有一些问题用锁与钥匙学说不能解释：如果酶的活性中心是锁和钥匙学说中的锁，那 么，那种结构不可能既适合于可逆反应的底物，又适合于可逆反应的产物，而且也不能解 释酶的专一性中的所有现象。这样后人便提出了诱导楔合假说。 (2)诱导楔合假说由Koshland于1964年提出：当酶与底物分子接近时，酶蛋白 受底物分子的诱导，其构象发生有利于底物结构的变化，酶与底物在此基础上互补楔合， 进行反应。近年来X射线衍射分析的实验结果支持这一假说，证明了酶与底物结合时， 确有显著的构象变化。因此人们认为这一假说比较满意地说明了酶的专一性。图5-8则表 示酶构象在专一性底物及非专一性底物存在时的变化。 图中黑线条表示带有 催化基团A、B及结合基团 C的肽段，它与带斜线的 “酶共同组成酶分子，a表 示底物与酶分子活性中心的 原有构象，b表示专一性底 物引入后，酶蛋白构象改 变，诱导楔合使催化基团 A、B并列成有利于结合底 物的状态，并形成酶一底物 复合物。但是，如果引入了 不正常的、非专一性的底 物，情况就不同了，c表示 在底物上加入了一个庞大的 基团，妨碍了酶的A、B基 团并列，因此不利于酶与底 物的结合，如加入某些竞争 图58专一性、非专一性底物存在时，酶的构象变化模型 性抽制剂等。d表示在正 常底物上切除某些基团后，酶蛋白的带B基的肽链顶住了A基的肽链，也阻止了A、B 基的并列，因此也不利于酶与底物结合，这样的酶也就不能起催化作用了。 三与酶的高效催化有关的因素 酶催化反应机理的研究是当代生物化学的重要课题，其重要内容之一就是探索酶作用高效 性的原因。据现在所知与酶高效性有关的主要因素有以下几个方面： 1,酶降低反应的活化能 设有一化学反应如下： A-B 一A.B一A+B 在反应系统中包含一部分高能态的活化的AB分子，称为过波态A.B)。当发生反 应时，连接A和B的键会变得很弱而断裂以导致产物A和B的形城。反应速度与其过渡 态成正比，而过渡态的浓度取决于生成过渡态的反应分子所需要的临界热动能。酶促反应
11 有一些问题用锁与钥匙学说不能解释：如果酶的活性中心是锁和钥匙学说中的锁，那 么，那种结构不可能既适合于可逆反应的底物，又适合于可逆反应的产物，而且也不能解 释酶的专一性中的所有现象。这样后人便提出了诱导楔合假说。 （2）诱导楔合假说 由 Koshland 于 1964 年提出：当酶与底物分子接近时，酶蛋白 受底物分子的诱导，其构象发生有利于底物结构的变化，酶与底物在此基础上互补楔合， 进行反应。近年来 X 射线衍射分析的实验结果支持这一假说，证明了酶与底物结合时， 确有显著的构象变化。因此人们认为这一假说比较满意地说明了酶的专一性。图 5-8 则表 示酶构象在专一性底物及非专一性底物存在时的变化。 图中黑线条表示带有 催化基团 A、B 及结合基团 C 的肽段，它与带斜线的 “酶”共同组成酶分子，a 表 示底物与酶分子活性中心的 原有构象，b 表示专一性底 物引入后，酶蛋白构象改 变，诱导楔合使催化基团 A、B 并列成有利于结合底 物的状态，并形成酶－底物 复合物。但是，如果引入了 不正常的、非专一性的底 物，情况就不同了，c 表示 在底物上加入了一个庞大的 基团，妨碍了酶的 A、B 基 团并列，因此不利于酶与底 物的结合，如加入某些竞争 性抑制剂等。d 则表示在正 常底物上切除某些基团后，酶蛋白的带 B 基的肽链顶住了 A 基的肽链，也阻止了 A、B 基的并列，因此也不利于酶与底物结合，这样的酶也就不能起催化作用了。 三 与酶的高效催化有关的因素 酶催化反应机理的研究是当代生物化学的重要课题，其重要内容之一就是探索酶作用高效 性的原因。据现在所知与酶高效性有关的主要因素有以下几个方面： 1．酶降低反应的活化能 设有一化学反应如下： A-B ──→ A.B ──→ A＋B 在反应系统中包含一部分高能态的活化的 A-B 分子，称为过渡态(A.B)。当发生反 应时，连接 A 和 B 的键会变得很弱而断裂以导致产物 A 和 B 的形成。反应速度与其过渡 态成正比，而过渡态的浓度取决于生成过渡态的反应分子所需要的临界热动能。酶促反应 图 5-8 专一性、非专一性底物存在时，酶的构象变化模型
的一个重要特点是降低反应的活化能，使之较易达到过渡态，结果使更多的分子参加反 应，加快反应速度。 一个反应的速度常数可用阿累尼乌斯(Arhenius)方程表示： Ea Lnk In4 RT 式中k为速度常数，A为指前因子，它是与温度、浓度均无关的常数，Ea为活化能，R 为气体常数，T为绝对温度。一般的化学反应在37℃时其Ea值为62.7~82.6k/mdl,而 许多酶促反应的Ea值为83633.4kd/mol,由此可见酶促反应的活化能比一般反应的活 化能低的多。 2.底物与酶的“靠近及“定向 由于化学反应速度与反应物浓度成正比，若在反应系统的某一局部区域底物浓度增 加，则反应速度也随之加快。提高反应速度的最主要方法是使底物分子进入活性中心区 域，亦即大大提高活性区域的底物浓度。