生物酶学基础--酶催化专一性的两种学说
酶催化专一性的两种学说
酶为什么具有很高的催化效率呢？一般认为是酶降低了化学反应所需的活化能。所谓活化能，就是指一般分子成为能参加化学反应的活化分子所需的能量。然而在一个化学反应中并不是所有的底物分子都能参加反应的，因为它们并不一定都是活化分子。活化分子是指那些具备足够能量能够参加化学反应的分子。要使化学反应迅速进行，就要想办法增加活化分子。增加活化分子的途径有两条：一是外加能量，对进行中的反应加热或光照，增加底物分子的能量，从而达到增加活化分子的目的；第二是降低活化能，使本来不具活化水平的分子成为活化分子，从而增加了反应的活化分子数目。
在研究酶促反应的机理时，不得不提到过渡态理论或中间产物理论。1913年生物化学家Michaelic和Menten提出了酶中间产物理论。他们认为：酶降低活化能的原因是酶参加了反应而形成了酶-底物复合物（enzyme-substrate complex）。这个中间产物不但容易生成（也就是只要较少的活化能就可生成），而且容易分解出产物，释放出原来的酶，这样就把原来能阈较高的一步反应变成了能阈较低的两步反应。
由于活化能降低，所以活化分子大大增加，反应速度因此迅速提高。如，以E表示酶，S表示底物，ES表示中间产物，P表示反应终产物，其反应过程可表示如下：这个理论的关键是认为酶参与了底物的反应，生成了不稳定的中间主产物，因而使反应沿着活化能较低的途径迅速进行。事实上，中间产物理论已经被许多实验所证实，中间产物确实存在。
（1） 锁和钥匙学说（lock-and-key model theory）
已经提出了两种模型解释酶如何结合它的底物。1984年Emil Fischer提出锁和钥匙模型（lock-and-key model）。该模型认为，底物的形状和酶的活性部位被认为是彼此相适合，像钥匙插入锁孔中（图7-1a），认为两种形状是刚性的（rigid）和固定的（fixed），当正确组合在一起时，正好互相补充。葡萄糖氧化酶（glucose oxidase EC 1.1.3.4）催化葡萄糖转化为葡萄糖酸，该酶对葡萄糖的专一性是很容易证实的，这是因为当采用结构上类似于葡萄糖的物质作为该底物时酶的活力显著下降。例如以2-脱氧-D-葡萄糖为底物时，葡萄糖氧化酶的活力仅为原来的25%，以6-甲基-D-葡萄糖底物时活力仅为2%，以木糖、半乳糖和纤维二糖为底物时活力低于1%。
（2） 诱导契合学说（induced-fit theory）
但后来许多化学家发现，许多酶的催化反应并不符合经典的锁和钥匙模型。1958年Daniel E. Koshland Jr. 提出了诱导契合模型（induced-fit model），底物的结合在酶的活性部位诱导出构象的变化（图7-1b）。该模型的要点是：当底物与酶的活性部位结合，酶蛋白的几何形状有相当大的改变；催化基团的精确定向对于底物转变成产物是必需的；底物诱导酶蛋白几何形状的改变使得催化基团能精确地定向结合到酶的活性部位上去。
酶的专一性或特异性也可扩展到键的类型上。例如，α-淀粉酶（α-amylase EC3.2.1.1）选择性地作用于淀粉中连接葡萄糖基的α-1,4糖苷键，而纤维素酶（cellulase EC 3.2.1.4）选择性作用于纤维素分子中连接于葡萄糖基的β-1,4糖苷键。这两种酶作用于不同类型的键，然而，键所连接的糖基都是葡萄糖。并非所有的酶分子都具有上述的高度专一性。例如，在食品工业中使用的某些蛋白酶虽然选择性地作用于蛋白质，然而对于被水解的肽键都显示相对较低的专一性。当然，也有一些蛋白酶显示较高的专一性，例如胰凝乳蛋白酶（Chymotrypsin EC 3.4.4.5）优先选择水解含有芳香族氨基酸残基的肽键。
