3.1　酶的命名、分类及组成

3.1.1　酶的命名

1961年以前，酶的命名缺乏系统性和科学性，都是按习惯进行命名，归纳起来大致有酶的作用底物、酶催化反应性质和类型、酶的来源三种命名方式，如蛋白酶是水解蛋白（底物）的酶，脱氢酶是催化脱氢反应（类型）的酶，胰蛋白酶和胃蛋白酶是来自胰脏和胃（来源）的蛋白酶。1961年国际酶学委员会提出酶的国际系统命名法原则：每一种酶有一个系统名称（systematicname），包括底物名称及催化反应性质，最后加一个“酶”字。如果酶催化反应有两个底物时，写出两个底物并用“：”号隔开。例如：

丙氨酸+α-酮戊二酸→谷氨酸+丙酮酸

催化该反应的酶，习惯命名是谷丙转氨酶，系统命名是丙氨酸：α-酮戊二酸氨基转移酶。酶命名时如果水是底物之一，则可只写另一底物。

3.1.2　酶的分类及编号

按照酶催化的化学反应类型，国际酶学委员会将酶分为六大类，用数字1～6编号：1.氧化还原酶；2.转移酶；3.水解酶；4.裂合酶；5.异构酶；6.连接酶（合成酶）。每个酶都有一个编号，如EC1.1.1.1，其中EC是Enzyme Commision的缩写，后面用“.”隔开的4个数字中，第一个数字代表酶所属的六大类中的一种；第二个数字代表酶的亚类；第三个数字代表酶的亚亚类，表明底物或反应物的性质、种类；第四个数字表示酶的顺序号。按照所催化的反应代表六大类和亚类的前两位数字编号如下：

大类编号1代表氧化还原酶（oxido-reductase）：催化底物进行氧化还原反应，转移电子。按电子供体的类别分为8个亚类：（1.1）CH—OH；（1.2）；（1.3）；（1.4）CH—NH2；（1.5）CH—NH；（1.6）NADH、NADPH；（1.7）其他含氮化合物；（1.8）含硫基团。如葡萄糖氧化酶（EC1.1.3.4）、黄嘌呤氧化酶（EC1.2.3.2）、二氢尿嘧啶脱氢酶（EC1.3.1.1）。

大类编号2代表转移酶（transferase）：催化基团转移反应，即将一个底物分子的基团转移到另一个底物的分子上。依据转移基团分为8个亚类：（2.1）一碳基团；（2.2）醛基、酮基；（2.3）酰基；（2.4）糖苷基；（2.5）甲基以外的烃基或酰基；（2.6）氮基团；（2.7）转移磷酸基；（2.8）含硫基团。如天冬氨酸氨基转移酶（EC2.6.1.1）。

大类编号3代表水解酶（hydrolase）：催化底物发生水解反应。根据水解键类型不同而分的亚类有：（3.1）酯键；（3.2）糖苷键；（3.3）醚键；（3.4）肽键；（3.5）其他C—N键；（3.6）酸酐键；（3.7）C—C键。如淀粉酶、蛋白酶、核酸酶、脂酶、乙酰胆碱酯酶（EC3.1.1.7）、6-磷酸葡萄糖酶（EC3.1.3.9）等。

大类编号4代表裂合酶（lyase）：从底物分子中去除一个基团或原子，形成双键的反应及其逆反应。按分裂键的类型有6个亚类：（4.1）C—C；（4.2）C—O；（4.3）C—N；（4.4）C—S；（4.5）C—卤；（4.6）P—O。如丙酮酸脱羧酶（EC4.1.1.1）、醛缩酶（EC4.1.2.7）。

大类编号5代表异构酶（isomerase）：催化各种同分异构体之间相互转化的反应。催化反应或酶的类型包括：（5.1）消旋及差向异构；（5.2）顺反异构；（5.3）分子内氧化还原；（5.4）分子内转移；（5.5）分子内裂合酶。如磷酸丙糖异构酶、消旋酶、磷酸核酮糖差向异构酶（EC5.1.3.1）。

