生化小课 | 酶促进了化学反应通路

酶促进了化学反应通路

所有生物大分子的热力学稳定性远低于其单体亚基，但它们在动力学上是稳定的：它们的非催化分解发生得很慢（几年而不是几秒钟），以至于在对生物体至关重要的时间尺度上，这些分子是稳定的。事实上，细胞中的每一个化学反应都以很快的速度发生，这仅仅是因为酶（enzymes）的存在——生物催化剂，与所有其他催化剂一样，极大地提高了特定化学反应的速度，而不会在过程中被消耗。

从反应物到生成物的路径几乎总是包含一个能量势垒，称为活化势垒（图 1-27），任何反应都必须克服该能量势垒才能进行。现有键的断裂和新键的形成通常首先需要现有键的变形，以产生比反应物或产物具有更高自由能的过渡态（参见第 6.2 节）。反应坐标图中的最高点代表过渡态，反应物在其基态和过渡态之间的能量差是活化能（activation energy），ΔG‡。酶通过提供更舒适的过渡状态来催化反应：一个在立体化学、极性和电荷方面与过渡态互补的表面。酶与过渡态的结合是放能的，这种结合释放的能量降低了反应的活化能，大大提高了反应速率。

当两个或多个反应物以有利于其反应的立体定向紧密结合到酶的表面时，就会对催化产生进一步的贡献。这使反应物之间产生碰撞的概率增加了几个数量级。由于这些因素和第6章讨论的其他几个因素，许多酶催化反应的速度比非催化反应快106倍。

除了一些显著的例外，细胞催化剂是蛋白质。（如第26章和第27章所述，一些RNA分子具有酶活性。）同样，除了少数例外，每种酶都催化一个特定的反应，而细胞中的每一个反应都是由不同的酶催化的。因此，每个细胞需要数千种不同的酶。酶的多样性、特异性（区分反应物的能力）以及对调节的敏感性使细胞有能力选择性地降低激活屏障。这种选择性对于有效调节细胞过程至关重要。通过让特定的反应在特定时间以显著的速率进行，酶决定了物质和能量如何被引导到细胞活动中。

细胞中数以千计的酶催化化学反应在功能上被组织成许多连续反应序列，称为通路（pathways），其中一个反应的产物成为下一个反应的反应物。一些途径将有机营养素降解为简单的最终产品，以提取化学能并将其转化为对细胞有用的形式；这些降解的、产生自由能的反应统称为分解代谢（catabolism）。分解代谢反应释放的能量驱动 ATP 的合成。结果，ATP 的细胞浓度远高于其平衡浓度，因此 ATP 分解的 ΔG 大且为负。类似地，分解代谢导致还原电子载体NADH（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸）和NADPH（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氢）的产生，这两种载体都可以在生成ATP的过程中提供电子或在生物合成途径中驱动还原步骤，它们被统称为 NAD(P)H。

其他途径从小的前体分子开始，并逐渐将其转化为更大、更复杂的分子，包括蛋白质和核酸。这种合成途径总是需要能量的输入，统称为合成代谢（anabolism）。分解代谢和合成代谢的酶催化途径的整体网络构成了细胞代谢（cellular metabolism）。ATP（以及其他能量等效的核苷三磷酸盐）是该网络分解代谢和合成代谢成分之间的连接纽带（如图1-28所示）。作用于细胞主要成分（蛋白质、脂肪、糖和核酸）的酶催化反应途径在所有生物体中几乎是相同的。这种非凡的生命统一是所有生物共同进化先驱的部分证据。