1、酶催化中過渡態(tài)穩(wěn)定學(xué)說 弘毅班 羅江引子 “酶”（enzyme）這個名稱的使用，始于19世紀(jì)后半，是1872年由居尼所提出的。來源于希臘語：，其中“在酵里面” 而19世紀(jì)末的酶研究和釀酒業(yè)有密不可分的關(guān)系，這里面就關(guān)系到一個法國科學(xué)大師巴斯德的德國化學(xué)家李比希的故事，還有一個因此得到諾貝爾獎的布希納。過渡態(tài)穩(wěn)定學(xué)說過渡態(tài)穩(wěn)定學(xué)說J1946年P(guān)auling 提出，酶與過渡態(tài)的親和力要比對基態(tài)（底物）的親和力高得多，酶的催化源于其對過渡態(tài)的穩(wěn)定作用JJoseph Kraut提出，酶是柔性的分子模板，是通過進化設(shè)計出來的能與反應(yīng)物過渡態(tài)的形狀而不是基態(tài)形狀精密互補的分子。 考慮底物結(jié)合和過渡態(tài)結(jié)合相

2、關(guān)的熱力學(xué)循環(huán) 上面途徑為非催化反應(yīng)，下面為酶催化反應(yīng) K #uS+E E+S # P+EkuKSK e#ES ES # P+EkeKt反應(yīng)中四個平衡常數(shù)底物由基態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檫^渡態(tài)的平衡常數(shù)，在沒存在與酶缺失情況下之比與ES與ES#復(fù)合物的解離常數(shù)之比有關(guān) #euStESESKKESESESESKKESES輊臌=輊臌輊輊臌臌= #eustESESKESESKKKESESESES輊臌=輊輊臌臌輊臌過渡態(tài)理論中反應(yīng)速率（kr）與從基態(tài)反應(yīng)物轉(zhuǎn)化為過渡態(tài)復(fù)合物的平衡常數(shù)（K#）成比例 kr=K#酶催化反應(yīng)速度的相對變化可以由ke（酶存在）ku（酶不存在）之比給出： 酶催化對于反應(yīng)速率的影響是很大的可達到

3、10101014 數(shù)量級，考慮到的比值不可能與酶對速度增加在同一數(shù)量級，主要的影響就是KS/Kt 因此酶對速度的增加因子說明酶與過渡態(tài)底物的結(jié)合比基態(tài)底物結(jié)合要牢固的多#eeeeeesuuuuuutKKKKKKk nk nk nk n=“鐵絲酶鐵絲酶”催化反應(yīng)的過渡態(tài)穩(wěn)定機制催化反應(yīng)的過渡態(tài)穩(wěn)定機制支持過渡態(tài)穩(wěn)定學(xué)說的證據(jù)支持過渡態(tài)穩(wěn)定學(xué)說的證據(jù)根據(jù)過渡態(tài)的結(jié)構(gòu)設(shè)計的過渡態(tài)類似物可作為酶的強抑制劑，抑制效果遠高于競爭性抑制劑。利用過渡態(tài)類似物作為抗原或半抗原，去免疫動物，由此產(chǎn)生的抗體可能有類似酶的催化作用。脯氨酸消旋酶的過渡態(tài)及其過渡態(tài)類似物抑制劑脯氨酸消旋酶的過渡態(tài)及其過渡態(tài)類似物抑制劑免

4、疫動物產(chǎn)生免疫動物產(chǎn)生抗體抗體水解水解抗抗體體酶酶可卡因可卡因催化可卡因水解的抗體酶的制備催化可卡因水解的抗體酶的制備過渡態(tài)穩(wěn)定的化學(xué)機制過渡態(tài)穩(wěn)定的化學(xué)機制與酶催化相關(guān)聯(lián)的過渡態(tài)穩(wěn)定是酶活性中心結(jié)構(gòu)和反應(yīng)性以及活性中心與結(jié)合底物之間的相互作用的必然結(jié)果。酶充分使用一系列的化學(xué)機制來實現(xiàn)過渡態(tài)的穩(wěn)定并由此加速反應(yīng)。它們包括：鄰近定向效應(yīng)廣義的酸堿催化靜電催化金屬催化共價催化底物形變鄰近定向效應(yīng)鄰近定向效應(yīng)鄰近定向效應(yīng)是指兩種或兩種以上的底物（特別是雙底物）同時結(jié)合在酶活性中心上，相互靠近（鄰近）（鄰近） ，并采取正確的空間取向（定向）（定向） ，這樣大大提高了底物的有效濃度，使分子間反應(yīng)近似分

