生物催化剂－酶(精要)
第二章 生物催化剂－酶[color=Red]Sample Text[/color]生物催化剂(biocatalyst)或酶(enzyme)是由生物体活细胞产生并具有催化作用的物质，是生物化学反应能在极温和条件(37℃, pH 7.4)下进行的决定性因素。
2.1 酶的物质基础及催化特性
2.1.1 酶的物质基础及分类
以前一直认为蛋白质是酶几乎唯一的物质基础，因为自从1926年Sumner首次结晶出脲酶以来，所鉴定的两千多种酶的化学本质均是蛋白质，因而传统观念认为酶就是蛋白质。但在1981年美国科罗拉多大学的Cech发现了核糖核酸RNA的催化作用，并提出核酸酶(ribozyme)的概念(1989年获诺贝尔化学奖)。随后在1995年Cuenoud等又发现脱氧核糖核酸DNA也有某种催化活性，因而又提出脱氧核酸酶(deoxyribozyme)的概念。
酶可定义为：由蛋白质和核酸等形成的一类具有特定结构和特殊催化性能的物质，它们在体内以多种形式存在，可能与其它辅助因子有关，并可加速及调节各种生化反应的进行。
按其构成物质的种类可将酶类化合物分为三类：蛋白酶，核酸酶和脱氧核酸酶，其中蛋白酶已有70多年的研究历史和大量的成果积累。
2.1.2 酶催化的特点
作为催化剂，酶与一般的化学催化剂有共同之处：只能催化热力学允许的反应(ΔG<0)；本身在反应前、后的结构和数量均不变；对反应的正、逆向均有催化作用；只能改变反应速度而不能改变反应的平衡点。
作为生物催化剂，酶有其自身的特点：
1. 酶催化效率极高 在常温及中性pH条件下，比一般化学催化剂的效率高106~1012倍，例如尿素在常温常压下的酸性水解常数为7.4*10-7，而在脲酶的催化下其水解常数可达5.6*106，即提高了8*1012。
2. 酶催化具有高度的专一性 对反应物(底物)具有相当高的选择性，即一种酶只能作用于一些结构近似的化合物(相对专一性)或一种化合物而发生特定的反应(绝对专一性)。这种催化反应对底物的高度选择性要取决于酶分子的结构。也正是由于这种专一性特点，要在细胞内催化复杂的代谢反应，必须有许多种类的酶参加。即使是催化某一种反应，也可能由于反应的多步骤而导致多个酶共同起作用，也即所谓的酶系，如葡萄糖氧化酶系和尿素合成酶系等。
3. 酶催化的反应有极高的产率 与一般的有机化学反应相比，酶催化反应的产率可达100%。
4. 酶活性对环境条件极为敏感 由于其主体结构是蛋白或核酸类有机分子，酶活性极易受到环境变化的影响。紫外光、强热、强酸、强碱和重金属等均会导致酶变性失活。
5. 酶虽然是在活细胞中产生的，但有些酶可被分泌到细胞外发生作用，如消化道中的淀粉酶和蛋白酶等，这些都是胞外酶。胞内酶则在细胞内发生催化作用，它们通常与各种细胞器结合，并有各自的特定位置，例如线粒体上的三羧酸循环酶系和内质网核糖体上的蛋白质合成酶系等。
2.2 蛋白酶
2.2.1 蛋白酶的命名
已鉴定的蛋白酶种类约有两千多种，但酶的命名仍很混乱。
2.2.1.1 习惯命名法
1898年Duclaux开始在底物的英文名词上加-ase字尾作为酶的名称，此后便逐步形成了习惯命名中的两个惯例：
根据酶催化的底物命名，如水解淀粉的酶amylase，水解蛋白质的酶protease；进一步区分时还可加上酶的器官和来源，如唾液淀粉酶salivary amylase，胰淀粉酶pancreatic amylase，胃蛋白酶pepsin，胰蛋白酶trypsin，木瓜蛋白酶papain等；
根据催化反应的类型命名，如脱氢酶dehydrogenase，基团转移酶等；进一步区分时也可加上底物名，如琥珀酸脱氢酶succinate dehydrogenase，谷丙转氨酶glutamate-pyruvate transaminase，谷草转氨酶glutamicoxalacetic transaminase等。
