酶與底物分子的相互作用

酶與底物分子的相互作用酶+底物酶-底物復(fù)合物產(chǎn)物+酶*第2頁(yè),共24頁(yè)，2024年2月25日，星期天在反應(yīng)中，E與S通過(guò)某種方式結(jié)合形成ES時(shí)，使底物分子內(nèi)某些化學(xué)鍵呈不穩(wěn)定狀態(tài)，從而降低了活化能。ES復(fù)合物還可轉(zhuǎn)變?yōu)槊概c產(chǎn)物的復(fù)合物EP，繼而EP分解出P和E。ES復(fù)合物的形成是決定反應(yīng)速率的關(guān)鍵步驟。許多實(shí)驗(yàn)事實(shí)證明了ES復(fù)合物的存在，如：已獲得ES結(jié)晶、X線衍射法描出ES圖象、同位素標(biāo)記底物實(shí)驗(yàn)、光譜分析分析第3頁(yè),共24頁(yè)，2024年2月25日，星期天酶和底物之間結(jié)合的作用力靜電引力—酶分子中帶正或負(fù)電荷的基團(tuán)與底物分子中帶相反電荷的基團(tuán)相互作用該作用力大小與正負(fù)電荷量成正比，與介電常數(shù)成反比，在疏水環(huán)境比在親水環(huán)境中更強(qiáng)。第4頁(yè),共24頁(yè)，2024年2月25日，星期天氫鍵鍵能高、有方向性能誘導(dǎo)底物基團(tuán)的價(jià)鍵狀態(tài)發(fā)生變形和極化第5頁(yè),共24頁(yè)，2024年2月25日，星期天酶和底物之間結(jié)合的作用力疏水鍵蛋白質(zhì)分子側(cè)鏈含大量親水性和疏水性基團(tuán)。酶分子的活性中心處于一定程度的疏水環(huán)境?；钚灾行牡氖杷I與底物分子的疏水部分結(jié)合，并且能夠維持活性中心空間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。第6頁(yè),共24頁(yè)，2024年2月25日，星期天酶和底物之間結(jié)合的作用力此外，微環(huán)境也會(huì)影響酶和底物的結(jié)合酶活性中心處于一個(gè)非極性環(huán)境中，從而有利于同底物的結(jié)合。（水的極性和形成氫鍵的能力都較強(qiáng)，能夠減弱極性基團(tuán)間的相互作用）第7頁(yè),共24頁(yè)，2024年2月25日，星期天酶和底物分子相互作用的形式及意義（1）鄰近效應(yīng)與定向效應(yīng)（2）與過(guò)渡態(tài)的結(jié)合作用（3）多功能催化作用（4）酶催化作用學(xué)說(shuō)

