19、酶催化的化学机制解析

酶催化的化学机制解析

1. 过渡态稳定的化学机制

1.1 酶催化机制的实验依据

Cannon和Benkovic对一系列一级或准一级酶促反应以及溶液中的合适模型反应，绘制了$K_{m}$与$k_{cat}$和$k_{uncat}$的关系图。如果酶的主要功能是比底物（S）更紧密地结合过渡态（$S^{‡}$），那么催化能力最强的酶（即$K_{m}$值最低的酶）应该具有最快的周转速率（$k_{cat}$）。另一方面，如果酶加速反应速率主要是由于缓解了溶剂化效应对溶液反应的阻滞，那么$K_{m}$值小的酶应该是催化溶液中反应进行非常缓慢（即$k_{uncat}$值小）的酶。作者提供的数据图显示，$K_{m}$和$k_{uncat}$的值之间存在显著的负相关，但$K_{m}$和$k_{cat}$之间通常缺乏相关性。由此得出结论，溶液中反应的动力学是$K_{m}$的主要决定因素。

1.2 溶剂对反应的影响及酶的作用

溶剂对溶液反应的影响是不利的。溶液反应要达到过渡态需要显著的溶剂重组，而这种重组会对反应速率产生阻滞作用。酶的作用相当于为反应物进行溶剂替代。溶剂对反应的影响取决于介质的介电响应和极性。由于酶的活性位点大多是疏水的，它们通常具有较低的介电常数，但由于在低介电介质中放置电荷的影响，它们可以具有高极性，从而产生非常强的电场。通过在活性位点巧妙地放置带电基团，酶可以与底物的过渡态结构实现静电互补，从而消除溶剂的阻滞效应。

1.3 酶活性位点的预组织机制

酶活性位点被预组织成与底物的过渡态互补的构型（但不一定非常紧密地结合过渡态）。这种预组织的活性位点在低介电介质中具有策略性定位的反应基团（如一般的酸/碱、活性位点亲核