酶促反应的特点与酶的催化作用机制

第二节　酶促反应的特点与酶的催化作用机制

一、酶促反应的特点

酶是生物催化剂，故具有一般化学催化剂的共性：①只催化热力学上允许进行的化学反应；②能加快化学反应速率，酶在反应前、后没有质和量的改变；③能缩短反应达到平衡所需的时间，但不改变平衡点。同时，酶又具有下面与一般化学催化剂不同的特点。

（一）高度的催化效率

酶的催化效率通常比非催化反应高10⁸～10²⁰倍，比一般化学催化剂高10⁷～10¹³倍。酶催化效率高的原因，是酶能够大幅度降低反应所需的活化能，使底物分子中活化分子的比例大大的增加，反应速率加快。

（二）高度的专一性

一种酶只能催化一种或一类底物发生一定的化学反应，并产生一定的产物的特性称为酶的专一性，也称为特异性。如淀粉酶只能催化淀粉水解，对脂肪和蛋白质则无催化作用。

（三）酶活性的可调节性

酶促反应受多种因素的调控，以适应机体不断变化的内、外环境和生命活动的需要。如酶与代谢物在细胞内的区域化分布；代谢物通过对酶活性的抑制与激活，对系列酶中的关键酶进行调节；通过对酶生物合成的诱导与阻遏作用等对酶进行量的调节等。

（四）酶活性的不稳定性

多数酶是蛋白质，其活性易受理化因素的影响。酶促反应要求一定的温度、pH值等适宜的条件，高温、强酸、重金属盐、紫外线等任何可能使蛋白质变性的因素，都可使酶变性而失活。

二、酶的催化作用机制

（一）活化分子与活化能

酶和一般化学催化剂加速反应的机制都是降低反应的活化能。在反应体系中，底物分子所含能量的平均水平较低。在反应的任一瞬间，只有那些能量较高，能达到或超过一定能量水平的分子（即活化分子）才有可能发生化学反应。活化分子所具有的最低能量水平称为化学反应能阈。活化分子所具有的高出平均水平的能量称为活化能，即底物分子从初态转变到活化态所需的能量。活化分子越多，反应进行得越快。酶通过其特有的作用机制，能比一般化学催化剂更有效地降低化学反应能阈，从而使更多的底物分子转化为活化分子，故表现为酶的高效催化作用，如图4－4所示。

例如：H2O₂＋H2O₂─→2H2O＋O₂

在上述反应中，当无催化剂存在时，反应活化能为75600J/mol；当胶体钯作催化剂时，反应活化能降为49000J/mol；当用过氧化氢酶催化时，反应活化能降为8400 J/mol，反应速度增加百万倍以上。

图4－4　酶与一般化学催化剂降低反应活化能示意图

（二）中间产物与诱导契合学说

1．酶－底物复合物的形成与诱导契合学说

20世纪60年代Koshland提出诱导契合学说（induced－fit theory）来解释酶－底物复合物形成的机制。酶在发挥催化作用之前，首先与底物相互接近，其结构相互诱导、相互变形和相互适应，进而相互结合，生成酶－底物复合物，而后使底物转变成产物并释放出酶，这一过程称为诱导契合学说。此过程如图4－5所示。

图4－5　酶与底物结合的诱导契合学说示意图

2．酶高效率催化作用的有关因素

酶－底物复合物能降低反应活化能、加快化学反应速度，可能与以下几种因素有关。

（1）邻近效应与定向排列：在两个以上底物参与的反应中，底物之间必须以正确的方向相互碰撞，才能发生反应。酶在反应中将各底物结合到酶的活性中心，一方面使它们相互接近并形成有利于反应的正确定向关系，另一方面使酶活性部位的底物浓度远远大于溶液中的浓度，从而加快反应速度。

这种邻近效应与定向排列实际上是将分子间的反应变成分子内的反应，从而能大大提高催化效率。在图4－6中，A、B分别代表两个底物，当它们进入酶的活性中心后，从不易起反应的Ⅰ位，定向转位到最易起反应的Ⅲ位。

图4－6　邻近效应与定向排列

（2）多元催化：一般催化剂在进行催化反应时，通常只有一种解离状态，或是酸催化，或是碱催化。酶分子中含有多种功能基团，它们具有不同的解离常数，即使同一种功能基团在不同的蛋白质分子中，由于处于不同的微环境，解离度也有差异，它们既可以作为质子的供体，也可以作为质子的受体，在特定的pH值条件下发挥催化作用。因此，同一种酶兼有酸、碱催化作用，这种多功能基团的协同作用可极大地提高酶的催化效率。

（3）表面效应：酶的活性中心内部有多种疏水性氨基酸，常形成疏水性“口袋”，以容纳并结合底物。这种疏水性可排除周围大量水分子对酶和底物功能基团的干扰性吸引或排斥，从而防止在底物与酶之间形成水化膜，有利于酶与底物的直接接触，使酶的活性基团对底物的催化反应更为有效和强烈。

应该指出的是，一种酶的催化反应不限于上述某一种因素，而常常是多种催化因素的综合机制，这是酶促反应高效率的重要原因。