酶通过帮助降低启动反应所需的活化能来加速反应。但酶如何实现这一目标一直是激烈争论的话题。

来自德克萨斯州和中国的一个研究小组通过在详细的分子水平上表征催化反应，研究了这场争论背后的异同。科学家们在《化学科学》上发表了他们的研究(“过渡态稳定和基态不稳定之间的关键区别：在酶-底物结合之前或期间增加原子电荷密度”)。

该团队相信，其发现不仅有助于更好地了解酶的催化能力，而且有助于实际的药物设计应用。他们还希望他们的工作能够帮助研究人员创造人工酶。”

“酶巨大催化能力的起源已经通过实验和计算方法进行了广泛的研究。尽管精确的机制仍然存在很多争论，但酶被认为是通过稳定过渡态(TS)或不稳定基态(GS)来催化反应的。通过探索各种类型的酶-底物非共价相互作用的催化，我们发现通过TS稳定化进行的催化和通过GS去稳定化进行的催化在降低反应的自由能垒(DG‡s)方面具有共同特征，但在实现减少DG‡的要求，”研究人员写道。

“无论酶是通过TS稳定还是GS不稳定来催化反应，它们都会通过增强催化原子的电荷密度来减少DG‡s，而催化原子的电荷密度会减少GS和TS之间的电荷密度。值得注意的是，在TS稳定中，催化原子的电荷密度在酶-底物结合之前增强，而在GS不稳定中，催化原子的电荷密度在酶-底物结合期间增强。

TS稳定和GS失稳并不矛盾

“结果表明，TS稳定和GS不稳定并不相互矛盾，并且在降低反应DG方面是一致的。酶催化的完整机制包括减少DG‡的机制和增强原子电荷密度的机制。我们的研究结果可能有助于解决TS稳定和GS不稳定之间的争论，并有助于我们对催化和人工酶设计的理解。”

“目前，人们提出了两种主要的不同反应机制来解释酶的催化能力，”贝勒医学院和德克萨斯儿童微生物中心的病理学和免疫学教授TorSavidge博士说。“一种认为酶通过稳定TS来降低反应的活化能，另一种则认为它们通过破坏酶的GS的稳定性来实现这一点。目前的想法是这些机制是相互排斥的。”

中国赣南师范大学的第一作者DeliangChen博士和他的同事们采用了理论方法，考虑了Savidge实验室之前的研究结果，这些结果表明底物和酶与水的非共价相互作用在机制方面非常重要。酶促反应。

“在生物环境中，你必须考虑水——它会干扰酶活性位点中发生的复杂原子相互作用。我们需要考虑所有这些因素，以了解到底在哪里需要静电相互作用，从而有利于酶促过程，”萨维奇继续说道。“当你考虑到这一点时，你就能理解这些机制是如何运作的。”

他们的分析促使团队提出了一些新的建议：TS和GS毕竟并没有那么不同。他们使用类似的原子机制来促进酶促反应的进行。该机制涉及水改变催化位点内重要残基的电荷，从而有利于形成驱动酶促反应发生的能量有利状态。

“这里重要的新点不是如何实现这一点，而是何时实现，”萨维奇解释道。“我们已经证明，在过渡态的稳定中，驱动反应前进的电荷是在底物进入活性位点之前形成的。在不稳定的基态下，这种情况也会发生，但在基质进入活性位点之后。”

研究人员还提出，TS和GS之间的共同机制是普遍的——它可以应用于许多酶促反应。