曾测到过某底物在溶液中的浓度为0.001molL, 而在酶活性中心的浓度竞达100mo/L,比溶液中的浓度高10万倍！因此可以想象，在酶 的活性中心区域反应速度必定是极高的。 当底物未与酶结合时，活性中心的催化基团还未能与底物十分靠近，但由于酶活性中 心的结构有一种可适应性，即当专一性底物与活性中心结合时，酶蛋白发生一定的构象变 化，使反应所需要的酶中的催化基团与结合基团正确地排列并定位，以便能与底物楔合 使底物分子可以“靠近”及“定向”于酶，这也就是前面提到的诱导楔合。这样活性中心局部 的底物浓度才能大大提高。酶构象发生的这种改变是反应速度增加的一种很重要的原因。 反应后，释放出产物，酶的构象再逆转，回到它的初始状态。对溶菌酶和羧肽酶的X衍 射分析的实验结果证实了以上的看法。Jek等人指出“靠近”及“定向可能使反应速度增 长10倍，这与许多酶的催化效率的计算是很相近的。 3.使底物分子中的敏感键发生“变形 酶使底物分子中的敏感键发生“变形”，从而促使底物中的敏感键更易于破裂。前面曾 经提到，当酶遇到它的专一性底物时，发生构象变化以利于催化。事实上，不仅酶构象受 底物作用而变化，底物分子也常常受酶作用而变化。酶中的某些基团或离子可以使底物分 子内敏感键中的某些基团的电子云密度增高或降低，产生“电子张力”，使敏感键的一端更 加敏感，更易于发生反应。有时甚至使底物分子发生形变，这样就使酶一底物复合物易于 形成。而且往往是酶构象发生变化的同时，底物分子也发生形变，从而形成一个互相楔合 的酶一底物复合物。羧肽酶A的X衍射分析结果就为这种“电子张力理论提供了证据。 4.共价催化 还有一些酶以另一种方式来提高催化反应的速度，即共价催化。这种方式是底物与酶 形成一个反应活性很高的共价中间物，这个中间物易变成过度状态，因此反应的活化能大 大降低，底物可以越过较低的“能阈”而形成产物。例如，丝氨酸类酶与酰基形成酰基酶： 半胱氨酸类酶活性中心的半胱氨酸巯基与底物酰基形成含共价硫酯键的中间物。 5.酸碱催化 12
12 的一个重要特点是降低反应的活化能，使之较易达到过渡态，结果使更多的分子参加反 应，加快反应速度。 一个反应的速度常数可用阿累尼乌斯(Arrhenius)方程表示： Ea Lnk ＝ lnA － ── RT 式中 k 为速度常数，A 为指前因子，它是与温度、浓度均无关的常数，Ea 为活化能，R 为气体常数，T 为绝对温度。一般的化学反应在 37℃时其 Ea 值为 62.7～82.6 kJ/mol，而 许多酶促反应的 Ea 值为 8.36～33.4 kJ/mol，由此可见酶促反应的活化能比一般反应的活 化能低的多。 2．底物与酶的“靠近”及“定向” 由于化学反应速度与反应物浓度成正比，若在反应系统的某一局部区域底物浓度增 加，则反应速度也随之加快。提高反应速度的最主要方法是使底物分子进入活性中心区 域，亦即大大提高活性区域的底物浓度。曾测到过某底物在溶液中的浓度为 0.001mol/L， 而在酶活性中心的浓度竞达 100mol/L，比溶液中的浓度高 10 万倍！因此可以想象，在酶 的活性中心区域反应速度必定是极高的。 当底物未与酶结合时，活性中心的催化基团还未能与底物十分靠近，但由于酶活性中 心的结构有一种可适应性，即当专一性底物与活性中心结合时，酶蛋白发生一定的构象变 化，使反应所需要的酶中的催化基团与结合基团正确地排列并定位，以便能与底物楔合， 使底物分子可以“靠近”及“定向”于酶，这也就是前面提到的诱导楔合。这样活性中心局部 的底物浓度才能大大提高。酶构象发生的这种改变是反应速度增加的一种很重要的原因。 反应后，释放出产物，酶的构象再逆转，回到它的初始状态。对溶菌酶和羧肽酶的 X 衍 射分析的实验结果证实了以上的看法。Jenck 等人指出“靠近”及“定向”可能使反应速度增 长 108 倍，这与许多酶的催化效率的计算是很相近的。 3．使底物分子中的敏感键发生“变形” 酶使底物分子中的敏感键发生“变形”，从而促使底物中的敏感键更易于破裂。前面曾 经提到，当酶遇到它的专一性底物时，发生构象变化以利于催化。事实上，不仅酶构象受 底物作用而变化，底物分子也常常受酶作用而变化。酶中的某些基团或离子可以使底物分 子内敏感键中的某些基团的电子云密度增高或降低，产生“电子张力”，使敏感键的一端更 加敏感，更易于发生反应。有时甚至使底物分子发生形变，这样就使酶—底物复合物易于 形成。而且往往是酶构象发生变化的同时，底物分子也发生形变，从而形成一个互相楔合 的酶—底物复合物。羧肽酶 A 的 X 衍射分析结果就为这种“电子张力”理论提供了证据。 4．共价催化 还有一些酶以另一种方式来提高催化反应的速度，即共价催化。这种方式是底物与酶 形成一个反应活性很高的共价中间物，这个中间物易变成过渡状态，因此反应的活化能大 大降低，底物可以越过较低的“能阈”而形成产物。例如，丝氨酸类酶与酰基形成酰基酶； 半胱氨酸类酶活性中心的半胱氨酸巯基与底物酰基形成含共价硫酯键的中间物。 5．酸碱催化