第二節(jié)　酶的結(jié)構(gòu)與功能

一、酶的分子組成

酶的化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)，按照酶的分子組成，可將酶分為單純酶和結(jié)合酶兩類(lèi)。單純酶是指僅由氨基酸殘基構(gòu)成的酶，如脲酶、蛋白酶、淀粉酶、脂酶等。結(jié)合酶由蛋白質(zhì)部分和非蛋白部分共同組成，其中蛋白質(zhì)部分稱為酶蛋白（apoenzyme），決定酶促反應(yīng)的特異性及其催化機(jī)制；非蛋白質(zhì)部分稱為輔助因子（cofactor），主要決定酶促反應(yīng)的類(lèi)型與性質(zhì)。酶蛋白與輔助因子結(jié)合形成的復(fù)合物稱為全酶（holoenzyme），酶蛋白與輔助因子單獨(dú)存在時(shí)均無(wú)催化活性，只有全酶才具有催化作用。

酶的輔助因子按其與酶蛋白結(jié)合的緊密程度與作用特點(diǎn)，可以分為輔酶與輔基。輔酶與酶蛋白結(jié)合疏松，可用透析或超濾的方法除去。輔酶在酶促反應(yīng)中作為底物接受（或釋放）質(zhì)子或基團(tuán)后離開(kāi)酶蛋白，參加另外的酶促反應(yīng)。輔基與酶蛋白的結(jié)合緊密，不能通過(guò)透析或超濾的方法將其除去，在酶促反應(yīng)中不能離開(kāi)酶蛋白。

輔助因子多為金屬離子或小分子有機(jī)化合物。作為輔助因子的金屬離子有K^＋、Na^＋、Mg^2＋、Cu^2＋、Zn^2＋、Fe^2＋、Mn^2＋等，約有2/3的酶含有金屬離子。金屬離子在酶促反應(yīng)中的主要作用有：①作為酶活性中心的組成部分參與催化反應(yīng)，使底物與酶活性中心的必需基團(tuán)形成正確的空間排列，以利于酶促反應(yīng)的發(fā)生；②中和陰離子，降低反應(yīng)的靜電斥力，有利于底物與酶的結(jié)合；③作為連接底物與酶的橋梁，維持酶分子構(gòu)象等。

作為輔助因子的小分子有機(jī)化合物多為B族維生素的衍生物，在酶促反應(yīng)中主要參與傳遞電子、質(zhì)子或其他基團(tuán)，起運(yùn)載體作用（表4-2）。

二、酶的活性中心

酶分子中能與底物特異結(jié)合，并催化底物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成產(chǎn)物的特定結(jié)構(gòu)區(qū)域，稱為酶的活性中心（active center），酶的活性中心是酶分子執(zhí)行催化活性的部位。酶分子中的氨基酸殘基側(cè)鏈上含有許多不同的化學(xué)基團(tuán)，并非每一個(gè)化學(xué)基團(tuán)都與酶的活性有關(guān)，一般將與酶活性密切相關(guān)的化學(xué)基團(tuán)稱為酶的必需基團(tuán)（essential group），常見(jiàn)的必需基團(tuán)有組氨酸的咪唑基、絲氨酸的羥基、半胱氨酸的巰基、谷氨酸的γ-羧基等?；钚灾行膬?nèi)的必需基團(tuán)可分為兩類(lèi)：①結(jié)合基團(tuán)（binding group），其作用是識(shí)別結(jié)合底物，形成酶-底物復(fù)合物；②催化基團(tuán)（catalytic group），其作用是催化底物發(fā)生化學(xué)變化，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物，決定酶的催化能力。酶活性中心內(nèi)的這些必需基團(tuán)雖然在一級(jí)結(jié)構(gòu)上可能相距很遠(yuǎn)，但在空間結(jié)構(gòu)上彼此靠近，集中在一起形成活性中心。輔助因子一般位于酶的活性中心內(nèi)，有些必需基團(tuán)可同時(shí)具有結(jié)合基團(tuán)和催化基團(tuán)兩種功能。有些必需基團(tuán)位于活性中心外，主要為維持酶活性中心的空間構(gòu)象和（或）作為調(diào)節(jié)劑的結(jié)合部位所必需（圖4-1）。

酶的活性中心往往是酶分子多肽鏈折疊成形，如裂隙或凹陷的三維結(jié)構(gòu)區(qū)域，深入到酶分子的內(nèi)部，且多為氨基酸殘基的疏水基團(tuán)組成的疏水環(huán)境，形成疏水“口袋”，這種疏水環(huán)境有利于底物與酶形成復(fù)合物。例如溶菌酶的活性中心是一裂隙結(jié)構(gòu)，可容納6個(gè)（A、B、C、D、E、F）N-乙酰氨基葡糖環(huán)，見(jiàn)圖4-2。

