酶促反應(yīng)對化學(xué)平衡的影響分析

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

　　引言

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

　　因此，“酶促反應(yīng)不能改變化學(xué)平衡的方向和程度”的說法失之過簡，在生物化學(xué)教學(xué)中應(yīng)適當(dāng)擴(kuò)充。同時，認(rèn)識酶促反應(yīng)中的化學(xué)平衡細(xì)節(jié)，有助于深入理解酶催化的本質(zhì)，并指導(dǎo)藥物化學(xué)設(shè)計或構(gòu)建人工催化體系.本文結(jié)合生物化學(xué)和物理有機(jī)化學(xué)理論，通過若干實(shí)例對酶促反應(yīng)對化學(xué)平衡的影響進(jìn)行分析，以期對教學(xué)和研究提供新的思考。

　　1 酶促反應(yīng)的內(nèi)部化學(xué)平衡

　　一個典型的酶促反應(yīng)經(jīng)歷了以下步驟：酶分子E與底物S結(jié)合為復(fù)合物E?S;復(fù)合物E?S在酶催化下經(jīng)過過渡態(tài)[TScat]≠生成復(fù)合物E?P;復(fù)合物E?S解離為酶分子E和產(chǎn)物P.ΔG是S生成P的化學(xué)反應(yīng)在沒有酶催化條件下的化學(xué)反應(yīng)Gibbs自由能變，對應(yīng)于外部平衡常數(shù)K;ΔGint是酶分子內(nèi)部S生成P的化學(xué)反應(yīng)Gibbs自由能變，對應(yīng)于內(nèi)部平衡常數(shù)Kint;結(jié)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(jié)合地過渡態(tài)[TScat]≠間的Gibbs自由能差記為ΔGTS.無酶參與的反應(yīng)活化能記為Ea,酶促反應(yīng)決速步的活化能記為Eacat,結(jié)合和解離步驟的活化能分別記為EaS和EaP.

　　根據(jù)誘導(dǎo)契合假說,酶促反應(yīng)的基本原理是通過酶與反應(yīng)決速步的過渡態(tài)[TS]≠的結(jié)合將其穩(wěn)定化為能量更低的[TScat]≠，從而達(dá)到降低活化能、提高反應(yīng)速率的目的。但由于底物、過渡態(tài)、產(chǎn)物結(jié)構(gòu)的相似性，酶在與過渡態(tài)結(jié)構(gòu)結(jié)合的同時勢必也要不同程度地結(jié)合底物和產(chǎn)物，這使得酶內(nèi)部底物和產(chǎn)物的能量狀態(tài)與游離底物和產(chǎn)物的能量狀態(tài)不同，造成內(nèi)部化學(xué)平衡不同于外部化學(xué)平衡。根據(jù)圖1,ΔGint=ΔG-ΔGS-ΔGP,這說明內(nèi)部化學(xué)平衡取決于酶與底物和產(chǎn)物復(fù)合物的相對穩(wěn)定性。這種相對穩(wěn)定性會影響酶促反應(yīng)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(yīng)。如果ΔGP過大，即酶對產(chǎn)物的穩(wěn)定化作用過強(qiáng)，就會造成EaP過大，同樣不利于催化反應(yīng)。因此，酶對底物和產(chǎn)物的穩(wěn)定化程度應(yīng)當(dāng)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(nèi)部化學(xué)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(chǎn)物的結(jié)合穩(wěn)定化作用，酶促反應(yīng)的內(nèi)部化學(xué)平衡一般與外部化學(xué)平衡不同，從而使得酶可以打破熱力學(xué)限制構(gòu)建內(nèi)部反應(yīng)途徑[9],這是酶促反應(yīng)改變化學(xué)平衡的基礎(chǔ)。通過多級耦合內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)，酶可以利用外部化學(xué)平衡有利的反應(yīng)貢獻(xiàn)的自由能使得外部化學(xué)平衡不利的反應(yīng)得以發(fā)生。

　　2 耦合酶促反應(yīng)的化學(xué)平衡

　　酶可以耦合不同的反應(yīng)，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(chǎn)物或者活化反應(yīng)物。在移走產(chǎn)物的耦合酶促反應(yīng)中，酶同時催化兩個反應(yīng)，在第一個反應(yīng)達(dá)到內(nèi)平衡達(dá)到后、E?P釋放前就進(jìn)行第二步反應(yīng)。總體效果是避免了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(yīng)的正向進(jìn)行的趨勢很大，就使得第一步反應(yīng)的平衡發(fā)生移動。熱力學(xué)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(yīng)、得到的檸檬酸CoA硫酯水解失去CoA-SH的偶聯(lián)反應(yīng)都是熱力學(xué)上十分有利的反應(yīng)。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(yīng)得以正向進(jìn)行。

