浅谈酶催化反应机制

赵泽洋

摘 要：酶作为一种特殊的催化剂，在催化一个化学反应的同时也具有其它一般催化剂的特性。在化学反应的时候，酶并没有改变本身的量，它只能加快这个化学反应的速度，却不能改变这个反应的平衡点。但是，酶作为一种生物催化剂，又不同于与一般的催化剂。酶既是生命活动的产物，又在物质的运动形式上处于更为高级的阶段，因此它比其它一般的催化剂更有优越性，对化学反应的催化作用更为显著。

关键词：酶；生物催化剂；诱导契合学说

中图分类号：G63 文献标识码：A 文章编号：1673-9132（2017）28-0189-02

DOI：10.16657/j.cnki.issn1673-9132.2017.28.117

一、综述

构成生物机体的各种物质并不是孤立的、静止不动的状态，而是经历着复杂的变化。机体从外界环境摄取的营养物质经过分解、氧化，提供构成机体本身结构组织的原料和能量。在体内的一些小分子物质转变成组成机体本身结构所需的大分子物质。生物体个体的繁殖、生长和发育、对食物的消化吸收和新陈代谢以及其他生理活动，都需要通过许多化学变化来实现，而这一系列的化学变化都需要酶作为催化剂，加速化学反应进行，从而保证人体稳态平衡。

酶催化下进行的化学反应具有多种特性。高效性和专一性是最为重要的两个特性，使酶催化比一般催化剂更加受到各界的青睐。酶的催化效率比一般化学催化剂高106～1013倍，在生物细胞内，虽然各种酶的含量很低，但却可催化大量的底物发生反应。酶的作用具有专一性，一种酶只能催化一种或一类底物进行化学反应，也就是只能和一种底物发生结合并完成催化，而一般的化学催化剂对底物却没有严格的选择。所以，对酶作用的专一性做进一步的研究具有非常重要的生物学意义。

事物的结构决定着事物的功能，所以，酶所具有的高效性、专一性与酶的结构密不可分。酶分子的本质是蛋白质，但是蛋白质分子不是都具有催化功能。一个蛋白质分子的表面具有可逆的结合小的溶质分子或离子分子的区域，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、辅酶或辅基以及各种调节因子都可以成为配体，所以每一个酶蛋白上的结合配体部位，可以有一个、两个甚至多个，而结合配体能使各部位之间存在一定的协同性，这正是酶分子本身的结构决定的。酶分子中有些基团与其活性直接相关，对酶的部分结构进行共价修饰可能导致酶的活性提高或者降低。

酶结构发生变化与酶催化反应的机制密切相关，现在，诱导契合学说可以较好地解释酶的选择性机制，共价催化与酸碱催化可以较好地解释酶作用的高效性。

二、酶反应机制

（一）酶作用专一性的机制——诱导契合学说

对于一种酶为什么只能催化一定的物质发生反应，即一种酶只能与一定的底物结合，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，如锁钥学说、诱导契合学说、结构性质互补假说。目前人们公认的诱导契合学说可以更好的解释这种选择特异性的机制。Koshland DE在解释酶的作用专一机制时提出了诱导契合学说，他认为酶和底物在接触以前，两者并不完全契合，只有在底物和酶的结合部位结合，产生了相互诱导之后，酶的构象发生了细微的变化，催化基团进入了有效的作用位置，酶与底物才会完全契合，酶才能高速地催化反應。底物与酶的这种契合关系可以比喻为手与手套的关系。

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，还取决于酶的催化基团有正确取位。正因为这样，诱导契合学说认为催化部位需要诱导才能形成，而不是“现成的”，因而就排除了那些不适合的物质偶然“落入”现成的催化部位而产生被催化的可能。诱导契合学说同时也能很好地解释所谓“无效”结合，因为这种物质不可能诱导催化部位形成。

（二）酶作用高效性的机制——共价催化与酸碱催化

1.共价催化

有一些酶以共价催化来提高其催化反应的速度。在催化时，亲核催化剂或亲电子催化剂能分别放出电子或吸收电子并作用于底物的缺电子中心或富电子中心，迅速形成不稳定的共价中间配合物，这个中间配合物特别容易变成转变态，因此反应的活化能就会大大降低，底物就可以越过较低的能阈而形成。

通常在这些酶的活性中心都含有亲核基团，如丝氨酸的羟基、半胱氨酸的巯基、组氨酸的咪唑基等，这些基团都有共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。

2.酸碱催化

酸碱催化是通过瞬时向反应物提供质子或从反应物接受质子以稳定过渡态、加速反应的一种催化机制。酸碱催化剂是催化有机反应所使用的最普遍、最有效的一类催化剂。目前有两种酸碱催化剂：一种是狭义的，即H+及OH-，由于酶反应最适合的pH值一般接近中性，因此H+与OH-的催化在酶反应中的作用是受限制的；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、明显得多，发生在细胞内的很多有机反应都是受广义的酸碱催化剂催化的，例如将水加到羰基上、羧酸酯以及磷酸酯的水解等。

酶蛋白中含有多种可以起广义酸碱催化作用的功能基，如羧基、氨基、巯基、酚羟基等。由于酶分子中存在多种供出质子或接受质子的基团，因此，酶的酸碱催化效率比一般酸碱催化剂高很多。例如肽键在无酶存在下进行水解时需要高浓度的H+或OH-及很长的作用时间（10～24h）和高温（10～120℃），而以胰凝乳蛋白酶作为酸碱催化剂时，在常温中性条件下很快就可以使肽键水解。

三、酶发展的未来

酶催化作用特性机制的不断探索和研究，以及酶学研究的迅速发展，使得酶学和工程学相互渗透，相互融合，并发展成为一门崭新的技术科学——酶工程。酶工程，又称为蛋白质工程学，是工业上有目的地设置一定的反应器和反应条件，利用酶的催化功能这一特点，在常温常压等一定的条件下催化化学反应，生产出人类需要的产品的一门现代应用技术。从目前来看，主要包括酶的基因定点突变、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。随着科学技术的发展，生物工程一定会在更多的领域大显身手，继续推动生物科技的迅猛发展，为生命科学谱写新篇章。

参考文献：

[1] 赫荣乔.酶与底物反应的“诱导契合-锁钥”模式[C]全国酶学学术讨论会.2011.

[2] 张子剑，潘荣，周园，等.酶促反应的“诱导契合-锁钥”模式[J].生物化学与生物物理进展，2011（5）：418-426.