食品酶学导论：酶的催化机制与活化能降低

2023-11-22 理论教育版权反馈

【摘要】：如上所述，酶的催化本质是降低反应所需的活化能，加快反应进行。为了达到减少活化能的目的，酶与底物之间必然需要通过某种方式而互相作用，并经过一系列的变化过程。酶和底物的相互作用和变化过程，称为酶的催化机制。一个良好的电子供体必然是一个良好的亲核催化剂。由于酶分子中可提供一对电子对的基团有His-咪唑基、Ser-OH、Cys-SH等，因此，亲核催化对阐明酶的催化机制具有重要作用。

如上所述，酶的催化本质是降低反应所需的活化能，加快反应进行。为了达到减少活化能的目的，酶与底物之间必然需要通过某种方式而互相作用，并经过一系列的变化过程。酶和底物的相互作用和变化过程，称为酶的催化机制。

关于酶的催化作用机制有如下几种假说。

1913年，Michaelis和Menten首先提出中间产物学说。他们认为酶（E）和底物（S）首先结合形成中间产物ES，然后中间产物再分解成产物P，同时使酶重新游离出来。

对于有两种底物的酶促反应，该学说可用下式表示：

此学说的关键，在于中间产物的形成。酶和底物可以通过共价键、氢键、离子键和络合键等结合形成中间产物。中间产物是不稳定的复合物，分解时所需活化能少，易于分解成产物并使酶重新游离出来。

中间产物学说已有许多实验所证实。其中间产物的存在也已得到确证。例如，过氧化物酶E可催化过氧化氢（H₂O₂）与另一还原型底物AH₂进行反应。按中间产物学说，其反应过程如下：

在此过程中，可用光谱分析法证明中间产物E-H₂O₂的存在。首先对酶液进行光谱分析，发现过氧化物酶在645，587，548，498nm处有四条吸收光带。接着向酶液中加入过氧化氢，此时发现酶的四条光带消失，而在561，530nm处出现两条吸收光带。说明酶已经与过氧化氢结合而形成了中间产物E-H₂O₂。然后加入另一还原型底物AH₂，这时酶的四条吸收光带重新出现，证明中间产物分解后使酶重新游离出来。

早在1894年Fischer就提出了锁钥学说，他认为只有特定的底物才能契合于酶分子表面的活性部位，底物分子（或其一部分）像钥匙那样专一地嵌进酶的活性部位上，而且底物分子化学反应的敏感部位与酶活性部位的氨基酸残基具有互补关系，一把钥匙只能开一把锁。此学说能解释酶的立体异构专一性，但不能解释酶的其他专一性。

1958年Koshland提出了诱导契合学说，他认为酶分子与底物分子相互接近时，酶蛋白受底物分子的诱导，酶的构象发生相应的形变，变得有利于与底物结合，导致彼此互相契合而进行催化反应。对于这一学说，已得到许多研究证实。

化学反应速率与反应物浓度成正比，若反应系统的局部区域的底物浓度增高，反应速率也随之增高。因此，提高酶反应速率的最简单的方式是使底物分子进入酶的活性部位，即增大活性部位的底物有效浓度。酶的活性部位（区域）与底物可逆地接近而结合，这种效应称为邻近效应。有实验显示，某酶促反应中，溶液中的底物浓度为0.001mol/L，活性部位的底物浓度竟可达10mol/L，提高了10⁴倍左右，因此反应速率也相应提高。

由于活性中心的立体结构和相关基团的诱导和定向作用，使底物分子中参与反应的基团相互接近，并被严格定向定位，使酶促反应具有高效率和专一性特点。

例如：咪唑和对-硝基苯酚乙酸酯的反应是一个双分子氨解反应（图4-23）。

图4-23 咪唑和对-硝基苯酚乙酸酯的反应

当有定向效应时，实验结果表明，分子内咪唑基参与的氨解反应速率比相应的分子间反应速率大24倍。说明咪唑基与酯基的相对位置对水解反应速率具有很大的影响（图4-24）。(www.chuimin.cn)

图4-24 咪唑基与酯基的相对位置对水解反应速率的影响

酶与底物结合后，酶分子中的某些基团或离子可以使底物敏感键中的某些基团的电子云密度发生改变，或者是因为空间位阻产生排斥，从而产生电子张力，使敏感键更加敏感，更易于发生反应。

例如：

图4-25 内酯反应

图4-25所示为一个形成内酯的反应。当R=CH₃时，其反应速率比R=H的情况快315倍。由于-CH₃体积比较大，与反应基团之间产生一种立体排斥张力，从而使反应基团之间更容易形成稳定的五元环过渡状态。

若一个被催化的反应，必须从催化剂供给一个电子对到底物才能进行时，称为亲核催化作用。这种亲核“攻击”在一定程度上控制着反应速度。

一个良好的电子供体必然是一个良好的亲核催化剂。例如，许多蛋白酶和脂酶类在其活性部位上，亲核的氨基酸侧链基团（丝氨酸的-OH、半胱氨酸的-SH、组氨酸的咪唑基团等）可以作为肽类和脂类底物上酰基部分的供体，然后把酰基转移。例如，咪唑基催化对-硝基乙酸脂的水解，其亲核催化作用反应式如图4-26所示。

图4-26 亲核催化作用

从反应可知，咪唑基较缓慢地攻击酯上的羰基碳，即向羰基供给电子对，置换出p-硝基苯酚盐，然后迅速水解质子化的乙酰咪唑中间体，生成乙酸并使催化剂再生。由于酶分子中可提供一对电子对的基团有His-咪唑基、Ser-OH、Cys-SH等，因此，亲核催化对阐明酶的催化机制具有重要作用。

酶活性中心的一些基团作为质子的供体或质子的受体对底物进行广义的酸碱催化（图4-27）。

图4-27 广义酸基团和广义碱基团

1977年，A.R.Fersht提出微环境概念。根据X-射线分析，在酶分子上的活性部位是一个特殊的微环境。例如，溶菌酶的活性部位是由多个非极性氨基酸侧链基团所包围的，与外界水溶液有着显著不同的微环境。根据计算表明，这种低介电常数的微环境可能使Asp-52对正碳离子的静电稳定作用显著增加，从而可使其催化速度得以增大3×10⁶倍。

食品酶学导论：酶的催化机制与活化能降低

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