第9章催化机制 国际象棋和酶都使用策略，国际象棋通过比赛来发展策略，而酶是通过进化来建立酶促反应 机制。右边是能够酶切肽键的活性位点，由三个氨基酸残基（化学键是白色）构成。用黑色 化学键表示的底物分子如同左边象棋比赛中已经落入圈套的国王，面临被裂解的命运。 酶催化效率和特异性的基础是什么？本章介绍四类酶促反应的机制，包括丝氨酸蛋白 酶、碳酸脱水酶、限制性核酸内切酶、和核苷单磷酸激酶。前三类酶催化的化学反应将水分 子加成到底物分子上，第四类酶要避免水分子的加成。经过大量的实验研究（包括蛋白质结 构测定、定点突变)，这些酶的催化机制已经清楚。这些酶的催化机制阐述了很多重要的催 化原理。我们将看到，酶采用结合能、诱导匹配、和一些特殊的催化策略，协助底物形成转 化态。 每类酶采用的机制就是要解决各种化学反应所面临的问题。丝氨酸蛋白酶的例子是胰凝 乳蛋白酶，就是要将缺乏催化剂和pH7.0几乎不发生的反应（蛋白质水解）进行下去。碳酸 脱水酶需要将化学反应加速到能够与其他快速生理过程融合的水平。而限制性内切酶如 EcoRV要解决的问题是实现酶切反应的高度特异性。最后一类酶如NMP激酶，要解决的问 题是在转移磷酸的过程中，磷酸基团从ATP转移给另一个核苷酸（而不会转移到水分子）。 选来讲解的酶是各自酶家族的代表性成员。酶家族成员之间比较揭示如何进化产生、如何优 化酶活性位点。酶作用的结构和酶促机理比较能够了解酶的进化史。此外，催化机制知识有 实际应用价值，包括开发特异性强的有效抑制剂用作药物。最后，虽然我们没有特别介绍催 化RNA分子，但是蛋白质酶所采用的催化原则同样适用于RNA催化剂。 很多酶采用的几个基本的催化原则 在第8章我们知道底物与酶结合启动催化。结合能是酶和底物之间形成大量弱相互作用 所释放的自由能。这种结合能既可建立底物特异性，又能增加酶促效率。只有正确的底物才 能与酶形成大多数甚至全部酶-底物相互作用，使结合能最大化。这点能够解释很多酶的底 物特异性。而且，当底物转化成转化态，底物与酶之间完全互补。因此酶和底物之间的相互 作用稳定转化态，从而降低反应的活化自由能。结合能对酶分子和底物的结构变化都有促进 作用，使它们相互间匹配度更高（诱导匹配），有助于催化反应。酶通常采用下列一种或几 种策略催化特定化学反应。 1.共价催化。共价催化的活性位点有活泼基团，通常是很强的亲核基团。在酶促过程中亲 核基团能暂时性共价连接底物。胰凝乳蛋白酶就采用这种策略。 2.酸碱催化。酸碱催化中，水分子之外的物质提供质子或接受质子。胰凝乳蛋白酶使用一第 9 章 催化机制 国际象棋和酶都使用策略，国际象棋通过比赛来发展策略，而酶是通过进化来建立酶促反应 机制。右边是能够酶切肽键的活性位点，由三个氨基酸残基（化学键是白色）构成。用黑色 化学键表示的底物分子如同左边象棋比赛中已经落入圈套的国王，面临被裂解的命运。 酶催化效率和特异性的基础是什么？本章介绍四类酶促反应的机制，包括丝氨酸蛋白 酶、碳酸脱水酶、限制性核酸内切酶、和核苷单磷酸激酶。前三类酶催化的化学反应将水分 子加成到底物分子上，第四类酶要避免水分子的加成。经过大量的实验研究（包括蛋白质结 构测定、定点突变），这些酶的催化机制已经清楚。这些酶的催化机制阐述了很多重要的催 化原理。我们将看到，酶采用结合能、诱导匹配、和一些特殊的催化策略，协助底物形成转 化态。 每类酶采用的机制就是要解决各种化学反应所面临的问题。丝氨酸蛋白酶的例子是胰凝 乳蛋白酶，就是要将缺乏催化剂和 pH 7.0 几乎不发生的反应(蛋白质水解）进行下去。碳酸 脱水酶需要将化学反应加速到能够与其他快速生理过程融合的水平。而限制性内切酶如 EcoRV 要解决的问题是实现酶切反应的高度特异性。最后一类酶如 NMP 激酶，要解决的问 题是在转移磷酸的过程中，磷酸基团从 ATP 转移给另一个核苷酸（而不会转移到水分子）。 选来讲解的酶是各自酶家族的代表性成员。酶家族成员之间比较揭示如何进化产生、如何优 化酶活性位点。酶作用的结构和酶促机理比较能够了解酶的进化史。此外，催化机制知识有 实际应用价值，包括开发特异性强的有效抑制剂用作药物。最后，虽然我们没有特别介绍催 化 RNA 分子，但是蛋白质酶所采用的催化原则同样适用于 RNA 催化剂。 很多酶采用的几个基本的催化原则 在第 8 章我们知道底物与酶结合启动催化。结合能是酶和底物之间形成大量弱相互作用 所释放的自由能。这种结合能既可建立底物特异性，又能增加酶促效率。只有正确的底物才 能与酶形成大多数甚至全部酶-底物相互作用，使结合能最大化。这点能够解释很多酶的底 物特异性。而且，当底物转化成转化态，底物与酶之间完全互补。因此酶和底物之间的相互 作用稳定转化态，从而降低反应的活化自由能。结合能对酶分子和底物的结构变化都有促进 作用，使它们相互间匹配度更高（诱导匹配），有助于催化反应。酶通常采用下列一种或几 种策略催化特定化学反应。 1. 共价催化。共价催化的活性位点有活泼基团，通常是很强的亲核基团。在酶促过程中亲 核基团能暂时性共价连接底物。胰凝乳蛋白酶就采用这种策略。 2. 酸碱催化。酸碱催化中，水分子之外的物质提供质子或接受质子。胰凝乳蛋白酶使用一