随着新酶的不断发现，不同地区的研究人员根据其习惯方式给众多的酶命名，很难统一。为此，1956年成立的国际酶学委员会EC在1961年推荐了一个关于酶的系统分类法及酶命名原则，并被国际生化学会IUB所采纳而成为现在对酶分类及命名的标准。
2.2.1.2 国际系统分类原则及命名法
该分类法根据所催化反应的类型而将酶分为六大类，每一大类之下又分为若干亚类及亚亚类。按照该分类原则，一个酶的名称必须同时反映出催化反应的类型和底物，并要给其一个统一的编号。
以乳酸脱氢酶为例，其系统名称为NAD+:α羟基丙酸氧化还原酶：即首先列出底物，若底物多于一个，则要在中间用”:”分开，后面再写出反应类型。该酶的编号为Ec 1, 1, 1, 27：其中Ec代表国际酶学委员会，第一个1代表氧化还原酶，第二个1代表此类酶中的第一个亚类，即被氧化的基团为=CHOH，第三个1代表该亚类下的第一个亚亚类，即氢的受体是NAD+，27则表示乳酸脱氢酶在此亚亚类中的顺序号。
应当提及的是，尽管国际上已规定了酶的通用系统分类法和命名法，但由于该法比较烦琐，名称太长而不好记，因此目前大量应用的还是习惯名或推荐名，而所谓的推荐名就是EC推荐使用的一个习惯名。
2.2.2 蛋白酶的化学结构和催化专一性
2.2.2.1 蛋白酶的化学组成
蛋白酶是一类分子量在12,000~100,000之间的生物大分子，具有复杂的空间结构和特定的作用方式，其化学组成主要有以下几种：
酶蛋白apoenzyme：蛋白酶的化学本质是蛋白质，即蛋白质是酶的主体、酶活性的主要承担者以及构成酶的特定空间结构的主要组分。现已搞清了四十多种酶蛋白分子的氨基酸数目及顺序，例如牛胰岛蛋白酶为223个氨基酸残基组成的一条多肽链。
辅因子cofactor：有些酶分子中除了蛋白质分子外还含有其它有机小分子或无机离子，后者即为辅因子。在这类酶分子中，单纯的酶蛋白或辅因子都没有催化活性，只有当两者结合起来形成全酶holoenzyme才能发挥酶的催化作用。通常在全酶中一条多肽链结合一分子辅因子。酶蛋白受热后可变性，但辅因子一般对热稳定。根据辅因子与酶蛋白结合的牢固程度，又可将其分为两类：辅酶coenzyme结合比较疏松，辅基prosthetic group则结合牢固而不能被渗析所除去。
体内蛋白酶的种类很多而辅因子的种类却相对较少，一种酶蛋白可与一种辅因子结合成专一性的酶，但一种辅因子却可和若干种酶蛋白结合成若干种专一性不同的酶，因此，蛋白质是酶的专一性催化作用的决定性成分，而辅因子则是酶活性的必要组成部分。
辅因子的组成和作用有：
A 金属 含有金属离子的酶可分为两种，即：
金属酶类metalloenxzymes－金属离子在纯化过程中一直保留在酶分子中，如睃肽酶、黄嘌呤氧化酶等；
金属激活酶类metal activate enzymes－金属离子在纯化过程中容易失去，例如在催化过程中需要有Mg2+和Ca2+存在的酶大多属于这一类。
金属作为辅因子在酶分子中所起的作用主要有：
a 保持酶分子的活性构象 金属离子和酶蛋白结合成活性构象的复合物之后才能催化底物分子进行反应，如谷氨酰胺合成酶需要有二价的金属离子才能有稳定的活性构象。
b 传递电子 酶催化的氧化还原反应中，金属通过自身的电子得失而传递电子，如黄嘌呤氧化酶在催化嘌呤转变为尿酸的过程中，酶通过分子中的Mo6++2e＝Mo4+的互变反应而传递电子。
c 在酶与底物之间起连接作用 正电荷的金属可从酶分子中的氨基酸残基负性原子上接受电子，同时也从底物分子上负性原子处得到电子而与两者结合，从而连接酶与底物分子形成反应复合物。如羧肽酶中心的Zn2+即起着此种桥梁作用。在激酶催化的反应中，作用物ATP与Mg2+结合后才与激酶形成反应复合物，然后酶再将ATP中的磷酸基催化转移到第二个底物的氧或氮原子上。
d 其它 金属离子在酶催化的反应中还具有中和阴离子以及降低反应中的静电排斥作用等。
