浅谈酶催化反应机制
1. 酶催化反应机理浅析 赵泽阳 摘要：酶作为一种特殊的催化剂，在催化化学反应的同时，还具有其他一般催化剂的特点。在化学反应过程中，酶本身的量不发生变化，只能加速化学反应，而不能改变反应的平衡点。但酶作为一种生物催化剂，又不同于一般的催化剂，酶既是生命活动的产物，又是物质运动形式的更高级的阶段，因此，它比其他一般的催化剂更加优越，对化学反应的催化作用也更加显著。 关键词：酶；生物催化剂；诱导契合理论：g63: a: 1673-9132 (2017) 28-0189-02 doi: 10.16657/ki.-91
2. 32.2017.28.117 1. 概述 组成生物体的各种物质并不是孤立静止的，而是处于复杂的变化之中。机体从外界环境中摄取的营养物质经过分解、氧化，提供构成机体自身结构和组织的原料和能量。体内的一些小分子转化成构成机体自身结构所需的大分子。生物个体的繁殖、生长发育，食物的消化吸收、新陈代谢等生理活动都需要经过许多化学变化才能实现，而这一系列的化学变化都需要酶作为催化剂，加速化学反应，从而保证人体的体内平衡。酶催化的化学反应具有许多特点，高效性和专一性是最重要的两个特点，这使酶催化比一般的催化剂更受青睐。酶的催化效率是一般化学催化剂的几倍。
3、生物细胞中各种酶的含量虽然很低，但可以在大量的底物上催化反应。酶的作用具有特异性，一种酶只能催化一种或一类底物的化学反应，即只能与一种底物结合并完成催化，而一般的化学催化剂对底物的选择并不严格。因此，进一步研究酶作用的特异性具有十分重要的生物学意义。事物的结构决定事物的功能，因此酶的高效性和特异性与酶的结构密不可分。酶分子的本质是蛋白质，但并不是所有的蛋白质分子都具有催化功能。蛋白质分子的表面有一个区域可以可逆地结合小的溶质分子或离子分子。借用有机金属化学的概念，这些溶质分子通常被称为配体。酶的底物、辅酶或辅因子以及各种调节因子都可以成为配体，因此酶蛋白上的每一个结合配体
4.位点可以是一个、两个甚至多个，配体的结合可以使各位点具有一定的协同作用，这是由酶分子本身的结构决定的。酶分子中的一些基团与其活性有直接关系，部分酶结构的共价修饰可导致酶活性的升高或降低。酶结构的改变与酶催化反应的机理密切相关。现在，诱导契合理论可以较好地解释酶的选择性机理，共价催化和酸碱催化可以较好地解释酶作用的高效性。 2.酶反应机理 （一）酶特异性的机理 诱导契合理论解释了为什么酶只能催化某些物质发生反应，即酶只能与某些底物结合。关于酶对底物选择性的机理，人们提出了几种不同的假说，如锁钥匙理论、诱导契合理论、结构性质互补假说等。目前公认的诱导契合理论可以更好地解释这一点
5、选择特异性的机制。德在解释酶作用的特异性机制时提出了诱导契合理论。他认为酶与底物在接触之前并没有完全契合在一起，只有当底物与酶结合位点结合并产生相互诱导后，酶的构象才发生微小的变化，催化基团才进入有效作用位点，酶与底物才会完全契合在一起，酶才能以较高的速度催化反应。这种底物与酶的契合关系可以比喻为手与手套的关系。诱导契合理论认为：1、酶分子具有一定的柔性；2、酶作用的特异性不仅取决于酶与底物的结合，还取决于酶催化基团的正确定位。正因为如此，诱导契合理论认为催化位点是需要诱导形成的，而不是“现成的”，从而排除了不合适的物质偶然“落入”现成的催化位点而起催化作用的可能性。诱导契合
6.结合理论也能很好地解释所谓“无效”结合，因为这类物质不能诱导催化位点的形成。 （二）酶作用高效的机理 共价催化与酸碱催化 1.共价催化 一些酶利用共价催化作用来提高其催化反应的速度。在催化过程中，亲核催化剂或亲电催化剂可以分别释放或吸收电子，作用于底物的缺电子中心或富电子中心，很快形成不稳定的共价中间配合物。这种中间配合物特别容易变成过渡态，因此反应的活化能会大大降低，跨过较低的能量阈值就能与底物结合形成反应。通常这些酶的活性中心含有亲核基团，如丝氨酸的羟基、半胱氨酸的巯基、组氨酸的咪唑基等，这些基团具有共用电子对作为电子供体，与底物的亲电基团以共价键结合，此外，许多辅酶也具有亲核中心。 2. 酸碱催化 酸碱
7、催化是通过瞬间向反应物提供质子或从反应物中接受质子，使过渡态稳定，加速反应的催化机理。酸碱催化剂是催化有机反应最常见、最有效的一类催化剂。目前酸碱催化剂有两种：一种是狭义的，即H+和OH-。由于酶反应最适宜的pH值一般接近中性，所以H+和OH-在酶反应中的催化作用有限；另一种是广义的，即质子受体和质子供体的催化。它们在酶反应中的作用要大得多，也更明显。细胞内发生的许多有机反应都需要广泛的酸碱催化，如羰基加成水，羧酸盐和磷酸盐的水解等。酶蛋白中含有多种能起广泛酸碱催化作用的功能基团，如羧基、氨基、硫醇基、酚羟基等。由于酶分子中存在多种给予或接受质子的基团，
8、酶的酸碱催化效率比一般的酸碱催化剂高得多。例如，在无酶存在下水解肽键时，需要较高的H+或OH-浓度、较长的作用时间(1024h)和较高的温度(10120)。而用凝乳酶作酸碱催化剂时，在常温中性条件下，肽键很快便能水解。3、酶发展的未来对酶催化机理的不断探索和研究，以及酶学研究的迅速发展，使酶学与工程学相互渗透、相互融合，发展成为一门新兴的技术科学——酶工程。酶工程又称蛋白质工程，是在工业上有目的地设定一定的反应器和反应条件，利用酶的催化作用，在常温常压等一定条件下催化化学反应，生产人类所需产品的一门现代应用技术。目前主要包括酶基因的定点突变、酶功能基团的化学修饰、酶和细胞的固定化技术等。酶工程是现代生物工程的重要组成部分，随着科技的发展，生物工程必将在更多的领域大显身手，继续推动生物技术的快速发展，为生命科学谱写新的篇章。参考文献：1 何荣桥. 酶-底物反应的“诱导契合-锁-钥匙”模型c全国酶学学术研讨会论文集. 2011. 2 张子建，潘荣，周源等. 酶催化反应的“诱导契合-锁-钥匙”模型j. 生物化学与生物物理进展，2011（5）：418-426. -全文结束-