酶促反應(yīng)對(duì)化學(xué)平衡的影響分析,生物化學(xué)論文

酶促反應(yīng)對(duì)化學(xué)平衡的影響分析,生物化學(xué)論文酶的構(gòu)造和功能是生物化學(xué)的核心問(wèn)題之一。對(duì)于酶催化的化學(xué)反響，人們的一般認(rèn)識(shí)是酶通過(guò)與底物的互相作用改變反響途徑和活化能同等程度地催化正向與逆向反響，不能改變化學(xué)平衡的方向和程度[1,2].然而，由于酶構(gòu)造和功能的多樣性與復(fù)雜性，酶促反響的化學(xué)平衡問(wèn)題也是復(fù)雜的[3,4].當(dāng)代生物化學(xué)研究表示清楚，酶能夠通過(guò)本身與小分子的結(jié)合能改變?cè)诿阜肿觾?nèi)部的化學(xué)平衡，能夠通過(guò)反響耦合改變外部化學(xué)平衡，能夠通過(guò)動(dòng)力學(xué)控制得到熱力學(xué)上不利的產(chǎn)物。因而，酶促反響不能改變化學(xué)平衡的方向和程度的講法失之過(guò)簡(jiǎn)，在生物化學(xué)教學(xué)中應(yīng)適當(dāng)擴(kuò)大。同時(shí)，認(rèn)識(shí)酶促反響中的化學(xué)平衡細(xì)節(jié)，有助于深切進(jìn)入理解酶催化的本質(zhì)，并指導(dǎo)藥物化學(xué)設(shè)計(jì)或構(gòu)建人工催化體系[5,6].本文結(jié)合生物化學(xué)和物理有機(jī)化學(xué)理論，通過(guò)若干實(shí)例對(duì)酶促反響對(duì)化學(xué)平衡的影響進(jìn)行分析，以期對(duì)教學(xué)和研究提供新的考慮。1酶促反響的內(nèi)部化學(xué)平衡一個(gè)典型的酶促反響經(jīng)歷了下面步驟：酶分子E與底物S結(jié)合為復(fù)合物E?S;復(fù)合物E?S在酶催化下經(jīng)過(guò)過(guò)渡態(tài)[TScat]生成復(fù)合物E?P;復(fù)合物E?S解離為酶分子E和產(chǎn)物P.G是S生成P的化學(xué)反響在沒(méi)有酶催化條件下的化學(xué)反響Gibbs自由能變，對(duì)應(yīng)于外部平衡常數(shù)K;Gint是酶分子內(nèi)部S生成P的化學(xué)反響Gibbs自由能變，對(duì)應(yīng)于內(nèi)部平衡常數(shù)Kint;結(jié)合和解離步驟的Gibbs自由能變分別記為GS和GP;無(wú)酶介入時(shí)的過(guò)渡態(tài)[TS]與酶結(jié)合地過(guò)渡態(tài)[TScat]間的Gibbs自由能差記為GTS.無(wú)酶介入的反響活化能記為Ea,酶促反響決速步的活化能記為Eacat,結(jié)合和解離步驟的活化能分別記為EaS和EaP.上述各能量之間的關(guān)系如此圖1所示。根據(jù)誘導(dǎo)契合假講[7],酶促反響的基本原理是通過(guò)酶與反響決速步的過(guò)渡態(tài)[TS]的結(jié)合將其穩(wěn)定化為能量更低的[TScat]，進(jìn)而到達(dá)降低活化能、提高反響速率的目的。但由于底物、過(guò)渡態(tài)、產(chǎn)物構(gòu)造的類似性，酶在與過(guò)渡態(tài)構(gòu)造結(jié)合的同時(shí)勢(shì)必也要不同程度地結(jié)合底物和產(chǎn)物，這使得酶內(nèi)部底物和產(chǎn)物的能量狀態(tài)與游離底物和產(chǎn)物的能量狀態(tài)不同，造成內(nèi)部化學(xué)平衡不同于外部化學(xué)平衡。根據(jù)圖1,Gint=G-GS-GP,這講明內(nèi)部化學(xué)平衡取決于酶與底物和產(chǎn)物復(fù)合物的相對(duì)穩(wěn)定性。這種相對(duì)穩(wěn)定性會(huì)影響酶促反響的速率。