酶促反應對化學平衡的影響分析

　　一般教科書中認為酶促反應不能改變其本身化學平衡的方向和限度，下面是小編搜集整理的一篇關于酶促反應的論文范文，歡迎閱讀參考。

　　引言

　　酶的結構和功能是生物化學的核心問題之一。對于酶催化的化學反應，人們的一般認識是酶通過與底物的相互作用改變反應途徑和活化能同等程度地催化正向與逆向反應，不能改變化學平衡的方向和程度.然而，由于酶結構和功能的多樣性與復雜性，酶促反應的化學平衡問題也是復雜的.現(xiàn)代生物化學研究表明，酶可以通過自身與小分子的結合能改變在酶分子內部的化學平衡，可以通過反應耦合改變外部化學平衡，可以通過動力學控制得到熱力學上不利的產物。

　　因此，“酶促反應不能改變化學平衡的方向和程度”的說法失之過簡，在生物化學教學中應適當擴充。同時，認識酶促反應中的化學平衡細節(jié)，有助于深入理解酶催化的本質，并指導藥物化學設計或構建人工催化體系.本文結合生物化學和物理有機化學理論，通過若干實例對酶促反應對化學平衡的影響進行分析，以期對教學和研究提供新的思考。

　　1 酶促反應的內部化學平衡

　　一個典型的酶促反應經(jīng)歷了以下步驟：酶分子E與底物S結合為復合物E?S;復合物E?S在酶催化下經(jīng)過過渡態(tài)[TScat]≠生成復合物E?P;復合物E?S解離為酶分子E和產物P.ΔG是S生成P的化學反應在沒有酶催化條件下的化學反應Gibbs自由能變，對應于外部平衡常數(shù)K;ΔGint是酶分子內部S生成P的化學反應Gibbs自由能變，對應于內部平衡常數(shù)Kint;結合和解離步驟的Gibbs自由能變分別記為ΔGS和ΔGP;無酶參與時的過渡態(tài)[TS]≠與酶結合地過渡態(tài)[TScat]≠間的Gibbs自由能差記為ΔGTS.無酶參與的反應活化能記為Ea,酶促反應決速步的活化能記為Eacat,結合和解離步驟的活化能分別記為EaS和EaP.

　　根據(jù)誘導契合假說,酶促反應的基本原理是通過酶與反應決速步的過渡態(tài)[TS]≠的結合將其穩(wěn)定化為能量更低的[TScat]≠，從而達到降低活化能、提高反應速率的目的。但由于底物、過渡態(tài)、產物結構的相似性，酶在與過渡態(tài)結構結合的同時勢必也要不同程度地結合底物和產物，這使得酶內部底物和產物的能量狀態(tài)與游離底物和產物的能量狀態(tài)不同，造成內部化學平衡不同于外部化學平衡。根據(jù)圖1,ΔGint=ΔG-ΔGS-ΔGP,這說明內部化學平衡取決于酶與底物和產物復合物的相對穩(wěn)定性。這種相對穩(wěn)定性會影響酶促反應的速率。根據(jù)圖1,Eacat=Ea+ΔGTS-ΔGS,如果(ΔGTS-ΔGS)大于0,即酶對底物的穩(wěn)定化程度超過對過渡態(tài)的穩(wěn)定化程度，就會造成活化能的增大，從而不利于催化反應。如果ΔGP過大，即酶對產物的穩(wěn)定化作用過強，就會造成EaP過大，同樣不利于催化反應。因此，酶對底物和產物的穩(wěn)定化程度應當維持在合理的水平上。Burbaum等從理論上證明，為保證酶催化的效率最大，內部化學平衡常數(shù)總是趨近于1,ΔGint趨近于0.通過酶與底物、過渡態(tài)和產物的結合穩(wěn)定化作用，酶促反應的內部化學平衡一般與外部化學平衡不同，從而使得酶可以打破熱力學限制構建內部反應途徑[9],這是酶促反應改變化學平衡的基礎。通過多級耦合內部化學反應，酶可以利用外部化學平衡有利的反應貢獻的自由能使得外部化學平衡不利的反應得以發(fā)生。

　　2 耦合酶促反應的化學平衡

　　酶可以耦合不同的反應，借此改變平衡方向。要滿足這一條件，有兩種不同的途徑：移走產物或者活化反應物。在移走產物的耦合酶促反應中，酶同時催化兩個反應，在第一個反應達到內平衡達到后、E?P釋放前就進行第二步反應�？傮w效果是避免了S與P的直接平衡，而是代之以E?P與E?S的平衡。如果后一步反應的正向進行的趨勢很大，就使得第一步反應的平衡發(fā)生移動。熱力學上蘋果酸氧化為草酰乙酸是不利的，但下一步耦合的草酰乙酸與乙酰-CoA的縮合反應、得到的檸檬酸CoA硫酯水解失去CoA-SH的偶聯(lián)反應都是熱力學上十分有利的反應。因此，蘋果酸脫氫酶以NAD+為輔因子催化蘋果酸氧化為草酰乙酸，并與后續(xù)的乙酰CoA縮合、水解硫酯步驟偶聯(lián)，使得該高度不利的氧化反應得以正向進行。

