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3. 新陈代谢催化剂酶化学
1
加热或光照射
使一部分分子获得能量而活化，直接增加活化分子的数目，以加速化学反应的进行
活化分子增多的途径
降低活化能的高度（即能阈，Energy barrier），间接增加活化分子的数目。
催化剂的作用就是能够降低活化能（activation energy）
在一个化学反应体系中，
活化分子越多，反应就越快。
第3章 新陈代谢催化剂酶化学
3.3.1酶的催化作用实质-降低分子活化能
3.3酶作用的机制
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酶的催化作用的实质就在于它能降低化学反应的活化能
酶使反应在较低能量水平上进行，从而使化学反应加速
酶作为催化剂参加一次化学反应之后，酶分子立即恢复到原来的状态，继续参加反应
一定量的酶在短时间
内能催化大量的底物
发生变化
第3章 新陈代谢催化剂酶化学
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酶的催化作用的实质就在于它能降低化学反应的活化能，如图3-4和表3-4所示。酶使反应在较低能量水平上进行，从而使化学反应加速。
第3章 新陈代谢催化剂酶化学
酶作为催化剂参加一次化学反应之后，酶分子立即恢复到原来的状态，继续参加反应，所以一定量的酶在短时间内能催化大量的底物发生变化。
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3.3.2酶的工作方式-中间产物学说
中间络合物学说(interinediate theory)。认为，在酶促反应中，底物先与酶结合成不稳定的中间络合物，然后再分解释放出酶与产物。
式中：S代表底物(substrate)，E代表酶(enzyme)，
ES为中间物，P为反应产物(product)
由于E与S结合，
致使S分子内的某
些化学键发生极化，
呈不稳定状态
(或称活化状态)，
故反应能阈降低
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对有两种底物参加的酶催化反应，该学说可用下式表示：
即在有辅酶参加的催化反应中，则是辅酶与S1分子的一部分结合，并将这一部分转移给S2而形成新产物 。
根据中间络合物学说，酶催化反应分两步(或多步)进行，每一步反应的活化能都较低，因而总的活化能也较低。这可由上图看出，酶催化反应的表现活化能E(活化能以斜体E表示)为
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通常E1、E2等数值均很小，所以酶催化反应的表现活化能E就比一般催化反应的活化能E0小得多。
由图还可以看出，要E小，必须E1、E2都小，E1小说明酶易于与底物作用，E2小说明中间ES不太稳定，即ES要易于进一步分解产生最终产物P同时释放出E。
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中间络合物学说能否成立，其关键在于能否证实确有中间络合物的形成，目前已经获得可靠的实验证据 。
例子1：过氧化物酶E可催化H2O2与另一还原型底物AH2进行反应。按中间络合物学说，其反应历程如下：
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在此过程中，可用光谱分析法证明中间络合物E—H2O2的存在
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对酶液进行光谱分析
向酶液中加进H2O2
加进还原型底物AH2
发现过氧化物酶
在645nm、587nm
、548nm、498nm
处有四条吸收光带
发现酶的四条光带
消失，而在561nm、
530nm处出现两条
吸收光带，而且
溶液颜色出褐变红
这说明酶已与过氧化
氢结合而生成了一种
新的中间物
过氧化物酶立即恢
复其原来的四条吸
收光带，这表明
过氧化物酶重新
游离
如没食子酸
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例子2：凝乳蛋白酶催化对硝基苯乙酸酯的水解反应
能直接分离出中间物(乙酰凝乳蛋白酶复合物)也可证明酶与底物生成的中间络合物是确实存在的 。
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氢键
离子键
范德华力
底物具有一定的活化能，当底物和酶结合成过渡态的中间物时，要释放一部分结合能，这部分能量的释放，使得过渡态的中间物处于比E+S更低的能级，因此使整个反应得活化能降低，使反应大大加速。
底物同酶结合成中间复合物是一种非共价结合，依靠氢键、离子键、范德华力等次级键来维系。
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3.3.3酶作用专一性的机制—诱导契合学说
1
锁钥学说（lock-key theory） .
