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酶促反應

酶促反應（英語：enzyme catalysis）又稱酶催化，是指由一類被稱為酶的特殊蛋白質所催化的化學反應。因為非催化反應的速率特別慢，故細胞中生物化學反應的催化作用就顯得極重要。

酶促反應的機制與其他類型的化學催化在原理上很相似。酶通過提供替代反應路線以及穩定中間產物的方法，減少了為達到最高能量過渡態時的能量需求。活化能（Ea）的減少增加了具有足夠達到活化能並形成產物的反應物分子的數量。

酶使得中間狀態達到穩定。

誘導契合

 
酶反應誘導契合學說的圖解。

最受歡迎的酶-基質反應模型是誘導契合模型[1]。該模型提出了：酶和基質之間的最初反應是相對較弱的，但這些弱反應迅速引導酶中的構象改變以使結合變得更加緊密。

誘導契合催化

因為酶緊密結合的穩定效應，誘導契合機制的優勢就體現了出來。基質結合有兩種不同的機制：①、一致結合，酶與基質結合很緊密；②、差別結合，酶與過渡態結合很緊密。一致結合的穩定結果是同時增加了基質和過渡態的結合親和力，然而差別結合只增加過渡態的結合親和力。這兩者都在進化中被酶所採用並用以將反應活化能降到最低。被飽和狀態的酶，即與基質有高度結合親和力的狀態時就需要差別結合以減少活化能，然而未與酶結合的小基質可採用一致結合或是差別結合兩者中的一種。

這些效應引導大多數蛋白質採用差別結合機制以減少活化能，因此大多數蛋白質具有酶與過渡態的高度親和力。差別結合是由誘導契合機制所實行起來的——基質首先與之相弱結合，然後酶改變其構象，增加了與過渡態的親和力並穩定這個過渡態，因此減少了達到過渡態所需的活化能。

需要澄清的是：誘導契合的概念並不能對催化加以科學的說明。即，化學催化被定義為在水中（沒有酶）非酶促情況下Ea‡（當系統處於ES‡的狀態）相對於Ea‡發生降低。而誘導契合僅意味着在結合酶形態下壁壘會降低，但並沒有告訴我們使得反應壁壘降低的原因是什麼。

誘導契合可能有利於解釋：當競爭和干擾存在時可通過構象校對機制保證分子識別的精確性[2]。

過渡態的穩定機制

這些構象改變也可以用於使活性位點中的催化殘基靠近那些在反應中會被改變的基質中的化學鍵。在結合發生後，通過提供反應替代化學路徑的方法，一種或多種催化機制使得反應過渡態的能量降低。有六種可能的「越過壁壘」或「通過壁壘」的催化機制：

鍵扭曲催化

這種作用對誘導契合結合有着主要影響，在該情況下酶對過渡態的結合力比對基質本身的結合力要強。這種作用誘導了結構重排，即將基質的鍵扭曲成一種接近過渡態的構象，因此降低了基質與過渡態之間的能量差距以幫助催化此反應。

然而，事實上，稱這種扭曲為「基態失穩效應」比「過渡態穩定效應」更貼切[3][4]。此外，酶是非常靈活的並且自己不會有較大的形變效應[5]。

除了基質中的鍵扭曲外，鍵扭曲同時可以被酶本身所採用以活化活性位點的殘基。

例如：
溶菌酶的基質、結合基質與過渡態構象
 
基質在與酶結合時由典型的己糖環「椅式構象」被扭曲為「沙髮式構象」，在形狀上與過渡態更相似了。

臨近效應與定向效應

這個效應以使酶-基質相互作用的反應化學基團對齊並將它們靠在一起的方式加快了反應速率。這減少了反應物的熵，這使得連接反應或加成反應反應地更順利，當兩個反應物變為單個產物時，全部熵損失就會減少。

這個效應可以類比為增加了反應物濃度的效應。這種基質與反應物的結合賦予了這種反應分子內進行的特性，激增了反應速率。

例如：
如果相似的反應是在分子內進行的，那麼反應會大大加快
 
在分子內反應中，乙酸鹽的有效濃度估計可以達到k2/k1 = 2×105摩爾。

然而，這種情況可能會變得更加複雜，因為現代計算研究已公認傳統的臨近效應例子並不與酶的熵效應直接掛鈎[6][7][8]。並且，已發現最初的熵理論[9]對催化定向效應熵的貢獻是被大大高估了的[10]。

涉及質子供體與受體的催化（酸鹼催化）

參見：蛋白質酸度係數計算

質子供體與受體，如酸或鹼，可以供出或接受質子，以使過渡態發展中電荷達到穩定。這是典型的活化親核與親電基團或是穩定離開基團的效應。組氨酸是常見的涉及到酸/鹼反應的殘基，因為其酸度係數接近於中性且因此可以既可作為質子的受體又可作為質子的供體。

許多涉及到酸/鹼催化的反應機制會採取基本上變動的酸度係數。這個酸度係數的變動可以通過殘基的局部微環境來實現。

環境狀態 酸 鹼
疏水環境 增加酸度係數 減少酸度係數
臨近相似電荷的殘基 增加酸度係數 減少酸度係數
鹽鍵（與疏水鍵）構造 減少酸度係數 增加酸度係數

酸度係數可被環境明顯地改變，在一定程度上在溶液中是鹼性的殘基也可能作為質子供體，並且反之亦然。

例如：
絲氨酸蛋白酶催化機制
 
絲氨酸蛋白酶催化機制的最初步驟涉及到活性位點的組氨酸從絲氨酸殘基上接受一個質子。這一步驟將絲氨酸裝備成一個親核試劑以備攻擊基質中的酰胺鍵。這一機制包括了自絲氨酸（一種鹼，酸度係數為14）供出的質子轉移到組氨酸（一種酸，酸度係數為6）上，因為微環境的鹼性使得此過程得以發生。