B 有机小分子 这类辅因子有与铁离子结合的卟啉环和维生素B混合体等，例如细胞色素、尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸(辅酶A, NAD+)以及黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)等，其结构、性质及作用将在维生素和辅酶一章中讨论。
2.2.2.2 蛋白酶的分类
1 根据酶分子中是否有辅因子可分为两类：有辅因子的为结合蛋白酶，没有的为单纯蛋白酶。
2 根据分子中多肽链的数目也可分为两类：只含一条者为单体蛋白酶，其分子量一般为13,000~35,000，常见的多为水解酶类；含有两条以上者为寡聚蛋白酶，其中的多肽链为酶分子的亚基，分子量一般为35,000~数百万，常见的多为糖代谢酶。
3 根据所催化的反应类型可分为六类。
4 两类比较特殊的酶类
a 同功酶isozyme 这类酶的分子结构虽然有差异，但却具有相同的催化功能。分子结构的差异导致了多种分子形式，因而理化及生物学性质如分子量、电泳及免役学性质等都有不同。它们多为寡聚蛋白酶，存在于同一种属或同一个体的不同组织中，甚至在同一组织、同一细胞的不同细胞器中。例如乳酸脱氢酶是由四个亚基所组成，但其亚基有H型即心肌型和M型即胃肌型之分，因而这两种不同类型的亚基可以组成五种不同类型的乳酸脱氢酶：H4, H3M, H2M2, HM3和M4。这五种酶的分子结构和理化性质不同，但却可以催化同一类化学反应。
b 同一种酶可以催化不同的反应 例如蛋白水解酶除了催化蛋白质、肽及氨基酸衍生物的水解外，在合适的条件下还可催化转移酰基的反应即转肽反应。这类酶的例子日益增多，其原因可能是因为酶分子在不同的条件下具有不同的构象，所以催化性能不同。
2.2.2.3 酶的分子结构和催化活性
蛋白酶分子不仅有其特定的氨基酸排列顺序，还有特定的二、三乃至四级结构，这均与其专一的催化活性密切相关。
酶催化反应的基本特点是反应发生在酶分子特定部位与底物结合而形成的复合物之中。该部位与底物有着特殊的亲和力，通过两者分子中一些基团的连接而形成复合物。该特定部位即酶的活性中心active center，该活性中心的形成显然是酶蛋白各级结构的自然结果，也是酶的催化专一性的决定因素：
酶分子中与活性有关的基团统称必需基团，在活性中心内与底物结合者为结合基团，催化底物反应的是催化基团，而位于活性中心之外但能维持催化活性的空间结构者，则为活性中心外的必需基团。
2.2.2.4 蛋白酶作用的专一性
就其对底物结构的要求，酶作用的专一性可分为以下两种：
1. 绝对专一性 某些酶对于给定的底物具有几乎绝对的专一性，甚至对于其它结构非常近似的底物也不会发生作用。例如天门冬氨酸酶aspartase只能催化氨分子加在富马酸fumaric acid分子的双键上，但不能加在任何一个另外的不饱和酸上；该酶同时还具有固定的光学和几何专一性，既不作用于D-天门冬氨酸，也不作用于富马酸的顺式几何异构体即延胡索酸maleate上。对于立体异构和几何异构的专一性，几乎是所有酶的共同特点。
2. 相对专一性 这类酶具有相对广泛的催化范围，可以作用于具有某一结构特征的一类化合物。例如糜蛋白酶chymotrypsin可催化许多不同多肽类物质的水解，但对底物还是有一定的要求，即其水解断裂的肽键处所连接的氨基必须是由苯丙氨酸phenylalanine、酪氨酸tyrosine或色氨酸tryptophan提供的。另一个例子是大肠磷酸酶intestinal phosphatase，它可以催化许多磷酸脂类物质的水解，但在作用速率上有很大的差别。
2.2.3 酶的作用机制
所谓酶的作用机制就是酶分子通过何种形式来发挥其独特的催化性能。
2.2.3.1 关于酶具有高催化效率的解释
