素： （1）酸或碱的强度（pK）； （2）质子传递的速度。 His的咪唑基最活跃： pK约6.0； 传递质子的速度十分迅速，其半衰期小于10-10秒 。 共价催化 共价催化是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。 共价催化 金属离子催化作用 酶的作用机制 1）邻基效应和定向效应 2）与反应过渡态结合作用 3）多功能催化作用 酸碱催化 共价催化 金属离子的催化作用 4）手性选择结合作用 * * 单纯蛋白酶 决定催化 反应的特异性 （选择E催化的S） 结合蛋白酶—— 酶蛋白 + 辅助因子 有机小分子 金属离子 （ 全 酶 ） （B族Vit） 决定催化 反应的类型 （递电子、氢或一些基团） 活性中心 结合部位：与底物形成复合物，专一性 催化部位：激活底物，降低过渡态活化能，酶的高效性 单纯蛋白酶： 其活性中心通常由酶分子中几个氨基酸残基侧链上的极性基团组成。 天冬氨酸、谷氨酸、丝氨酸、组氨酸、半胱氨酸、赖氨酸等，它们的侧链上分别含有羧基、羟基、咪唑基、巯基、氨基等极性基团 结合蛋白酶： 辅酶（或辅基）分子或其分子上某一部分结构往往也是活性中心的组成部分。 Asp His Ser 胰凝乳蛋白酶的活性中心 活性中心重要基团: His57 , Asp102 , Ser195 锁钥模型较好地解释了立体异构专一性。但不能解释可逆反应。 酶分子与底物分子接近时，酶蛋白质受底物分子诱导，构象发生有利于与底物结