第一节　酶的结构与功能

酶的化学本质是蛋白质，具有一、二、三、四级结构。由一条肽链构成的酶称为单体酶（monomeric enzyme），例如牛核糖核酸酶、溶菌酶、羧肽酶A等。由多个相同或不同亚基以非共价键相连的酶称为寡聚酶（oligomeric enzyme）。绝大多数寡聚酶含偶数亚基，个别的寡聚酶含奇数亚基。寡聚酶中多数是可调节酶，在代谢调控中起重要作用。生物体内有些酶彼此聚集在一起，组成一个物理的结合体，此结合体称为多酶复合体（multienzyme complex）。多酶复合体催化过程如同流水线，发生连锁反应，底物从一个酶依次流向另一些酶。多酶复合体是生物体提高酶催化效率的一种有效措施。有些多酶复合体在进化中由于基因融合，使具有多种不同催化功能的酶形成一条多肽链，在一种酶中具有多个催化部位和催化活性，这种具有多种不同催化功能的酶称为多功能酶（multifunctional enzyme）。多功能酶在分子结构上比多酶复合体更具有优越性，其相关的化学反应在一个酶分子上进行，比多酶复合体更有效，这也是生物进化的结果。

一、酶的化学组成

（一）酶的化学组成及作用

按照酶的化学组成可将酶分为单纯酶（simple enzyme）和结合酶（conjugated enzyme）两大类。单纯酶分子只有氨基酸残基组成的多肽链，它的催化活性仅仅取决于它的蛋白质结构。体内只有少数酶为单纯酶，如淀粉酶、脂肪酶、蛋白酶等。结合酶分子除了由氨基酸残基组成的多肽链外，还含有非蛋白成分。结合酶中的蛋白质称为酶蛋白（apoenzyme），非蛋白质部分称为辅助因子（cofactor），由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，酶蛋白和辅助因子单独存在时均无催化活性。在酶促反应中酶蛋白起着决定反应特异性的作用，辅助因子则决定反应的类型与性质。

（二）酶的非蛋白部分

生物体内结合酶的种类众多，而辅助因子的种类较少，一种辅助因子可与不同的酶蛋白结合构成不同的全酶。辅助因子按其与酶蛋白结合的紧密程度不同可分为辅酶（coenzyme）与辅基（prosthetic group）。辅酶与酶蛋白往往以非共价键相连，结合较为疏松，可用透析或超滤的方法除去。辅基则与酶蛋白以共价键相连，结合较为紧密，不能通过透析或超滤将其除去。

酶的辅助因子包括金属离子和小分子有机化合物。

1.金属离子

许多酶的辅助因子是金属离子，常见有K+、Na+、Mg2+、Cu2+、Zn2+、Fe2+、Fe3+等。依据酶与金属离子结合的牢固程度可把酶分为结合牢固的金属酶（metalloenzyme）和结合不牢固的金属激活酶（metal activated enzyme）。金属离子在酶促反应中具有多方面功能，如组成酶的活性中心、稳定酶的构象、参与催化反应、传递电子、在酶与底物间起桥梁作用、中和底物的阴离子、降低反应中的静电斥力等。

2.小分子有机化合物

这类辅助因子主要是指含有B族维生素的小分子有机化合物，B族维生素是构成许多辅酶或辅基分子的组成成分，其主要作用是参与电子、原子、化学基团的传递等酶的催化过程。B族维生素的结构、化学性质和生化作用详见第二十章，B族维生素的辅酶或辅基形式见表4-1。

二、酶的活性中心

酶分子多肽链氨基酸残基存在有许多化学基团，这些基团并不都与酶活性有关。其中与酶的活性密切相关的化学基团称为酶的必需基团（essential group）。常见的必需基团有—NH2、—COOH、—SH、—OH和咪唑基等。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，形成一个能与底物特异地结合并将底物转变为产物的特定的空间区域，这一区域称为酶的活性中心（active center）（图4-1）。对结合酶来说，辅酶或辅基也是酶活性中心的组成部分。酶的活性中心是酶发挥作用的关键部位，若此结构受到破坏，酶则失去活性。此外，酶活性中心构象是一动态结构，存在一定可变性或运动性，即具有柔性（flexibility）。酶活性中心的柔性是酶发挥催化作用所必需的。

酶活性中心内的必需基团按其作用可分为两种：能直接与底物结合的必需基团称为结合基团（binding group）；能够催化底物将其转变为产物的必需基团称为催化基团（catalytic group）。也有的必需基团可同时具有这两方面的功能。还有一些必需基团虽然不参加活性中心的组成，但却是维持酶活性中心应有的空间构象所必需的，这些基团称为酶活性中心外的必需基团（见图4-1）。

三、酶原与酶原的激活

有些酶在细胞内合成或初分泌时，没有催化活性，这种无活性状态的酶的前体称为酶原（zymogen）。如胃蛋白酶、胰蛋白酶等许多消化道的蛋白水解酶在它们初分泌时都是以无活性的酶原形式存在。在一定条件下，酶原受某种因素作用后，其分子构象发生变化，从而使无活性的酶原转变成有活性的酶，这一过程称为酶原的激活。酶原激活的实质是活性中心形成或暴露的过程。例如，胰蛋白酶原随胰液进入肠道后，在肠激酶的作用下，从N端水解掉一个六肽片段，使酶分子空间构象发生改变，形成酶的活性中心，于是胰蛋白酶原变成了具有催化活性的胰蛋白酶（图4-2）。除消化道的蛋白酶外，血浆中大多数凝血因子基本上也是以无活性的酶原形式存在，以保证血液的流动，只有当组织或血管内膜受损后，凝血系统被激活，凝血酶原则转变为有催化活性的凝血酶，进行止血。由此可见，消化道中酶原的存在与激活能防止细胞内产生的蛋白酶对细胞进行自身消化，并可使酶在特定的部位和环境中发挥作用，对保护机体具有重要的生理意义。

