第四章      酶

    生物体内的各种化学反应几乎都是在特异的生物催化剂（biocatalyst）的催化下进行的。迄今为止，人们已发现两类生物催化剂：酶（enzyme）是由活细胞合成的、对其特异底物（substrate）起高效催化作用的蛋白质，是机体内催化各种代谢反应最主要的催化剂；核酶（ribozyme）是具有高效、特异催化作用的核酸，是近年来发现的一类新的生物催化剂，其作用主要参与RNA的剪接。

    酶学知识来源于生产实践。酶的系统研究始于19世纪中叶对发酵本质的探讨。法国著名科学家巴斯德（Louis Pasteur）认为发酵是酵母细胞生命活动的结果，细胞破裂则失去发酵作用。 18eq年，德国科学家Hans Buchner和 Eduard Buchner兄弟首次成功地用不含细胞的酵母提取液实现了发酵，从而证明发酵过程并不需要完整的细胞。这一贡献打开了通向现代酶学与现代生物化学的大门。 1926年，美国生化学家James B．Sumner第一次从刀豆得到脲酶结晶，并证明了脲酶的蛋白质本质。以后陆续发现的二千余种酶中，均证明酶的化学本质是蛋白质。直到 1982年，Thomas Cech从四膜虫 rRNA前体的加工研究中首先发现rRNA前体本身具有自我催化作用，并提出了核酶的概念。有关核酶的催化作用将在有关章节阐述。

    生命活动离不开酶的催化作用。在酶的催化下，机体内的物质代谢有条不紊地进行；同时又在许多因素的影响下，酶对代谢发挥着巧妙的调节作用。人体的许多疾病与酶的异常密切相关。许多药物也可通过对酶的作用来达到其治疗目的。随着酶学研究的深入，其成果必将为人类做出更大的贡献。

                第一节酶的分子结构与功能

    酶是蛋白质，同样具有一、二、三级结构，有些酶还具有四级结构。只由一条多肽链构成的酶称为单体酶（monomeric enzyme）；由多个相同或不同亚基以非共价键连接的酶称为寡聚酶（oligomeric enzyme）。在细胞内存在着许多由几种不同功能的酶彼此聚会形成的多酶复合物，即多酶体系（multienzyme system）。还有一些多酶体系在进化过程中由于基因的融合，形成由一条多肽链组成却具有多种不同催化功能的酶，这类酶称为多功能酶（multifunctional enzyme）或串联酶（tandem enzyme）。

                          一、酶的分子组成

    酶按其分子组成可分为单纯酶(simple enzyme)和结合酶（conjugated enzyme）。单纯酶是仅由氨基酸残基构成的酶，脲酶、一些消化蛋白酶、淀粉酶、脂酶、核糖核酸酶等均属此列。结合酶由蛋白质部分和非蛋白质部分组成，前者称为酶蛋白（apoenzyme），后者称为辅助因子（cofactor）。辅助因子是金属离子或小分子有机化合物。酶蛋白与辅助因子结合形成的复合物称为全酶（holoenzyme），只有全酶才有催化作用。

    金属离子是最多见的辅助因子，约2／3的酶含有金属离子。常见的金属离子有K+、Na+、Mg2+、Cu2+（Cu+）、Zn2+、Fe2+（Fe3+）等。有的金属离子与酶结合紧密，提取过程中不易丢失，这类酶称为金属酶（metalloenzyme），如羧基肽酶、黄瞟吟氧化酶等。有的金属离子虽为酶的活性所必需，却不与酶直接结合，而是通过底物相连接。这类酶称为金属激活酶（metal activated enzyme），如己糖激酶、肌酸激酶等。金属辅助因子的作用是多方面的，或者作为酶活性中心的催化基团参与催化反应、传递电子；或者作为连接酶与底物的桥梁，便于酶对底物起作用；或者为稳定酶的构象所必需；或者中和阴离子，降低反应中的静电斥力等。

    小分子有机化合物是一些化学稳定的小分子物质，主要作用是参与酶的催化过程，在反应中传递电子、质子或一些基团。虽然合小分子有机化合物的酶很多，但此种辅助因子的种类却不多，且分子结构中常含有维生素或维生素类物质（表4—1）。酶蛋白决定反应的特异性，辅助因子决定反应的种类与性质。

酶的辅助因子按其与酶蛋白结合的紧密程度与作用特点不同可分为辅酶（coenzyme）与辅基（prosthetic group）。辅酶与酶蛋白的结合疏松，可以用透析或超滤的方法除去。辅酶在反应中作为底物接受质子或基团后离开酶蛋白，参加另一酶促反应并将所携带的质子或基团转移出去，或者相反。辅基则与酶蛋白结合紧密，不能通过透析或超滤将其除去，在反应中辅基不能离开酶蛋白。金属离子多为酶的辅基，小分子有机化合物有的属辅酶（如NAD+、NADP+等），有的属辅基（如FAD、FMN、生物素等）。

                       二、酶的活性中心

    酶分子中存在的各种化学基团并不一定都与酶的活性有关。其中那些与酶的活性密切相关的基团称做酶的必需基团（essential group）。这些必需基团在一级结构上可能相距很远，但在空间结构上彼此靠近，组成具有特定空间结构的区域，能与底物特异地结合并将底物转化为产物。这一区域称为酶的活性中心（active center）或活性部位（active site）。 对结合酶来说，辅酶或辅基参与酶活性中心的组成。

    酶活性中心内的必需基团有两种：一是结合基团（binding group），其作用是与底物结合，使底物与酶的一定构象形成复合物；另一是催化基团（catalytic group），其作用是影响底物中某些化学键的稳定性，催化底物发生化学反应并将其转变成产物。活性中心内的必需基团可同时具有这两方面的功能。组氨酸残基的咪唑基、丝氨酸残基的羟基、半胱氨酸残基的巯基以及谷氨酸残基的γ—羧基是构成酶活性中心的常见基团。还有一些必需基团虽然不参加活性中心的组成，但却为维持酶活性中心应有的空间构象所必需，这些基团是酶活性中心外的必需基团（图4—1）。