酶的催化机制：降低活化能，高效催化

在任何化学反应中，反应物分子必须超过一定的能阈，成为活化的状态，才能发生变化，形成产物。这种提高低能分子达到活化状态的能量，称为活化能。催化剂的作用，主要是降低反应所需的活化能，以致相同的能量能使更多的分子活化，从而加速反应的进行。酶是一种生物催化剂，能显著地降低反应的活化能，故酶表现为高度的催化效率。

在催化某一反应时，酶的活性中心首先与底物结合形成酶-底物复合物（ES复合物），也称中间复合物，随后在进行分解而释放出酶，同时生成一种或数种产物。酶的活性部位（active site）是酶结合底物和将底物转化为产物的区域，通常位于酶分子的表面空隙或裂隙处，是酶分子中相当小的一部分。早在1894年，费歇尔（E.Fischer）认为酶与底物结合方式可用锁钥结合（或多点结合）假设加以解释。根据这种假设，酶对于它所作用的底物有着严格的选择，只能催化一定结构或者一些结构近似的化合物，使这些化合物发生生物化学反应。有的科学家提出，酶和底物结合时底物的结构和酶的活动中心的结构十分吻合，就好像一把钥匙配一把锁一样。酶的这种互补形状，使酶只能与对应的化合物契合，从而排斥了那些形状、大小不适合的化合物。底物与酶的反应基团皆需有特定的空间构象，如果有关基团位置改变，则不可能有结合反应发生，因此，酶对底物有专一性，同时也可以解释为什么酶变性后就不再具有催化作用。科学家后来发现，当底物与酶结合时，酶分子上的某些基团常常发生明显的变化。另外，酶常常能够催化同一个生化反应中正逆两个方向的反应。因此，“锁和钥匙学说”把酶的结构看成是固定不变的，这是不符合实际的。1959年，D.E.Koshland提出了诱导契合学说（induced-fit theory），认为酶并不是事先就以一种与底物互补的形状存在，而是在受到诱导之后才形成互补的形状。这种方式如同一只手伸进手套之后，才诱导手套的形状发生变化一样。底物一旦结合上去，就能诱导酶蛋白的构象发生相应的变化，从而使酶和底物契合而形成酶-底物络合物。酶分子活性中心的结构原来并非和底物的结构互相吻合.但酶的活性中心是柔软的而非刚性的。当底物与酶相遇时，可诱导酶活性中心的构象发生相应的变化，使相关的各个基团达到正确的排列和定向，从而使酶和底物契合而结合成中间络合物，并引起底物发生反应。反应结束，当产物从酶上脱落下来后，酶的活性中心又恢复了原来的构象。后来，科学家对羧肽酶等进行了X射线衍射研究，研究的结果有力地支持了这个学说。

大量研究表明，酶催化作用可来自以下几个方面。①趋近效应（approximation）和定向效应（orientation）。酶可以将底物结合在它的活性部位，由于化学反应速度与反应物浓度成正比，若在反应系统的某一局部区域，底物浓度增高，则反应速度也随之提高，此外，酶与底物间的靠近具有一定的取向，这样反应物分子才被作用，极大地增加了ES复合物进入活化状态的概率。②张力作用（distortion orstrain）。底物的结合可诱导酶分子构象发生变化，比底物大得多的酶分子的三、四级结构的变化，也可对底物产生张力作用，使底物扭曲，敏感键断裂，促进ES进入活性状态。③酸碱催化作用（acid-basecatalysis）。酶的活性中心具有某些氨基酸残基的R基团，这些基团往往是良好的质子供体或受体，在水溶液中这些广义的酸碱基团对许多化学反应是有力的催化剂。④共价催化作用（covalent catalvsis），即底物与酶以共价方式形成极不稳定的、共价结合的ES复合物，从而提高催化度。⑤酶的活性中心为疏水区域。酶的活性中心常为酶分子的凹穴，此处常为非极性的氨基酸残基。疏水区域的特点是介电常数低，并排出极性高的水分子，这使得和酶的催化基团之间易发生反应，有助于加速酶催化反应。(www.xing528.com)

酶催化反应具有专一性强、催化效率高、反应条件温和、酶活性可以调节等特点。在多酶反应体系中，调控机制更为复杂，因此，工业化过程需视具体反应情况加以控制，以期获得最佳转化效果。