来自医学百科
跳转至: 导航搜索

(enzyme),具有高效特异催化作用的蛋白质。体内几乎所有代谢反应均需酶的参与,而且对物质代谢的控制也多通过对酶活性的调节来实现。现在已经清楚,人类的不少疾病是由于某种酶的变异、减少甚或缺失所致,因此酶的缺失或变异可引起代谢紊乱而致病。催化剂只加速化学反应达到平衡点,而不改变平衡点。酶也是如此,不过与非酶催化剂相比较,酶的催化效率极高;而且酶只催化特定物质(称作用物)进行一定的化学反应,产生一定的产物而无副产物,亦即酶具有极高的特异性。酶的催化能力称为酶的活性,可以被测定,而且酶量的多少常以其活性大小来表示。对某些酶的活性的测定,常有助于疾病的诊断,因此酶学与疾病病因、诊断、治疗诸方面都很密切。

目录

酶的重要性

人体及其他生物要进行数千种不同的化学反应。举凡消化、吸收、运输、合成、分泌、运动和繁殖等种种活动(即通常所说的物质代谢),无不以化学反应为基础。这些反应大多进行缓慢,而酶则加速这些反应,从而使生命赖以存在的各种活动得以及时进行。这些反应绝大部分在细胞中进行;每个反应由不同的酶所催化;细胞内含数千种酶,分隔在各种细胞器中,有条不紊地催化生命攸关的反应。

以每日进食的淀粉为例,淀粉在消化道内消化,由淀粉酶等催化水解为葡萄糖,而葡萄糖进入细胞,也要有酶催化促成,而葡萄糖在细胞里的各种代谢更是一连串由酶催化的反应,这些反应使葡萄糖氧化成二氧化碳和水并供给能量,也可使之转变为其他物质如脂肪。葡萄糖在体内氧化与其在体外燃烧相比,其产物虽同是二氧化碳和水,同时都放出能量,但是在体内的氧化因有酶催化,在常温等温和的条件下进行,经过很多步骤并逐步放出便于利用的能量,这与体外燃烧极为不同。

酶的本质

在中国商周时期,就记录了酿酒制酱作饴等应用微生物中酶的生产活动。但是关于酶的本质,迟至20世纪之初方获结论。19世纪中期,人们仍认为酶必须在有生命的生物体中才起作用;酶一词的希腊文原义即“在酵母中”。1897年发现无细胞的酵母提取液也可发酵,方知酶在细胞外依然可起作用。但是当时对它的化学本质尚无所知。1926年美国生物化学家J.B.萨姆纳纯化脲酶,获得结晶,证明其为蛋白质,首先提出酶是蛋白质的概念。不过当时的学术权威多持异议,不以为酶已被结晶出来,反认为结晶了的是无作用的蛋白质,而起酶作用的却是附在其上的不明性质的污染物。后来其他科学家也纯化结晶得到诸如胃蛋白酶和胰蛋白酶等多种蛋白质水解酶,并也都证明它们都是蛋白质,酶的本质是蛋白质这结论才得到科学界认可。现已发现的数千种酶,已纯化结晶的数百种酶,以及分析测定了一级化学结构的酶,都证明是蛋白质。酶是蛋白质的概念如此牢固,若发现具有催化作用而非蛋白质的大分子,或不宜以酶称之。因此新发现的几种具催化活性的核糖核酸,被称为类酶(ribozyme,亦有译为核质酶、核酶RNA酶或称为“”者)。

全酶辅酶

酶可能是一条肽链,如水解RNA的核糖核酸酶就是由124个氨基酸组成的单条肽链;也可由两条或多条肽链组成,如乳酸脱氢酶由4条肽链组成。有些酶,整个分子都是蛋白质,另一些酶分子除蛋白质外尚需含有非蛋白质组分,方具酶活性。这些非蛋白质部分中与蛋白质(即酶蛋白)结合松散的称辅酶,结合牢固的称为辅基。酶蛋白和辅酶或辅基合称为全酶;单独的酶蛋白或辅酶都无活性。辅酶分子小,对热稳定,多属B族维生素衍生物(表1)。金属离子参与生物化学反应,约1/3的酶在催化中需要金属离子,它们将作用物直接连接到酶分子上,或与酶分子结合使形成可与作用物相结合的构象而间接起作用。需金属的酶可按与金属结合的强度区分为金属酶或金属激活酶。前者的金属结合很牢,虽再增加自由金属离子,其活性并不再增高。后者的金属与酶分子表面基因结合较松,往往在酶的纯化中丢失,因此需要再加入该金属离子方可恢复活性。Zn、Fe、Co、Mn、Cu等多见于金属酶,而CaMg常随Na和K作为金属激活酶的辅助因子。