5、子內(nèi)反應(yīng)從而加快了反應(yīng)速度。底物與活性中心的結(jié)合不僅使底物與酶催化基團或其它底物接觸，而且強行“凍結(jié)”了底物的某些化學(xué)建的平動和轉(zhuǎn)動，促使它們采取正確的方向，有利于鍵的形成。 廣義的酸堿催化廣義的酸堿催化廣義的酸堿催化是指水分子以外的分子作為質(zhì)子供體或受體參與催化，這種機制參與絕大多數(shù)酶的催化。蛋白質(zhì)分子上的某些側(cè)鏈基團（如Asp、Glu和His）可以提供質(zhì)子并將質(zhì)子轉(zhuǎn)移到反應(yīng)的過渡態(tài)中間物而達到穩(wěn)定過渡態(tài)的效果。如果一個側(cè)鏈基團的pKa值接近7，那么該側(cè)鏈基團就可能是最有效的廣義的酸堿催化劑。His殘基的咪唑基就是這樣的基團，因此它作為很多酶的催化殘基。廣義的堿催化廣義的堿催化廣義的酸催化廣

6、義的酸催化廣義的酸、堿催化廣義的酸、堿催化溶菌酶溶菌酶Glu35的廣義酸催化的廣義酸催化核糖核酸酶核糖核酸酶A A的廣義酸堿催化的廣義酸堿催化靜電催化靜電催化活性中心電荷的分布可用來穩(wěn)定酶促反應(yīng)的過渡態(tài)，酶使用自身帶電基團去中和一個反應(yīng)過渡態(tài)形成時產(chǎn)生的相反電荷而進行的催化稱為靜電催化。有時，酶通過與底物的靜電作用將底物引入到活性中心。溶菌酶溶菌酶Asp52的靜電催化的靜電催化Glu35和Asp52分別所起的廣義酸催化和靜電催化，解釋了溶菌酶的活性與pH之間的關(guān)系以及它的最適pHpH對溶菌酶活性的影響對溶菌酶活性的影響金屬催化金屬催化近三分之一酶的活性需要金屬離子的存在，這些酶分為兩類，一類為

7、金屬酶，另一類為金屬激活酶。前者含有緊密結(jié)合的金屬離子，多數(shù)為過渡金屬，如Fe2+、Fe3+、Cu2+、Zn2+、Mn2+或Co3+，后者與溶液中的金屬離子松散地結(jié)合，通常是堿金屬或堿土金屬，例如Na+、K+、Mg2+或Ca2+。金屬離子以5種方式參與催化：作為Lewis酸起作用與底物結(jié)合，促進底物在反應(yīng)中正確定向作為親電催化劑，穩(wěn)定過渡態(tài)中間物上的電荷通過價態(tài)的可逆變化，作為電子受體或電子供體參與氧化還原反應(yīng)酶結(jié)構(gòu)的一部分碳酸酐酶的金屬催化機制碳酸酐酶的金屬催化機制共價催化共價催化共價催化是指酶在催化過程中必須與底物上的某些基團暫時形成不穩(wěn)定的共價中間物的一種催化方式。許多氨基酸殘基的側(cè)鏈可

8、作為共價催化劑，例如Lys、His、Cys、Asp、Glu、Ser或Thr，此外，一些輔酶或輔基也可以作為共價催化劑，例如硫胺素焦磷酸（TPP）和磷酸吡哆醛。幾種酶的共價催化幾種酶的共價催化親核共價修飾反應(yīng)親核共價修飾反應(yīng)乙酰乙酸脫羧酶的親核催化乙酰乙酸脫羧酶的親核催化磷酸吡哆醛的親電催化磷酸吡哆醛的親電催化底物形變底物形變底物形變是指當(dāng)酶與底物相遇時，酶分子誘導(dǎo)底物分子內(nèi)敏感鍵更加敏感，產(chǎn)生“電子張力”發(fā)生形變，比較接近它的過渡態(tài)。溶菌酶也利用這種方式進行催化：與溶菌酶活性中心結(jié)合的6碳糖在溶菌酶的誘導(dǎo)下，從椅式構(gòu)象變成半椅式構(gòu)象而發(fā)生形變，周圍的糖苷鍵更容易發(fā)生斷裂。溶菌酶催化中的底物形變?nèi)芫复呋械牡孜镄巫僋HHHO CCHOO