从酶的结构与功能角度阐述催化机理

从酶的结构与功能角度阐述催化机理

酶的催化机理和一般化学催化剂基本相同,也是先和反应物（酶的底物）结合成络合物,通过降低反应的能来提高化学反应的速度,在恒定温度下,化学反应体系中每个反应物分子所含的能量虽然差别较大,但其平均值较低,这是反应的初态.S（底物）→P（产物）这个反应之所以能够进行,是因为有相当部分的S分子已被激活成为活化（过渡态）分子,活化分子越多,反应速度越快.在特定温度时,化学反应的活化能是使1摩尔物质的全部分子成为活化分子所需的能量（千卡）.酶（E）的作用是：与S暂时结合形成一个新化合物ES,ES的活化状态（过渡态）比无催化剂的该化学反应中反应物活化分子含有的能量低得多.ES再反应产生P,同时释放E.E可与另外的S分子结合,再重复这个循环.降低整个反应所需的活化能,使在单位时间内有更多的分子进行反应,反应速度得以加快.如没有催化剂存在时,过氧化氢分解为水和氧的反应（2H2O2→2H2O+O2）需要的活化能为每摩尔18千卡（1千卡=4.187焦耳）,用过氧化氢酶催化此反应时,只需要活化能每摩尔2千卡,反应速度约增加10^11倍.
按照酶的化学组成可将酶分为单纯酶和结合酶两大类.单纯酶分子中只有氨基酸残基组成的肽链,结合酶分子中则除了多肽链组成的蛋白质,还有非蛋白成分,如金属离子、铁卟啉或含B族维生素的小分子有机物.结合酶的蛋白质部分称为酶蛋白(apoenzyme),非蛋白质部分统称为辅助因子 (cofactor),两者一起组成全酶(holoenzyme)；只有全酶才有催化活性,如果两者分开则酶活力消失.非蛋白质部分如铁卟啉或含B族维生素的化合物若与酶蛋白以共价键相连的称为辅基(prosthetic group),用透析或超滤等方法不能使它们与酶蛋白分开；反之两者以非共价键相连的称为辅酶(coenzyme),可用上述方法把两者分开.表4-1为以金属离子作结合酶辅助因子的一些例子.表4-2列出含B族维生素的几种辅酶(基)及其参与的反应.结合酶中的金属离子有多方面功能,它们可能是酶活性中心的组成成分；有的可能在稳定酶分子的构象上起作用；有的可能作为桥梁使酶与底物相连接.辅酶与辅基在催化反应中作为氢(H+和e)或某些化学基团的载体,起传递氢或化学基团的作用.体内酶的种类很多,但酶的辅助因子种类并不多,从表4—1中已见到几种酶均用某种相同的金属离子作为辅助因子的例子,同样的情况亦见于辅酶与辅基,如3-磷酸甘油醛脱氢酶和乳酸脱氢酶均以NAD+作为辅酶.酶催化反应的特异性决定于酶蛋白部分,而辅酶与辅基的作用是参与具体的反应过程中氢(H+和e)及一些特殊化学基团的运载.
酶的分子结构的基础是其氨基酸的序列,它决定着酶的空间结构和活性中心的形成以及酶催化的专一性.如哺乳动物中的磷酸甘油醛脱氢酶的氨基酸残基序列几乎完全相同,说明相同的一级结构是酶催化同一反应的基础.又如消化道的糜蛋白酶,胰蛋白酶和弹性蛋白酶都能水解食物蛋白质的肽键,但三者水解的肽键有各自的特异性,糜蛋白酶水解含芳香族氨基酸残基提供羧基的肽键,胰蛋白酶水解赖氨酸等碱性氨基酸残基提供羧基的肽键,而弹性蛋白酶水解侧链较小且不带电荷氨基酸残基提供羧基的肽键．这三种酶的氨基酸序列分析显示40％左右的氨基酸序列相同,都以丝氨酸残基作为酶的活性中心基团,三种酶在丝氨酸残基周围都有G1y-Asp-Ser-Gly-Pro序列,X线衍射研究提示这三种酶有相似的空间结构,这是它们都能水解肽键的基础.而它们水解肽键时的特异性则来自酶的底物结合部位上氨基酸组成上有微小的差别所致.图说明这三个酶的底物结合部位均有一个袋形结构,糜蛋白酶该处能容纳芳香基或非极性基；胰蛋白酶袋子底部稍有不同其中一个氨基酸残基为天冬氨酸取代,使该处负电荷增强,故该处对带正电荷的赖氨酸或精酸残基结合有利；弹性蛋白酶口袋二侧为缬氨酸和苏氨酸残基所取代,因此该处只能结合较小侧链和不带电荷的基团．说明酶的催化特异性与酶分子结构的紧密关系.