生物化学与分子生物学/酶的工作原理

酶与酶促反应- 酶的分子结构与功能 - 酶的工作原理 - 酶促反应动力学 - 酶的调节 - 酶的分类与命名 - 酶在医学中的应用
酶与一般催化剂一样，在化学反应前后都没有质和量的改变。它们都只能催化热力学允许的化学反应；只能加速反应的进程，而不改变反应的平衡点，即不改变反应的平衡常数。由于酶的化学本质是蛋白质，因此酶促反应又具有不同于一般催化剂催化反应的特点和反应机制。

酶具有不同于一般催化剂的显著特点

酶对底物具有极高的催化效率

酶的催化效率通常比非催化反应高10⁸～10²⁰倍，比一般催化剂高10⁷～10¹³倍。例如，在H₂0₂分解成H₂0和0₂的反应中，无催化剂时反应的活化能为75312J/mol, 用胶体把作催化剂时，反应的活化能降至48 953J/mol, 用过氧化氢酶催化时，反应的活化能降至8368J/mol。

酶对底物具有高度的特异性

与一般催化剂不同，酶对其所催化的底物具有较严格的选择性。即一种酶仅作用于一种或一类化合物，或一定的化学键，催化一定的化学反应并产生一定的产物，酶的这种特性称为酶的特异性 (enzyme specificity) ,亦称为酶的专一性。根据酶对底物选择的严格程度，酶的特异性可分为绝对特异性和相对特异性。

• 绝对特异性

有的酶只作用于特定结构的底物分子，进行一种专一的反应，生成一种特定结构的产物。 这种特异性称为绝对特异性(absolute specificity)。例如，脉酶仅能催化尿素水解生成CO₂和NH₃ ；琥珀酸脱氢酶仅催化琥珀酸与延胡索酸之间的氧化还原反应。
有些具有绝对特异性的酶只能催化底物的一种光学异构体或一种立体异构体进行反应。 例如，乳酸脱氢酶仅催化L-乳酸脱氢生成丙酮酸，而对D-乳酸无作用；延胡索酸酶仅催化反-丁烯二酸（延胡索酸）加水产生苹果酸，而对顺-丁烯二酸（马来酸）无作用。

• 相对特异性

有些酶对底物的特异性不是依据整个底物分子结构，而是依据底物分子中特定的化学键或特定的基团，因而可以作用于含有相同化学键或化学基团的一类化合物，这种选择性称为相对特异性(relative specificity)。例如，磷酸酶对一般的磷酸酯键都有水解作用，可水解甘油或酚与磷酸形成的酯键；脂肪酶不仅水解脂肪，也水解简单的酯；庶糖酶不仅水解庶糖，也水解棉子糖中的同一种糖苷键；消化系统中的蛋白酶仅对蛋白质中肽键的氨基酸残基种类有选择性，而对具体的底物蛋白质种类无严格要求。

酶具有可调节性

体内许多酶的酶活性和酶的含量受体内代谢物或激素的调节。例如，磷酸果糖激酶-1的活性受AMP的别构激活，而受ATP的别构抑制。有些酶的合成受物质的诱导或阻遏，从而改变细胞内的酶量。例如，胰岛素诱导HMG-CoA还原酶的合成，而胆固醇则阻遏该酶合成。机体通过对酶的活性与酶量的调节使得体内代谢过程受到精确调控，以使机体适应内外环境的不断变化。

