生物化學與分子生物學/酶的工作原理

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酶與酶促反應- 酶的分子結構與功能 - 酶的工作原理 - 酶促反應動力學 - 酶的調節 - 酶的分類與命名 - 酶在醫學中的應用
酶與一般催化劑一樣,在化學反應前後都沒有質和量的改變。它們都只能催化熱力學允許的化學反應;只能加速反應的進程,而不改變反應的平衡點,即不改變反應的平衡常數。由於酶的化學本質是蛋白質,因此酶促反應又具有不同於一般催化劑催化反應的特點和反應機制。

酶具有不同於一般催化劑的顯著特點[編輯]

酶對底物具有極高的催化效率[編輯]

酶的催化效率通常比非催化反應高108~1020倍,比一般催化劑高107~1013倍。例如,在H202分解成H20和02的反應中,無催化劑時反應的活化能為75312J/mol, 用膠體把作催化劑時,反應的活化能降至48 953J/mol, 用過氧化氫酶催化時,反應的活化能降至8368J/mol。

酶對底物具有高度的特異性[編輯]

與一般催化劑不同,酶對其所催化的底物具有較嚴格的選擇性。即一種酶僅作用於一種或一類化合物,或一定的化學鍵,催化一定的化學反應並產生一定的產物,酶的這種特性稱為酶的特異性 (enzyme specificity) ,亦稱為酶的專一性。根據酶對底物選擇的嚴格程度,酶的特異性可分為絕對特異性和相對特異性。

  • 絕對特異性

有的酶只作用於特定結構的底物分子,進行一種專一的反應,生成一種特定結構的產物。 這種特異性稱為絕對特異性(absolute specificity)。例如,脈酶僅能催化尿素水解生成CO2和NH3 ;琥珀酸脫氫酶僅催化琥珀酸與延胡索酸之間的氧化還原反應。
有些具有絕對特異性的酶只能催化底物的一種光學異構體或一種立體異構體進行反應。 例如,乳酸脫氫酶僅催化L-乳酸脫氫生成丙酮酸,而對D-乳酸無作用;延胡索酸酶僅催化反-丁烯二酸(延胡索酸)加水產生蘋果酸,而對順-丁烯二酸(馬來酸)無作用。

  • 相對特異性

有些酶對底物的特異性不是依據整個底物分子結構,而是依據底物分子中特定的化學鍵或特定的基團,因而可以作用於含有相同化學鍵或化學基團的一類化合物,這種選擇性稱為相對特異性(relative specificity)。例如,磷酸酶對一般的磷酸酯鍵都有水解作用,可水解甘油或酚與磷酸形成的酯鍵;脂肪酶不僅水解脂肪,也水解簡單的酯;庶糖酶不僅水解庶糖,也水解棉子糖中的同一種糖苷鍵;消化系統中的蛋白酶僅對蛋白質中肽鍵的胺基酸殘基種類有選擇性,而對具體的底物蛋白質種類無嚴格要求。

酶具有可調節性[編輯]

體內許多酶的酶活性和酶的含量受體內代謝物或激素的調節。例如,磷酸果糖激酶-1的活性受AMP的別構激活,而受ATP的別構抑制。有些酶的合成受物質的誘導或阻遏,從而改變細胞內的酶量。例如,胰島素誘導HMG-CoA還原酶的合成,而膽固醇則阻遏該酶合成。機體通過對酶的活性與酶量的調節使得體內代謝過程受到精確調控,以使機體適應內外環境的不斷變化。

酶具有不穩定性[編輯]

酶的化學本質是蛋白質。在某些理化因素(如高溫、強酸、強鹼等)的作用下,酶會發生變性而失去催化活性。因此,酶促反應往往都是在常溫、常壓和接近中性的條件下進行的。

酶通過促進底物形成過渡態而提高反應速率[編輯]

酶比一般催化劑更有效地降低反應的活化能[編輯]

