酶高效催化作用的机制

（一）酶与底物的结合

1902年，Victor Henri提出了酶－底物中间产物学说（intermediate theory），认为首先是酶（E）与底物（S）生成酶－底物中间复合物（ES），然后ES分解生成产物（P）和游离的酶。

注：k1，k2和k3分别为各反应速率常数。

ES的形成过程是释能反应，释放的结合能是降低反应活化能的主要能量来源。酶与底物结合形成ES复合物，使底物的活化能显著降低，从而加速酶促反应。

1．诱导契合作用 根据中间产物学说，Koshland于1958年提出了酶－底物结合的诱导契合假说（induced－fit hypothesis），认为酶与底物的结合并非锁与钥匙的机械关系。此假说随后得到X线衍射结果的有力支持。在酶与底物相互接近时，两者在结构上相互诱导、相互适应，结合并形成酶－底物复合物（图2－5）。具有相对特异性的酶通过诱导契合作用能够结合一组结构并不完全相同的底物分子。酶为了适应底物的结构而发生构象变化，与底物结合并催化其转变为不稳定的过渡态；而转变为过渡态的底物易受酶的催化攻击而形成产物。

图2－5 酶与底物结合的诱导契合作用

2．邻近效应（proximity effect）与定向排列（orientation arrange） 两个以上底物参加的反应中，在酶的作用下，各底物相互接近，结合到酶的活性中心，形成有利于反应的正确定向关系（图2－6）。邻近效应与定向排列实际上是将分子间的反应变成类似于分子内的反应，增加ES复合物进入过渡态的概率，从而提高反应速率。

图2－6 酶与底物的邻近效应与定向排列

3．表面效应（surface effect） 酶活性中心常形成一个疏水“口袋”（图2－7），底物进入其中脱溶剂化（desolvation）。酶及底物分子中的功能基团在该疏水环境可排除周围大量水分子的干扰性吸引和排斥，有利于两者的结合，这种现象称为表面效应。

图2－7 胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶和弹性蛋白酶活性中心

（二）酶的催化机制呈多元化

许多酶促反应常常涉及多种催化机制的参与，共同完成催化反应（图2－8）。

1．酸碱催化 酶活性中心可以提供特殊氨基酸残基的R基团，酶分子处于不同的微环境时，这些功能基团解离程度不同，成为良好的质子供体（酸）或质子受体（碱）。在水溶液中这些广义的酸性基团或碱性基团是强有力的催化剂，可使反应速率提高102～105倍，这种催化作用称为酸－碱催化作用（general acid－base catalysis）。

2．亲核催化、亲电子催化和共价催化 酶活性中心的一些基团具有强的亲核能力（如丝氨酸蛋白酶的Ser－OH、巯基酶的Cys－SH、谷氨酰胺合成酶的Tyr－OH等），能释出电子攻击过渡态底物上具有部分正电性的原子或基团，形成瞬时共价键，称为亲核催化（nucleophilic catalysis）。反之，酶活性中心内亲电子基团与攻击富电子底物形成瞬时共价键，称为亲电催化（electrophilic catalysis）。酶活中心与底物形成瞬时共价键后，底物被激活并进一步水解形成产物，此时表现出共价催化（covalent catalysis）。酶分子的氨基酸侧链往往缺乏有效的亲电子基团，因此需要缺乏电子的辅因子参加。

胰凝乳蛋白酶的催化基团是195位丝氨酸残基的羟基，该羟基的氧原子孤对电子具有强亲核性。此外，胰凝乳蛋白酶的57位组氨酸残基具有碱催化功能。在两者的共同作用下，底物蛋白质肽键断裂，肽链羧基与胰凝乳蛋白酶形成共价的酰基酶。最后酰基酶水解生成游离的酶（图2－8）。

图2－8 胰凝乳蛋白酶的共价催化和酸－碱催化机制