★ 考點(diǎn)提示：?jiǎn)渭兠?、結(jié)合酶、酶的活性中心、必需基團(tuán)的概念

三、酶促反應(yīng)的機(jī)制

酶在催化反應(yīng)過(guò)程中，通過(guò)促進(jìn)酶與底物結(jié)合形成過(guò)渡態(tài)的中間復(fù)合物，并有效降低反應(yīng)活化能來(lái)實(shí)現(xiàn)其高效催化作用。

（一）酶有效地降低反應(yīng)的活化能

在化學(xué)反應(yīng)體系中，只有所含自由能達(dá)到或超過(guò)一定能量水平的底物分子，才可能發(fā)生相互碰撞并進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，這樣的分子稱為活化分子?；罨埽╝ctivation energy）是指在一定溫度下，1mol底物全部進(jìn)入活化態(tài)所需要的自由能（J/mol），即底物分子從初態(tài)轉(zhuǎn)變到過(guò)渡態(tài)（活化分子）所需要的能量?；罨苁腔瘜W(xué)反應(yīng)的“能障”，決定了化學(xué)反應(yīng)的速率。與一般催化劑一樣，酶加速反應(yīng)的作用也是通過(guò)降低反應(yīng)所需的活化能而實(shí)現(xiàn)的（圖4-3）。酶比一般催化劑能更有效地降低活化能，從而更高效地提高酶促反應(yīng)的速率。

（二）酶與底物結(jié)合形成中間復(fù)合物

酶在發(fā)揮催化作用時(shí)，必須首先與底物特異結(jié)合形成過(guò)渡態(tài)中間復(fù)合物，此過(guò)程是酶降低反應(yīng)活化能、發(fā)揮催化作用的關(guān)鍵。

1．酶與底物結(jié)合的誘導(dǎo)契合

1958年D.E.Koshland提出的酶-底物結(jié)合的誘導(dǎo)契合假說(shuō)認(rèn)為，酶與底物相互接近時(shí)，其結(jié)構(gòu)相互誘導(dǎo)、相互變形、相互適應(yīng)，進(jìn)而相互結(jié)合成復(fù)合物，這一過(guò)程稱為酶與底物結(jié)合的誘導(dǎo)契合（induced-fit）（圖4-4）。酶的構(gòu)象改變有利于酶和底物的結(jié)合及對(duì)底物的催化作用。底物在酶活性中心的某些基團(tuán)或金屬離子作用下發(fā)生變形，使某些化學(xué)鍵變得敏感而易于斷裂，容易受到酶的催化而轉(zhuǎn)變成產(chǎn)物。

2．鄰近效應(yīng)與定向排列

在有兩個(gè)以上的底物參加的反應(yīng)中，底物之間必須以正確的方向相互碰撞才有可能形成過(guò)渡態(tài)分子而發(fā)生反應(yīng)。鄰近效應(yīng)是指酶將反應(yīng)中所需的底物和輔助因子，按特定順序和空間定向結(jié)合于酶的活性中心，使它們相互接近在特定區(qū)域內(nèi)，增加底物之間互相碰撞的機(jī)會(huì)。而定向排列是指底物和酶結(jié)合時(shí)誘導(dǎo)酶蛋白的構(gòu)象變化，使二者能更好地互補(bǔ)，并使底物有正確的定向。鄰近效應(yīng)與定向排列實(shí)際是使分子間（底物與底物）的反應(yīng)變成了類(lèi)似于分子內(nèi)（酶-底物復(fù)合體）的反應(yīng)，提高了反應(yīng)的速率。

3．表面效應(yīng)

酶的活性中心多為疏水性“口袋”樣結(jié)構(gòu)。底物與酶的反應(yīng)在酶分子內(nèi)部疏水環(huán)境中進(jìn)行，使底物分子脫溶劑化，可排除水分子對(duì)酶和底物功能基團(tuán)的干擾性吸引或排斥，防止在酶與底物之間形成水化膜，有利于酶和底物的親密接觸與結(jié)合，并相互作用，這種現(xiàn)象稱為表面效應(yīng)。