酶的活性在于有一定的蛋白质结构。若酶受到、碱或酶的水解,通常要失去活性,这表明活性与其蛋白质一级结构相关。酶若受加热、pH剧变、变性剂的影响,虽无水解引起一级结构变化,但酶活性也往往消失,这表明酶的天然二级、三级及四级结构的重要性。酶蛋白变性就失去活性,但一些酶如RNA酶在一定条件下变性后,可有条件地恢复活性,此即复性作用。

酶的活性部位

酶的活性部位是结合作用物并提供直接参与形成或断开化学键的氨基酸残基的区域。含辅基的酶中,辅基也包括在活性部位。活性部位只占整个酶分子相当小的一部分。酶分子上绝大部分氨基酸残基并不与作用物接触。作用物与酶分子相比通常要小得多,只可能接触酶的很小的部分;即使大分子作用物如核酸或蛋白质,被催化进行反应时,酶也只是与该类大分子作用物中的局部接触。活性部位呈立体结构而不是一个点或线,也不是一个平面。它由来自酶分子中氨基酸序列的不同部分的残基组成,实际上一级结构上远隔开的残基更易相互作用成活性中心。如 RNA酶活性部位的重要氨基酸残基是第12位和第 119位的组氨酸及41位的赖氨酸残基。所有已知结构的酶分子上都有一个凹陷或裂缝构造,用以与作用物相结合。凹陷内含有进行结合作用和催化所需的残基,作用物进入凹陷式裂缝后,即借共价键、氢键、静电吸引等各种力量与酶结合并被催化。酶的特异性就与活性部位的构象密切相关。

酶的特异性

酶的一个最引人注目的特点是它催化的反应的特异性(或称专一性)。这既指酶对作用物的选择,也指对所催化反应的专一。不同的酶,其特异性的程度有别。如脲酶只催化尿素水解成为CO2和NH3琥珀酸脱氢酶只以琥珀酸为作用物,它们的特异性极其严格,这可称为绝对特异性,更多的酶对共同的基团或化学键有选择性;如磷酸酶可催化很多种含磷酸基团的化合物水解脱下磷酸,又如酯酶则可催化水解很多不同化合物的酯键,选择不甚严格,这可称为相对特异性。可见不同的酶对作用物的特异性差别很大,即使是同一类酶,因来源不同,特异性的严格程度也不一致。例如:同是断开肽键的蛋白质水解酶,枯草杆菌蛋白酶对各种氨基酸残基形成的肽键都有催化活性,胰蛋白酶对赖氨酸或精氨酸的羧基构成的肽键才有催化活性,而凝血酶仅对精氨酸的羧基与甘氨酸的氨基构成的肽键才有活性。酶对作用物的立体结构也有专一的选择,这称为立体特异性。如催化L-氨基酸氧化的酶对D-氨基酸就无活性。

酶的特异性早有锁与钥匙之说作解释。该说认为酶犹如复杂的锁,而作用物则似与之正确匹配的钥匙,只有形状相合的酶才有催化作用。这一观念现在经修改为诱导契合说:酶与作用物并非死板的锁与钥匙;酶分子的构象可受作用物诱导而改变,使两者成互补形状,十分配合,此即契合。

酶原

有一些酶在细胞内初合成时没有催化活性,这是酶的前体,称为酶原。例如胃和胰腺合成的蛋白水解酶都是以酶原的形式分泌到胃肠腔道中,然后经过不同的有限的水解作用,断开特异的肽键,才成为有活性的酶,这称为酶原的激活。体内血液凝固和凝块溶解也是一些酶原激活过程。酶初合成时呈酶原的形式,这可以防止酶不适时宜的催化活性。例如急性胰腺炎就是酶原在胰脏内被激活,导致胰腺组织蛋白质被水解,可危及性命。下面列出胰腺分泌的一些酶原的激活反应概要:

由此可见,胰蛋白酶原一旦被肠激酶激活,其他酶原也都被激活,它们就可协同作用,彻底水解肠腔中的蛋白质。肠激酶由十二指肠分泌,是控制蛋白质水解的关键。它特异地催化胰蛋白酶原中由赖氨酸羧基与异亮氨酸氨基构成的肽键的断开,从而脱下酶原N端一段六肽,蛋白质构象发生变化,可以形成有催化作用的活性部位。其他酶原的激活也是通过脱下或打开一些肽键,使酶分子可以形成活性部位。胰蛋白酶原也可被胰蛋白酶激活,这称为自身催化或激活;胃蛋白酶原既可由H+激活也可由胃蛋白酶自身激活。

酶作用机理

化学反应无非是旧化学键的断裂和新化学键的形成,在断裂与形成之间有一个过渡状态。在A→P的反应中,A要先开至过渡态A-P*方可跌落成为产物P,A-P*具有比 A或 P都高的能量。A要有足够的能量(即活化能△G)方可达到过渡状态:△G厵=-,化学反应的速度与具有等于或大于△G厵的自由能的分子数成正比。化学催化剂可降低反应的活化能,使更多的分子升到过渡状态,从而加速化学反应的进行,酶也如此。酶与作用物形成复合体ES而达到过渡状态[ES]*,所需活化能大大低于非催化反应和非酶催化反应,所以酶的催化效率极高。[ES]*经 EP(酶与产物复合体)而降解为产物和酶。

酶与作用物的可逆结合是通过离子键、氢键和范德瓦尔斯氏力这些非共价键而实现。换言之,酶的活性部位上的基团具有与作用物形成这种非共价键的能力。酶与作用物复合体的存在已经光谱分析电子显微镜观察甚至分离提纯等技术证明。

米凯利斯-门顿二氏方程

在很多酶促反应中,当酶浓度恒定时反应速度 υ与作用物浓度 [S]的关系呈双曲线图形,即在低[S]下υ呈直线上升,而在高[S]下,υ上升缓慢)。

即酶(E)以速度常数k1与作用物S形成复合体ES。ES可以速度常数k2解离为E和S,也可以速度常数k3生成E和产物P。可以设想,在反应初始时P生成极少,可不考虑其逆转为S的过程。 因此,初始速度υ 决定于[ES],即υ=k3[KS],在低[S]的条件下,作用物不足以结合所有的酶,故若[S]增加,[ES]随即增加,υ急剧增大。若[S]继续增加至所有E均与S结合成[ES],即[ES]=[E],反应速度υ即达最大值V,即使[S]再增,[ES]也不增多,所以 υ也不升高。在恒态下,ES形成速度k1[E][S]等于ES分解速度(k2+k3)[ES],按此推导出下式。即米凯利斯-门顿二氏方程式。

若反应速度υ 为最大速度V的一半,即V=2υ时,则Km=[S];亦即Km酶促反应速度等于最大速度的一半时的作用物浓度,其单位是摩尔/升(mol/L)。不同的酶,Km值不同,Km是酶的特征常数。在很多情况下,ES逆转为E和S的速度远大于ES生成E和P的速度,即k2k3,此时Km等于k2/k1Km值愈小,表示ES解离愈少,即酶与作用物的亲和力愈大;反之Km愈大,其亲和力则愈小。

酶浓度恒定时,V也是个常数。因为V=k3[E],若已知酶的摩尔浓度,得到V的值就可计算出k3,例如10-6摩尔碳酸酐酶被作用物完全饱和时,每秒可催化生成0.6摩尔H2CO3,其k3=6×105-3。常数k3称为转换率,又称催化常数,以Kcat表示。Kcat愈大, 酶的催化效率愈高。碳酸酐酶的转换率是已知酶中最高的。大多数酶的Kcat值在1~104-1范围内。

酶的抑制作用

许多物质可抑制酶的催化作用,这些物质称为抑制剂。抑制作用有重要意义,体内代谢调节的一种方式就是代谢产物的反馈抑制,而且很多药物或毒物也是通过抑制酶而起作用的。抑制作用可分为可逆抑制作用和不可逆抑制作用两类。后者指抑制物与酶活性部位牢固结合而使之持久地失去活性。如二异丙基氟化磷这一有机磷毒物就是与乙酰胆碱酯酶活性部位的丝氨酸共价结合而使该酶失去活性,不能水解在突触积累的乙酰胆碱。不可逆抑制剂不能用透析超滤物理手段从酶分子上除去。

