酶的作用机理 模型

酶

山东省青岛市城阳第一高级中学高二（二）班

作者姓名：孙一丹王辉韩德琛

指导教师：杨永丰

摘要：大千世界，无奇不有，最奇莫过于生命：而生命，则是一大群化学反应的有机结合体。在这不计其数的反应中，酶，作为其中极重要的一员，无时无刻不控

制影响着生命体的新陈代谢。下面我们将探索神奇的酶世界。本文中将介绍一

种我们自主设想的模型——“带孔的橡皮球”，浅释酶的催化原理。

注：本文中图片均为借助画图板工具手工绘制。

关键词：酶催化原理酶工程

酶的神奇

氧分子是很挑食的，如果不同时给它四个电子，它就不吃。似乎这么慷慨大方的只有碱金属，要不然，谁愿意在常温下给那么多电子啊。但在生物体内却大不相同。是什么能让有机物在体内安静的与氧分子化合？是酶。纤维素是由D-葡萄糖以β1，4-糖苷键连接而成的，如果靠氢离子来分解，需要稀酸加压或浓酸才能催化，而一些以纤维素为碳源的细菌真菌，则可以通过纤维素酶在温和的条件下来分解它们，从而得到养分。

一且生物的几乎所有的生命活动都离不开酶，正是因为有酶协调有序参与才使生命新陈代谢有条不紊地进行着。

酶为什么有这么强大的功能？

下面我们来探讨这个问题。

关于酶

酶是一种高效的生物催化剂，其化学本质是蛋白质。当然也有少数酶是RNA，叫做核酶。所以要认清酶的真面目，首先要搞明白蛋白质的化学情况。

一、蛋白质档案

蛋白质的基本组成单位是氨基酸。在500余种天然氨基酸中，只有20种参与构成了绝大多数的蛋白质。由于除了甘氨酸之外的氨基酸都含有手性碳原子，所以氨基酸有L和D之分。构成生物体的氨基酸基本是L型。

根据其侧链集团的性质，这20种氨基酸可分为酸性氨基酸、碱性氨基酸和非极性氨基酸。

由氨基酸互相脱水缩合而形成的聚酰胺肽长链，叫做肽链。肽链的羧基端称为C-端，氨基端称为N-端。蛋白质是有一条或多条肽链构成的，有的还携有辅酶或辅基、金属离子。

蛋白质是有其构成层次的。1951年丹麦生物化学家Linderstrom-Lang第一次提出蛋白质的一、二、三级结构概念，1958年美国晶体学家Bernal提出蛋白质的四级结构概念。后经国际生物化学与分子生物学协会（IUBMB）的生化命名委员会采纳并作出定义。

一级结构是指蛋白质肽链中氨基酸的种类和排列顺序。如：

二级结构是指蛋白质的肽链中的局部构象，也是蛋白质复杂空间构型的基础。二级结构也可以叫“肽键空间结构”，因为二级结构的形成几乎全是由羰基上的氧原子与亚胺基上的氢原子之间的氢键所维系。当然，其它力也有贡献。二级结构主要包括α-螺旋、β-折叠片、Ω环形和β转角。

三级结构是蛋白质分子在二级基础上进一步盘曲折叠而形成的复杂三维结构。维持它的力主要有氢键、静电作用（盐桥）、疏水作用、配位键和二硫键。

四级结构是拥有一条肽链以上的蛋白质才有的一种结构。这些蛋白质的肽链之间并不是以共价键相连接。每一条肽链都有自己的一、二、三级结构。这每一个肽链叫做一个亚基。而这些亚基之间互相作用，形成更为复杂的三维构象，就叫四级结构。例如，血红蛋白由两个α亚基（141残基）和两个β亚基（146个残基）组成，各结合一个血红素，四个亚基通过八个离子键相连，形成四聚体。四级结构的主要化学键是疏水键。

