第二節(jié)　酶促反應(yīng)的特點(diǎn)與酶的催化作用機(jī)制

一、酶促反應(yīng)的特點(diǎn)

酶是生物催化劑，故具有一般化學(xué)催化劑的共性：①只催化熱力學(xué)上允許進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)；②能加快化學(xué)反應(yīng)速率，酶在反應(yīng)前、后沒有質(zhì)和量的改變；③能縮短反應(yīng)達(dá)到平衡所需的時(shí)間，但不改變平衡點(diǎn)。同時(shí)，酶又具有下面與一般化學(xué)催化劑不同的特點(diǎn)。

（一）高度的催化效率

酶的催化效率通常比非催化反應(yīng)高10⁸～10²⁰倍，比一般化學(xué)催化劑高10⁷～10¹³倍。酶催化效率高的原因，是酶能夠大幅度降低反應(yīng)所需的活化能，使底物分子中活化分子的比例大大的增加，反應(yīng)速率加快。

（二）高度的專一性

一種酶只能催化一種或一類底物發(fā)生一定的化學(xué)反應(yīng)，并產(chǎn)生一定的產(chǎn)物的特性稱為酶的專一性，也稱為特異性。如淀粉酶只能催化淀粉水解，對(duì)脂肪和蛋白質(zhì)則無(wú)催化作用。

（三）酶活性的可調(diào)節(jié)性

酶促反應(yīng)受多種因素的調(diào)控，以適應(yīng)機(jī)體不斷變化的內(nèi)、外環(huán)境和生命活動(dòng)的需要。如酶與代謝物在細(xì)胞內(nèi)的區(qū)域化分布；代謝物通過(guò)對(duì)酶活性的抑制與激活，對(duì)系列酶中的關(guān)鍵酶進(jìn)行調(diào)節(jié)；通過(guò)對(duì)酶生物合成的誘導(dǎo)與阻遏作用等對(duì)酶進(jìn)行量的調(diào)節(jié)等。

（四）酶活性的不穩(wěn)定性

多數(shù)酶是蛋白質(zhì)，其活性易受理化因素的影響。酶促反應(yīng)要求一定的溫度、pH值等適宜的條件，高溫、強(qiáng)酸、重金屬鹽、紫外線等任何可能使蛋白質(zhì)變性的因素，都可使酶變性而失活。

二、酶的催化作用機(jī)制

（一）活化分子與活化能

酶和一般化學(xué)催化劑加速反應(yīng)的機(jī)制都是降低反應(yīng)的活化能。在反應(yīng)體系中，底物分子所含能量的平均水平較低。在反應(yīng)的任一瞬間，只有那些能量較高，能達(dá)到或超過(guò)一定能量水平的分子（即活化分子）才有可能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。活化分子所具有的最低能量水平稱為化學(xué)反應(yīng)能閾?；罨肿铀哂械母叱銎骄降哪芰糠Q為活化能，即底物分子從初態(tài)轉(zhuǎn)變到活化態(tài)所需的能量?；罨肿釉蕉啵磻?yīng)進(jìn)行得越快。酶通過(guò)其特有的作用機(jī)制，能比一般化學(xué)催化劑更有效地降低化學(xué)反應(yīng)能閾，從而使更多的底物分子轉(zhuǎn)化為活化分子，故表現(xiàn)為酶的高效催化作用，如圖4－4所示。

例如：H2O₂＋H2O₂─→2H2O＋O₂

在上述反應(yīng)中，當(dāng)無(wú)催化劑存在時(shí)，反應(yīng)活化能為75600J/mol；當(dāng)膠體鈀作催化劑時(shí)，反應(yīng)活化能降為49000J/mol；當(dāng)用過(guò)氧化氫酶催化時(shí)，反應(yīng)活化能降為8400 J/mol，反應(yīng)速度增加百萬(wàn)倍以上。

圖4－4　酶與一般化學(xué)催化劑降低反應(yīng)活化能示意圖

（二）中間產(chǎn)物與誘導(dǎo)契合學(xué)說(shuō)

1．酶－底物復(fù)合物的形成與誘導(dǎo)契合學(xué)說(shuō)

20世紀(jì)60年代Koshland提出誘導(dǎo)契合學(xué)說(shuō)（induced－fit theory）來(lái)解釋酶－底物復(fù)合物形成的機(jī)制。酶在發(fā)揮催化作用之前，首先與底物相互接近，其結(jié)構(gòu)相互誘導(dǎo)、相互變形和相互適應(yīng)，進(jìn)而相互結(jié)合，生成酶－底物復(fù)合物，而后使底物轉(zhuǎn)變成產(chǎn)物并釋放出酶，這一過(guò)程稱為誘導(dǎo)契合學(xué)說(shuō)。此過(guò)程如圖4－5所示。

圖4－5　酶與底物結(jié)合的誘導(dǎo)契合學(xué)說(shuō)示意圖

2．酶高效率催化作用的有關(guān)因素

酶－底物復(fù)合物能降低反應(yīng)活化能、加快化學(xué)反應(yīng)速度，可能與以下幾種因素有關(guān)。

（1）鄰近效應(yīng)與定向排列：在兩個(gè)以上底物參與的反應(yīng)中，底物之間必須以正確的方向相互碰撞，才能發(fā)生反應(yīng)。酶在反應(yīng)中將各底物結(jié)合到酶的活性中心，一方面使它們相互接近并形成有利于反應(yīng)的正確定向關(guān)系，另一方面使酶活性部位的底物濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于溶液中的濃度，從而加快反應(yīng)速度。

這種鄰近效應(yīng)與定向排列實(shí)際上是將分子間的反應(yīng)變成分子內(nèi)的反應(yīng)，從而能大大提高催化效率。在圖4－6中，A、B分別代表兩個(gè)底物，當(dāng)它們進(jìn)入酶的活性中心后，從不易起反應(yīng)的Ⅰ位，定向轉(zhuǎn)位到最易起反應(yīng)的Ⅲ位。

圖4－6　鄰近效應(yīng)與定向排列

（2）多元催化：一般催化劑在進(jìn)行催化反應(yīng)時(shí)，通常只有一種解離狀態(tài)，或是酸催化，或是堿催化。酶分子中含有多種功能基團(tuán)，它們具有不同的解離常數(shù)，即使同一種功能基團(tuán)在不同的蛋白質(zhì)分子中，由于處于不同的微環(huán)境，解離度也有差異，它們既可以作為質(zhì)子的供體，也可以作為質(zhì)子的受體，在特定的pH值條件下發(fā)揮催化作用。因此，同一種酶兼有酸、堿催化作用，這種多功能基團(tuán)的協(xié)同作用可極大地提高酶的催化效率。

（3）表面效應(yīng)：酶的活性中心內(nèi)部有多種疏水性氨基酸，常形成疏水性“口袋”，以容納并結(jié)合底物。這種疏水性可排除周圍大量水分子對(duì)酶和底物功能基團(tuán)的干擾性吸引或排斥，從而防止在底物與酶之間形成水化膜，有利于酶與底物的直接接觸，使酶的活性基團(tuán)對(duì)底物的催化反應(yīng)更為有效和強(qiáng)烈。

應(yīng)該指出的是，一種酶的催化反應(yīng)不限于上述某一種因素，而常常是多種催化因素的綜合機(jī)制，這是酶促反應(yīng)高效率的重要原因。