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  ASILANTT 2010-12-23 00:00:00

  催化劑

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  yyb731216 2017-11-23 00:00:00

  　　作用機(jī)理主要是氟與酶中的金屬離子形成復(fù)合物，使酶的作用受到干擾甚至失去活性 　　酶催化反應(yīng)機(jī)理的研究是當(dāng)代生物化學(xué)的一個(gè)重要課題。它探討酶作用GX率的原因以及酶反應(yīng)的重要中間步驟。 　　酶原的激活(proenzyme activation)著重研究酶在激活——由無活性的酶原轉(zhuǎn)變成有活性的酶時(shí)構(gòu)象發(fā)生的變化。 　　一、與酶的GX率有關(guān)的因素 　　據(jù)現(xiàn)在所知，重要的因素有以下幾個(gè)方面： 　　1．底物與酶的“靠近”(proximity)及“定向”(orientation) 　　由于化學(xué)反應(yīng)速度與反應(yīng)物濃度成正比，若在反應(yīng)系統(tǒng)的某一局部區(qū)域，底物濃度，則反應(yīng)速度也隨之。提高酶反應(yīng)速度的Z主要方法是使底物分子進(jìn)入酶的活性ZX區(qū)域，亦即大大提高活性ZX區(qū)域的底物有效濃度。曾測到過某底物在溶液中的濃度為0.001mol/L，而在其酶活性ZX的濃度竟達(dá)100mol/L，比溶液中的濃度高十萬倍！因此，可以想象在酶的活性ZX區(qū)域反應(yīng)速度必定是極高的。 　　“靠近“效應(yīng)對提高反應(yīng)速度的作用可以用一個(gè)的有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)來說明，如表4-12，雙羧酸的單苯基酯，在分子內(nèi)催化的過程中，自由的羧基作為催化劑起作用，而連有R的酯鍵則作為底物，受—COO-的催化，破裂成環(huán)而形成酸酐，催化基團(tuán)—COO-愈靠近底物酯鍵則反應(yīng)速度愈快，在Z靠近的情況下速度可增加53000倍。 　　但是僅僅“靠近”還不夠，還需要使反應(yīng)的基團(tuán)在反應(yīng)中彼此相互嚴(yán)格地“定向”，見圖4-19。只有既“靠近”又“定向”，反應(yīng)物分子才被作用，迅速形成過渡態(tài)。 　　當(dāng)?shù)孜镂磁c酶結(jié)合時(shí)，活性ZX的催化基團(tuán)還未能與底物十分靠近，但由于酶活性ZX的結(jié)構(gòu)有一種可適應(yīng)性，即當(dāng)專一性底物與活性ZX結(jié)合時(shí)，酶蛋白會發(fā)生一定的構(gòu)象變化，使反應(yīng)所需要的酶中的催化基團(tuán)與結(jié)合基團(tuán)正確地排列并定位，以便能與底物楔合，使底物分子可以“靠近”及“定向”于酶，這也就是前面提到的誘導(dǎo)楔合。這樣活性ZX局部的底物濃度才能大大提高。酶構(gòu)象發(fā)生的這種改變是反應(yīng)速度增大的一種很重要的原因。反應(yīng)后，釋放出產(chǎn)物，酶的構(gòu)象再逆轉(zhuǎn)，回到它的初始狀態(tài)。對溶菌酶及羧肽酶進(jìn)行的X-衍射分析的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了以上的看法。Jenck等人指出“靠近“及“定向”可能使反應(yīng)速度增長108倍，這與許多酶催化效率的計(jì)算是很相近的。 　　2．酶使底物分子中的敏感鍵發(fā)生“變形”(域張力)(distortion或strain)，從而促使底物中的敏感鍵更易于破裂。 　　前面曾經(jīng)提到，當(dāng)酶遇到它的專一性底物時(shí)，發(fā)生構(gòu)象變化以利于催化。