16、酶催化反应中的底物特异性与速率增强机制

酶催化反应中的底物特异性与速率增强机制

1. 底物 - 活性位点互补性

酶的活性位点通常位于蛋白质的裂隙和缝隙中，这种设计能排除大量溶剂（水），避免其降低酶的催化活性。底物分子在结合时会脱溶剂化，并在酶活性位点中与大量溶剂隔离，水的溶剂化作用被蛋白质取代。

底物利用的特异性取决于酶活性位点中原子的明确排列，这种排列在某种程度上与底物分子的结构互补。19世纪末和20世纪初，关于二元ES复合物存在的实验证据迅速积累。这些证据基于对酶稳定性、酶抑制和稳态动力学的研究。当时，科学家开始认识到酶催化反应对特定底物的选择性利用。这些信息共同促成了一种普遍观点，即底物特异性是酶在其活性位点选择性结合底物分子的结果。底物的选择反映了底物分子与酶活性位点之间的结构互补性。

19世纪末，Emil Fisher将这些概念归纳为锁钥模型。在该模型中，酶活性位点和底物分子被视为立体化学互补的静态结构。底物插入静态酶活性位点就像钥匙插入锁中，或拼图块与拼图其他部分匹配一样，与活性位点结构最互补的底物结合最紧密。

活性位点与底物的互补性不仅仅是底物在活性位点的立体化学匹配。两个结构还必须在静电上互补，以确保电荷平衡，避免排斥效应。同样，它们在疏水和氢键相互作用的排列上也必须相互补充，以增强结合相互作用。

酶催化通常具有立体、区域和对映选择性。因此，底物识别必须至少通过酶与底物分子之间的三个接触点来实现。以醇脱氢酶为例，它催化乙醇的亚甲基氢转移到NAD⁺辅因子的4位碳上，形成NADH和乙醛。研究表明，醇脱氢酶专门将前 - R氢转移到NAD⁺上，这意味着乙醇通过其甲基、羟基和前 - R氢基团与活性位点内的反应基团形成三点连接，从而结合到酶活性位点。三点连接假说常被用来解释酶促反应中