酶的定向效应(酶的定向进化及其研究意义)

酶的催化机制主要有哪些？

1、邻近定向

对一个双分子反应，酶可以使两个底物结合在活性中心彼此靠近，并具有正确的取向。这比在溶液中随机碰撞更容易发生反应。

邻近效应相当于大大提高了有效底物浓度，甚至超过现实中可以达到的浓度。定向效应则使每一次碰撞都具有正确的取向。化学上通过将分子间反应转变成分子内反应对此进行推算，认为可以将反应速度加快100倍到10的11次方倍。

2、底物形变

酶与底物结合时，诱导契合现象不仅酶的构象发生改变，底物的构象也会发生变化。这种变化使底物更接近于过渡态，因此可以降低活化能。

3、微环境

酶的活性中心是一个相对封闭的空间，其性质与溶液中有所不同，所以称为微环境。例如，有些酶的活性中心是一个疏水的微环境，其介电常数较低，有利于电荷之间的作用，也有利于中间物的生成和稳定。

赖氨酸侧链氨基的pK约为9，而在乙酰乙酸脱羧酶活性中心的赖氨酸侧链pK只有6左右。这也是某些专一性抑制剂只与酶活性中心的基团反应的原因。

4、直接催化

酶分子中含有不同化学特性的基团，如残基的侧链基团、金属离子以及辅酶辅基等。

其中某些基团可以直接与底物作用，或者通过稳定过渡态来降低活化能，或者通过改变反应进程绕过高活化能的反应步骤。酶的直接催化作用可以分为酸碱催化、共价催化和金属离子催化。

扩展资料

酶和一般催化剂都是通过降低反应活化能的机制来加快化学反应速度的。酶的催化特异性表现在它对底物的选择性和催化反应的特异性两方面。体内的化学反应除了个别自发进行外，绝大多数都由专一的酶催化，一种酶能从成千上万种反应物中找出自己作用的底物，这就是酶的特异性。

一种酶只催化一种底物进行反应的称绝对特异性，如脲酶只能水解尿素使其分解为二氧化碳和氨；若一种酶能催化一类化合物或一类化学键进行反应的称为相对特异性，如酯酶既能催化甘油三脂水解，又能水解其他酯键。

具有立体异构特异性的酶对底物分子立体构型有严格要求，如L乳酸脱氢酶只催化L-乳酸脱氢，对D-乳酸无作用。

有些酶的催化活性可受许多因素的影响，如别构酶受别构剂的调节，有的酶受共价修饰的调节，激素和神经体液通过第二信使对酶活力进行调节，以及诱导剂或阻抑剂对细胞内酶含量的调节等。

应该指出的是，一种酶的催化反应常常是多种催化机制的综合作用，这是酶促进反应高效率的重要原因。

参考资料来源：百度百科-酶

酶的作用机理是什么？

酶的作用机理

酶催化反应机理的研究是当代生物化学的一个重要课题。它探讨酶作用高效率的原因以及酶反应的重要中间步骤。

酶原的激活(proenzyme activation)着重研究酶在激活——由无活性的酶原转变成有活性的酶时构象发生的变化。

一、与酶的高效率有关的因素

据现在所知，重要的因素有以下几个方面：

1．底物与酶的“靠近”(proximity)及“定向”(orientation)

由于化学反应速度与反应物浓度成正比，若在反应系统的某一局部区域，底物浓度增高，则反应速度也随之增高。提高酶反应速度的最主要方法是使底物分子进入酶的活性中心区域，亦即大大提高活性中心区域的底物有效浓度。曾测到过某底物在溶液中的浓度为0.001mol/L，而在其酶活性中心的浓度竟达100mol/L，比溶液中的浓度高十万倍！因此，可以想象在酶的活性中心区域反应速度必定是极高的。

“靠近“效应对提高反应速度的作用可以用一个著名的有机化学实验来说明，如表4-12，双羧酸的单苯基酯，在分子内催化的过程中，自由的羧基作为催化剂起作用，而连有R的酯键则作为底物，受—COO-的催化，破裂成环而形成酸酐，催化基团—COO-愈靠近底物酯键则反应速度愈快，在最靠近的情况下速度可增加53000倍。