有必要澄清的是：酸度係數的改變完全是靜電機制的一部分[4]。此外，上述例子中的催化效應主要與氧陰離子酸度係數的減少以及組氨酸酸度係數的增加有關，而質子自絲氨酸轉移到組氨酸上的作用並不是顯著的催化作用，因為它不是決定屏障的速率[11]。

靜電催化

帶電過渡態的穩定亦可以通過使活性位點中的殘基與中間產物之間形成離子鍵（或局部離子電荷相互作用）而達到。這些鍵來自於例如離胺酸、精氨酸、天冬氨酸或穀氨酸等氨基酸上面的酸或鹼側鏈，或是來自於如鋅一類的金屬輔因子。金屬離子是特別有效的，並且可以將水的酸度係數減到足夠低以使其變為一個有效的親核試劑。

系統計算機模擬研究確定了靜電效應到目前為止是對催化作用貢獻最大的效應[4]。尤其是實踐已證明酶可以提供比水極性更大的環境，並且離子態過渡態是被固定偶極子所穩定的。這與水中過渡態的穩定情況很不相同，在後者的情況下水分子必須付出「重組能」[12]，才得以使離子態和過渡態達到穩定。因此，催化作用是與酶預組織起來的極性基團相關的[13]。

例如：
羧肽酶催化機制
 
四面體中間產物被是被鋅離子與氧原子上的負電荷之間的離子鍵所穩定起來的。

共價催化

共價催化涉及到基質與活性位點殘基或是輔酶之間形成一個短暫存在的共價鍵。這使得在反應中多了一個額外的共價中間體，這有助於降低後面反應過渡態的能量。在反應之後的階段，共價鍵必須必須被打斷以使酶再生。在如胰凝乳蛋白酶和胰蛋白酶等的蛋白酶中發現了這一機制，在反應中形成了酰基酶中間產物。使用來自離胺酸殘基的自由胺形成施夫鹼的過程則是另外一種機制，就像在糖酵解過程中的醛縮酶一樣。

一些酶利用如磷酸吡哆醛（PLP）或硫胺素焦磷酸（TPP）之類的非氨基酸輔因子與反應物分子間反應形成共價中間產物[14][15]。這樣為降低後面反應過渡態能量而形成的共價中間產物在功能上與反應物與活性位點中的氨基酸殘基形成共價中間產物是一樣的，都是為了達到穩定；而所不同的是輔因子有着允許帶着產物離開酶之功能然而氨基酸側鏈則不行。酶利用這樣輔因子的例子包括：依賴磷酸吡哆醛的酶天冬氨酸轉氨酶和依賴硫胺素焦磷酸的酶丙酮酸脫氫酶[16][17]。

有必要澄清的是：共價催化有時僅相當於是利用一種特殊的機制，而不是真正的催化[4]。例如，胰凝乳蛋白酶中連接到活潑絲氨酸分子上的共價鍵應被類比為已被充分理解的非催化溶液反應中連到親核試劑上的共價鍵。真正共價催化（在這種情況下能量壁壘比在相應非酶促溶液中的要低）理論是需要，例如，一個由酶基團連接到過渡態的局部共價鍵（例如一個非常強的氫鍵），並且這種效應對催化來說並貢獻並不明顯。

量子隧穿效應

由於「通過壁壘」機制（量子隧穿效應）模型和觀察資料的出現，這些傳統的「越過壁壘」機制在某些情況下受到挑戰。一些酶運轉地比經典的ΔG‡所預測的動力學參數還要快。在「通過壁壘」模型中，一個質子或電子可以隧穿過活化能壁壘[18][19]。質子的量子隧穿效應已經在氧化色胺的芳香胺脫氫酶中被觀察到[20]。

有趣的是，量子隧穿效應似乎沒有對酶促反應有很大的幫助，因為隧穿效應對酶促反應與溶液中的非酶促反應同時做着貢獻[19][21][22][23]。然而，隧穿貢獻（通常相較於經典的「越過壁壘」途徑的反應速率來說增加為原來的1000倍[20]）對於生物有機體生存能力來說可能是關鍵因素。這強調了隧穿作用對生物的特別重要性。

在1971年－1972年間，首個酶促反應的量子力學模型被系統地闡述出來[24][25]。

催化機制的例子

在實踐中，大多數酶機理涉及到不同類型催化相結合在一起。

磷酸丙糖異構酶

磷酸丙糖異構酶（EC 5.3.1.1）催化兩種丙糖磷酸異構體——磷酸二羥丙酮與D-3-磷酸甘油醛之間的可逆轉換。

胰蛋白酶

胰蛋白酶（EC 3.4.21.4）是一種可以斷開蛋白質基質離胺酸與精氨酸氨基酸殘基之間鍵的絲氨酸蛋白酶。

醛縮酶

醛縮酶（EC 4.1.2.13）催化果糖-1,6-二磷酸分解成甘油醛-3-磷酸與磷酸二羥丙酮。

參考文獻

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延伸閱讀

  • Alan Fersht, Structure and Mechanism in Protein Science : A Guide to Enzyme Catalysis and Protein Folding. W. H. Freeman, 1998. ISBN 0-7167-3268-8
  • Dedicated issue of Philosophical Transactions B on Quantum catalysis in enzymes freely available.[永久失效連結]

參見

外部連結

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