酶除了催化反应，还能做“马达”？机理还真没那么简单

酶，大家应该都不陌生，它是一种对底物具有高度特异性的高性能生物催化剂，能促进生命体中许多重要化学反应的进行。近来的研究发现，在酶促反应的过程中，酶分子自身的扩散系数会增大，并且底物浓度越大，扩散系数越高（比如脲酶和过氧化氢酶）（图1）。这意味着，酶在催化反应的同时，还能产生足够的机械力来驱动酶分子的运动。根据该现象研究者们设计了酶促反应纳米或微米“马达”等，利用酶促反应过程中底物转化所释放的能量驱动纳米或微米级物体的运动，该技术在纳米组装、微型机器人的、化学或生物化学传感等方面具有重要的潜在意义 ^[1,2]。然而，虽然人们对酶促反应中酶分子扩散系数增大的现象已经做了很多的研究，但是对具体的机理还是不太清楚。

图1. 脲酶（A）和过氧化氢酶（B）的扩散系数随着底物浓度的增加而增加。图片来源：Acc. Chem. Res.

近期，美国宾夕法尼亚州立大学的Ayusman Sen教授（点击查看介绍）在Acc. Chem. Res. 上发表了一篇综述，对酶促反应过程中酶分子扩散系数增大的原因进行了分析，并讨论了该现象的潜在应用。结合这一篇综述，笔者在这里想与大家讨论一下酶促反应过程中酶分子扩散系数增大的原因。

酶促反应中，酶分子会与底物特异性地结合在一起，产物中可能会有离子、分子，也可能会有气体放出，也可能放热或者吸热，这会使酶分子周围的电场、温度、压强、pH以及酶分子的构象发生变化，它们都可能是促进酶分子扩散的原因 ^[2,3]。

Ayusman Sen教授（左四）和他目前的团队。图片来源：Pennsylvania State University

关于酶促反应产生局部电场变化促进酶分子扩散的观点，根据是有些酶可以使中性底物分子转化为带电的产物分子，比如脲酶将尿素转化为HCO₃^-和NH₄⁺。因为NH₄⁺比HCO₃^-的扩散系数大，使脲酶分子周围产生不对称的电场，促进带负电的脲酶分子扩散 ^[4]。但是对于另外一些酶（例如过氧化氢酶），从底物到产物的转化并不会带来局部电场的变化，但同样也会促进酶分子的扩散，这证明酶催化过程产生的局部电场并不是促进酶分子扩散的主要原因。另外，根据Ayusman Sen教授的分析，酶分子的半径都在纳米级别，它们旋转一周的时间大概为10^-8s，这么快的旋转速度条件下酶分子周围很难形成底物或者产物的浓度差，即使能形成浓度差酶分子也很难在那么短的时间内做出响应。

对于酶促反应产生局部温差促进酶分子扩散的观点，加利福尼亚大学的Carlos Bustamante教授等人曾发现酶促反应的焓变与扩散系数有很大关系 ^[5]。当反应焓变在-45~-100 kJ/mol时（如过氧化氢酶、脲酶和碱性磷酸酶），反应能极大促进酶分子的扩散，而当反应焓变较小时（如磷酸丙糖异构酶，ΔH= -3 kJ/mol）则对扩散系数的影响较小（图2）。牛津大学的Ramin Golestanian教授曾指出这可能是因为反应放热时温度升高，酶分子周围溶液的黏度降低，有利于酶分子的扩散 ^[6]。但是Ayusman Sen教授发现吸热反应也会促进酶分子扩散 ^[1]，这证明酶催化过程产生的温差并不是导致酶扩散增加的主要原因。除此之外，影响酶扩散的因素还可能是pH值变化或者产物中有气泡放出时的推动力，但是也有pH值不变或者产物中没有气泡时依然能促进酶分子扩散的例子，这证明这些因素并不是影响酶分子扩散速率增加的真正原因。

图2. 过氧化氢酶（a）、脲酶（b）、碱性磷酸酶（c）和三糖磷酸异构酶（d）四种酶催化各自底物时不同反应速率下扩散系数的变化情况。图片来源：Nature

而对酶催化过程中构象变化促进酶分子扩散的观点，这是基于酶催化底物时会可逆变形（底物与酶上活性位点的结合和产物从活性位点释放）。Ayusman Sen教授与犹他大学的Shelley D. Minteer教授都对该观点进行过求证 ^[7,8]，发现当酶与底物或者竞争性抑制剂可逆结合时也会促进酶分子的扩散。其中，竞争性抑制剂与被抑制的酶的底物结构相似，能与底物争夺酶分子上的结合位点，从而抑制酶的活性，它可以使酶不参与催化反应时构象也发生变化。该结果显示此时酶分子的扩散速率依然增加，证明酶分子的构象变化有助其扩散，并且与是否真正催化反应发生无关，这也从另一个角度说明以上提到的其他因素并不是影响酶分子扩散的主要原因。

——总结——

通过以上不同实验结果之间的对比，酶促反应有利于酶分子扩散的原因应该是分子构象变化，即酶上活性位点与底物的结合和产物从活性位点释放的过程中酶分子构象发生变化，增加了其扩散的速率。酶凭借其良好的特异性和催化能力用于促进反应的进行已经是很普遍的了，笔者感觉除了琢磨如何利用酶的催化功能以外，类似这样“偏门”的研究会让人们对酶有更深入的了解，也更能引起兴趣。只不过如何发现这些“偏门”问题，有时候真是可遇而不可求。

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Powering Motion with Enzymes

Acc. Chem. Res., 2018, 51, 2373–2381, DOI: 10.1021/acs.accounts.8b00286

导师介绍

Ayusman Sen

http://www.x-mol.com/university/faculty/1083

参考资料：

1. https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acs.nanolett.5b03935

2. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=fxhx201607021

3. https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja3091615

4. https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/ja908773a

5. https://www.nature.com/articles/nature14043.pdf

6. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.115.108102

7. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.7b01502

8. https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2014/cc/c4cc08702j

（本文由Sunshine供稿）