2
诱导契合学说（induced-fit theory）
3
结构性质互补假说（structure-property complemention theory）
一种酶为什么只能催化一定的物质发生反应，即一种酶只能同一定的底物结合，酶对底物的这种选择特异性的机制曾经提出过几种不同的假说。
目前公认的诱导契合学说，
可以较好的地解释这种选择
特异性的机制
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诱导契合学说认为酶和底物在接触以前，二者并不是完全契合的，只有在底物和酶的结合部位结合以后，产生了相互诱导，酶的构象发生了微秒的变化，催化基团转入了有效的作用位置，酶与底物才完全契合，酶才能高速地催化反应。 “诱导契合” 模式如图３-５ 所示：
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诱导契合学说认为：
①酶分子具有一定的柔顺性；
②酶的作用专一性不仅取决于酶和底物的结合，也取决于酶的催化基团有正确的取位。正因为如此，诱导契合学说认为催化部位要诱导才能形成，而不是“现成的”，因此可以排除那些不适合的物质偶然“落入”现成的催化部位而被催化的可能。诱导契合学说也能很好的解释所谓“无效”结合，因为这种物质不能诱导催化部位形成。迄今为止已有许多实例支持诱导契合学说。
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3.3.4酶作用高效性的机制——共价催化与酸碱催化
1.共价催化 （covalent catalysis）
在催化时，亲核催化剂或亲电子催化剂能分别放出电子或汲取电子并作用底物的缺电子中心或负电中心，迅速形成不稳定的共价中间络合物，这个中间物很容易变成转变态，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。
通常在这些酶的活性中心都含有亲核基团（Nucleophilic group），如丝氨酸的羟基、半胱氨酸的巯基、组氨酸的咪唑基等，这些基团都有公用的电子对作为电子的供体和底物的亲电子基团以共价键结合。此外，许多辅酶也有亲核中心。
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以酰基（如脂肪酰和磷酸）移换反应为例来说明共价催化的原理。这类酶分子活性中心的亲核基团首先与含酰基的底物（如脂类分子）以共价结合，形成酰化酶中间产物，接着酰基从中间产物转移到另一酰基受体（醇或水）分子中。这可用下列反应式表示。
含亲核基团的酶E催化的反应（R为酰基）：
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在酶催化的反应中，第一步是有酶参加的反应，因而比没有酶是对底物的与酰基受体的反应快一些；第二步反应，因酶含有易变的亲核基团，因而形成的酰化酶与最终的酰基受体的反应也必然要比无酶的最初的底物与酰基受体的反应要快一些。合并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。
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2.酸碱催化
酸碱催化（Acid-base catalysis）是通过瞬时地向反应物提供质子或从反应物接受质子以稳定过渡态、加速反应的一类催化机制。酸碱催化剂是催化有机反应的最普通、最有效的催化剂。
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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、巯基、酚羟基及咪唑基等（见表3-5），其中组氨酸的咪唑基值得注意，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。
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酸碱的强度
组氨酸咪唑基的解离常数约为6.0 ，它在接近于生理体液的pH条件下（即在中性条件下），既可以作为质子供体，又可以作为质子受体 ，是催化中最有效、最活泼的一个催化功能基 。
影响酸碱催化反应
速度的因素
功能基供出质子或接受质子的速度
咪唑基供出或接受质子的速度十分迅速，其半衰期小于10-10s，而且，供出质子或接受质子的速度几乎相等
组氨酸
是许多酶
的活性中心
的构成成分
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由于酶分子中存在多种供质子或受质子的基团，因此，酶的酸碱催化效率比一般酸碱催化剂高得多。
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例如肽键在无酶存在下进行水解时需要肽键在无酶存在下进行水解时需要高浓度的H+或OH-，及长的作用时间（10~24h）和高温（100~120℃）；而以胰凝乳蛋白酶作为酸碱催化剂时，在常温、中性下很快就可使肽键水解。
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