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第三章 酶的催化机制 阐述酶与底物相互作用及其变化的过程理论称为酶的作用机制 问题与例子 酶的催化机理 酶的催化机理是解释酶催化特性的理论，如：酶为什么能催化化学反应、酶是如何催化化学反应的、酶为什么有专一性、酶为什么有高效性等。 一、酶为什么能催化化学反应 一个化学反应要能够发生，关键的是反应体系中的分子必须具备一定能量即分子处于活化状态，活化分子比一般分子多含的能量就称为活化能。反应体系中活化分子越多，反应就越快。因此，设法增加活化分子数量，是加快化学反应的唯一途径。增加反应体系的活化分子数有两条途径:一是向反应体系中加入能量 ，如通过加热、加压、光照等，另一途径是降低反应活化能。酶的作用就在于降低化学反应活化能，如下图1所示: 二、酶如何降低化学反应的活化能  中间产物学说 中间产物学说认为：酶在催化化学反应时，酶与底物首先形成不稳定的中间物，然后分解酶与产物。即酶将原来活化能很高的反应分成两个活化能较低的反应来进行，因而加快了反应速度。 学说证明 中间产物学说已经得到一些可靠的实验依据。如，用吸光法证明了含铁卟啉的过氧化物酶参加反应时，单纯的酶的吸收光谱与加入了第一个底物H2O2后确实产生了变化。 过渡态理论：仍在不断地被修正 过渡态理论的核心内容 The core of the Transition State Theory (TST): 酶催化反应速度的快慢完全取决于底物与过渡态的能量之差。这个差值越大，反应速度越慢，差值越小，反应速度就越快。而酶正是通过降低这个能量差别来加速反应的进行。 诺贝尔奖获得者的研究表明：过渡态确实存在！ 1999年，美国Caltech的Ahmed Zewail 教授因用Femtochemistry证实了过渡态的存在而获得诺贝尔化学奖。Zewail用的是激光飞秒（10-15秒）照相技术，捕捉到了环丁烷裂解为两分子乙烯时确实有过渡态出现，寿命为700飞秒，并证明两个化学键是前后依次断裂（右图），而不是同时断裂（左图）。 三、酶的高效性的解释 1、邻近效应和定向效应(link) 2、构象变化效应(link) 3、酸碱催化(link) 4、共价催化 5、活性部位的微环境的影响 6、自我剪接 7、剪切机制 第一节 趋近与定向效应 酶分子活性中心一基团与底物相互接近并使底物基团与酶活性中心上的催化基团按照正确的方位几何定向，有利于中间产物形成和催化反应进行。这种作用称为趋近（邻近）与定向效应。 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。 作用: 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。 作用： （1）底物分子在活性中心附近浓度增高； （2）酶活性中心上基团对底物分子的电子轨道导向作用； （3）生成中间产物，使分子间反应变成分子内反应； （4）中间产物寿命是分子随机撞结合寿命的106~109倍。邻近效应和定向效应对底物起固定作用 第二节 构象变化效应 酶分子与底物互相接近，两者的互相作用使两者都会发生构象上的变化，有利于两者的接合，此作用称为构象变化效应。 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。 酶中某些基团可使底物分子的敏感键中某些基团的电子云密度变化，产生电子张力，降低了底物的活化能 酶与底物相互诱导，发生形变断裂 一、底物诱导酶分子构象改变 1958年，Koshland的诱导契合学说（induced fit theory); 例：羧肽酶A（carboxypeptidase) 当该酶与底物甘氨酰-酪氨酸结合时，酶分子中的Arg145上的胍基、Glu270羧基、Tyr248酚基移动使之与底物结构互补； 而当采用赖氨酰-酪酰胺时则酶分子构象不变。 （图3-1，3-2） 二、酶分子诱导底物构象改变 为了使底物能和酶分子活性中心很好结合，酶分子诱导底物产生变形近似于过渡态结构，使反应的活化能降低，加速反应。 例1：脯氨酸消旋酶 proline recemase 当酶与之接近时，其碳原子从sp3杂化为平面sp2更接近过渡态； 例证：具sp2杂化结构的吡咯-2-羧酸对该酶具抑