根據(jù)圖1,Eacat=Ea+GTS-GS,假如〔GTS-GS〕大于0,即酶對(duì)底物的穩(wěn)定化程度超過(guò)對(duì)過(guò)渡態(tài)的穩(wěn)定化程度，就會(huì)造成活化能的增大，進(jìn)而不利于催化反響。假如GP過(guò)大，即酶對(duì)產(chǎn)物的穩(wěn)定化作用過(guò)強(qiáng)，就會(huì)造成EaP過(guò)大，同樣不利于催化反響。因而，酶對(duì)底物和產(chǎn)物的穩(wěn)定化程度應(yīng)當(dāng)維持在合理的水平上。Burbaum等[8]從理論上證明，為保證酶催化的效率最大，內(nèi)部化學(xué)平衡常數(shù)總是趨近于1,Gint趨近于0.通過(guò)酶與底物、過(guò)渡態(tài)和產(chǎn)物的結(jié)合穩(wěn)定化作用，酶促反響的內(nèi)部化學(xué)平衡一般與外部化學(xué)平衡不同，進(jìn)而使得酶能夠打破熱力學(xué)限制構(gòu)建內(nèi)部反響途徑[9],這是酶促反響改變化學(xué)平衡的基礎(chǔ)。通太多級(jí)耦合內(nèi)部化學(xué)反響，酶能夠利用外部化學(xué)平衡有利的反響奉獻(xiàn)的自由能使得外部化學(xué)平衡不利的反響得以發(fā)生。2耦合酶促反響的化學(xué)平衡酶能夠耦合不同的反響，借此改變平衡方向。要知足這一條件，有兩種不同的途徑：移走產(chǎn)物或者活化反響物。在移走產(chǎn)物的耦合酶促反響中，酶同時(shí)催化兩個(gè)反響，在第一個(gè)反響到達(dá)內(nèi)平衡到達(dá)后、E?P釋放前就進(jìn)行第二步反響?？傮w效果是避免了S與P的直接平衡，而是代之以E?P與E?S的平衡。假如后一步反響的正向進(jìn)行的趨勢(shì)很大，就使得第一步反響的平衡發(fā)生移動(dòng)。以蘋(píng)果酸脫氫酶〔malicdehydrogenase〕[10]為例〔圖2〕，熱力學(xué)上蘋(píng)果酸氧化為草酰乙酸是不利的，但下一步耦合的草酰乙酸與乙酰-CoA的縮合反響、得到的檸檬酸CoA硫酯水解失去CoA-SH的偶聯(lián)反響都是熱力學(xué)上特別有利的反響。因而，蘋(píng)果酸脫氫酶以NAD+為輔因子催化蘋(píng)果酸氧化為草酰乙酸，并與后續(xù)的乙酰CoA縮合、水解硫酯步驟偶聯(lián)，使得該高度不利的氧化反響得以正向進(jìn)行?；罨错懳锏鸟詈厦复俜错憚t相當(dāng)于首先將E?P轉(zhuǎn)化為E?P,進(jìn)而以新的E?P與E?S的平衡取代了S與P的直接平衡。這兩步反響同樣能夠在同一個(gè)酶的活性位點(diǎn)中進(jìn)行，這在自然界也廣泛存在[11,12],與化學(xué)上的偶聯(lián)反響很類似。例如羧基直接與氨基作用構(gòu)成酰胺是熱力學(xué)熵不利的。但谷氨酰胺合成酶〔glutaminesynthetase〕[13]能夠使用ATP與底物谷氨酸的-羧基作用，先構(gòu)成磷酸活化的羧基，進(jìn)而被氨分子進(jìn)攻離去磷酸基團(tuán)，實(shí)現(xiàn)偶聯(lián)反響構(gòu)成谷氨酰胺〔圖3〕。這兩個(gè)反響的凈作用是羧酸轉(zhuǎn)化為酰胺，并伴隨一分子的ATP水解，利用高能的ATP水解反響來(lái)推動(dòng)羧基的酰胺化反響。能夠看出，磷酸活化羧基例子中將羧基與氨基構(gòu)成酰胺的平衡轉(zhuǎn)化為羧基磷酸與氨基構(gòu)成酰胺的平衡。3酶通過(guò)動(dòng)力學(xué)控制改變化學(xué)平衡除了前面提到的熱力學(xué)手段，酶還能夠通過(guò)動(dòng)力學(xué)手段影響反響平衡，使得平行反響中的一側(cè)在動(dòng)力學(xué)上加速，另一側(cè)受阻，進(jìn)而在有限的時(shí)間內(nèi)得到違犯平衡產(chǎn)物的動(dòng)力學(xué)控制結(jié)果。這種控制是通過(guò)酶與平行反響不同過(guò)渡態(tài)的選擇性結(jié)合實(shí)現(xiàn)的，即特異性地結(jié)合過(guò)渡態(tài)降低某一個(gè)方向反響的活化能壘，而難以構(gòu)成另外一個(gè)方向的酶-過(guò)渡態(tài)復(fù)合體，即所謂定位效應(yīng).