但是仅仅“靠近”还不够，还需要使反应的基团在反应中彼此相互严格地“定向”，见图4-19。只有既“靠近”又“定向”，反应物分子才被作用，迅速形成过渡态。

当底物未与酶结合时，活性中心的催化基团还未能与底物十分靠近，但由于酶活性中心的结构有一种可适应性，即当专一性底物与活性中心结合时，酶蛋白会发生一定的构象变化，使反应所需要的酶中的催化基团与结合基团正确地排列并定位，以便能与底物楔合，使底物分子可以“靠近”及“定向”于酶，这也就是前面提到的诱导楔合。这样活性中心局部的底物浓度才能大大提高。酶构象发生的这种改变是反应速度增大的一种很重要的原因。反应后，释放出产物，酶的构象再逆转，回到它的初始状态。对溶菌酶及羧肽酶进行的X-衍射分析的实验结果证实了以上的看法。Jenck等人指出“靠近“及“定向”可能使反应速度增长108倍，这与许多酶催化效率的计算是很相近的。

2．酶使底物分子中的敏感键发生“变形”(域张力)(distortion或strain)，从而促使底物中的敏感键更易于破裂。

前面曾经提到，当酶遇到它的专一性底物时，发生构象变化以利于催化。事实上，不仅酶构象受底物作用而变化，底物分子常常也受酶作用而变化。酶中的某些基团或离子可以使底物分子内敏感键中的某些基团的电子云密度增高或降低，产生“电子张力”，使敏感键的一端更加敏感，更易于发生反应。有时甚至使底物分子发生变形，见图4-20A，这样就使酶-底物复合物易于形成。而且往往是酶构象发生改变的同时，底物分子也发生形变，见图 4-20 B，从而形成一个互相楔合的酶-底物复合物。羧肽酶A的X-衍射分析结果就为这种“电子张力”理论提供了证据。

3．共价催化(covalent catalysis)

还有一些酶以另一种方式来提高催化反应的速度，即共价催化。这种方式是底物与酶形成一个反应活性很高的共价中间物，这个中间物很易变成过渡态，因此反应的活化能大大降低，底物可以越过较低的“能阈”而形成产物。

共价催化可以提高反应速度的原因需要从有机模式反应的某些原理谈起，共价催化的最一般形式是催化剂的亲核基团(nucleophilic group)对底物中亲电子的碳原子进行攻击。亲核基团含有多电子的原子，可以提供电子。它是十分有效的催化剂。亲核基团作为强有力的催化剂对提高反应速度的作用可由下面亲核基团催化酰基的反应中看出：第一步，亲核基团(催化剂Y)攻击含有酰基的分子，形成了带有亲核基团的酰基衍生物，这种催化剂的酰基衍生物作为一个共价中间物再起作用；第二步，酰基从亲核的催化剂上再转移到最终的酰基受体上，

(1)亲核基团(Y)催化的反应：

(2)非催化的反应：

这种受体分子可能是某些醇或水。第一步反应有催化剂参加，因此必然比没有催化剂时底物与酰基受体的反应更快一些；而且，因为催化剂是易变的亲核基团，因此如此形成的酰化催化剂与最终的酰基受体的反应也必然地要比无催化剂时的底物与酰基受体的反应更快一些，此两步催化的总速度要比非催化反应大得多。因此形成不稳定的共价中间物可以大大加速反应。酶反应中可以进行共价催化的、强有力的亲核基团很多，酶蛋白分子上至少就有三种，即图4-21中所指出的丝氨酸羟基、半胱氨酸巯基及组氨酸的咪唑基。此外，辅酶中还含有另外一些亲核中心。共价结合也可以被亲电子基团(electrophilic group)催化，最典型的亲电子

等也都属于此类，它们可以接受电子或供出电子。

下面将通过共价催化而提高反应速度的酶，按提供亲核(或亲电子)基团的氨基酸种类，分别归纳如表4-13：

丝氨酸类酶与酰基形成酰基-酶；或与磷酸基形成磷酸酶，如磷酸葡萄糖变位酶。半胱氨酸类酶活性中心的半胱氨酸巯基与底物酰基形成含共价硫酯键的中间物。组氨酸类酶活性中心的组氨酸咪唑基在反应中被磷酸化。赖氨酸类酶的赖氨酸ε-氨基与底物羰基形成西佛碱中间物。

4．酸碱催化(acid-base ctatlysis)