化學反應中,由於反應物分子所含的能量高低不一,所含自由能較低的反應物分子,很難發生化學反應。只有那些達到或超過一定能量水平的分子,才有可能發生相互碰撞並進入化學反應過程,這樣的分子稱為活化分子。若將低自由能的反應物分子(基態)轉變為能量較高的過渡態(transition state)分子,化學反應就有可能發生。活化能(activation energy)是指在一定溫度下,lmol反應物從基態轉變成過渡態所需要的自由能,即過渡態中間物比基態反應物高出的那部分能量。活化能是決定化學反應速率的內因,是化學反應的能障(energy barrier)。欲使反應速率加快,給予反應物活化能(如加熱)或降低反應的活化能,均能使基態反應物轉化為過渡態。酶與一般催化劑一樣,通過降低反應的活化能,從而提高反應速率,但酶能使其底物分子獲得更少的能量便可進入過渡態。據計算,在25℃時活化能每減少4.184kJ/mol, 反應速率可增高5.4倍。衍生於酶與底物相互作用的能量叫做結合能(binding energy), 這種結合能的釋放是酶降低反應活化能所利用的自由能的主要來源。

酶與底物結合形成中間產物[編輯]

酶催化底物反應時,必須首先與底物結合形成中間產物。酶與底物結合的過程是釋能反應,釋放的結合能是降低反應活化能的主要能量來源。酶活性部位的結合基團能否有效地與底物結合,並將底物轉化為過渡態,是酶能否發揮其催化作用的關鍵。

  • 誘導契合作用使酶與底物密切結合 1958年,D. E. Koshland 提出酶-底物結合的誘導契合假說(induced-fit hypothesis), 認為酶在發揮催化作用前須先與底物結合,這種結合不是鎖與鑰匙的機械關係,而是在酶與底物相互接近時,兩者在結構上相互誘導、相互變形和相互適應,進而結合併形成酶-底物複合物。此假說後來得到X-射線衍射分析的有力支持。誘導契合作用使得具有相對特異性的酶能夠結合一組結構並不完全相同的底物分子,酶構象的變化有利於其與底物結合,並使底物轉變為不穩定的過渡態,易受酶的催化攻擊而轉化為產物。
  • 鄰近效應與定向排列使諸底物正確定位於酶的活性中心 在兩個以上底物參加的反應中,底物之間必須以正確的方向相互碰撞,才有可能發生反應。 酶在反應中將諸底物結合到酶的活性中心,使它們相互接近並形成有利於反應的正確定向關係。 這種鄰近效應 (proximity effect) 與定向排列 (orientation arrangement) 實際上是將分子間的反應變成類似於分子內的反應,從而提高反應速率。
  • 表面效應使底物分子去溶劑化 酶的活性中心多形成疏水「口袋」,這樣就造成一種有利於酶與其特定底物結合併催化其反應的環境。酶促反應在此疏水環境中進行,使底物分子去溶劑化 (desolvation) , 排除周圍大量水分子對酶和底物分子中功能基團的干擾性吸引和排斥,防止水化膜的形成,利於底物與酶分子的密切接觸和結合,這種現象稱為表面效應 (surface effect)。

酶的催化機制呈現多元催化作用[編輯]

酶分子所含有的多種功能基團具有不同的解離常數,即使同一種功能基團處於不同的微環境時,解離程度也有差異。酶活性中心上有些基團是質子供體(酸),有些基團是質子受體(鹼)。這些基團參與質子的轉移,可使反應速率提高102~105倍。這種催化作用稱為普通酸-鹼催化作用(general acid-base catalysis)。
共價催化是指催化劑與反應物形成共價結合的中間物,降低反應活化能,然後把被轉移基團傳遞給另外一個反應物的催化作用。當酶分子催化底物反應時,它可通過其活性中心上的親核催化基團給底物中具有部分正電性的原子提供一對電子形成共價中間物(親核催化),或通過其酶活性中心上的親電子催化基團與底物分子的親核原子形成共價中間物(親電子催化),使底物上被轉移基團傳遞給其輔酶或另外一個底物。因此,酶既可起親核催化作用,又可起親電子催化作用。許多酶催化的基團轉移反應都是通過共價催化方式進行的。例如,胰凝乳蛋白酶195位絲氨酸殘基的—OH是該酶活性中心的催化基團,當底物結合在酶上後,由於此—OH基團中氧原子含有孤對電子,在57位組氨酸殘基鹼催化的幫助下,能對底物蛋白膚鍵中羰基C(具有部分正電性)進行親核攻擊,導致肽鍵的斷裂,形成一個不穩定的中間產物 醯基化酶,後者易將醯基轉移給水完成水解作用。