酶具有不稳定性

酶的化学本质是蛋白质。在某些理化因素（如高温、强酸、强碱等）的作用下，酶会发生变性而失去催化活性。因此，酶促反应往往都是在常温、常压和接近中性的条件下进行的。

酶通过促进底物形成过渡态而提高反应速率

酶比一般催化剂更有效地降低反应的活化能

化学反应中，由于反应物分子所含的能量高低不一，所含自由能较低的反应物分子，很难发生化学反应。只有那些达到或超过一定能量水平的分子，才有可能发生相互碰撞并进入化学反应过程，这样的分子称为活化分子。若将低自由能的反应物分子（基态）转变为能量较高的过渡态(transition state)分子，化学反应就有可能发生。活化能(activation energy)是指在一定温度下，lmol反应物从基态转变成过渡态所需要的自由能，即过渡态中间物比基态反应物高出的那部分能量。活化能是决定化学反应速率的内因，是化学反应的能障(energy barrier)。欲使反应速率加快，给予反应物活化能（如加热）或降低反应的活化能，均能使基态反应物转化为过渡态。酶与一般催化剂一样，通过降低反应的活化能，从而提高反应速率，但酶能使其底物分子获得更少的能量便可进入过渡态。据计算，在25℃时活化能每减少4.184kJ/mol, 反应速率可增高5.4倍。衍生于酶与底物相互作用的能量叫做结合能(binding energy), 这种结合能的释放是酶降低反应活化能所利用的自由能的主要来源。

酶与底物结合形成中间产物

酶催化底物反应时，必须首先与底物结合形成中间产物。酶与底物结合的过程是释能反应，释放的结合能是降低反应活化能的主要能量来源。酶活性部位的结合基团能否有效地与底物结合，并将底物转化为过渡态，是酶能否发挥其催化作用的关键。

• 诱导契合作用使酶与底物密切结合 1958年，D. E. Koshland 提出酶-底物结合的诱导契合假说(induced-fit hypothesis), 认为酶在发挥催化作用前须先与底物结合，这种结合不是锁与钥匙的机械关系，而是在酶与底物相互接近时，两者在结构上相互诱导、相互变形和相互适应，进而结合并形成酶-底物复合物。此假说后来得到X-射线衍射分析的有力支持。诱导契合作用使得具有相对特异性的酶能够结合一组结构并不完全相同的底物分子，酶构象的变化有利于其与底物结合，并使底物转变为不稳定的过渡态，易受酶的催化攻击而转化为产物。
• 邻近效应与定向排列使诸底物正确定位于酶的活性中心 在两个以上底物参加的反应中，底物之间必须以正确的方向相互碰撞，才有可能发生反应。 酶在反应中将诸底物结合到酶的活性中心，使它们相互接近并形成有利于反应的正确定向关系。 这种邻近效应 (proximity effect) 与定向排列 (orientation arrangement) 实际上是将分子间的反应变成类似于分子内的反应，从而提高反应速率。
• 表面效应使底物分子去溶剂化 酶的活性中心多形成疏水“口袋”，这样就造成一种有利于酶与其特定底物结合并催化其反应的环境。酶促反应在此疏水环境中进行，使底物分子去溶剂化 (desolvation) , 排除周围大量水分子对酶和底物分子中功能基团的干扰性吸引和排斥，防止水化膜的形成，利于底物与酶分子的密切接触和结合，这种现象称为表面效应 (surface effect)。

酶的催化机制呈现多元催化作用

酶分子所含有的多种功能基团具有不同的解离常数，即使同一种功能基团处于不同的微环境时，解离程度也有差异。酶活性中心上有些基团是质子供体（酸），有些基团是质子受体（碱）。这些基团参与质子的转移，可使反应速率提高10²～10⁵倍。这种催化作用称为普通酸-碱催化作用(general acid-base catalysis)。
共价催化是指催化剂与反应物形成共价结合的中间物，降低反应活化能，然后把被转移基团传递给另外一个反应物的催化作用。当酶分子催化底物反应时，它可通过其活性中心上的亲核催化基团给底物中具有部分正电性的原子提供一对电子形成共价中间物（亲核催化），或通过其酶活性中心上的亲电子催化基团与底物分子的亲核原子形成共价中间物（亲电子催化），使底物上被转移基团传递给其辅酶或另外一个底物。因此，酶既可起亲核催化作用，又可起亲电子催化作用。许多酶催化的基团转移反应都是通过共价催化方式进行的。例如，胰凝乳蛋白酶195位丝氨酸残基的—OH是该酶活性中心的催化基团，当底物结合在酶上后，由于此—OH基团中氧原子含有孤对电子，在57位组氨酸残基碱催化的帮助下，能对底物蛋白肤键中羰基C(具有部分正电性）进行亲核攻击，导致肽键的断裂，形成一个不稳定的中间产物 酰基化酶，后者易将酰基转移给水完成水解作用。