①鎖鑰學(xué)說(shuō)②誘導(dǎo)契合學(xué)說(shuō)③三點(diǎn)結(jié)合理論第8頁(yè),共24頁(yè)，2024年2月25日，星期天鄰近效應(yīng)與定向效應(yīng)鄰近效應(yīng)與定向效應(yīng)變分子間反應(yīng)為分子內(nèi)反應(yīng)。酶把底物分子從溶液中富集出來(lái)，使它們固定在活性中心附近，反應(yīng)基團(tuán)相互鄰近，同時(shí)使反應(yīng)基團(tuán)的分子軌道以正確方位相互交疊，反應(yīng)易于發(fā)生。第9頁(yè),共24頁(yè)，2024年2月25日，星期天鄰近效應(yīng)鄰近效應(yīng)（Proximityeffect）酶與底物形成中間復(fù)合物后使底物之間、酶的催化基團(tuán)與底物之間相互靠近，提高了反應(yīng)基團(tuán)的有效濃度，使反應(yīng)速率大大增加。第10頁(yè),共24頁(yè)，2024年2月25日，星期天鄰近效應(yīng)咪唑催化對(duì)硝基苯酯的水解，分子內(nèi)反應(yīng)比分子間反應(yīng)快24倍。說(shuō)明咪唑基與酯基的相對(duì)位置對(duì)反應(yīng)速率影響很大第11頁(yè),共24頁(yè)，2024年2月25日，星期天定向效應(yīng)定向效應(yīng)（Orientationeffect）由于酶的構(gòu)象作用，當(dāng)?shù)孜锖兔傅姆磻?yīng)中心結(jié)合后，在酶的反應(yīng)中心活性基團(tuán)的作用和誘導(dǎo)下，使底物的反應(yīng)基團(tuán)按照最佳方式定向和定位，大大增加反應(yīng)速率。第12頁(yè),共24頁(yè)，2024年2月25日，星期天反應(yīng)基團(tuán)定向和定向程度越高，反應(yīng)速率越大。反之，反應(yīng)基團(tuán)定位程度低，則反應(yīng)速率減小。第13頁(yè),共24頁(yè)，2024年2月25日，星期天鄰近定向效應(yīng)小結(jié)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(shí)結(jié)合在酶活性中心上，相互靠近（鄰近），并采取正確的空間取向（定向），這樣大大提高了底物的有效濃度，使分子間反應(yīng)近似分子內(nèi)反應(yīng)從而加快了反應(yīng)速度，可使雙分子反應(yīng)速率提高104～108倍。底物與活性中心的結(jié)合不僅使底物與酶催化基團(tuán)或其它底物接觸，而且強(qiáng)行“凍結(jié)”了底物的某些化學(xué)鍵的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，促使它們采取正確的方向，有利于鍵的形成。第14頁(yè),共24頁(yè)，2024年2月25日，星期天與反應(yīng)過(guò)渡態(tài)結(jié)合作用按SN2歷程進(jìn)行的反應(yīng)，反應(yīng)速度與形成的過(guò)渡狀態(tài)穩(wěn)定性密切相關(guān)。在酶催化的反應(yīng)中，與酶的活性中心形成復(fù)合物的實(shí)際上是底物形成的過(guò)渡狀態(tài)酶與過(guò)渡狀態(tài)的親和力要大于酶與底物或產(chǎn)物的親和力。第15頁(yè),共24頁(yè)，2024年2月25日，星期天與反應(yīng)過(guò)渡態(tài)結(jié)合作用張力學(xué)說(shuō)許多情況下，過(guò)渡態(tài)的形成與底物分子內(nèi)的價(jià)鍵張力有關(guān)當(dāng)R＝CH3時(shí)，其反應(yīng)速度比R＝H的情況快315倍。由于-CH3體積比較大，與反應(yīng)基團(tuán)之間產(chǎn)生一種立體排斥張力，從而使反應(yīng)基團(tuán)之間更容易形成穩(wěn)定的五元環(huán)過(guò)渡狀態(tài)。第16頁(yè),共24頁(yè)，2024年2月25日，星期天與反應(yīng)過(guò)渡態(tài)結(jié)合作用根據(jù)過(guò)渡態(tài)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)渡態(tài)類(lèi)似物可作為酶的強(qiáng)抑制劑，抑制效果遠(yuǎn)高于競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑。利用過(guò)渡態(tài)類(lèi)似物作為抗原或半抗原，去免疫動(dòng)物，由此產(chǎn)生的抗體可能有類(lèi)似酶的催化作用。酶與過(guò)渡態(tài)的結(jié)合主要有兩種方式:非共價(jià)結(jié)合方式和共價(jià)結(jié)合方式，后者被稱(chēng)為共價(jià)催化。第17頁(yè),共24頁(yè)，2024年2月25日，星期天脯氨酸消旋酶的過(guò)渡態(tài)及其過(guò)渡態(tài)類(lèi)似物抑制劑第18頁(yè),共24頁(yè)，2024年2月25日，星期天多功能催化作用酶的活性中心部位，一般含有多個(gè)起催化作用的基團(tuán)，這些基團(tuán)在空間有特殊的排列和取向，可以對(duì)底物價(jià)鍵的形變和極化及調(diào)整底物基團(tuán)的位置等起到協(xié)同作用，從而使底物達(dá)到最佳反應(yīng)狀態(tài)。第19頁(yè),共24頁(yè)，2024年2月25日，星期天多功能催化作用多官能團(tuán)相互作用可使反應(yīng)速率提高在α—吡啶酮存在下，O-四甲基-D葡萄糖的變旋速率可以提高7000倍。而相同濃度的酸和吡啶則對(duì)反應(yīng)影響很小第20頁(yè),共24頁(yè)，2024年2月25日，星期天鎖鑰學(xué)說(shuō)1980年E.Fisher曾用“模板”或稱(chēng)“鎖與鑰匙”學(xué)說(shuō)（lockandkeytheory)來(lái)解釋酶作用的專(zhuān)一性認(rèn)為整個(gè)酶分子的天然構(gòu)象是具有剛性結(jié)構(gòu)的，酶表面具有特定的形狀。酶與底物的結(jié)合如同一把鑰匙對(duì)一把鎖一樣鎖鑰模型較好地解釋了立體異構(gòu)專(zhuān)一性。但不能解釋可逆反應(yīng)。酶催化作用的三個(gè)學(xué)說(shuō)第21頁(yè),共24頁(yè)，2024年2月25日，星期天誘導(dǎo)契合學(xué)說(shuō)

1964年Koshland提出了誘導(dǎo)契合學(xué)說(shuō)（induced-fithypothesis):該學(xué)說(shuō)認(rèn)為酶表面并沒(méi)有一種與底物互補(bǔ)的固定形狀，而只是由于底物的誘導(dǎo)才形成了互補(bǔ)形狀。第22頁(yè),共24頁(yè)，2024年2月25日，星期天第23頁(yè),共24頁(yè)，2024年2月25日，星期天誘導(dǎo)契合學(xué)說(shuō)的中心思想歸納起來(lái)有以下幾點(diǎn)1、酶有其原來(lái)的形狀，它一定一開(kāi)始就是底物的模板。2、底物能誘導(dǎo)酶的形