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1、酶催化中过渡态稳定学说 弘毅班 罗江 引子 “酶”（enzyme）这个名称的使用，始于19世纪后半，是1872年 由居尼所提出的。来源于希腊语：，其中“在酵 里面” 而19世纪末的酶研究和酿酒业有密不可分的关系，这里面就关 系到一个法国科学大师巴斯德的德国化学家李比希的故事，还有 一个因此得到诺贝尔奖的布希纳。 过渡态稳定学说 J1946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 JJoseph Kraut提出，酶是 柔性的分子模板，是通过 进化设计出来的能与反应 物过渡态的形状而不是基 态形状精密互补的分子。 考虑底物
2、结合和过渡态结合相关的热力学循环 上面途径为非催化反应，下面为酶催化反应 K #u S+E E+S # P+E ku KS K e# ES ES # P+E ke Kt 反应中四个平衡常数 底物由基态转变为过渡态的平衡常数，在没存在与酶缺失情况下之 比与ES与ES#复合物的解离常数之比有关 过渡态理论中反应速率（kr）与从基态反应物转化为过渡态复合物 的平衡常数（K#）成比例 kr=K# 酶催化反应速度的相对变化可以由ke（酶存在）ku（酶不存在）之 比给出： 酶催化对于反应速率的影响是很大的可达到10101014 数量级，考 虑到的比值不可能与酶对速度增加在同一数量级，主要的影响就 是KS/
3、Kt 因此酶对速度的增加因子说明酶与过渡态底物的结合比基态 底物结合要牢固的多 “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 免疫动物产生 抗体 水解 筛选筛选 抗 体 酶 可卡因 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
4、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 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。 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
5、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。 广义的碱催化 广义的酸催化 广义的酸、碱催化 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。 溶菌
6、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
7、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 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。 溶菌酶催化中的底物形变 总结 酶催化过程中结合方式有两种，一种是酶与基态底物结合，另一种 是酶与过渡态底物结合。而酶催化的高效性原因在于酶与过渡态底 物结合远远比酶与底物结合稳定。
