酶的催化機制（二）

2020-10-18 lcy1971

酸鹼催化是指酶通過瞬時向底物提供質子或接受質子，從而穩定過渡態，加速反應。根據不同的酸鹼理論，可分為一般酸鹼（廣義酸鹼）催化和特殊酸鹼（狹義酸鹼）催化兩種，後者特指H+和OH-的催化作用；前者還包括其他弱酸弱鹼的催化作用。酶促反應一般發生在近中性條件，H+和OH-的濃度很低，所以主要是一般酸鹼催化。酶分子中的一些可解離集團如咪唑基、羧基、氨基、巰基常起一般酸鹼催化作用，其中咪唑最活潑有效。

酶經常通過酸鹼共催化和質子轉移通路來加速反應。這種效應可以用四甲基葡萄糖在苯中的變旋反應作為參考。此反應如果單獨用吡啶（鹼）或酚（酸）來催化，速度很慢；如果二者混合催化，則速度加快，即酸鹼共催化。如果把酸和鹼集中在一個分子中，即合成α－羥基吡啶，它的催化速度又加快7000倍。這是因為兩個催化集團集中在一個分子中有利於質子的傳遞。在酶－底物複合物中經常由氫鍵和共軛結構形成質子傳遞通路，從而大大提高催化效率。

胰凝乳蛋白酶的質子傳遞通路

一般酸鹼催化在各種酶中普遍存在，因為質子轉移是最普遍的生化反應，如羰基的加成，酮與烯醇的互變異構，肽鍵和酯鍵的水解以及磷酸和焦磷酸參與的反應等。

有30％以上的酶需要金屬元素作為輔因子。有些酶的金屬離子與酶蛋白結合緊密，不易分離，稱為金屬酶；有些酶的金屬離子結合鬆散，稱為金屬活化酶。金屬酶的輔因子一般是過渡金屬，如鐵、鋅、銅、錳等；金屬活化酶的輔因子一般是鹼金屬或鹼土金屬，如鉀、鈣、鎂等。

碳酸酐酶含有鋅離子（左）

金屬離子在催化過程中主要通過三種方式起作用：通過與底物結合使其正確定向；多價金屬離子通過價態變化攜帶電子，參與氧化還原反應；通過靜電作用穩定或屏蔽負電荷。例如鎂離子與ATP結合後，可以屏蔽磷酸基團的負電荷，消除其對親核試劑的排斥。

ATP與鎂離子絡合

金屬離子帶正電，可以起到類似氫離子的酸催化作用，但鹼土金屬和過渡金屬可以攜帶多個正電荷，作用比氫離子更強；由於金屬離子的絡合作用，局部濃度也可以更高，所以催化效果更好。

以上四種機制都可以加速反應。酶是大分子，通常活性中心含有多個催化基團，往往同時具有其中的幾種因素，並且協同作用，稱為多元催化。這也是酶能夠達到比無機催化劑更高催化效率的原因之一。

除了這些直接加速反應的機制以外，酶的催化還有一個特點不容忽視，就是酶通常將底物完全包圍在催化中心內部，所以與底物的結合是立體的，其催化的立體專一性非常強。這對於化工、製藥等領域中複雜手性化合物的合成非常有利。

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