酶的分子结构与功能

第一节　酶的分子结构与功能

一、酶的化学组成

根据酶的化学组成不同可将酶分为单纯酶和结合酶。

（一）单纯酶

单纯酶是仅由氨基酸残基构成的单纯蛋白质，通常只有一条多肽链。其催化活性主要由蛋白质结构所决定，如蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶、核糖核酸酶及泪液中的溶菌酶等。

（二）结合酶

结合酶由蛋白质和非蛋白质两部分组成。蛋白质部分称为酶蛋白，非蛋白质部分称为辅助因子，酶蛋白与辅助因子结合形成的复合物称为全酶。生物体内多数酶属于结合酶。

结合酶（全酶）＝酶蛋白＋辅助因子

辅助因子包括金属离子、B族维生素的衍生物等。根据辅助因子与酶蛋白结合的牢固程度，可把辅助因子分为辅酶和辅基。与酶蛋白结合牢固，不能用透析等方法使之与酶蛋白分开的称为辅基；与酶蛋白结合疏松，能用透析法使两者分离的称为辅酶。

酶的催化作用有赖于全酶的完整性，酶蛋白或辅助因子单独存在时均无催化活性，只有两者结合组成全酶时才有催化活性。一种酶蛋白只能与一种辅助因子结合成一种有催化能力的全酶，而一种辅助因子可以与多种酶蛋白结合成有不同催化功能的全酶。在酶促反应过程中，酶蛋白决定酶的专一性，而辅助因子决定反应的类型。

二、酶的命名与分类

（一）酶的命名

1．习惯命名法

①以酶催化的底物加反应的类型来命名，如乳酸脱氢酸、磷酸己糖异构酶等；②水解酶类，习惯上只用底物名称即可，如淀粉酶、蛋白酶等；③有时在底物前加上酶的来源，如胰淀粉酶、胃蛋白酶等。习惯命名法简单，使用方便，但有时会出现一酶数名或一名数酶的弊病。

2．系统命名法

1961年国际酶学委员会提出了一套系统命名法，使一种酶只有一个名称。在这个系统内，一种酶是从其底物及所催化反应的类型而得名，底物名称之间以“：”分隔。同时每一种酶有四个数字组成的系统编号，依次表示该酶所属的类别、亚类、次亚类及编号。一般系统命名都较长，使用不方便。国际酶学委员会规定在发表以酶为主题的论文时，在正文中第一次出现的酶要标明酶的分类编号。

（二）酶的分类

国际酶学委员会按酶促反应的性质将酶分为六大类。

1．氧化还原酶类（oxidoreductases）

催化底物进行氧化还原反应，如琥珀酸脱氢酶、细胞色素氧化酶、过氧化氢酶等。

2．转移酶类（transferases）

催化底物之间某些基团的转移或交换，如转氨酶、转甲基酶、磷酸化酶等。

3．水解酶类（hydrolases）

催化底物发生水解反应，如胃蛋白酶、唾液淀粉酶、胰脂酶等。

4．裂解酶类（lyases）

该类酶也称为裂合酶类，催化一种底物分解为两种化合物或将两种化合物合成一种化合物的反应，如柠檬酸合成酶、醛缩酶、碳酸酐酶等。

5．异构酶类（isomerases）

催化同分异构体之间的相互转化，如磷酸己糖异构酶、磷酸丙糖异构酶等。

6．合成酶类（synthetases）

催化两分子底物化合为一分子化合物，且必须与ATP的磷酸键断裂相偶联，如氨基酰－tRNA合成酶、谷氨酰胺合成酶等。

三、酶的活性中心

酶蛋白分子的结构特点是具有活性中心。酶蛋白分子中存在有许多化学基团，如—NH2、—COOH、—SH、—OH等，这些基团并不是都与酶的催化活性有关。其中，与酶活性密切相关的基团称为必需基团（essential group）。常见的必需基团有组氨酸残基上的咪唑基、丝氨酸和苏氨酸残基上的羟基、某些酸性氨基酸残基上的自由羧基和碱性氨基酸残基上的氨基等。

酶分子中的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结合并催化底物转化为产物的特定空间构象的区域，这一区域称为酶的活性中心（active center）或活性部位（active site）。对于结合酶来说，辅酶和辅基可参与酶的活性中心的组成。

