影响酶催化效率的因素

影响酶催化效率的因素
使酶具有催化效率高的因素有以下几个方面。

（一）邻近与定向效应
是指酶受底物诱导发生构象变化，使底物与酶的活性中心楔合，对于双分子反
应来说，两个底物能集中在酶活性中心，彼此靠近并有一定的取向。

这样就大
大提高了活性部位上底物的有效浓度，使一个分子间的反应变成了一个近似于
分子内的反应，从而增加了反应速度。

（二）底物分子敏感键扭曲变形
酶活性中心的结构有一种可适应性，当专一性底物与活性中心结合时，可以诱
导酶分子构象的变化，使反应所需要的酶中的催化基团与结合基团正确的排列
和定位，使催化基团能够合适地处在被作用的键的地方，这也就是前面提到过
的“诱导契合”学说。

与此同时，变化的酶分子又使底物分子的敏感键产生
“张力”，甚至“变形”，从而促进酶-底物络合物进入过渡态，降低了反应活化能，加速了酶促反应。

实际上这是酶与底
物诱导契合的动态过程。

酶活性中心的某些基团，在底物的分步反应中，经常
表现为酸碱催化与共价催化的作用。

（三）酸碱催化
酸碱催化有狭义的和广义的。

最初，化学家们认为：酸是H+离子，碱是OH -离子。

狭义的酸碱催化就是H+离子或OH -离子对化学反应速度表现出的催化作用。

酸碱催化在有机化学反应中是比较普遍的现象。

如在酸碱的作用下，蛋白质可
能水解为氨基酸，脂肪可以水解为甘油和脂肪酸。

由于细胞内的环境接近中性，H+与OH -离子的浓度都很低，因此，在生物体内进行的酶促反应，H+与OH -离子的直接作用相当微弱。

随着科学的发展，概念的深化，后来把酸定义为质子
的供体，碱定义为质子的受体。

现在所说的酸碱催化作用，则是指组成酶活性
中心的极性基团，在底物的变化中起质子的供体或受体的作用，这就是广义的
酸碱催化。

发生在细胞内的许多类型的有机反应都是广义的酸碱催化。

例如，
羰基的水化、羧酸酯或磷酸酯的水解、各种分子的重排以及许多取代反应都属
此种类型。

酶活性中心处可以提供质子或接受质子而起广义酸碱催化作用的功
能基团有：谷氨酸、天冬氨酸侧链上的羧基，丝氨酸、酪氨酸中的羟基，半胱
氨酸中的巯基，赖氨酸侧链上的氨基，精氨酸中的胍基和组氨酸中的咪唑基。

其中组氨酸的咪唑基值得特别注意，因为它既是一个很强的亲核基团，又是一
个有效的广义酸碱功能基团。

影响酸碱催化反应速度的因素有两个，第一个是酸碱的强度，在这些功能基团中，组氨酸的咪唑基的解离情况pK值为6.0，在生理pH
条件下，既可以作质子的供体又可作质子的受体。

因此，咪唑基是催化中最有
效最活泼的一个催化功能基团；第二个是这些功能基团供出质子或接受质子的
速度，其中的咪唑基的情况特别突出，它供出或接受质子的速度十分迅速，其
半衰期小于10-10秒。

而且，供出或接受质子的速度几乎相等。

由于咪唑基有
如此的优点，所以虽然组氨酸在大多数蛋白质中含量很少，却很重要，在许多
酶的活性中心处都含有组氨酸。

推测很可能在生物进化过程中，它不是作为一
般的结构蛋白成分，而是被选择作为酶分子中的催化结构而存在下来的。

具有
酸碱催化特征的酶促反应，酶与底物结合成的中间产物是离子型络合物。

（四）共价催化
还有一些酶以另一种方式来提高催化反应的速度，即共价催化。

它是指酶活性
中心处的极性基团，在催化底物发生反应的过程中，首先以共价键与底物结合，生成一个活性很高的共价型的中间产物，此中间产物很容易向着最终产物的方
向变化，故反应所需的活化能大大降低，反应速度明显加快。