有机模式反应指出，酸碱催化剂是催化有机反应的最普遍的最有效的催化剂。

有两种酸碱催化剂，一是狭义的酸碱催化剂(specific acid-base catalyst)，即H+与OH-，由于酶反应的最适pH一般接近于中性，因此H+及OH-的催化在酶反应中的重要性是比较有限的。另一种是广义的酸碱催化剂(general acid-base catalyst)，指的是质子供体及质子受体的催化，它们在酶反应中的重要性大得多，发生在细胞内的许多种类型的有机反应都是受广义的酸碱催化的，例如将水加到羰基上、羧酸酯及磷酸酯的水解，从双键上脱水、各种分子重排以及许多取代反应等。

酶蛋白中含有好几种可以起广义酸碱催化作用的功能基，如氨基、羧基、硫氢基、酚羟基及咪唑基等。见表4-14。其中组氨酸的咪唑基值得特别注意，因为它既是一个很强的亲核基团，又是一个有效的广义酸碱功能基。

影响酸碱催化反应速度的因素有两个，第一个是酸碱的强度，在这些功能基中，组氨酸咪唑基的解离常数约为6.0，这意味着由咪唑基上解离下来的质子的浓度与水中的[H+]相近，因此它在接近于生物体液pH的条件下，即在中性条件下，有一半以酸形式存在，另一半以碱形式存在。也就是说咪唑基既可以作为质子供体，又可以作为质子受体在酶反应中发挥催化作用。因此，咪唑基是催化中最有效最活泼的一个催化功能基。第二个是这种功能基供出质子或接受质子的速度，在这方面，咪唑基又是特别突出，它供出或接受质子的速度十分迅速，其半寿期小于10-10秒。而且，供出或接受质子的速度几乎相等。由于咪唑基有如此的优点，所以虽然组氨酸在大多数蛋白质中含量很少，却很重要。推测它很可能在生物进化过程中，不是作为一般的结构蛋白成分，而是被选择作为酶分子中的催化结构而存在下来的。

广义的酸碱催化与共价催化可使酶反应速度大大提高，但是比起前面两种方式来，它们提供的速度增长较小。尽管如此，还必须看到它们在提高酶反应速度中起的重要作用，尤其是广义酸碱催化还有独到之处：它为在近于中性的pH下进行催化创造了有利条件。因为在这种接近中性pH的条件下，H+及OH-的浓度太低，不足以起到催化剂的作用。例如牛胰核糖核酸酶及牛凝乳蛋白酶等都是通过广义的酸碱催化而提高酶反应速度的。

5．酶活性中心是低介电区域

上面讨论了提高酶反应速度的四个主要因素。此外，还有一个事实必须注意，即某些酶的活性中心穴内相对地说是非极性的，因此，酶的催化基团被低介电环境所包围，在某些情况下，还可能排除高极性的水分子。这样，底物分子的敏感键和酶的催化基团之间就会有很大的反应力，这是有助于加速酶反应的。酶活性中心的这种性质也是使某些酶催化总速度增长的一个原因。

为什么处于低介电环境中的基团之间的反应会得到加强？可以用水减弱极性基团间的相互作用来解释。水的极性和形成氢键能力使它成为一种具有高度作用力的分子，水的介电常数非常高(表4-15)。它的高极性使它在离子外形成定向的溶剂层(oriented solvent shell)，产生自身的电场，结果就大大减弱了它所包围的离子间的静电相互作用或氢键作用。

上面介绍了实现酶反应高效率的几个因素，但是并不能指出哪一种因素可以影响所有酶的全部催化活性。更可能的情况是：不同的酶，起主要影响的因素可能是不同的，各自都有其特点，可以受一种或几种因素的影响。

请问什么是底物和酶的邻近效应

邻近和定向效应： 可以说酶和底物复合物的形成过程既是专一性的识别过程，更重要的是分子间反应变为分子内反应的过程，在这一过程中包括两种效应：邻近效应和定位效应。邻近效应是指酶与底物结合形成中间复合物以后，使底物和底物之间，酶的催化基团与底物之间结合于同一分子而使有效浓度得以极大的升高，从而使反应速率大大增加的一种效应；定向效应则是指反应物的反应基团之间和酶的催化基团与底物的反应基团之间的正确取位产生的效应。

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