酶的催化原理图示,酶的催化反应作用机制图解

首页 > 大全 > 作者:YD1662022-12-19 22:21:18

酸碱催化是指酶通过瞬时向底物提供质子或接受质子,从而稳定过渡态,加速反应。根据不同的酸碱理论,可分为一般酸碱(广义酸碱)催化和特殊酸碱(狭义酸碱)催化两种,后者特指H 和OH-的催化作用;前者还包括其他弱酸弱碱的催化作用。酶促反应一般发生在近中性条件,H 和OH-的浓度很低,所以主要是一般酸碱催化。酶分子中的一些可解离集团如咪唑基、羧基、氨基、巯基常起一般酸碱催化作用,其中咪唑最活泼有效。

酶经常通过酸碱共催化和质子转移通路来加速反应。这种效应可以用四甲基葡萄糖在苯中的变旋反应作为参考。此反应如果单独用吡啶(碱)或酚(酸)来催化,速度很慢;如果二者混合催化,则速度加快,即酸碱共催化。如果把酸和碱集中在一个分子中,即合成α-羟基吡啶,它的催化速度又加快7000倍。这是因为两个催化集团集中在一个分子中有利于质子的传递。在酶-底物复合物中经常由氢键和共轭结构形成质子传递通路,从而大大提高催化效率。

酶的催化原理图示,酶的催化反应作用机制图解(1)

胰凝乳蛋白酶中的质子传递通路

一般酸碱催化在各种酶中普遍存在,因为质子转移是最普遍的生化反应,如羰基的加成,酮与烯醇的互变异构,肽键和酯键的水解以及磷酸和焦磷酸参与的反应等。

有30%以上的酶需要金属元素作为辅因子。有些酶的金属离子与酶蛋白结合紧密,不易分离,称为金属酶;有些酶的金属离子结合松散,称为金属活化酶。金属酶的辅因子一般是过渡金属,如铁、锌、铜、锰等;金属活化酶的辅因子一般是碱金属或碱土金属,如钾、钙、镁等。

酶的催化原理图示,酶的催化反应作用机制图解(2)

碳酸酐酶含有锌离子(左)

金属离子在催化过程中主要通过三种方式起作用:通过与底物结合使其正确定向;多价金属离子通过价态变化携带电子,参与氧化还原反应;通过静电作用稳定或屏蔽负电荷。例如镁离子与ATP结合后,可以屏蔽磷酸基团的负电荷,消除其对亲核试剂的排斥。

酶的催化原理图示,酶的催化反应作用机制图解(3)

ATP与镁离子络合

金属离子带正电,可以起到类似氢离子的酸催化作用,但碱土金属和过渡金属可以携带多个正电荷,作用比氢离子更强;由于金属离子的络合作用,局部浓度也可以更高,所以催化效果更好。

以上四种机制都可以加速反应。酶是大分子,通常活性中心含有多个催化基团,往往同时具有其中的几种因素,并且协同作用,称为多元催化。这也是酶能够达到比无机催化剂更高催化效率的原因之一。

除了这些直接加速反应的机制以外,酶的催化还有一个特点不容忽视,就是酶通常将底物完全包围在催化中心内部,所以与底物的结合是立体的,其催化的立体专一性非常强。这对于化工、制药等领域中复杂手性化合物的合成非常有利。

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