大类编号6代表连接酶（ligase）或合成酶（synthetase）：催化两分子底物合成为一分子化合物，同时偶联有ATP的磷酸键断裂释放能量的反应。这类酶催化4种新键的形成：（6.1）C—C；（6.2）C—O；（6.3）C—N；（6.4）C—S。如乙酰CoA羧化酶（EC6.4.1.2）。

表3.1中列举了一些酶的命名。

3.1.3　酶的组成

除核酶外，绝大多数酶是具有催化功能的蛋白质，具有蛋白质的理化性质，分子量很大（几万到几百万），必须具有一定的空间构象才具有催化活性。根据酶的蛋白质特点，可将其分为单体酶、寡聚酶和多酶复合体。

单体酶（monomeric enzymes）：有的酶由一条多肽链组成（如溶菌酶），也有由多条肽链组成的，并通过二硫键连接形成一个整体（如胰凝乳蛋白酶有3条肽链，链间由二硫键连接）。

寡聚酶（oligomeric enzymes）：由两个或两个以上亚基组成，亚基可以相同（如己糖激酶、丙酮酸激酶），也可以不同（如RNA聚合酶、乳酸脱氢酶）。各亚基之间主要靠次级键结合，结合得不是很紧密，很容易被分开。

多酶复合体（multienzyme complexes）：几种酶以非共价键形式彼此嵌合形成的复合体系，可依次催化一系列反应。如脂肪酸合成酶复合体是由7个酶和一个酰基携带蛋白质组成；丙酮酸脱氢酶复合体是由3种酶的60个亚基组成。

从酶的化学组成来看，又可将酶分为两大类：单纯蛋白酶和结合蛋白酶。

单纯蛋白（simple proteins）酶：酶分子中只含有蛋白质，不含有其他物质。酶分子中所含有的一些氨基酸残基能够形成酶活性中心，起催化作用。这类酶有蛋白酶、核糖核酸酶、脂肪酶、淀粉酶和脲酶等。

结合蛋白（conjugated proteins）酶：除蛋白质外，酶分子中还含有其他物质。这类酶的蛋白质部分不能独立展现酶的活性，需要有其他非蛋白质成分辅助才能具有催化性质。具有催化活性且含有辅助成分的酶称为全酶（holoenzymes），其蛋白质部分称为脱辅基蛋白（apoproteins）或脱辅基酶（apoenzymes）。非蛋白质辅助物质被称为辅因子（cofactors），其中一类辅因子是一种或多种金属离子，如Fe2+/Fe3+、Zn2+、Mg2+、Cu+/Cu2+或Mn2+等；另一类辅因子称为辅酶（coenzymes），是一类有机分子或有机金属离子，如辅酶Ⅰ、辅酶Ⅱ等，通常与脱辅基蛋白结合较松弛，可通过透析方法除去。一些酶除了含有辅酶外，还含有一种或多种金属离子，才能构成具有催化活性的空间结构。

核酶（ribozyme）是具有特定三维构象、催化作用底物为核糖核酸（RNA）的一类特殊RNA，既不同于核酸酶（nuclease），又不同于核糖核酸酶（ribonuclease，RNase）。核酶具有分子剪接功能，可催化四种类型的RNA自我切割及断裂反应，还具有催化自身复制功能。核糖体实际上也是一种核酶，与蛋白质的合成有关，可催化肽键的形成。核糖体的大亚基有一个供多肽链输出的“隧道”，在隧道的入口处有一个深的裂缝，其底部是催化肽链形成的活性部位。该活性部位rRNA上的单一核苷酸碱基具有酸碱性质，正适合作肽键形成的质子供体和受体。

核酶催化的反应有：磷酸酯、羧酸酯的水解反应以及磷脂酰基的转移反应，其催化活性比一般的蛋白质类酶的活性要低几个数量级。核酶携带有遗传信息，又是具有催化作用的生物分子，在生物进化过程中发挥了很重要的作用。