以萜類的合成為例，在重要天然產(chǎn)物冰片〔Borneol〕的生物合成經(jīng)過(guò)中[14,15],環(huán)化產(chǎn)物發(fā)生碳正離子對(duì)雙鍵的親電加成。在經(jīng)典有機(jī)化學(xué)中，鹵素對(duì)雙鍵的加成遵循馬氏規(guī)則，即為了得到穩(wěn)定的碳正離子E2.但是，酶卻利用其活性位點(diǎn)的定位效應(yīng)決定反響向反馬氏規(guī)則E1方向進(jìn)行。當(dāng)然，這并不是講酶只能根據(jù)反馬氏規(guī)則進(jìn)行加成，對(duì)于同樣的底物，另一種酶則能夠?qū)崿F(xiàn)，并脫去質(zhì)子得到另一產(chǎn)物蒎烯〔Pinene〕〔圖4〕。酶與底物結(jié)合后構(gòu)成的特殊空間構(gòu)象決定了反響的方向。在重要的單萜Thujone〔圖5中化合物4〕的生物合成中牽涉的機(jī)理[16,17]的一部分如此圖5,由三級(jí)碳正離子2轉(zhuǎn)化為二級(jí)碳正離子3,并進(jìn)一步水合最終得到酮，這與三級(jí)碳正離子更穩(wěn)定的熱力學(xué)規(guī)則是相違犯的。但在這里，酶通過(guò)空間效應(yīng)誘導(dǎo)底物親核試劑的進(jìn)攻方向，導(dǎo)致得到的二級(jí)碳正離子能夠立即轉(zhuǎn)化且對(duì)應(yīng)產(chǎn)物能量更低，相當(dāng)于通過(guò)下一步快速反響的耦合，利用動(dòng)力學(xué)效應(yīng)左右反響的進(jìn)行[18,19].除此之外，酶從動(dòng)力學(xué)上對(duì)反響的調(diào)控還遭到環(huán)境因素的影響。例如，反響介質(zhì)的改變能夠?qū)е旅复俜错懛较虻母淖?。在含有微量水分的有機(jī)溶劑中酶構(gòu)造發(fā)生改變，當(dāng)其失水造成的動(dòng)力學(xué)剛性和得水造成的熱力學(xué)不穩(wěn)定性到達(dá)最適條件時(shí)，可使酶表現(xiàn)出最高的活性[20].再如，活性位點(diǎn)的定位效應(yīng)遭到華而不實(shí)一些關(guān)鍵性作用基團(tuán)的影響。環(huán)境的pH值可能通過(guò)影響這些關(guān)鍵性作用基團(tuán)的電荷狀態(tài)而極大影響反響平衡。對(duì)活性位點(diǎn)的挑選或理性設(shè)計(jì)能夠影響甚至改變反響平衡，乃至改變其底物的辨別性能[21].4結(jié)論酶促反響中的化學(xué)平衡問(wèn)題是復(fù)雜的，酶通過(guò)本身與底物、過(guò)渡態(tài)、產(chǎn)物的特異性結(jié)合作用改變化學(xué)反響中的能量關(guān)系，并到達(dá)通過(guò)內(nèi)部化學(xué)平衡或動(dòng)力學(xué)控制方式方法得到非熱力學(xué)產(chǎn)物的結(jié)果，進(jìn)而在形式上改變了化學(xué)平衡。這一點(diǎn)長(zhǎng)期在各類教學(xué)材料上被絕對(duì)化地描繪敘述為酶不能改變反響平衡,這樣的認(rèn)識(shí)對(duì)于教學(xué)與科研是不利的。參考文獻(xiàn)[1]王鏡巖，朱圣庚，徐長(zhǎng)法。生物化學(xué)〔上冊(cè)〕。3版。北京：高等教育出版社，2002,320[2]傅獻(xiàn)彩，沈文霞，姚天揚(yáng)。物理化學(xué)〔下冊(cè)〕。5版。北京：高等教育出版社，2006,292-296[3]FershtA.Structureandmechanisminproteinscience:aguidetoenzymecatalysisandproteinfolding.NewYork:W.H.Freemanandcompany,1999,103-131[4]PurichDL.Enz