第一節(jié)　酶的分子結(jié)構(gòu)與功能

一、酶的化學(xué)組成

根據(jù)酶的化學(xué)組成不同可將酶分為單純酶和結(jié)合酶。

（一）單純酶

單純酶是僅由氨基酸殘基構(gòu)成的單純蛋白質(zhì)，通常只有一條多肽鏈。其催化活性主要由蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)所決定，如蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶、核糖核酸酶及淚液中的溶菌酶等。

（二）結(jié)合酶

結(jié)合酶由蛋白質(zhì)和非蛋白質(zhì)兩部分組成。蛋白質(zhì)部分稱為酶蛋白，非蛋白質(zhì)部分稱為輔助因子，酶蛋白與輔助因子結(jié)合形成的復(fù)合物稱為全酶。生物體內(nèi)多數(shù)酶屬于結(jié)合酶。

結(jié)合酶（全酶）＝酶蛋白＋輔助因子

輔助因子包括金屬離子、B族維生素的衍生物等。根據(jù)輔助因子與酶蛋白結(jié)合的牢固程度，可把輔助因子分為輔酶和輔基。與酶蛋白結(jié)合牢固，不能用透析等方法使之與酶蛋白分開(kāi)的稱為輔基；與酶蛋白結(jié)合疏松，能用透析法使兩者分離的稱為輔酶。

酶的催化作用有賴于全酶的完整性，酶蛋白或輔助因子單獨(dú)存在時(shí)均無(wú)催化活性，只有兩者結(jié)合組成全酶時(shí)才有催化活性。一種酶蛋白只能與一種輔助因子結(jié)合成一種有催化能力的全酶，而一種輔助因子可以與多種酶蛋白結(jié)合成有不同催化功能的全酶。在酶促反應(yīng)過(guò)程中，酶蛋白決定酶的專一性，而輔助因子決定反應(yīng)的類型。

二、酶的命名與分類

（一）酶的命名

1．習(xí)慣命名法

①以酶催化的底物加反應(yīng)的類型來(lái)命名，如乳酸脫氫酸、磷酸己糖異構(gòu)酶等；②水解酶類，習(xí)慣上只用底物名稱即可，如淀粉酶、蛋白酶等；③有時(shí)在底物前加上酶的來(lái)源，如胰淀粉酶、胃蛋白酶等。習(xí)慣命名法簡(jiǎn)單，使用方便，但有時(shí)會(huì)出現(xiàn)一酶數(shù)名或一名數(shù)酶的弊病。

2．系統(tǒng)命名法

1961年國(guó)際酶學(xué)委員會(huì)提出了一套系統(tǒng)命名法，使一種酶只有一個(gè)名稱。在這個(gè)系統(tǒng)內(nèi)，一種酶是從其底物及所催化反應(yīng)的類型而得名，底物名稱之間以“：”分隔。同時(shí)每一種酶有四個(gè)數(shù)字組成的系統(tǒng)編號(hào)，依次表示該酶所屬的類別、亞類、次亞類及編號(hào)。一般系統(tǒng)命名都較長(zhǎng)，使用不方便。國(guó)際酶學(xué)委員會(huì)規(guī)定在發(fā)表以酶為主題的論文時(shí)，在正文中第一次出現(xiàn)的酶要標(biāo)明酶的分類編號(hào)。

（二）酶的分類

國(guó)際酶學(xué)委員會(huì)按酶促反應(yīng)的性質(zhì)將酶分為六大類。

1．氧化還原酶類（oxidoreductases）

催化底物進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，如琥珀酸脫氫酶、細(xì)胞色素氧化酶、過(guò)氧化氫酶等。

2．轉(zhuǎn)移酶類（transferases）

催化底物之間某些基團(tuán)的轉(zhuǎn)移或交換，如轉(zhuǎn)氨酶、轉(zhuǎn)甲基酶、磷酸化酶等。

3．水解酶類（hydrolases）

催化底物發(fā)生水解反應(yīng)，如胃蛋白酶、唾液淀粉酶、胰脂酶等。

4．裂解酶類（lyases）

該類酶也稱為裂合酶類，催化一種底物分解為兩種化合物或?qū)煞N化合物合成一種化合物的反應(yīng)，如檸檬酸合成酶、醛縮酶、碳酸酐酶等。

5．異構(gòu)酶類（isomerases）

催化同分異構(gòu)體之間的相互轉(zhuǎn)化，如磷酸己糖異構(gòu)酶、磷酸丙糖異構(gòu)酶等。

6．合成酶類（synthetases）

催化兩分子底物化合為一分子化合物，且必須與ATP的磷酸鍵斷裂相偶聯(lián)，如氨基酰－tRNA合成酶、谷氨酰胺合成酶等。

三、酶的活性中心

酶蛋白分子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是具有活性中心。酶蛋白分子中存在有許多化學(xué)基團(tuán)，如—NH2、—COOH、—SH、—OH等，這些基團(tuán)并不是都與酶的催化活性有關(guān)。其中，與酶活性密切相關(guān)的基團(tuán)稱為必需基團(tuán)（essential group）。常見(jiàn)的必需基團(tuán)有組氨酸殘基上的咪唑基、絲氨酸和蘇氨酸殘基上的羥基、某些酸性氨基酸殘基上的自由羧基和堿性氨基酸殘基上的氨基等。