3.1.4　辅酶

在全酶中，辅酶作为载体具有转运特定基团的功能，直接参与酶促反应。辅酶决定催化反应类型（如氧化或还原），脱辅基蛋白决定所能催化的底物种类。辅酶的种类不是很多，同一种辅酶可以和多种脱辅基蛋白结合，形成催化不同反应的全酶。

表3.2中列有一些辅酶的形式和功能，其中多数辅酶的前体是B族维生素。这类维生素属水溶性的，是人体必需的营养物质，需要从食物中获取。虽然体内需求量很少，但容易随尿流失。维生素缺乏可引起许多疾病，所以在每天的饮食中要注意摄取。

1）辅酶Ⅰ（NAD+）和辅酶Ⅱ（NADP+）

辅酶Ⅰ是烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide，NAD+），辅酶Ⅱ是烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADP+），这两种辅酶的前体是烟酰胺（维生素B3）（图3.1）。

烟酰胺辅酶在氧化还原反应中起电子载体作用，功能部分是烟酰胺，通过氧化型（NAD+和NADP+）和还原型（NADH和NADPH）（图3.2）的变化进行质子和电子传递。含有NAD+和NADP+的脱氢酶将底物的两个电子和质子以H-形式转移给氧化型NAD+和NADP+的烟酰胺C-4上，使底物氧化，生成还原型NADH+H+和NADPH+H+。NADH主要在物质分解代谢中生成，在线粒体内膜电子传递链上被氧化生成大量的ATP；NADPH在生物合成中提供还原能力。

氧化型和还原型辅酶Ⅰ和辅酶Ⅱ在260nm处都有特征吸收峰。另外，NADH和NADPH因其结构中含有二氢吡啶环，在340nm处有吸收光谱；而NAD+和NADP+没有此吸收，由此可依据NADH/NADPH的变化检测氧化还原反应中脱氢酶的催化反应速率。

烟酰胺是烟酸（nicotinic acid，又称尼克酸）的衍生物，二者都具有吡啶结构，合称为维生素PP（又称抗糙皮维生素），在体内缺少时可导致糙皮病。维生素PP主要存在于酵母、花生、谷类、肉类和动物肝中，体内的色氨酸可转变成维生素PP。

2）黄素腺嘌呤二核苷酸和黄素单核苷酸

黄素腺嘌呤二核苷酸（flavin adenine dinucleotide，FAD）和黄素单核苷酸（flavin mononucleotide，FMN）的前体物质是核黄素（riboflavin），又称维生素B2（图3.3），也是脱氢酶的辅酶。在氧化还原反应中传递质子和电子，功能与辅酶Ⅰ相似。FAD和FMN的功能部分是异吡咯嗪环。在氧化还原反应中，氧化型的FAD和FMN可以一次接受2H+和2e-被还原成FADH2和FMNH2；也可以一次接受1H+和1e-生成黄素半醌型的FADH·和FMNH·，然后又接受1H+和1e-生成FADH2和FMNH2，该反应是可逆过程（图3.4）。在线粒体内膜电子传递链中经黄素半醌形式进行单电子传递。

FAD和FMN在波长445～450nm内有吸收，呈黄色；半醌型的FADH·和FMNH·在570nm处有吸收，显蓝色；但FADH2和FMNH2无吸收，显无色，因其异吡咯嗪环共轭双键消失。

FAD和FMN在体内参与很多物质代谢的氧化还原反应。当体内缺乏核黄素（维生素B2）时，易引起口角炎、唇炎等皮肤炎症。维生素B2广泛存在于牛奶、谷物、动物肝脏、蛋黄和大豆中。

3）辅酶A

辅酶A（coenzyme A，CoA或CoASH）是泛酸（维生素B5）的衍生物，由含有游离巯基的巯基乙胺、泛酸和3'-磷酸ADP酯三部分组成（图3.5）。辅酶A是参与酰基转移反应的重要辅酶，如在糖、脂肪酸、蛋白质代谢中，酶促反应生成乙酰CoA、脂酰CoA等重要的代谢产物。