★ 考點(diǎn)提示：酶促反應(yīng)的機(jī)制

四、酶原及其激活

有些酶在細(xì)胞內(nèi)初合成或初分泌出細(xì)胞或在其發(fā)揮催化功能之前只是無(wú)活性的酶前體，稱為酶原（zymogen，proenzyme）。酶原必須在特定的部位和條件下水解一個(gè)或幾個(gè)肽鍵，使酶的構(gòu)象發(fā)生改變，形成或者暴露出酶的活性中心，才具有催化活性。無(wú)活性的酶原轉(zhuǎn)變?yōu)橛谢钚缘拿傅倪^(guò)程稱為酶原的激活，其實(shí)質(zhì)是酶活性中心的形成或暴露。如胰蛋白酶原由胰腺分泌隨胰液入小腸后，在Ca^2＋存在下被腸激酶激活，從N端水解去掉一個(gè)六肽，分子構(gòu)象發(fā)生改變，形成酶的活性中心，從而成為有催化活性的胰蛋白酶（圖4-5）。

消化道及血管中的許多酶在初分泌時(shí)都是以無(wú)活性的酶原形式存在的。例如消化道中的胃蛋白酶原、胰蛋白酶原、胰凝乳蛋白酶原等，在特定的條件下水解掉一個(gè)或幾個(gè)短肽，轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的酶，才具有消化蛋白質(zhì)或肽類(lèi)的活性。血液中參與凝血過(guò)程及纖維蛋白溶解系統(tǒng)的酶類(lèi)也都以酶原的形式存在，在特定的情況下被激活成有活性的酶。

酶原與酶原的激活有著重要的生理意義。一方面是保護(hù)及定位作用，蛋白酶以酶原形式分泌可以保護(hù)細(xì)胞本身的蛋白質(zhì)不受蛋白酶的水解破壞，同時(shí)保證酶在特定的部位與環(huán)境發(fā)揮作用。另一方面，酶原是酶的儲(chǔ)存形式。如血液中的凝血酶和纖溶酶以酶原的形式儲(chǔ)存在血循環(huán)中，一旦機(jī)體需要便轉(zhuǎn)變成有催化活性的酶，發(fā)揮其對(duì)機(jī)體的保護(hù)作用。急性胰腺炎的主要病理就是由于胰腺內(nèi)的酶，特別是胰蛋白酶原的過(guò)早激活而引起的組織自溶。

★ 考點(diǎn)提示：酶原的概念、酶原激活的實(shí)質(zhì)、酶原與酶原激活的生理意義

五、同工酶

同工酶（isoenzyme或isozyme）是指催化相同的化學(xué)反應(yīng)，而酶蛋白的分子結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)、免疫學(xué)性質(zhì)都不同的一組酶。同工酶的一級(jí)結(jié)構(gòu)存在差異，但其活性中心的空間結(jié)構(gòu)相同或相似，可以催化相同的化學(xué)反應(yīng)。乳酸脫氫酶（lactate dehydrogenase，LDH）是最先發(fā)現(xiàn)的同工酶，是一種四聚體。其同工酶包括由骨骼肌型（M型）和心肌型（H型）兩種亞基按不同比例組成的5種類(lèi)型，即LDH₁、LDH₂、LDH₃、LDH₄和LDH₅（圖4-6）。

同一個(gè)體不同的發(fā)育階段及不同的組織器官，編碼不同亞基的基因開(kāi)放程度不同，合成的亞基種類(lèi)和數(shù)量也不同，因此在同一個(gè)體的不同組織以及同一細(xì)胞的不同亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)中，某種同工酶的分布也不相同，形成不同的同工酶譜。如表4-3所示，LDH同工酶有組織特異性，LDH₁在心肌中表達(dá)量較高，而LDH₅在肝、骨骼肌中相對(duì)含量高，人體LDH同工酶在不同組織器官中的種類(lèi)、含量和分布比例不同，這使得不同的組織細(xì)胞具有不同的代謝特點(diǎn)。同工酶的存在及分布不同不僅可以調(diào)節(jié)代謝，臨床上也可利用同工酶譜的變化進(jìn)行疾病的診斷。

血清LDH同工酶相對(duì)含量的改變?cè)谝欢ǔ潭壬戏从沉四撑K器的功能狀況。當(dāng)某組織細(xì)胞發(fā)生疾病時(shí)，該組織細(xì)胞特異的某種同工酶可釋放入血，引起血清LDH同工酶含量或同工酶譜的變化，這些變化是組織損傷的指標(biāo)，被用于臨床診斷。例如，正常血清LDH₂的活性高于LDH₁，血清中LDH₁相對(duì)于LDH₂升高是心肌炎或心臟受損的標(biāo)志，而肝病患者血清的LDH₅活性升高（圖4-7）。

