淺談酶催化反應(yīng)機(jī)制

趙澤洋

摘 要：酶作為一種特殊的催化劑，在催化一個化學(xué)反應(yīng)的同時也具有其它一般催化劑的特性。在化學(xué)反應(yīng)的時候，酶并沒有改變本身的量，它只能加快這個化學(xué)反應(yīng)的速度，卻不能改變這個反應(yīng)的平衡點(diǎn)。但是，酶作為一種生物催化劑，又不同于與一般的催化劑。酶既是生命活動的產(chǎn)物，又在物質(zhì)的運(yùn)動形式上處于更為高級的階段，因此它比其它一般的催化劑更有優(yōu)越性，對化學(xué)反應(yīng)的催化作用更為顯著。

關(guān)鍵詞：酶；生物催化劑；誘導(dǎo)契合學(xué)說

中圖分類號：G63 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1673-9132（2017）28-0189-02

DOI：10.16657/j.cnki.issn1673-9132.2017.28.117

一、綜述

構(gòu)成生物機(jī)體的各種物質(zhì)并不是孤立的、靜止不動的狀態(tài)，而是經(jīng)歷著復(fù)雜的變化。機(jī)體從外界環(huán)境攝取的營養(yǎng)物質(zhì)經(jīng)過分解、氧化，提供構(gòu)成機(jī)體本身結(jié)構(gòu)組織的原料和能量。在體內(nèi)的一些小分子物質(zhì)轉(zhuǎn)變成組成機(jī)體本身結(jié)構(gòu)所需的大分子物質(zhì)。生物體個體的繁殖、生長和發(fā)育、對食物的消化吸收和新陳代謝以及其他生理活動，都需要通過許多化學(xué)變化來實現(xiàn)，而這一系列的化學(xué)變化都需要酶作為催化劑，加速化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行，從而保證人體穩(wěn)態(tài)平衡。

酶催化下進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)具有多種特性。高效性和專一性是最為重要的兩個特性，使酶催化比一般催化劑更加受到各界的青睞。酶的催化效率比一般化學(xué)催化劑高106～1013倍，在生物細(xì)胞內(nèi)，雖然各種酶的含量很低，但卻可催化大量的底物發(fā)生反應(yīng)。酶的作用具有專一性，一種酶只能催化一種或一類底物進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，也就是只能和一種底物發(fā)生結(jié)合并完成催化，而一般的化學(xué)催化劑對底物卻沒有嚴(yán)格的選擇。所以，對酶作用的專一性做進(jìn)一步的研究具有非常重要的生物學(xué)意義。

事物的結(jié)構(gòu)決定著事物的功能，所以，酶所具有的高效性、專一性與酶的結(jié)構(gòu)密不可分。酶分子的本質(zhì)是蛋白質(zhì)，但是蛋白質(zhì)分子不是都具有催化功能。一個蛋白質(zhì)分子的表面具有可逆的結(jié)合小的溶質(zhì)分子或離子分子的區(qū)域，借用有機(jī)金屬化學(xué)的概念，這些溶質(zhì)分子通常被稱為配體，酶的底物、輔酶或輔基以及各種調(diào)節(jié)因子都可以成為配體，所以每一個酶蛋白上的結(jié)合配體部位，可以有一個、兩個甚至多個，而結(jié)合配體能使各部位之間存在一定的協(xié)同性，這正是酶分子本身的結(jié)構(gòu)決定的。酶分子中有些基團(tuán)與其活性直接相關(guān)，對酶的部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行共價修飾可能導(dǎo)致酶的活性提高或者降低。

酶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化與酶催化反應(yīng)的機(jī)制密切相關(guān)，現(xiàn)在，誘導(dǎo)契合學(xué)說可以較好地解釋酶的選擇性機(jī)制，共價催化與酸堿催化可以較好地解釋酶作用的高效性。

二、酶反應(yīng)機(jī)制

（一）酶作用專一性的機(jī)制——誘導(dǎo)契合學(xué)說

對于一種酶為什么只能催化一定的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，即一種酶只能與一定的底物結(jié)合，酶對底物的這種選擇特異性的機(jī)制曾經(jīng)提出過幾種不同的假說，如鎖鑰學(xué)說、誘導(dǎo)契合學(xué)說、結(jié)構(gòu)性質(zhì)互補(bǔ)假說。目前人們公認(rèn)的誘導(dǎo)契合學(xué)說可以更好的解釋這種選擇特異性的機(jī)制。Koshland DE在解釋酶的作用專一機(jī)制時提出了誘導(dǎo)契合學(xué)說，他認(rèn)為酶和底物在接觸以前，兩者并不完全契合，只有在底物和酶的結(jié)合部位結(jié)合，產(chǎn)生了相互誘導(dǎo)之后，酶的構(gòu)象發(fā)生了細(xì)微的變化，催化基團(tuán)進(jìn)入了有效的作用位置，酶與底物才會完全契合，酶才能高速地催化反應(yīng)。底物與酶的這種契合關(guān)系可以比喻為手與手套的關(guān)系。