二、催化剂那些事

1.催化剂可以改变反应的动力学状况。也就是说，催化剂可以通过改变反应活化能来改变反应速率。

2.催化剂绝不改变反应的热力学状况。也就是说，催化剂不能改变平衡常数，不能改变吉布斯自由能。

3.催化剂反应前后质量不变，化学性质基本不变，物理性质可能变（如粉化）。

4.催化剂有两种催化方式：一、参与反应，后来生成。二、直接催化（分子水平）。

三、酶海两万里

我们不妨把我们知道的酶的情况列一下。

①酶的催化具有高效性。

②酶的催化具有专一性。

③酶的催化条件十分苛刻。

④拥有复杂的空间构象。

⑤高温等会致其失效。

⑥经酸、碱或加热处理之后的蛋白质易被分解。

⑦有的酶活性可调。

⑧有的酶拥有辅基、辅酶或金属离子。

⑨同种功能的酶在不同生物中的一级结构不同，但都有一段固定序列。如

果破坏非固定序列，对酶的活性影响不大；但若破坏那段固定序列，哪

怕是替掉了一个氨基酸，都会对酶的活性产生巨大影响。

⑩相当一部分酶是以酶原的形式分泌的。

?相当一部分酶需要激活剂。

?相当一部分酶有其相应的抑制剂。

?错误的折叠会使肽链成为废品或危险品。

?酶的分子量都很大。

?酶在生物体内有生化活性时都是以单个分子存在的。

如果做一简单的推理的话，有：

○1○2○3：酶是一种特殊的催化剂。

○4○5○6○9○13：空间结构对酶至关重要。

○9：酶中有一个区域，该区域具有催化功能。

○15:酶是单分子工作，大大大大提高了其作用面积。

○7○10○11○12：酶是可加工的，可调整的——其上有作用位点。

根据酶的这些特点，我们提出了一个模型——“橡皮球”催化模型来解释它。

带孔的橡皮球

橡皮具有一定的弹性，可以制成多种形状，也可以插入或结合其他的小橡皮球。它就相当于酶分子——成千上万个氨基酸以肽键连接并依靠它们的作用力结合在一起而形成的三维构架，并连接着辅酶或辅基。以胃蛋白酶为例：

胃蛋白酶（分子量33000）是专一性水解酸性氨基酸的羧基和非极性氨基酸的氨基形成的肽键的典型的酸性水解酶。在上图中可以清楚的看到，酶以它的两个主要凹坑中的氨基和苯环分别与作用键（肽键）两端的羧基和苯环形成静电作用力和疏水作用力，使参与形成肽键的碳的sp2杂化轨道与氮的sp3杂化轨道形成一弯角，导致其电子云重合减小，键被削弱，体系能量升高，活化能相应减小。同时由于肽键带有部分双键性质，不能随意扭转，而肽键上的氧与酶中的羟基有形成氢键的趋势，导致肽键扭转，使肽键进一步削弱，导致体系能量进一步升高，肽键就容易断裂了。

依据国际酶学委员会（IEC）的规定，按催化反应的类型可将酶分为六大类：（1）氧化还原酶类：催化氧化还原反应。

（2）转移酶类：催化功能基团的转移。

（3）水解酶类：催化水解反应。

（4）裂合酶类：催化水、氨或二氧化碳的去除或加入。

（5）异构酶类：催化各种类型的异构作用。

（6）合成酶类：催化消耗ATP的成键反应。

用橡皮球催化模型可表示如下：

“橡皮球”催化特点：

1、特异性强。一定的孔只能对应一定的基团或底物。

2、条件严苛。任何可以使橡皮球活性区域结构改变的方式或物质都会

使其失活。

3、高效性。（1）橡皮球疏水，使反应中心底物浓度很高（除非水是底

物）。

（2）由于有孔和力的作用，使底物能准确定位。

（3）反应物被吸在酶上，反应概率增大。

4、由于键被削弱，电子云分布改变，断键、成键容易了许多（活化能下降）

5、橡皮球上带的组氨酸可迅速使质子结合脱离，构成酸碱催化。

6、酶中的路易斯酸、碱可能供、收电子（即占有、提供空轨道），形成亲核、亲电催化。

有些离子与酶分子结合时，可以利用氨基酸残基与离子的作用力稳定酶结构，从而使酶以稳定的三维构象参与催化反应，这是这些离子叫做酶的激活剂。例如氯离子就是唾液淀粉酶的激活剂。相应的，如果有物质与酶作用之后使酶分子活性区域变形，从而使酶丧失催化活性，这种物质就叫抑制剂。这也可以用橡皮球来解释。比如有一种与底物很相似的玩意，把橡皮球的相应的孔给堵死了，不就相当于抑制了酶的作用吗？