　　活化反應物的耦合酶促反應則相當于首先將E?P轉化為E?P',進而以新的E?P‘與E?S的平衡取代了S與P的直接平衡。這兩步反應同樣可以在同一個酶的活性位點中進行，這在自然界也廣泛存在，與化學上的偶聯(lián)反應很相似。例如羧基直接與氨基作用形成酰胺是熱力學熵不利的。但谷氨酰胺合成酶(glutamine synthetase)可以使用ATP與底物谷氨酸的γ-羧基作用，先形成磷酸活化的羧基，進而被氨分子進攻離去磷酸基團，實現(xiàn)偶聯(lián)反應形成谷氨酰胺。這兩個反應的凈作用是羧酸轉化為酰胺，并伴隨一分子的ATP水解，利用高能的ATP水解反應來推動羧基的酰胺化反應�？梢钥闯觯�磷酸活化羧基例子中將羧基與氨基形成酰胺的平衡轉化為羧基磷酸與氨基形成酰胺的平衡。

　　3 酶通過動力學控制改變化學平衡

　　除了前面提到的熱力學手段，酶還可以通過動力學手段影響反應平衡，使得平行反應中的一側在動力學上加速，另一側受阻，從而在有限的時間內得到違背平衡產物的動力學控制結果。這種控制是通過酶與平行反應不同過渡態(tài)的選擇性結合實現(xiàn)的，即特異性地結合過渡態(tài)降低某一個方向反應的活化能壘，而難以形成另外一個方向的酶-過渡態(tài)復合體，即所謂“定位效應”.以萜類的合成為例，在重要天然產物冰片(Borneol)的生物合成過程中，環(huán)化產物發(fā)生碳正離子對雙鍵的親電加成。在經(jīng)典有機化學中，鹵素對雙鍵的加成遵循馬氏規(guī)則，即為了得到穩(wěn)定的碳正離子E2.但是，酶卻利用其活性位點的“定位效應”決定反應向反馬氏規(guī)則E1方向進行。當然，這并不是說酶只能按照反馬氏規(guī)則進行加成，對于同樣的底物，另一種酶則可以實現(xiàn)，并脫去質子得到另一產物蒎烯(Pinene)。

　　酶與底物結合后形成的特殊空間構象決定了反應的方向。在重要的單萜Thujone(圖5中化合物4)的生物合成中涉及的機理的一部分,由三級碳正離子2轉化為二級碳正離子3,并進一步水合最終得到酮，這與三級碳正離子更穩(wěn)定的熱力學規(guī)則是相違背的。但在這里，酶通過空間效應誘導底物親核試劑的進攻方向，導致得到的二級碳正離子可以立即轉化且對應產物能量更低，相當于通過下一步快速反應的耦合，利用動力學效應左右反應的進行。

　　此外，酶從動力學上對反應的調控還受到環(huán)境因素的影響。例如，反應介質的改變可以導致酶促反應方向的改變。在含有微量水分的有機溶劑中酶結構發(fā)生改變，當其失水造成的動力學剛性和得水造成的熱力學不穩(wěn)定性達到最適條件時，可使酶表現(xiàn)出最高的活性.再如，活性位點的“定位效應”受到其中一些關鍵性作用基團的影響。環(huán)境的pH值可能通過影響這些關鍵性作用基團的電荷狀態(tài)而極大影響反應平衡。對活性位點的篩選或理性設計可以影響甚至改變反應平衡，乃至改變其底物的識別性能.

　　4 結論

　　酶促反應中的化學平衡問題是復雜的，酶通過自身與底物、過渡態(tài)、產物的特異性結合作用改變化學反應中的能量關系，并達到通過內部化學平衡或動力學控制方法得到非熱力學產物的結果，從而在形式上改變了化學平衡。這一點長期在各類教科書上被絕對化地描述為“酶不能改變反應平衡”,這樣的認識對于教學與科研是不利的。

　　參 考 文 獻

　　[1] 王鏡巖， 朱圣庚， 徐長法。 生物化學(上冊)。 3版。 北京：高等教育出版社， 2002, 320

　　[2] 傅獻彩， 沈文霞， 姚天揚。 物理化學(下冊)。 5版。 北京：高等教育出版社， 2006, 292-296

　　[3] Fersht A. Structure and mechanism in protein science: aguide to enzyme catalysis and protein folding. New York:W. H. Freeman and company, 1999, 103-131

　　[4] Purich DL. Enzyme kinetics: catalysis & control. Elsevier,2010, 15-25

　　[5] 馬軍安， 黃潤秋。 酶催化過渡態(tài)理論在藥物分子設計中的應用。 合成化學， 2000, 8: 479-485

　　[6] 王志鵬， 馮天師， 崔麗嘉， 等。 過渡態(tài)理論于磺胺藥物抑菌機理芻議。 中國科學： 生命科學， 2013, 9: 009

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