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酶专一性学说

“锁与钥匙"模型

Fischer提出此模型的灵感显然来自于“一把钥匙只开一把锁”的生活经验。在该模型中,酶和底物分别被比作锁和钥匙,锁眼相当于是酶的活性中心。只有跟锁眼在结构上完全匹配、吻合的钥匙才能进入其中,再将锁打开。

该模型认为:活性中心的构象是固定不变的,底物的结构(形状、大小、电荷的分布、氢键供体或受体以及疏水补丁等)必须与它的结构非常吻合才能结合。好底物与坏底物的差别在于与活性中心在结构上匹配和吻合的程度。

该模型有很多缺陷:首先它不能解释酶的活性中心为何也能与产物结合并催化逆反应;其次,它对解释酶的催化机制也没有任何帮助(锁对钥匙没有任何作用)。正因为如此,该模型实际上早已被淘汰。

“诱导契合”模型

该模型由DanielE.Koshland在1958年提出。

酶活性中心不是僵硬不变的结构,而是具有一定的柔性。酶在与底物结合前后构象是不同的,一开始活性中心并不适合结合底物。然而,一旦底物与酶接近,诱导并开始了。这种诱导是双向的,一方面酶受到底物分子的诱导,其构象发生变化,特别是活性中心的构象;另一方面,底物的构象也会发生变化。

酶和底物双方在构象上的变化,不仅使得酶能更好地结合底物(这有点像戴手套时手套在手的“诱导”下所发生的变化)还能使活性中心的催化基团处于合适的位置,从而能更好地行使催化,这就是契合。“好底物”与“坏底物”的差别就在于,前者与酶结合能诱导酶的构象发生有利于催化的变化,而后者不行。

“诱导契合”模型不仅可以很好地解释酶作用的专一性,还可以有助于解释酶的催化机制,因此该模型早已经被广泛认可。有很多重要的酶,正是巧妙地使用了“诱导契合”,一方面保证了其催化的专一性,另一方面还可以用来防止本来很容易发生的副反应的发生。

己糖激酶

以参与糖酵解第一步反应的己糖激酶为例:该酶催化ATP的一个磷酸基团转移给葡萄糖分子的6号位羟基。然而,水和葡萄糖分子都有羟基,两者都可以进入己糖激酶的活性中心,但己糖激酶催化磷酸基团从ATP转移到葡萄糖分子的效率是转移给水分子的10倍。

对此现象,用“锁和钥匙”模型是不能解释的,但“诱导契合”模型却很容易。

因为只有葡萄糖分子进入酶的活性中心以后,才能诱导活性中心的构象发生变化,使活性中心的催化基团处于合适的位置而能更好地进行催化。

因此,从某种意义上来看,葡萄糖通过诱导酶构象的变化而间接地参与了催化反应。

对来源于酵母细胞的己糖激酶所进行的X射线衍射实验表明,整个酶分子由两个相对独立的叶组成,活性中心为两叶之间的裂缝。

当葡萄糖与酶的活性中心结合以后,酶的构象发生了剧烈的变化:作为底物的葡萄糖诱导两叶相向移动,每一叶大约旋转10°,整个多肽链骨架移动了约0.8nm,构成活性中心的裂缝因此而闭合,仿佛河蚌遇到刺激以后两壳闭合。

裂缝的闭合对酶的催化十分重要,原因是:首先它为底物创造了更为疏水的环境,整个葡萄糖分子除了6号位的羟基以外都被疏水氨基酸残基的侧链包围,这非常有利于ATP的转移。

其次,它“赶走”了本来占据在活性中心的水分子,这就防止了酶将ATP的7-磷酸基团误交给水分子而导致ATP水解的副反应的发生。

有人做过这样的实验:使用少一个C原子的木糖代替葡萄糖,结果发现己糖激酶能够催化ATP水解。在这种情况下,ATP之所以发生水解,很可能是因为体积较小的木糖进入活性中心以后,无法赶走“水分子”,反而诱使酶“上当受骗”,将ATP的γ-磷酸转移给留在活性中心的水分子上的羟基。

上述底物诱导的裂缝闭合现象不仅仅发现在己糖激酶,实际上在其他几种参与糖酵解的激酶(包括磷酸果糖激酶、磷酸甘油酸激酶和丙酮酸激酶)分子上也能够观测到,这说明这已成为各种激酶作用的共同特征。

脂肪酶

再以催化脂肪水解的脂肪酶为例:该酶的底物主要是不溶于水的脂肪。这种酶对水溶性底物几乎没有任何作用,只能水解位于水相和油相界面的底物。

这是因为酶在水相里,活性中心被它的一段螺旋遮盖住。然而,一旦到了两相的交界处,即受到界面的诱导,酶的构象发生变化,活性中心得以外露,于是便有了活性。

“三点附着”模型

对于酶为什么能够区分一对对映异构体,或者一个假手性C上两个相同的基团,需要用酶与底物的“三点附着”模型进行解释。

该模型认为,底物在活性中心的结合有3个结合点,只有当在这3个结合点都匹配的时候,酶才会催化相应的反应。一对对映异构体底物虽然基团相同,但空间排列不同,这就可能出现其中一种与酶结合的时候,无法保证三点都互补匹配,酶也就不能作用于它。

顺乌头酸酶

以催化三羧酸循环第二步反应的顺乌头酸酶为例:该酶的底物是图上方显示的柠檬酸,它是在三竣酸循环的第一步反应由草酰乙酸和乙酰辅酶A转变而来的,分子中有两个-CH2-COOH基团,一个来自草酰乙酸,一个来自乙酰辅酶A。这两个-CH2-COOH在我们眼里看起来没有什么两样,但在酶“眼”里却是不同的。

正因为如此,顺乌头酸酶在催化反应的时候,只会将羟基催化转移给来自草酰乙酸的-CH2-COOH,而绝对不会转移给来自乙酰-CoA的-CH2-COOH。

“三点附着”模型不但可用来解释酶的立体专一性,而且可以解释其他非酶蛋白质作用的立体专一性。例如,脑细胞中的一种氨基酸受体只能与L-氨基酸结合,对D-氨基酸没有作用。