在化学反应中，反应物经过化学变化生成产物都要克服一个能垒即活化能。催化剂之所以能加快反应速率，主要原因就在于它能降低反应的活化能，而酶降低活化能的程度更大。例如将过氧化氢分解为水和氧气的反应，其分子活化能为75.4 kJ/mol，用胶体钯作催化剂时，所需的活化能可降低到49.0 kJ/mol，而用过氧化氢酶催化时，则可将活化能降低到8.4 kJ/mol，即催化速率可提高一亿倍以上。
酶能如此大幅度降低反应活化能的原因可用化学中的中间产物学说来解释：
对于反应A+B→C，其反应进程曲线如图a，但若有酶E参加，则发生如下反应： A+B+2E→[AE]≠+[BE]≠→[CE]≠→C+2E
其中[AE]≠，[BE]≠和[CE]≠均为中间产物，反应进程曲线则如图b。显然，酶与底物形成活化复合物并进一步反应而生成产物的全过程所需的活化能大为降低。这正是酶催化反应加速的原理，结果可使酶促反应速率常数比无酶参与时提高许多。
对于催化生物反应而言，酶与底物结合而形成中间复合物的意义有：
a. 使底物分子相互接近并取得适宜反应的取向 在中间复合物上，底物分子受酶的诱导同时结合在酶分子的活性中心上，从而提高了底物的有效浓度，同时又因为活性中心的特定结构，使底物分子间取得适于反应的定向，大大增加了分子间有效碰撞的次数，因而提高了反应速率。
b. 使底物分子的某些键变形或减弱 底物分子受酶的诱导而发生变形，其反应键被拉紧或稳定性被减弱，促使反应易于进行。
c. 可以起酸碱催化作用 酶分子中氨基酸侧链的某些基团可作为通常的质子受体或供体而发挥酸碱催化作用。带有这类基团的氨基酸包括谷氨酸、天门冬氨酸、组氨酸、赖氨酸、酪氨酸和半胱氨酸等，其中尤以组氨酸最为常见，在体内条件下既可接受也可失去质子。
d. 可以起共价催化作用 酶与底物形成共价结合的中间复合物，它限制了底物分子在活性中心处的活动，使底物易被催化而进行反应，常见于转氨酶等的催化反应中。
2.2.3.2 对酶催化专一性的解释
a. 模板学说 早期E. Fisher曾用模板template或钥匙学说locked key theory来解释酶作用的专一性：底物分子或其一部分像钥匙一样，专一性楔入到酶的活性中心部位，即底物分子的反应部位与酶分子上具有催化效能的必需基团间有紧密互补的关系。
该学说强调的是，只有固定的底物才能楔入与它互补的酶的表面。结合所谓的酶与底物“三点附着”学说，即可更好地解释酶的立体专一性：“三点附着”是指立体对映的一对底物虽然基团相同，但其空间排列不同，因而可能出现这些基团与酶分子活性中心的结合基团能否互补匹配的问题。只有三点都互补匹配时酶才作用于该底物；如果因排列不同而不能三点匹配，酶就不能作用于它。这可能就是酶的立体异构专一性的机理。例如，甘油激酶与甘油的结合就可用此学说来解释：甘油的三个基团以一定的顺序附着到甘油激酶分子表面的特定结合部位上，由于酶的专一性，这三个部位中只有一个是催化部位，能催化底物的磷酸化反应。这就解释了为什么甘油在该反应中只有一个羟基被磷酸化的现象。
以上均为“刚性模板学说”，但有些问题还是不能被其解释：如果酶的活性中心是锁匙学说中的锁，那么该结构就不可能同时适合于可逆反应的底物和产物。
b. “诱导契合”假说induced-fit hypothesis 当酶与底物分子接近时，酶蛋白受底物分子的诱导，其构象发生有利于底物结合的变化，酶与底物在此基础上互相契合而进行反应。近年来X-射线衍射分析的实验结果支持该假说，证明酶与底物结合时确实有显著的构象改变，因而较好地解释了酶的专一性。
2.2.3.3 酶原的激活
许多酶刚产生出来时并没有催化活性，只是酶的前体或酶原zymogen，只有在一定的条件下经过适当的物质作用过程即激活，才能转变为正常而有活性的酶。酶原的激活主要有以下几种方式：
a. 与其它酶作用而被激活 通过与其它酶的作用，使其本身的肽链发生水解，解离掉“多余”的片段而使酶原激活。
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