泛酸又称为遍多酸，广泛存在于酵母、肝肾、蛋类、小麦、米糠和花生中，蜂王浆中含量丰富，辅酶A可用作多种疾病治疗的辅助药物。

4）磷酸吡哆素

磷酸吡哆素主要有磷酸吡哆醛（pyridoxal-5-phosphate，PLP）和磷酸吡哆胺（pyridoxamine-5-phosphate）两种活性形式（图3.6），是维生素B6的衍生物，也是氨基酸代谢中多种酶的辅酶，如谷丙转氨酶和谷草转氨酶的辅酶，起转移氨基作用。

维生素B6有吡哆醇、吡哆醛和吡哆胺（图3.6）三种形式。维生素B6分布广泛，在谷类外皮中含量丰富。另外，人体肠道细菌可以合成维生素B6，所以人体中很少发生维生素B6缺乏病。

5）生物素

生物素（biotin）辅酶（图3.7）在羧化酶中转移CO2，如丙酮酸羧化酶中含有生物素辅酶，使丙酮酸结合1分子CO2生成草酰乙酸。

生物素人体需求量很少，而且肠道细菌能够合成，所以很少有缺少生物素病症。如果长期服用抗生素药物，肠道正常细菌受到破坏，也会造成生物素缺乏。另外，长期大量食用生鸡蛋的人体内也有可能缺乏生物素，因为生鸡蛋含有的抗生物素蛋白与生物素结合，生成无活性又不易消化吸收的物质。

6）四氢叶酸

辅酶四氢叶酸（tetrahydrofolic acid，THFA，又称辅酶F）的前体物质是叶酸（folate）（图3.8），四氢叶酸在合成酶中具有一碳单位供体的功能，如甲硫氨酸、嘌呤和胸腺嘧啶的生物合成中都由四氢叶酸辅酶提供一碳单位。

叶酸在二氢叶酸还原酶作用下逐步生成四氢叶酸。叶酸参与核酸的合成，缺乏时DNA合成受阻，巨红细胞中的DNA减少，细胞分裂速度降低，细胞体积变大，核内染色质疏松，形成巨红细胞。这种细胞在成熟前就被破坏，造成人体贫血，称为巨红细胞性贫血症。

7）硫胺素焦磷酸

硫胺素焦磷酸（thiamine pyrophosphate，TPP）又称辅羧酶，是脱羧酶的辅酶，起转移羧基作用。硫胺素焦磷酸的前体是维生素B1，此维生素具有抗神经炎或抗脚气功能，其结构中由含硫的噻唑环和含氨基的嘧啶环组成，所以又称硫胺素（thiamine）（图3.9）。

硫胺素焦磷酸在糖代谢中参与羰基碳（醛和酮）合成和裂解反应，如在酵母中，丙酮酸脱羧酶使丙酮酸脱羧，生成CO2和乙醛。

维生素B1参与糖代谢，缺乏时糖代谢受抑制，丙酮酸累积，导致血、尿和脑组织中含量增加，临床表现就是脚气病，不同于真菌引起的脚癣。

人体对维生素B1的需求量较大，主要存在于麦麸、米糠、大豆、酵母中，所以不宜食用过度去除米糠的精米。在日常煮饭时，淘米次数不宜过多，以免水溶性的维生素B1流失。

8）钴胺素

钴胺素（cobalamin）也称氰钴胺素或维生素B12，具有抗恶性贫血功能，是变位酶的辅酶，起异构化作用。其结构类似于血红素中的卟啉环，中心的金属离子是Co3+。辅酶形式有两种：5'-脱氧腺苷钴胺素和甲基钴胺素。