事實(shí)上，不僅酶構(gòu)象受底物作用而變化，底物分子常常也受酶作用而變化。酶中的某些基團(tuán)或離子可以使底物分子內(nèi)敏感鍵中的某些基團(tuán)的電子云密度或降低，產(chǎn)生“電子張力”，使敏感鍵的一端更加敏感，更易于發(fā)生反應(yīng)。有時(shí)甚至使底物分子發(fā)生變形，見圖4-20A，這樣就使酶-底物復(fù)合物易于形成。而且往往是酶構(gòu)象發(fā)生改變的同時(shí)，底物分子也發(fā)生形變，見圖 4-20 B，從而形成一個(gè)互相楔合的酶-底物復(fù)合物。羧肽酶A的X-衍射分析結(jié)果就為這種“電子張力”理論提供了證據(jù)。 　　3．共價(jià)催化(covalent catalysis) 　　還有一些酶以另一種方式來提高催化反應(yīng)的速度，即共價(jià)催化。這種方式是底物與酶形成一個(gè)反應(yīng)活性很高的共價(jià)中間物，這個(gè)中間物很易變成過渡態(tài)，因此反應(yīng)的活化能大大降低，底物可以越過較低的“能閾”而形成產(chǎn)物。 　　共價(jià)催化可以提高反應(yīng)速度的原因需要從有機(jī)模式反應(yīng)的某些原理談起，共價(jià)催化的Z一般形式是催化劑的親核基團(tuán)(nucleophilic group)對底物中親電子的碳原子進(jìn)行攻擊。親核基團(tuán)含有多電子的原子，可以提供電子。它是十分有效的催化劑。親核基團(tuán)作為強(qiáng)有力的催化劑對提高反應(yīng)速度的作用可由下面親核基團(tuán)催化?；姆磻?yīng)中看出：diyi步，親核基團(tuán)(催化劑Y)攻擊含有?；姆肿?，形成了帶有親核基團(tuán)的?；苌?，這種催化劑的酰基衍生物作為一個(gè)共價(jià)中間物再起作用；第二步，?；鶑挠H核的催化劑上再轉(zhuǎn)移到Z終的?；荏w上， 　　(1)親核基團(tuán)(Y)催化的反應(yīng)： 　　(2)非催化的反應(yīng)： 　　這種受體分子可能是某些醇或水。diyi步反應(yīng)有催化劑參加，因此必然比沒有催化劑時(shí)底物與?；荏w的反應(yīng)更快一些；而且，因?yàn)榇呋瘎┦且鬃兊挠H核基團(tuán)，因此如此形成的?；呋瘎┡cZ終的酰基受體的反應(yīng)也必然地要比無催化劑時(shí)的底物與?；荏w的反應(yīng)更快一些，此兩步催化的總速度要比非催化反應(yīng)大得多。因此形成不穩(wěn)定的共價(jià)中間物可以大大加速反應(yīng)。酶反應(yīng)中可以進(jìn)行共價(jià)催化的、強(qiáng)有力的親核基團(tuán)很多，酶蛋白分子上至少就有三種，即圖4-21中所指出的絲氨酸羥基、半胱氨酸巰基及組氨酸的咪唑基。此外，輔酶中還含有另外一些親核ZX。共價(jià)結(jié)合也可以被親電子基團(tuán)(electrophilic group)催化，Z典型的親電子 　　等也都屬于此類，它們可以接受電子或供出電子。 　　下面將通過共價(jià)催化而提高反應(yīng)速度的酶，按提供親核(或親電子)基團(tuán)的氨基酸種類，分別歸納如表4-13： 　　絲氨酸類酶與?；纬甚；?酶；或與磷酸基形成磷酸酶，如磷酸葡萄糖變位酶。半胱氨酸類酶活性ZX的半胱氨酸巰基與底物酰基形成含共價(jià)硫酯鍵的中間物。組氨酸類酶活性ZX的組氨酸咪唑基在反應(yīng)中被磷酸化。賴氨酸類酶的賴氨酸ε-氨基與底物羰基形成西佛堿中間物。 　　4．酸堿催化(acid-base ctatlysis) 　　有機(jī)模式反應(yīng)指出，酸堿催化劑是催化有機(jī)反應(yīng)的Z普遍的Z有效的催化劑。 　　有兩種酸堿催化劑，一是狹義的酸堿催化劑(specific acid-base catalyst)，即H+與OH-，由于酶反應(yīng)的Z適pH一般接近于中性，因此H+及OH-的催化在酶反應(yīng)中的重要性是比較有限的。