四、同工酶

同工酶（isoenzyme）是指催化相同化学反应，但酶蛋白的分子结构、理化性质乃至免疫学性质各不相同的一组酶。同工酶存在于生物的同一种属或同一个体的不同组织、细胞中。现已发现有一百多种酶具有同工酶。

同工酶在代谢调节上起着重要作用。同工酶谱可作为发育过程各组织分化的一项重要特征，在胎儿发育过程中有其规律性的变化。同时一些同工酶的出现与消失还可用于解释发育过程不同阶段某些特有的代谢特征。

乳酸脱氢酶（lactic acid dehydrogenase，LDH）是研究最早、应用最为广泛的同工酶。LDH是四聚体，由骨骼肌型（M型）和心肌型（H型）两种亚基组成。两种亚基以不同比例组成五种同工酶：LDH1（H4）、LDH2（H3M）、LDH3（H2M2）、LDH4（H1M3）和 LDH5（M4）（图4-3）。LDH同工酶在不同组织含量与分布不同，心肌LDH1较为丰富，肝脏和骨骼肌含LDH5较多（表 4-2）。

在临床上，同工酶的测定有助于疾病的鉴别诊断。如通过检测病人血清中LDH同工酶的电泳图谱，辅助诊断哪些器官组织发生病变：心肌受损病人血清LDH1含量上升，肝细胞受损者血清LDH5含量增高。

五、酶活性的调节

细胞中的一些酶促反应常常构成一个连续的反应体系，即前一个酶反应的产物正好是后一个酶催化的底物，使某一种底物经过一系列化学反应转变成最终产物，这一系列酶促反应组成一条代谢途径。

在一条代谢途径中，往往有一个或几个酶促反应速度最慢，控制着整个代谢途径的反应速度，这些酶促反应称为该途径的限速反应，催化限速反应的酶称为限速酶（关键酶）。机体可通过调节限速酶活性从而协调代谢途径的速度和方向。限速酶活性调节有别构调节和化学修饰调节两种方式。

（一）别构调节

体内某些小分子化合物可以与某些酶分子活性中心外的部位特异的非共价结合，使酶分子的构象发生改变，从而改变酶的活性，这种调节作用称为别构调节（也称为变构调节）。受别构调节的酶称为别构酶（allosteric enzyme）。引起别构效应的物质称为别构效应剂（allosteric effector），其中使酶活性增强的称为别构激活剂；使酶活性减弱的称为别构抑制剂。

别构酶分子常由多个亚基组成，酶分子的催化部位和调节部位可在同一亚基上，也可在不同的亚基上。别构抑制调节是最常见的别构调节方式，别构抑制剂通常是代谢通路的终产物，通过反馈抑制，可以及时地调节整个代谢过程，这对维持体内的代谢有着重要的作用。例如葡萄糖的氧化分解使ADP转变成ATP，当ATP过多时，通过别构调节可限制葡萄糖的分解，而ADP增多时，则可促进糖的分解。通过调节ATP/ADP的水平，可以维持细胞内能量的正常供应。

效应剂与酶的一个亚基结合，此亚基的别构效应使邻近的亚基也发生构象改变，从而可引起对此效应剂的亲和力改变，这种作用称为协同效应（cooperativity）。若使邻近亚基对效应剂的亲和力增大，则为正协同效应；相反，若发生别构的相邻亚基对效应剂的亲和力下降，则为负协同效应。如果底物对酶具有正协同效应，则底物浓度作用曲线呈S形曲线（图4-4）。

（二）共价修饰调节

体内有些酶多肽链上的一些基团在其他酶的催化作用下，可与某些化学基团发生可逆性的共价结合，从而使酶的活性发生改变，这种调节方式称为酶的共价修饰调节（covalent modification regulation）。在共价修饰过程中，酶发生无活性（或低活性）与有活性（或高活性）两种形式的互换。体内常见的共价修饰包括：磷酸化与去磷酸化、乙酰化与去乙酰化、甲基化与去甲基化、腺苷化与去腺苷化，以及-SH与S-S的互变等方式，其中磷酸化与去磷酸化最为常见（图4-5，表4-3）。共价修饰反应迅速，并且可以连锁方式进行，即某种激素或调节因子使第一个酶发生共价修饰后，被修饰的酶又可催化另一个酶发生共价修饰，每修饰一次，就将调节信号放大一次，因此具有级联式放大效应。

酶的别构调节和共价修饰调节都是体内物质代谢的快速调节方式。

六、酶活性测定与酶活性单位

在实际酶研究中，由于酶的含量甚微，很难直接测定酶蛋白含量，因而往往测定酶活性表示酶量。酶活性是指酶催化的化学反应的速度。在规定的温度、pH和底物浓度的条件下，单位时间内消耗一定量底物或生成一定量产物所需的酶量称为酶活性单位。一般以测定产物的生成量较多见，产物从无到有较为灵敏。为统一标准，国际生物化学学会推荐使用国际单位，即在特定条件下，1分钟内能使1μmol底物转变为产物所需要的酶量为一个国际单位（IU）。1979年国际生物化学学会将酶的活性单位与国际单位制的反应速率（mol/s）相一致，推荐用催量单位（Kat）来表示酶活性。1催量单位定义为：在特定的测定系统中，每秒钟催化1mol底物转变为产物所需要的酶量。催量与国际单位的换算关系为：