誘導(dǎo)契合學(xué)說認(rèn)為：1.酶分子具有一定的柔順性；2.酶的作用專一性不僅取決于酶和底物的結(jié)合，還取決于酶的催化基團(tuán)有正確取位。正因為這樣，誘導(dǎo)契合學(xué)說認(rèn)為催化部位需要誘導(dǎo)才能形成，而不是“現(xiàn)成的”，因而就排除了那些不適合的物質(zhì)偶然“落入”現(xiàn)成的催化部位而產(chǎn)生被催化的可能。誘導(dǎo)契合學(xué)說同時也能很好地解釋所謂“無效”結(jié)合，因為這種物質(zhì)不可能誘導(dǎo)催化部位形成。

（二）酶作用高效性的機(jī)制——共價催化與酸堿催化

1.共價催化

有一些酶以共價催化來提高其催化反應(yīng)的速度。在催化時，親核催化劑或親電子催化劑能分別放出電子或吸收電子并作用于底物的缺電子中心或富電子中心，迅速形成不穩(wěn)定的共價中間配合物，這個中間配合物特別容易變成轉(zhuǎn)變態(tài)，因此反應(yīng)的活化能就會大大降低，底物就可以越過較低的能閾而形成。

通常在這些酶的活性中心都含有親核基團(tuán)，如絲氨酸的羥基、半胱氨酸的巰基、組氨酸的咪唑基等，這些基團(tuán)都有共用的電子對作為電子的供體和底物的親電子基團(tuán)以共價鍵結(jié)合。此外，許多輔酶也有親核中心。

2.酸堿催化

酸堿催化是通過瞬時向反應(yīng)物提供質(zhì)子或從反應(yīng)物接受質(zhì)子以穩(wěn)定過渡態(tài)、加速反應(yīng)的一種催化機(jī)制。酸堿催化劑是催化有機(jī)反應(yīng)所使用的最普遍、最有效的一類催化劑。目前有兩種酸堿催化劑：一種是狹義的，即H+及OH-，由于酶反應(yīng)最適合的pH值一般接近中性，因此H+與OH-的催化在酶反應(yīng)中的作用是受限制的；另一種是廣義的，即質(zhì)子受體和質(zhì)子供體的催化，它們在酶反應(yīng)中的作用要大得多、明顯得多，發(fā)生在細(xì)胞內(nèi)的很多有機(jī)反應(yīng)都是受廣義的酸堿催化劑催化的，例如將水加到羰基上、羧酸酯以及磷酸酯的水解等。

酶蛋白中含有多種可以起廣義酸堿催化作用的功能基，如羧基、氨基、巰基、酚羥基等。由于酶分子中存在多種供出質(zhì)子或接受質(zhì)子的基團(tuán)，因此，酶的酸堿催化效率比一般酸堿催化劑高很多。例如肽鍵在無酶存在下進(jìn)行水解時需要高濃度的H+或OH-及很長的作用時間（10～24h）和高溫（10～120℃），而以胰凝乳蛋白酶作為酸堿催化劑時，在常溫中性條件下很快就可以使肽鍵水解。

三、酶發(fā)展的未來

酶催化作用特性機(jī)制的不斷探索和研究，以及酶學(xué)研究的迅速發(fā)展，使得酶學(xué)和工程學(xué)相互滲透，相互融合，并發(fā)展成為一門嶄新的技術(shù)科學(xué)——酶工程。酶工程，又稱為蛋白質(zhì)工程學(xué)，是工業(yè)上有目的地設(shè)置一定的反應(yīng)器和反應(yīng)條件，利用酶的催化功能這一特點(diǎn)，在常溫常壓等一定的條件下催化化學(xué)反應(yīng)，生產(chǎn)出人類需要的產(chǎn)品的一門現(xiàn)代應(yīng)用技術(shù)。從目前來看，主要包括酶的基因定點(diǎn)突變、酶功能基團(tuán)的化學(xué)修飾、酶和細(xì)胞的固定化技術(shù)等。酶工程是現(xiàn)代生物工程的重要組成部分。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，生物工程一定會在更多的領(lǐng)域大顯身手，繼續(xù)推動生物科技的迅猛發(fā)展，為生命科學(xué)譜寫新篇章。

參考文獻(xiàn)：

[1] 赫榮喬.酶與底物反應(yīng)的“誘導(dǎo)契合-鎖鑰”模式[C]全國酶學(xué)學(xué)術(shù)討論會.2011.

[2] 張子劍，潘榮，周園，等.酶促反應(yīng)的“誘導(dǎo)契合-鎖鑰”模式[J].生物化學(xué)與生物物理進(jìn)展，2011（5）：418-426.endprint