可逆抑制作用指抑制剂与酶以非共价键结合,此时可用一些物理方法恢复酶的活性。按抑制剂与作用物及酶之间的相互关系,可逆抑制作用可分为竞争性抑制、非竞争性抑制、反竞争抑制和混合性抑制。①竞争性抑制剂与作用物竞争酶的相同结合部位。酶与抑制物结合就不能与作用物结合,反之亦然,它们相互排斥。抑制剂与作用物在结构上常有类似之处,如丙二酸是琥珀酸脱氢酶的竞争性抑制剂;但也不尽然。在竞争性抑制剂存在下,酶的Km值增大而且随抑制剂浓度的增加而增加,但是V不变。竞争性抑制是很多药物发挥作用的方式。如有抗菌作用磺胺药细菌二氢叶酸合成酶作用物对氨基苯甲酸的竞争性抑制剂。②非竞争性抑制剂既可与游离的酶结合,也可与酶-作用物复合体结合;作用物也可与酶-抑制剂复合体结合,它们不互相排斥而可形成酶-作用物-抑制剂三元复合体,但这个复合体不能释放产物。从上可见,此种抑制剂与作用物并不结合在酶上的相同部位,不影响作用物与酶的亲和力,但阻止酶的催化作用。在此种抑制剂作用下,酶的Km不变,但V减少并随抑制剂浓度的增大而减小。③反竞争性抑制剂不与游离酶分子结合,而只与酶-作用物复合体结合成三元复合体,使之不能释放产物。在反竞争性抑制剂作用下,酶的KmV都减小。

酶的调节

体内代谢可藉酶的隔离分布、数量和活性的变化而调节。不同细胞器有不同的酶谱。酶的数量可藉合成的诱导和阻遏以及降解的快慢而改变。酶的催化活性则可经化学修饰或非共价结合配体而改变。这种调节可在数秒至数分钟内完成,迅速精确。酶分子上磷酸化与脱磷酸是常见的化学修饰调节,如无活性磷酸化酶经磷酸化而具活性,脱磷酸后又失去活性。前述一些抑制剂就是非共价结合的配体,可起调节作用。也有能使酶活性增加的配体,即激活剂,如常见的某些金属离子。

另有一类别构酶,它们是寡聚体或具多个活性部位的单位。作用物与这类酶的一个活性部位结合后即影响余下活性部位与作用物的解离常数,即酶与作用物的结合有协同作用,别变构酶催化的反应速度与作用物浓度的关系曲线不呈双曲线而呈S形曲线。再者,别构酶的构象可因活性部位(催化单位)以外的别个部位(调节部位),与配体结合而有所改变。若这种结合促进酶的活性,该配体即为别构正效应剂或激活剂,反之为别构负效应剂或抑制剂。别构酶多处在代谢途径关键处,对调节代谢速度十分重要,可称为关键酶或调节酶。

酶的医学意义

疾病多与代谢失调相关,这常涉及酶的变化,因此酶在病因、诊断以至治疗上都有其地位。不少代谢性疾病是先天性某种酶的缺乏,如白化病因缺乏酪氨酸羟化酶糖原贮积病脂质贮积病苯丙酮酸尿症等也是酶缺陷所致。有机磷(如敌敌畏)等农药可抑制胆碱酯酶的活性,故有毒性。疾病时常有血清酶的改变,可用此作为诊断的依据。常用于诊断的血清酶有20多种。如肝脏疾病时可测定血清谷丙转氨酶(AST、GPT)。几种疾病可引起同一种酶的变化。具有不同理化性质、催化特点以及不同免疫性质的酶可催化同一反应,它们称为同工酶。可根据同工酶的变化以助某些疾病的鉴别诊断。如肌酸激酶有MM、MB和BB三型同工酶,心肌梗死时血清MB型增高,这是极好的诊断指标;而大多数前列腺癌病人血清中出现肌酸激酶BB型,而正常血清几乎不含该型酶。许多酶可应用于治疗,各类水解酶,如淀粉酶、胃蛋白酶可口服以帮助消化。尿激酶链激酶可以激活纤溶酶原,用以溶解血栓,疏通血管,治疗各类栓塞,如心肌梗死和脑栓塞

参看