三、酶的催化机制

三、酶的催化机制

酶的催化本质是降低反应所需的活化能，加快反应的进行。为了达到降低活化能的目的，酶与底物之间必然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：

（一）中间产物学说

1913年Michaelis和Menten首先提出中间产物学说。他们研究认为首先酶（E）和底物（S）结合生成中间产物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：

中间产物学说的关键，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中间复合物，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。

根据中间产物学说，酶促反应分两步进行，而每一步反应的能阈较低，所需的活化能较少，见图7-3。

从图7-3中可知，当非催化反应时，反应S→P所需的活化能为Ea，而在酶的催化下，由E+S→ES，活化能为Eb，再由ES→E+P，需要活化能Ec。Eb和Ec均比Ea小得多。所以酶促反应比非酶促反应所需的活化能少，从而加快反应的进行。

中间产物学说已为许多实验所证实，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：

E+H2O2→E-H2O2

E-H2O2+AH2→E+A+2H2O(https://www.daowen.com)

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645nm、587nm、548nm、498nm处有四条吸收光带。接着向酶液中加进过氧化氢，此时发现酶的四条光带消失，而在561nm、530nm处出现两条吸收光带，说明酶已经与过氧化氢结合而生成了中间产物E-H2O2。然后加进另一还原型底物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了。

（二）诱导契合假说

早在20世纪40年代Fischer就提出锁钥假说，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（图7-4a）。此假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。

后来Koshland提出了诱导契合假说，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变化，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（图7-4b）。对于这一假说，许多研究已得到证实。

（三）邻近效应

化学反应速度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，反应速度也随之增高。因此，提高酶反应速度最简单的方式是使底物分子进入酶的活性中心，即增大活性中心的底物有效浓度。酶的活性中心（区域）与底物可逆地接近结合，这种效应称为邻近效应（Approximation）。有实验证实，当底物浓度由0.001mol/L提高到100mol/L时，其酶的活性可提高105倍左右。

（四）亲核催化作用

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（丝氨酸的羟基、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酯的水解，其亲核催化作用反应式见图7-5。

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，亲核催化作用对阐明酶的催化作用具有重要作用。

（五）微环境概念

1977年A.R.Fersht提出微环境概念。根据X射线分析表明，酶分子上的活性中心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。