构成酶的活性中心的必需基团分为两种：一种是结合基团（binding group），能与底物相结合，形成底物与酶的复合物；另一种是催化基团（catalytic group），催化底物发生化学变化，并将其转化为产物。酶的活性中心内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，但却是维持酶的活性中心空间构象所必需的，这些基团称为酶的活性中心以外的必需基团（图4－1）。

图4－1　酶的活性中心示意图

酶的活性中心是酶催化作用的关键部位。其活性中心一旦被其他物质占据或某些理化因素使酶的空间构象破坏，酶的活性就会丧失。

四、酶原与酶原的激活

有些酶在细胞内合成和初分泌时并无催化活性，这种无活性的酶的前体称为酶原。在一定的条件下，无活性的酶原转变为有活性酶的过程称为酶原激活。其实质是酶的活性中心形成或暴露的过程。人体内一些与消化作用、凝血作用、补体作用有关的酶在分泌时是以酶原形式存在的。

例如，胰蛋白酶原由胰腺分泌进入小肠后，受肠激酶的激活，使第6位赖氨酸残基与第7位异亮氨酸残基之间的肽键断裂，水解下一个6肽，酶分子的构象发生改变，形成酶的活性中心，从而成为有催化活性的胰蛋白酶（图4－2）。

图4－2　胰蛋白酶原的激活示意图

胰蛋白酶的形成，不仅能水解食物中的蛋白质，还能催化胰蛋白酶原的自身激活和小肠中其他蛋白酶原的激活，从而形成一个逐级加快的连锁反应过程。

酶原激活具有重要的生理意义。蛋白酶以酶原形式分泌，能保护组织器官本身不受酶的水解破坏，防止组织自溶，又可使酶到达特定部位发挥作用，从而保证体内代谢过程正常进行。如果胰蛋白酶原过早地在胰腺被激活，将使胰腺本身组织蛋白及血管遭到破坏，严重者将引起致命的出血性胰腺炎。又如在正常情况下血液中虽有凝血酶原，却不会被激活，无血液凝固发生，一旦血管破损，凝血酶原被激活成凝血酶，催化纤维蛋白酶原变成纤维蛋白，使血液凝固，阻止大量失血，起到保护机体的作用。

知识链接

酶原激活与急性胰腺炎

正常胰腺可分泌以胰淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶等为主的消化酶，这些酶在正常情况下大多数以酶原的形式存在于胰腺细胞内，同时胰腺还能产生胰蛋白酶抑制物，以抑制胰蛋白酶的活性。当胰腺在各种致病因子作用下使本应在肠道中被激活的胰蛋白酶原与糜蛋白酶原在胰腺内激活，这样不仅使胰腺组织细胞受到破坏，产生胰腺坏死，而且被激活的酶还可进入血液，造成严重后果。

五、同工酶

同工酶是指虽催化相同的化学反应，但酶蛋白的分子结构、理化性质及免疫特性等却不同的一组酶。这类酶存在于同一机体的不同组织中，甚至存在于同一组织细胞内的不同亚细胞结构中，它在代谢调节上起着重要的作用。

现已发现百余种同工酶，如乳酸脱氢酶、核糖核酸酶、肌酸磷酸激酶、胆碱酯酶等。

乳酸脱氢酶（LDH）有心肌型（H）和骨骼肌型（M）两种亚基，这两种亚基以四聚体形式随机组合成五种同工酶（图4－3）：LDH₁（H₄）、LDH₂（H₃M₁）、LDH₃（H₂M₂）、LDH₄（H₁M₃）、LDH₅（M₄）。这五种同工酶具有不同的电泳速度。

图4－3　乳酸脱氢酶同工酶的组成

LDH同工酶在各器官中的分布和含量不同，各器官组织都有其各自特定的分布酶谱及功能。如心肌中以LDH₁含量最高，骨骼肌和肝中以LDH₅含量最高。当出现急性心肌梗死时，心肌细胞缺血坏死，细胞内的乳酸脱氢酶释放入血，从血清同工酶电泳图谱中可发现LDH₁比例增加，故测定同工酶有助于疾病的诊断，同时也是现代医学中诊断灵敏且可靠的手段之一。