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酶催化反应的本质

投稿时间:2017-03-17 16:06 投稿人:王孝恩 【字号: 访问量:

上世纪80年代作者在南开学习《生物无机化学》时学到:例如血红素、叶绿素、生物固氮等类酶体都有类似卟啉环等有机大环作配体,与铁、钼、镁等金属离子形成大环螯合物的结构,以及能活化底物的分子机理。此后不断看到的新文献显示,其它众多的酶并非都具有如此的结构和催化机理。

原有的锁、钥专属对应结构的假设大部分已被DNARNA及蛋白质间的模板结构所代替。除了酶的专属结合位点以外,其中大量有关酶结构的文献中出现的是同源、异源、亚基、辅基、伴娘、附属及数字代号等众多类型的蛋白,所拼集成的大块头的蛋白复合体。我们发现,对于酶的催化活性,除了专属的结合位点外,大块头也是一个必须的条件。凑不成一定体积大小的块头,就没有酶活性。为此,本文重点讨论酶催化的大块头机理。

由催化功能来命名是酶的普通命名法。因此,有些属于早有其名而至今未见其物的酶,例如细胞周期检查站之类。还有的是属于有名有物但成分繁多难以确定其准确身份的那些,如:催化有丝分裂纺锤体微管生成的中心体或中心粒复合物,着丝点及着丝粒蛋白复合物,端粒蛋白复合物等,这些都具有酶的催化功能,现在也有人将它们称为无膜细胞器。这些复合物,以及完成DNA的复制、转录及翻译等功能的各种合成酶及核糖体,多的由上百种不同蛋白组成,不但种类多,而且组成种类及含量也不固定。现在已经习惯的提纯、结晶、制样、X-射线、原子力、电镜测定,然后进行原子水平的三维重建之法,显得颇有些力不从心及前行盲然之势。根据酶催化的大块头机理,我们认为这众多的蛋白,只起到了凑数,拼凑大块头体积的小角色作用。没有必要对这些小角色进行过多的各自的结构及机理研究。

在细胞及亚细胞尺度上,大块头的酶具有降低反应活化能,引导底物成连串反应,从而在温和条件下极大提高反应速率的催化功能。

现在已有实验证明[1],蛋白质的折叠及三级结构的复合也遵从普通化合物的结晶规律。对于普通化合物的结晶,在晶种形成或存在以前,即使溶液已达到过饱和浓度,也无晶体生成[2]。在饱和的肌动蛋白溶液中,肌动蛋白纤维的生长也需要已有的纤维片段或Arp2/3复合物作晶种[3]。我们把这种片段或复合物也归于类酶体的大块头的范畴。这里提出的酶的大块头作用与无机物晶体的成核及生长具有同样的微观流体动力学机理。

为什么总体积增大使其有了大的块头以后,酶就具有了催化活性?

在微观溶液中,化合反应或聚合反应与无机物的结晶具有相似之处,都是溶液中溶质颗粒数减少的过程。在室温或体温下的饱和或过饱和的溶液或胞浆中,由于溶液粘度的存在,热扩散和热平衡都需要一定的时间。由于聚合或结晶引起的溶质颗粒数的减少,都会造成局部溶液过稀。为了下一个颗粒的聚合或结晶,周围的颗粒(或底物)就要向结合位点靠近,结合位点处产生的过稀的溶剂又要向周围扩散。溶剂的扩散阻碍了颗粒的靠近,导致无晶种时的聚合或结晶很难开始。这就是热力学上聚合或结晶过程开始时的能障或活化能[2,4]

当溶液中有了晶种或大块头的酶,就能显著地降低这种能障或活化能。这可由界面自由能的变化来说明。由物理化学知识可知:溶液中的弯曲界面下总能产生一种附加压力P,称为Young压力。P可由YoungLaplace方程[2]来计算:

P = r (1/R1+1/R2)          1

式中r为溶液的表面张力(或比表面自由能),与溶剂及两相界面有关,同一溶剂大致为一常数;R1为界面体的曲率长半径,R2为其曲率短半径。当曲面为一球面时,R1=R2

P = 2r /R               2

当曲面为一纤维或柱面时,R1=1/R1 = 0R2=R

P = r /R.                3

无论近球形还是纤维状,P都与其曲率半径成反比。只要曲率为正,P就为正,其方向总是指向凹的一面。也就是说,无论是球形还是纤维的柱形,Young压力总是指向球心或纤维的轴心,也就是曲面的里边。

   我们可以把类酶体或晶种看作是一个大块头的球形体A,把刚靠上来的单体或底物看作小球B,此时在溶液中AB已经连在一起。由(2)式可知,连在一起的小球B表面产生的Young压力要大于大球A。由于BA表面聚合或结晶,从而在B处产生的溶液局部变稀或多余的水,会沿B表面汇入,而从A的表面上散出。消除了B端局部溶液的变稀,将溶液的局部变稀定向地扩散到了A端。因此,在微观上消除了聚合或结晶的能障,或者说降低了聚合或结晶的活化能。在B周围的另一个单体C就会顺势跑过来参与聚合或结晶。这样,单体或构晶离子总是带着水从B处依次聚合或结晶,产生的多余的水总是从A处扩散而流走。以此类推,这样的反应方式是鱼贯式的,犹如顺畅的单行道。因此,类酶体或晶种的块头越大,AB之间的Young压力差越明显,聚合或结晶的速度越快。这也就是为什么在同一溶液中,小晶粒的溶解度大而大晶粒的溶解度小的原因。

在化工生产中,为了得到颗粒较大的、并且粒度比较均匀的晶粒产品,往往要有一步叫做“沉化”或“稠化”的过程。期间,小颗粒慢慢溶解,大颗粒慢慢长大,所依从的就是这一机理。

在生物体内,酶往往是将同源的、或异源的、或杂合的、或亚基、或辅基、或伴娘、或附属或将由数字编号的众多蛋白,拼集成大块头的蛋白复合体,只有体积块头够大,才会有酶催化活性。这也完全解释了:在温和的压力、温度及浓度下,为什么酶有那么高的催化效率?总之,具有专属的结合位点和大的块头是酶高效催化的本质。

2017-3-4完稿,20170317投稿)

参考文献

1、Hall, KW et. al.,(2016)Evidence from mixed hydrate nucleation for a funnel model of crystallization. PNAS October 25, 2016 vol. 113 no. 43 12041-12046.

2、王孝恩.(2004)Young压力对晶核形成和晶体生长的影响. 天津化工. Vol.18 No.4 16-17.

3、Welch, MD, et. al., (1997) Actin polymerization is induced by Arp2/3 protein complex at the surface of Listeria monocytogenes. Nature 385:265–269.

4、王孝恩. (2009)一个由肌动蛋白聚合产生力的纤维装配压模型2009-2-13科技论文在线.