18、酶催化中过渡态稳定的化学机制

酶催化中过渡态稳定的化学机制

在酶催化反应中，过渡态的稳定对于提高反应速率至关重要。本文将深入探讨酶催化中过渡态稳定的多种化学机制，包括酸碱催化、亲核催化、构象扭曲以及活性位点与过渡态的预组织互补等。

1. 酸碱催化与过渡态稳定

在酯键水解反应中，水与酯之间会发生部分电荷转移，形成过渡态。这个过渡态可以通过两种方式得到稳定：
- 一般碱催化 ：一个碱性基团（B:）作为部分质子受体，从水分子中接受质子，增强水分子上部分正电荷的稳定性（如图6.10B）。
- 一般酸催化 ：一个酸性基团作为部分质子供体，向酯的羰基氧提供质子（如图6.10A）。

这种酸碱基团对过渡态的稳定作用在酶催化中非常普遍。例如，丝氨酸蛋白酶活性位点的组氨酸残基在肽水解过程中就起到了稳定过渡态的作用。

2. 亲核催化与一般碱催化的区分

亲核催化和一般碱催化是酶催化中常见的过渡态稳定机制，但它们具有一些共同的动力学特征，因此区分两者可能会产生歧义。Bender等人（1984）提出了以下区分标准：
1. 反应离去基团的催化作用 ：如果反应的离去基团本身能催化相同的反应，这是一般碱催化而非亲核催化的证据。例如，若反应中B对羰基进行亲核攻击，反应产物将与起始原料相同，因此B的催化作用表明它作为一般碱起作用。
2. 进攻物种的第二当量催化 ：进攻物种的第二当量的催化作用是一般碱催化发生的证据。亲核催化的共价中间体与底物按化学计量形成，因此进攻物种的第二当量不能通过亲核催化发生作用。