根据活性中心处
极性基团对底物进攻的方式不同，共价催化可分为亲电催化与亲核催化两种。

较常见的是活性中心处的亲核基团对底物的亲核进攻。

亲核基团含有未成键的
电子对，在酶促反应中，它向底物上缺少电子的正碳原子进攻。

因亲核基团对
底物亲核进攻而进行的催化作用，称为亲核催化。

活性中心处的亲核基团有：
丝氨酸的羟基、半胱氨酸的巯基、组氨酸的咪唑基等。

此外，辅酶中还含有另
一些亲核中心。

以硫胺素为辅酶的一些酶如丙酮酸脱羧酶、含辅酶A的一些脂
肪降解酶、含巯基的木瓜蛋白酶、以丝氨酸为催化基团的蛋白水解酶等，都有
亲核催化的机制。

同理，亲电催化则是亲电基团对底物亲电进攻而引起的催化
作用。

常见的亲电基团有NH3+、Mg2+、Mn2+、Fe2+等。

（五）活性中心低介电微环境
酶分子中的疏水侧链一般在分子内部组成疏水的非极性区，而表面则为亲水基团组成的亲水极性区。

这就是说在酶分子上存在不同的微环境。

酶的活性中心凹穴内相对地说是非极性的，而在疏水的非极性区介电常数低，因此，酶的催化基团被低介电环境所包围，在某些情况下排除高
极性的水分子。

这样，底物分子敏感键和酶的催化基团之间就会有很大的反应力，有助于加速酶的反应。

酶活性中心的这种性质也是使某些酶催化总速度增
长的一个原因。

上面介绍了使酶具有高催化效率的几个因素。

实际上，它们并不是在所有的酶中同时起作用，更可能的情况是对不同的酶起主要作用的因素不
完全相同，各自都有其特点，可以分别受一种或几种因素的影响，也就是说各
种酶的作用机理是不尽相同的。

目前研究较为深入的有胰凝乳蛋白酶、溶菌酶、羧肽酶A等。

在此，我们以胰凝乳蛋白酶（chymotrypsin）为例，较详细地介
绍这方面的研究结果，以便具体地了解酶的作用机理。

胰凝乳蛋白酶是胰脏中合成的一种蛋白水解酶。

在胰脏中它以酶原的形式合成，是由245个氨基酸残基组成的单一多肽链，通过5个
二硫键交联起来的。

酶原是酶的无活性的前体。

胰凝乳蛋白酶原与其它酶原，
包括胰蛋白酶原、羧肽酶原、弹性蛋白酶原，一起储存在胰脏的脂类-蛋白质膜上。

当需要消化时，它们即分泌到十二指肠的管中，在那里被激活而成为有活
性的蛋白酶。

胰凝乳蛋白酶的活性中心由Asp102、His57及Ser195组
成的。

其中Ser195是酶活性中心的底物结合部位，His57是活性中心内的催化
部位。

Asp102、His57、Ser195三者构成一个氢键体系。

大部分情况下，
Asp102以离子化形式-COO-存在，Ser195以非离子化形式-CH2OH存在。

由于
His57的咪唑基的特殊性，既是一个很强的亲核基团，又是一个有效的广义酸
碱功能基团，从而成为Asp102羧基及Ser195羟基间的桥梁，见图4-16。

Ser195由于His57及Asp102的影响而成为很强的亲核基团，易于供给电子，
如同接力赛跑那样，Asp102从Ser195吸引的一个质子是质子先从Ser195传递
到His57上，再由His57传递给Asp102。

我们把胰凝乳蛋白酶活性中心处Asp102与His57之间以
及His57与Ser195之间形成氢键而建立起的一个平衡体系称为电荷转接系统，又称电荷中继网（charge relay network）。

胰凝乳蛋白酶在动物小肠中催化蛋白质的水解，它具有基团专一性，水解芳香族氨基酸，如苯丙氨酸、酪氨酸及色氨酸的羧基端形成
的肽键。

此酶催化的底物是含酰胺键的多肽和H2O，产物为胺和酸。

催化的全
过程分为两大阶段，见图4-17。

第一阶段——水解反应的酰化阶段，产生第一个产物胺。

肽键水解是从Ser195的氧原子对底物敏感肽键的羰基碳原
子进行亲核攻击开始的，结果形成了一个不稳定的四联体，相当于中间产物ES，见图4-17②，它包括Ser195的羟基、底物的酰基部分、底物的氨基部分及
His57的咪唑基，通过电荷转接系统很容易地发生了反应。

酶-底物的过渡态很
快分解，敏感肽键C-N断裂，产生第一个产物胺及酰基-酶中间产物，底物中的酸成分与Ser195羟基相连接，见图4-17③及④。

第二阶段——水解反应的脱
酰阶段。

胺从底物中释放出来，形成酰化胰凝乳蛋白酶，即酶-底物中间复合物。

接着水分子进入活性中心，电荷转接系统从水中吸收一个质子，结果OH -立即
亲核攻击已连在Ser195上的底物的酰基碳原子，也形成一个短暂的四联体，见图4-17⑤。

然后，Ser195的C-O键
裂解产生第二个产物酸，这时酶又恢复自由状态，再去进行下一轮催化。

除胰
凝乳蛋白酶外，在催化中具有“天冬氨酸、组氨酸、丝氨酸”电荷转接系统的
酶还有胰蛋白酶、弹性蛋白酶及枯草杆菌蛋白酶等，它们可能有类似的催化机理。

在上述胰凝乳蛋白酶的催化反应中，组氨酸咪唑基起着广义酸碱催化剂的
作用，先促进Ser195的羟基亲核地附着到底物敏感肽键中的羰基碳原子上，形成共价的酰化中间物，再促进酰化的ES中间物上的酰基转移到水（或其它的酰基受体如醇、氨基酸等）上。

通过这个电荷转接系统，进行酸碱催化及形成共
价中间产物，催化速度增加约为非酶催化水解反应的103倍。

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