维生素B12参与DNA合成，是血红细胞成熟不可缺少的物质，严重缺乏可导致恶性贫血。动植物不能合成维生素B12，只有少数微生物能合成。维生素B12能贮藏在动物肝脏和肉中，可从中摄取。但人体对维生素B12需求量极少，只要正常饮食，都不会缺乏。

除以上辅酶外，还有一些不含B族维生素的辅酶，如硫辛酸（lipoic acid）、辅酶Q等（图3.10）。硫辛酸的二硫化合物是以闭环氧化型和开环还原型两种结构共同存在，如在丙酮酸脱氢酶系中催化丙酮酸脱羧生成乙酰CoA，起转移氢和乙酰基作用。辅酶Q又称泛醌，存在于线粒体内膜上，是电子传递链氧化还原酶的辅酶，是电子传递体。

作为辅因子的金属离子参与许多酶促反应，根据与脱辅基蛋白结合程度可分为两类：金属酶和金属激酶。金属酶（metalloenzymes）中金属离子与脱辅基蛋白结合紧密，金属离子以配位键形式与脱辅基蛋白中氨基酸残基相互作用，辅助酶在反应中传递电子、原子或官能团，在溶液中加入游离金属离子并不会使金属酶活性增加。如组蛋白去乙酰化酶（图3.11）中的锌离子、1，3-丙二醇氧化还原酶（图3.12）中的铁离子、血红素中的铁离子、叶绿素中的镁离子、细胞色素c中的铜离子等。金属激酶（metal-activated enzymes）与金属离子结合松散，这类酶可与溶液中的金属离子结合而被激活，如DNA聚合酶只有在Mg2+存在下，才有催化活性。

3.1.5　同工酶

生物体内能够催化相同化学反应，但酶分子组成、结构和性质都不相同的一组酶称为同工酶（isoenzyme）。这类酶在动植物和微生物中广泛存在，其生理性质及理化性质，如溶解度、电泳性质、抑制剂和激活剂等都有所不同。1959年Marker利用电泳分离得到多种分子形式的乳酸脱氢酶（lactate dehydrogenase，LDH）。

同工酶形成的原因有：①蛋白质的基因编码不同。酶的编码来自共同祖先的基因，由于进化和突变产生的差别，酶的一级结构存在差别——分化进化（divergent evolution）；来自不同祖先的基因，进化过程产生了可以催化相同反应的结构部分——趋同进化（convergent evolution）。上述两种原因产生的同工酶，在结构和物理化学性质上有可能相差很远。②两条或多条亚基的肽链，通过共价键形成杂聚体的酶，如乳酸脱氢酶。其他形成原因还有：不同构象的蛋白质；同一条多肽链衍生的蛋白质；单亚基聚合的多聚体；与其他基团结合的蛋白质；酶的修饰等。

同工酶的鉴别可以通过底物、抑制剂和辅助因子对酶活性影响来测定，也可以采用色谱、电泳等蛋白质分析方法进行。电泳分析方法是较常用方法，它对酶的纯度要求不高，但分辨率高、获得信息量较多、简便迅速。

目前研究较多的同工酶是糖酵解途径中催化乳酸和丙酮酸可逆反应的乳酸脱氢酶，该酶是由两个亚基（M亚基和H亚基）按不同比例组成的四聚体。H亚基是心肌型，含有谷氨酸、天冬氨酸、苏氨酸、丝氨酸、缬氨酸较多；M亚基是骨骼肌型，含有较多碱性氨基酸。已知有5种LDH，它们的分子量比较接近，在不同组织中LDH同工酶分布和含量也不同（表3.3）。

在肌肉组织中LDH5含量较多，有利于丙酮酸转化成乳酸；在心肌中富含LDH1，有利于乳酸转化成丙酮酸。临床上，通过检查血液中几种LDH酶可以诊断疾病。如血液中H4含量增高，说明心肌受损，可初步断定为心肌梗死；当M4量增高时，表明肝受损，有可能是肝炎或肝硬化，也不排除心肌梗死的可能性。