生化小课 | 酶影响反应速率，而不是平衡

酶影响反应速率，而不是平衡

一个简单的酶促反应可以写成

其中E、S和P表示酶、底物和产物；ES和EP是酶与底物和产物的瞬时复合物。

要理解催化作用，我们必须首先了解反应平衡和反应速率之间的重要区别。催化剂的作用是提高反应速率。催化剂不会影响反应平衡。(回想一下，当反应物或产物的浓度没有净变化时，反应处于平衡状态）。任何反应，如 S ⇌ P，都可以用反应坐标图（图 6-2）来描述，这是反应过程中能量变化的图示。如第 1 章所述，生物系统中的能量用自由能 G 来描述。在坐标图中，系统的自由能与反应进程（反应坐标）相对应。正向反应或逆向反应的起点称为基态，即在给定条件下平均分子（S 或 P）对系统自由能的贡献。

S 和 P 之间的平衡反映了它们基态自由能的差异。在图 6-2 所示的例子中，P 的基态自由能低于 S 的自由能，因此反应的 ΔG′° 为负值（反应是放能反应），平衡时 P 多于 S（平衡有利于 P）。

有利的平衡并不意味着 S → P 的转换会以快速甚至可检测到的速度进行。反应速率取决于一个完全不同的参数，即 S 和 P 之间的能量屏障。该屏障包括反应基团排列、瞬时不稳定电荷形成、键重排以及反应向任一方向进行所需的其他转化所需的能量。图 6-2 和图 6-3 中的能量 "山 "就说明了这一点。要发生反应，分子必须克服这一障碍，因此必须提升到更高的能级。在能级山的顶端有一个点，在这个点上衰变到 S 或 P 状态的可能性相同（都是下坡）。这就是过渡态，通常用双匕首（‡）来表示。过渡态不是一种具有显著稳定性的化学物质，不应与反应中间体（如 ES 或 EP）混淆。它只是一个转瞬即逝的分子时刻，在这个瞬间，键的断裂、键的形成和电荷的发展等事件都已进行到精确的点，在这个点上，衰变为底物和衰变为产物的可能性是相同的。

基态能级与过渡态能级之间的差值就是活化能 ΔG‡。反应速度反映了活化能：活化能越高，反应速度越慢。降低活化能可提高反应速率。可以通过升高温度和/或压力来提高反应速率，从而增加具有足够能量来克服能量屏障的分子数量。另外，也可以通过添加催化剂来降低活化能，提高反应速率（图 6-3）。

催化剂不会影响反应平衡。方程式 6-1 中的双向箭头说明了这一重要问题：任何催化 S → P 反应的酶也催化 P → S 反应。酶的作用是加速 S 和 P 的相互转化。酶在此过程中不会被消耗，平衡点不受影响。然而，当存在适当的酶时，反应达到平衡的速度会更快，因为反应的速率会增加。

本章开头介绍的反应过程：蔗糖和氧气转化为二氧化碳和水，可以说明反应速率和活化能之间的关系：

这种转化是通过一系列单独的反应进行的，ΔG′°非常大且为负值，平衡时蔗糖的含量可以忽略不计。然而，蔗糖是一种稳定的化合物，因为蔗糖与氧气反应前必须克服的活化能屏障相当高。蔗糖几乎可以无限期地储存在有氧气的容器中而不发生反应。然而，在细胞中，蔗糖很容易在酶的催化下通过一系列反应分解成 CO2 和 H2O。这些酶不仅能加速反应，还能组织和控制反应，使释放出的大部分能量以其他化学形式回收，供细胞执行其他任务。分解蔗糖（和其他糖类）的反应途径是细胞产生能量的主要途径，该途径中的酶可使反应序列在生物学上有用的（毫秒级）时间范围内进行。

任何反应都可能有几个步骤，涉及称为反应中间体的瞬态化学物质的形成和衰变。反应中间体是反应途径上具有有限化学寿命（长于分子振动，约 10−13 秒）的任何物质。当酶催化 S ⇌ P 反应时，ES 和 EP 复合物可视为中间体，即使 S 和 P 是稳定的化学物质（方程 6-1）；ES 和 EP 复合物占据反应坐标图中的谷值（图 6-3）。在酶催化反应过程中，通常还存在其他不太稳定的化学中间体。因此，两个连续反应中间体的相互转化构成了一个反应步骤。当反应中发生几个步骤时，总速率由活化能最高的步骤（或多个步骤）决定；这称为限速步骤。在简单的情况下，限速步骤是 S 和 P 相互转化图中能量最高的点。实际上，限速步骤可随反应条件而变化，并且对于许多酶而言，几个步骤可能具有相似的活化能，这意味着它们都是部分限速的。

活化能是化学反应的能量屏障。这些障碍对生命本身至关重要。如果没有这样的能量屏障，复杂的大分子将自发地恢复到更简单的分子形式，细胞复杂而高度有序的结构和代谢过程就不可能存在。在进化过程中，酶已经发展为选择性地降低细胞存活所需反应的活化能，从而提高反应速率。

Principles of Biochemistry

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