　　活化反應(yīng)物的耦合酶促反應(yīng)則相當(dāng)于首先將E?P轉(zhuǎn)化為E?P',進(jìn)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(yīng)同樣可以在同一個酶的活性位點(diǎn)中進(jìn)行，這在自然界也廣泛存在，與化學(xué)上的偶聯(lián)反應(yīng)很相似。例如羧基直接與氨基作用形成酰胺是熱力學(xué)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(jìn)而被氨分子進(jìn)攻離去磷酸基團(tuán)，實(shí)現(xiàn)偶聯(lián)反應(yīng)形成谷氨酰胺。這兩個反應(yīng)的凈作用是羧酸轉(zhuǎn)化為酰胺，并伴隨一分子的ATP水解，利用高能的ATP水解反應(yīng)來推動羧基的酰胺化反應(yīng)。可以看出，磷酸活化羧基例子中將羧基與氨基形成酰胺的平衡轉(zhuǎn)化為羧基磷酸與氨基形成酰胺的平衡。

　　3 酶通過動力學(xué)控制改變化學(xué)平衡

　　除了前面提到的熱力學(xué)手段，酶還可以通過動力學(xué)手段影響反應(yīng)平衡，使得平行反應(yīng)中的一側(cè)在動力學(xué)上加速，另一側(cè)受阻，從而在有限的時間內(nèi)得到違背平衡產(chǎn)物的動力學(xué)控制結(jié)果。這種控制是通過酶與平行反應(yīng)不同過渡態(tài)的選擇性結(jié)合實(shí)現(xiàn)的，即特異性地結(jié)合過渡態(tài)降低某一個方向反應(yīng)的活化能壘，而難以形成另外一個方向的酶-過渡態(tài)復(fù)合體，即所謂“定位效應(yīng)”.以萜類的合成為例，在重要天然產(chǎn)物冰片(Borneol)的生物合成過程中，環(huán)化產(chǎn)物發(fā)生碳正離子對雙鍵的親電加成。在經(jīng)典有機(jī)化學(xué)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(diǎn)的“定位效應(yīng)”決定反應(yīng)向反馬氏規(guī)則E1方向進(jìn)行。當(dāng)然，這并不是說酶只能按照反馬氏規(guī)則進(jìn)行加成，對于同樣的底物，另一種酶則可以實(shí)現(xiàn)，并脫去質(zhì)子得到另一產(chǎn)物蒎烯(Pinene)。

　　酶與底物結(jié)合后形成的特殊空間構(gòu)象決定了反應(yīng)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(jī)理的一部分,由三級碳正離子2轉(zhuǎn)化為二級碳正離子3,并進(jìn)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(xué)規(guī)則是相違背的。但在這里，酶通過空間效應(yīng)誘導(dǎo)底物親核試劑的進(jìn)攻方向，導(dǎo)致得到的二級碳正離子可以立即轉(zhuǎn)化且對應(yīng)產(chǎn)物能量更低，相當(dāng)于通過下一步快速反應(yīng)的耦合，利用動力學(xué)效應(yīng)左右反應(yīng)的進(jìn)行。

　　此外，酶從動力學(xué)上對反應(yīng)的調(diào)控還受到環(huán)境因素的影響。例如，反應(yīng)介質(zhì)的改變可以導(dǎo)致酶促反應(yīng)方向的改變。在含有微量水分的有機(jī)溶劑中酶結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，當(dāng)其失水造成的動力學(xué)剛性和得水造成的熱力學(xué)不穩(wěn)定性達(dá)到最適條件時，可使酶表現(xiàn)出最高的活性.再如，活性位點(diǎn)的“定位效應(yīng)”受到其中一些關(guān)鍵性作用基團(tuán)的影響。環(huán)境的pH值可能通過影響這些關(guān)鍵性作用基團(tuán)的電荷狀態(tài)而極大影響反應(yīng)平衡。對活性位點(diǎn)的篩選或理性設(shè)計可以影響甚至改變反應(yīng)平衡，乃至改變其底物的識別性能.

　　4 結(jié)論

　　酶促反應(yīng)中的化學(xué)平衡問題是復(fù)雜的，酶通過自身與底物、過渡態(tài)、產(chǎn)物的特異性結(jié)合作用改變化學(xué)反應(yīng)中的能量關(guān)系，并達(dá)到通過內(nèi)部化學(xué)平衡或動力學(xué)控制方法得到非熱力學(xué)產(chǎn)物的結(jié)果，從而在形式上改變了化學(xué)平衡。這一點(diǎn)長期在各類教科書上被絕對化地描述為“酶不能改變反應(yīng)平衡”,這樣的認(rèn)識對于教學(xué)與科研是不利的。

　　參 考 文 獻(xiàn)

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