我们曾经很奇怪消化系统只有上皮组织是随时更新的，而腺体不是。那么为什么消化腺分泌的消化酶没有把自己消化呢？就拿胃液来说，一天分泌一升呢。原来这些酶分泌时都是以酶原的形式分泌的。在胃酸或者已有的消化酶作用下，可以切除一段肽链，从而获得有活性的酶。这同样可以用橡皮球模型来解释。1、在橡皮球的孔上，覆盖有一块小橡皮，就像盖子一样盖住了活性区，在一定条件下可以切除这个盖子，使酶原成为有活性的酶。2、在橡皮球外面绑着一小段橡皮条，使橡皮球发生形变，活性区变形，无活性或活性很低。在一定条件下橡皮条可以被切除，橡皮球恢复，

活性中心复原，橡皮球开始工作。

工业的宠儿

由于其独特的催化效力和广泛的底物范围，酶在工业中的地位越发重要。比如以前利用纤维素制取葡萄糖，需要用耐酸耐压设备，在硫酸或盐酸加热加压催化12个小时以上才催化完，然后用烧碱中和酸。而如果用酶工程大量获取改进的纤维素酶进行催化作业则可大大节省物力、人力、财力，实现绿色化工。管中窥“酶”，可见一斑。

酶可用于食品加工业。如用纤维素酶和果胶酶处理果肉，可使细胞壁分解，使果汁的产量和质量改善。也可用淀粉酶、葡萄糖异构酶等获取高浓糖浆，等等。

酶在精细化工中也有很广的用途。例如加酶洗衣粉可以洗掉衣物上的血迹或奶迹。在毛皮工业、牙膏（添加溶菌酶）、化妆品、饲料加工等工业中，酶也发挥着不可替代的作用。

当然，酶在医药生产、生物制药、科学研究、环境保护等领域也有着其独特的作用，此处不一一列举了。

新的问题

以蛋白质或核糖核酸为化学本质的酶优点是显而易见的，但也有其不足之处，比如大量制备时技术、设备依赖性极高，催化条件严苛，纯化学合成困难，新酶设计时极其复杂，难度极高，并且会出现误折叠的情况。经改进或重新设计的酶流入自然界，会对生物、生态造成一定影响和污染。为了保留其优点而克服其缺点，可否利用橡皮球模型进行创新呢？

很显然，我们要找的单体要有以下特点：

1、成本低廉，易于工业合成——便于工业生产和平民化使用。

2、无毒，无公害——避免污染环境，破坏生态平衡。

3、可控聚合，且过程不复杂——尽量避免天然酶分子合成的复杂过程

以及昂贵的试剂和设备。最好能像RNA那样既是功能体又是遗传

体。

4、聚合物可抗酸碱、高温、一般的氧化剂——避免天然酶分子的严苛

的使用条件。

5、聚合物可在自然界中降解——避免被其他生物利用或是破坏无机

环境。

6、聚合物可盘曲成各种形状，且作用力种类少，便于设计——天然蛋

白质分子内有盐键、双硫键、疏水键、氢键、配位键等等好几种作

用力，设计复杂且困难，难以推广。

7、聚合物可以结合离子——充分利用金属阳离子的缺电子性（路易斯

酸）实现催化。

8、分子尽量小——越小越容易达到细致而精确的催化。

9、其他条件。

大自然在35亿年的漫漫历程中，为我们从以核糖核苷酸为单体的RNA 选到了今天以氨基酸为单体的蛋白质作为生命体新陈代谢最重要的组成成分——酶。人类，作为一个试图认识世界、改造世界的物种，会不会创造出另一类酶呢？让我们共同期待并为之努力吧！

参考资料：

1、吴梧桐《生物化学》人民卫生出版社 ISBN 978-7-117-05604-5

2007年2月第五版第34次印刷。

2、倪沛洲《有机化学》人民卫生出版社 ISBN 978-7-117-09018-6

2010年11月第六版第44次印刷。