酶分子中的必需基團(tuán)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，形成一個(gè)能與底物特異結(jié)合并催化底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的特定空間構(gòu)象的區(qū)域，這一區(qū)域稱為酶的活性中心（active center）或活性部位（active site）。對(duì)于結(jié)合酶來(lái)說(shuō)，輔酶和輔基可參與酶的活性中心的組成。

構(gòu)成酶的活性中心的必需基團(tuán)分為兩種：一種是結(jié)合基團(tuán)（binding group），能與底物相結(jié)合，形成底物與酶的復(fù)合物；另一種是催化基團(tuán)（catalytic group），催化底物發(fā)生化學(xué)變化，并將其轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物。酶的活性中心內(nèi)有的必需基團(tuán)可同時(shí)具有這兩方面的功能，還有一些必需基團(tuán)，雖然不參加活性中心的組成，但卻是維持酶的活性中心空間構(gòu)象所必需的，這些基團(tuán)稱為酶的活性中心以外的必需基團(tuán)（圖4－1）。

圖4－1　酶的活性中心示意圖

酶的活性中心是酶催化作用的關(guān)鍵部位。其活性中心一旦被其他物質(zhì)占據(jù)或某些理化因素使酶的空間構(gòu)象破壞，酶的活性就會(huì)喪失。

四、酶原與酶原的激活

有些酶在細(xì)胞內(nèi)合成和初分泌時(shí)并無(wú)催化活性，這種無(wú)活性的酶的前體稱為酶原。在一定的條件下，無(wú)活性的酶原轉(zhuǎn)變?yōu)橛谢钚悦傅倪^(guò)程稱為酶原激活。其實(shí)質(zhì)是酶的活性中心形成或暴露的過(guò)程。人體內(nèi)一些與消化作用、凝血作用、補(bǔ)體作用有關(guān)的酶在分泌時(shí)是以酶原形式存在的。

例如，胰蛋白酶原由胰腺分泌進(jìn)入小腸后，受腸激酶的激活，使第6位賴氨酸殘基與第7位異亮氨酸殘基之間的肽鍵斷裂，水解下一個(gè)6肽，酶分子的構(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4－2）。

圖4－2　胰蛋白酶原的激活示意圖

胰蛋白酶的形成，不僅能水解食物中的蛋白質(zhì)，還能催化胰蛋白酶原的自身激活和小腸中其他蛋白酶原的激活，從而形成一個(gè)逐級(jí)加快的連鎖反應(yīng)過(guò)程。

酶原激活具有重要的生理意義。蛋白酶以酶原形式分泌，能保護(hù)組織器官本身不受酶的水解破壞，防止組織自溶，又可使酶到達(dá)特定部位發(fā)揮作用，從而保證體內(nèi)代謝過(guò)程正常進(jìn)行。如果胰蛋白酶原過(guò)早地在胰腺被激活，將使胰腺本身組織蛋白及血管遭到破壞，嚴(yán)重者將引起致命的出血性胰腺炎。又如在正常情況下血液中雖有凝血酶原，卻不會(huì)被激活，無(wú)血液凝固發(fā)生，一旦血管破損，凝血酶原被激活成凝血酶，催化纖維蛋白酶原變成纖維蛋白，使血液凝固，阻止大量失血，起到保護(hù)機(jī)體的作用。

知識(shí)鏈接

酶原激活與急性胰腺炎

正常胰腺可分泌以胰淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶等為主的消化酶，這些酶在正常情況下大多數(shù)以酶原的形式存在于胰腺細(xì)胞內(nèi)，同時(shí)胰腺還能產(chǎn)生胰蛋白酶抑制物，以抑制胰蛋白酶的活性。當(dāng)胰腺在各種致病因子作用下使本應(yīng)在腸道中被激活的胰蛋白酶原與糜蛋白酶原在胰腺內(nèi)激活，這樣不僅使胰腺組織細(xì)胞受到破壞，產(chǎn)生胰腺壞死，而且被激活的酶還可進(jìn)入血液，造成嚴(yán)重后果。

五、同工酶

同工酶是指雖催化相同的化學(xué)反應(yīng)，但酶蛋白的分子結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)及免疫特性等卻不同的一組酶。這類酶存在于同一機(jī)體的不同組織中，甚至存在于同一組織細(xì)胞內(nèi)的不同亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)中，它在代謝調(diào)節(jié)上起著重要的作用。

現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)百余種同工酶，如乳酸脫氫酶、核糖核酸酶、肌酸磷酸激酶、膽堿酯酶等。

乳酸脫氫酶（LDH）有心肌型（H）和骨骼肌型（M）兩種亞基，這兩種亞基以四聚體形式隨機(jī)組合成五種同工酶（圖4－3）：LDH₁（H₄）、LDH₂（H₃M₁）、LDH₃（H₂M₂）、LDH₄（H₁M₃）、LDH₅（M₄）。這五種同工酶具有不同的電泳速度。

圖4－3　乳酸脫氫酶同工酶的組成

LDH同工酶在各器官中的分布和含量不同，各器官組織都有其各自特定的分布酶譜及功能。如心肌中以LDH₁含量最高，骨骼肌和肝中以LDH₅含量最高。當(dāng)出現(xiàn)急性心肌梗死時(shí)，心肌細(xì)胞缺血壞死，細(xì)胞內(nèi)的乳酸脫氫酶釋放入血，從血清同工酶電泳圖譜中可發(fā)現(xiàn)LDH₁比例增加，故測(cè)定同工酶有助于疾病的診斷，同時(shí)也是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中診斷靈敏且可靠的手段之一。