肌酸激酶（creatine kinase，CK）是由肌型（M型）和腦型（B型）兩種亞基組成的二聚體酶。腦中含CK₁（BB型），骨骼肌中含CK₃（MM型），而CK₂（MB型）僅見(jiàn)于心?。▓D4-8）。血清CK₂活性的測(cè)定對(duì)于早期診斷心肌梗死有一定意義。

★ 考點(diǎn)提示：同工酶的概念及臨床應(yīng)用

六、酶的調(diào)節(jié)

生物體存在著精細(xì)的調(diào)控系統(tǒng)，使體內(nèi)各種代謝途徑能有條不紊地進(jìn)行。機(jī)體對(duì)代謝途徑的調(diào)節(jié)主要是對(duì)酶的調(diào)節(jié)。細(xì)胞根據(jù)內(nèi)外環(huán)境的變化，通過(guò)改變關(guān)鍵酶的活性或數(shù)量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞內(nèi)代謝途徑的調(diào)節(jié)。

（一）酶活性的調(diào)節(jié)

酶活性的調(diào)節(jié)方式包括別構(gòu)調(diào)節(jié)和化學(xué)修飾調(diào)節(jié)，這是調(diào)節(jié)代謝途徑速率最直接、最有效的方式，被調(diào)節(jié)的酶多為代謝途徑中的關(guān)鍵酶。

1．酶的別構(gòu)調(diào)節(jié)

某些代謝物可與一些酶分子活性中心外的某個(gè)部位非共價(jià)鍵可逆的結(jié)合，引起酶分子構(gòu)象改變，從而改變酶的催化活性，這種調(diào)節(jié)酶活性的方式稱為酶的別構(gòu)調(diào)節(jié)（allosteric regulation）也稱變構(gòu)調(diào)節(jié)。受別構(gòu)調(diào)節(jié)的酶稱為別構(gòu)酶，引起別構(gòu)效應(yīng)的代謝物稱別構(gòu)效應(yīng)劑（allosteric effector）。變構(gòu)效應(yīng)劑引起酶活性的增強(qiáng)或減弱，分別稱別構(gòu)激活作用或別構(gòu)抑制作用。

2．酶的化學(xué)修飾調(diào)節(jié)

酶的化學(xué)修飾調(diào)節(jié)是通過(guò)某些化學(xué)基團(tuán)與酶的共價(jià)可逆結(jié)合而實(shí)現(xiàn)的。一些酶在其他酶的催化下可與某種化學(xué)基團(tuán)發(fā)生共價(jià)結(jié)合或解離，從而改變酶的活性，這種調(diào)節(jié)酶活性的方式稱為酶的化學(xué)修飾（chemical modification）或稱酶的共價(jià)修飾（covalent modification）。在化學(xué)修飾過(guò)程中，酶發(fā)生無(wú)活性（或低活性）與有活性（或高活性）兩種形式的互變。這種互變是由兩種酶催化的兩個(gè)不可逆反應(yīng)，它們又都受激素的調(diào)控，有級(jí)聯(lián)放大效應(yīng)。酶的化學(xué)修飾類(lèi)型包括磷酸化與去磷酸化、乙?；c去乙?；?、甲基化與去甲基化、腺苷化與去腺苷化等，其中以磷酸化修飾最為常見(jiàn)（圖4-9）。

（二）酶含量的調(diào)節(jié)

機(jī)體內(nèi)的酶都處于不斷合成與降解的動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程中，細(xì)胞可以通過(guò)改變酶蛋白的合成與降解速率來(lái)調(diào)節(jié)酶的含量，影響酶的總活性。

酶蛋白的生物合成受底物、產(chǎn)物、激素、藥物等多種因素的影響。一些因素能促進(jìn)酶蛋白的基因表達(dá)，增加酶蛋白生物合成，某些因素則抑制酶蛋白的基因表達(dá)，減少酶蛋白的生物合成，從而改變酶的數(shù)量。如胰島素能誘導(dǎo)合成膽固醇合成過(guò)程的關(guān)鍵酶HMG-CoA還原酶而促進(jìn)膽固醇的合成，膽固醇則抑制HMG-CoA還原酶的合成；鎮(zhèn)靜催眠類(lèi)藥物苯巴比妥可誘導(dǎo)肝中代謝它的酶微粒體加單氧酶的合成，因而長(zhǎng)期服用會(huì)產(chǎn)生耐藥性。這種調(diào)節(jié)作用時(shí)間長(zhǎng)，屬于緩慢而長(zhǎng)效的調(diào)節(jié)。酶蛋白的降解與一般蛋白質(zhì)的降解途徑相同，改變酶的降解速率也是細(xì)胞對(duì)酶含量調(diào)控的一種方式。

★ 考點(diǎn)提示：酶活性的調(diào)節(jié)方式