1.3.2  酯酶的催化机制

目前，已经有很多研究者通过生物化学以及结构分析的方法，对酯酶的立体三维结构和水解底物机制进行了比较深入研究。这些研究为我们认识和了解酯酶的晶体结构和催化机理提供了很大方便。酯酶的立体结构和许多α/β折叠水解酶的结构比较类似：由若干个平行的β-折叠组成一个中心，这些相互平行的β-折叠片之间由围绕在周围的α-螺旋相连接。β-折叠片左手超螺旋扭曲，在空间上以近90度的夹角互相交叉。这种α/β水解酶的折叠结构为酯酶活性中心位点提供了一个比较稳定的支架14。和脂肪酶比较相似的是，酯酶也有一个催化三联体的活性中心,由丝氨酸、组氨酸以及谷氨酸或天冬氨酸（Ser-His-Asp/Glu）残基组成。这个催化三联体组成的活性中心通常位于疏水性的口袋之中。在活性中心的口袋附近排列着主要的疏水性残基。很多研究表明，虽然酯酶和脂肪酶两者的结构都是α/β折叠，但底物选择性的差异与这两种酶在结构上的不同有很紧密的关系。研究者通过对不同的酯酶和脂肪酶的晶体进行结构方面的分析，发现脂肪酶的催化结构域上方有一个类似lid结构域，而大部分酯酶的催化结构域上方是一个类似cap结构域。脂肪酶的lid结构域与酯酶的cap结构域相比较而言，偏向水解长链酯类的脂肪酶的lid活动性更大，可以绕着连接lid结构域和催化结构域之间的loop区域进行开合动作。这个理论被认为是界面激活效应的结构基础。酯酶的结构中虽然也有一个cap结构域，但这个结构域固定于N末端，通常情况下难于稳定地形成“翻折”结构，所以没有界面效应，也就不能对长链脂肪酸底物产生作用。而对于短链可溶性半酯类的底物(如p-NP esters)来讲，由于分子的构型比较小，完全可以通过分子表面间隙进入处在催化结构域的活性中心完成催化，因此无论是酯酶还是脂肪酶对这类底物都具有较高的催化活性。所以，能够决定酯酶和脂肪酶选择性差异的主要问题在于空间构型较大的长链酯类的底物能否利用结构域的开关进入催化活性中心，进而完成催化反应15，16。

酯酶催化酯类的水解分为乙酰化和去乙酰化两个步骤，第一个过渡态中间体释放了底物的羟基醇部分，第二个过渡态中间体生成了底物的羧酸部分17。反应过程如下：

首先，游离酶活性中心的丝氨酸侧链上的氧将质子转移给组氨酸咪唑上的氮原子，然后攻击底物的羰基碳；与此同时，组氨酸得到的质子与底物中的醇基氧形成氢键。这样，丝氨酸氧、底物的羰基碳和醇基氧还有组氨酸（His）的咪唑氢离子形成了第一个四联体过渡态。随后，底物的酯键断开，释放了醇分子，底物的羧基部分Ser的羟基氧连接成酯键后形成了酰基化的丝氨酸酶。然后，活性中心部位在吸收了附近水分子的一个质子，由此产生的氢氧根离子攻击连接在丝氨酸上底物的羰基碳，从而又形成了丝氨酸（Ser）氧、底物的羰基碳、氢氧根离子以及组氨酸（His）的咪唑的氢离子形成了第二个过渡态四联体。最终Ser得到一个氢离子，同时释放羧酸分子。

在形成两个四联体中间过渡态时，氧负离子洞(甘氨酸-甘氨酸）和丝氨酸主链上的N-H通过氢键稳定过渡态上带部分负电的羰基氧，使得酶和底物过渡态的亲和力更高。