另一種是廣義的酸堿催化劑(general acid-base catalyst)，指的是質(zhì)子供體及質(zhì)子受體的催化，它們在酶反應(yīng)中的重要性大得多，發(fā)生在細(xì)胞內(nèi)的許多種類型的有機(jī)反應(yīng)都是受廣義的酸堿催化的，例如將水加到羰基上、羧酸酯及磷酸酯的水解，從雙鍵上脫水、各種分子重排以及許多取代反應(yīng)等。 　　酶蛋白中含有好幾種可以起廣義酸堿催化作用的功能基，如氨基、羧基、硫氫基、酚羥基及咪唑基等。見表4-14。其中組氨酸的咪唑基值得特別注意，因?yàn)樗仁且粋€(gè)很強(qiáng)的親核基團(tuán)，又是一個(gè)有效的廣義酸堿功能基。 　　影響酸堿催化反應(yīng)速度的因素有兩個(gè)，diyi個(gè)是酸堿的強(qiáng)度，在這些功能基中，組氨酸咪唑基的解離常數(shù)約為6.0，這意味著由咪唑基上解離下來的質(zhì)子的濃度與水中的[H+]相近，因此它在接近于生物體液pH的條件下，即在中性條件下，有一半以酸形式存在，另一半以堿形式存在。也就是說咪唑基既可以作為質(zhì)子供體，又可以作為質(zhì)子受體在酶反應(yīng)中發(fā)揮催化作用。因此，咪唑基是催化中Z有效Z活潑的一個(gè)催化功能基。第二個(gè)是這種功能基供出質(zhì)子或接受質(zhì)子的速度，在這方面，咪唑基又是特別突出，它供出或接受質(zhì)子的速度十分迅速，其半壽期小于10-10秒。而且，供出或接受質(zhì)子的速度幾乎相等。由于咪唑基有如此的優(yōu)點(diǎn)，所以雖然組氨酸在大多數(shù)蛋白質(zhì)中含量很少，卻很重要。推測它很可能在生物進(jìn)化過程中，不是作為一般的結(jié)構(gòu)蛋白成分，而是被選擇作為酶分子中的催化結(jié)構(gòu)而存在下來的。 　　廣義的酸堿催化與共價(jià)催化可使酶反應(yīng)速度大大提高，但是比起前面兩種方式來，它們提供的速度增長較小。盡管如此，還必須看到它們在提高酶反應(yīng)速度中起的重要作用，尤其是廣義酸堿催化還有獨(dú)到之處：它為在近于中性的pH下進(jìn)行催化創(chuàng)造了有利條件。因?yàn)樵谶@種接近中性pH的條件下，H+及OH-的濃度太低，不足以起到催化劑的作用。例如牛胰核糖核酸酶及牛凝乳蛋白酶等都是通過廣義的酸堿催化而提高酶反應(yīng)速度的。 　　5．酶活性ZX是低介電區(qū)域 　　上面討論了提高酶反應(yīng)速度的四個(gè)主要因素。此外，還有一個(gè)事實(shí)必須注意，即某些酶的活性ZX穴內(nèi)相對地說是非極性的，因此，酶的催化基團(tuán)被低介電環(huán)境所包圍，在某些情況下，還可能排除高極性的水分子。這樣，底物分子的敏感鍵和酶的催化基團(tuán)之間就會有很大的反應(yīng)力，這是有助于加速酶反應(yīng)的。酶活性ZX的這種性質(zhì)也是使某些酶催化總速度增長的一個(gè)原因。 　　為什么處于低介電環(huán)境中的基團(tuán)之間的反應(yīng)會得到加強(qiáng)？可以用水減弱極性基團(tuán)間的相互作用來解釋。水的極性和形成氫鍵能力使它成為一種具有高度作用力的分子，水的介電常數(shù)非常高(表4-15)。它的高極性使它在離子外形成定向的溶劑層(oriented solvent shell)，產(chǎn)生自身的電場，結(jié)果就大大減弱了它所包圍的離子間的靜電相互作用或氫鍵作用。 　　上面介紹了實(shí)現(xiàn)酶反應(yīng)GX率的幾個(gè)因素，但是并不能指出哪一種因素可以影響所有酶的全部催化活性。更可能的情況是：不同的酶，起主要影響的因素可能是不同的，各自都有其特點(diǎn)，可以受一種或幾種因素的影響。

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