第二節(jié) 酶的分子組成、結(jié)構(gòu)和功能

　　一、酶的分子組成

　　(一)單純酶和結(jié)合酶

　　單純酶是僅由肽鏈構(gòu)成的酶。如脲酶、一些消化蛋白酶、淀粉酶、脂酶、核糖核酸酶等。

　　結(jié)合酶由蛋白質(zhì)部分和非蛋白質(zhì)部分組成，前者稱為酶蛋白(apoenzyme)，決定酶的特異性和高效率;后者稱為輔助因子(cofactor)，決定反應(yīng)的種類和性質(zhì)。兩者結(jié)合形成的復(fù)合物稱為全酶(holoenzyme)，這兩部分對(duì)于催化活性都是必需的。

　　酶蛋白有單條肽鏈和多個(gè)亞基組成的。前者稱為單體酶，為數(shù)不多，均為水解酶，如胰蛋白酶、核糖核酸酶、溶菌酶等;多個(gè)相同或不同亞基以非共價(jià)鍵連接的酶稱為寡聚酶，如磷酸化酶a，3-磷酸甘油醛脫氫酶等。

　　細(xì)胞內(nèi)存在著許多由幾種不同功能的酶彼此嵌合形成的多酶復(fù)合體，即多酶體系，它利于一系列反應(yīng)的連續(xù)進(jìn)行，如丙酮酸脫氫酶體系、脂肪酸合成酶復(fù)合體。在多酶體系中，能影響整條代謝途徑方向和速度的酶稱為關(guān)鍵酶，關(guān)鍵酶通常催化單向不平衡反應(yīng)，或者是該多酶體系中催化活性最低的限速酶。

　　(二)酶的輔因子

　　酶的輔助因子指金屬離子或小分子有機(jī)化合物(又稱輔酶與輔基)。

　　1.金屬離子

　　約2/3的酶含有金屬離子，常見(jiàn)的是K+、Na+、Mg2+、Cu2+(Cu+)、Zn2+、Fe2+(Fe3+)等。金屬離子的作用是多方面的：參與酶的活性中心;在酶蛋白與底物之間起橋梁作用;維持酶分子發(fā)揮催化作用所必需的構(gòu)象;中和陰離子，降低反應(yīng)中的靜電斥力。

　　2.輔酶與輔基

　　輔酶與輔基是一些化學(xué)穩(wěn)定的小分子有機(jī)物，是維生素樣的物質(zhì)，參與酶的催化過(guò)程，在反應(yīng)中傳遞電子、質(zhì)子或一些基團(tuán)。

　　輔酶與酶蛋白的結(jié)合疏松，可以用透析或超濾方法除去;輔基則與酶蛋白結(jié)合緊密，不能用上述方法除去。一種酶蛋白只能與一種輔助因子結(jié)合成一種特異的酶，但一種輔助因子可以與不同的酶蛋白結(jié)合構(gòu)成多種特異性酶，以催化各種化學(xué)反應(yīng)。

　　維生素(Vitamin)是維持機(jī)體正常生命活動(dòng)所必需的一類小分子有機(jī)物，基本不能在體內(nèi)合成，即使有幾種能自行合成，也因合成量不足而必須從食物中攝取。維生素的需要量及缺乏癥是營(yíng)養(yǎng)學(xué)的課題。

　　維生素原意是“生命中必不可少的胺”，波蘭學(xué)者凡克把從米糠中提取出治療腳氣病有效的成分命名為維生素，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)13種，按溶解性分為水溶性和脂溶性兩大類。脂溶性維生素以獨(dú)立發(fā)揮作用為主，A、D、E、K具有一些特殊的生理功能。

　　以下8種水溶性的維生素都以輔酶的形式參與結(jié)合酶的組成。也有些本身就是輔酶，如硫辛酸、抗壞血酸。

　　含維生素的輔酶及其主要功能

　　維生素

　　輔酶形式

　　反應(yīng)類型

　　硫胺素(B1)

　　焦磷酸硫胺素(TPP)

　　α-酮酸氧化脫羧反應(yīng)

　　核黃素(B2)

　　黃素單核苷酸(FMN)

　　黃素腺嘌呤二核苷酸(FAD)

　　氧化還原反應(yīng)

　　煙酸或煙酰胺(PP)

　　煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)

　　煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP+)

　　氧化還原反應(yīng)

　　泛酸

　　輔酶A(CoA-SH)

　　�；�轉(zhuǎn)移反應(yīng)

　　吡哆醇、吡哆醛、吡哆胺(B6)

　　磷酸吡哆醛、磷酸吡哆胺

　　轉(zhuǎn)氨基作用、脫羧作用

　　生物素

　　生物胞素

　　CO2的固定

　　葉酸

　　四氫葉酸

　　一碳單位轉(zhuǎn)移

　　鈷胺素(B12)

　　5'- 脫氧腺苷鈷胺素

　　甲鈷胺素

　　1，2 --氫原子轉(zhuǎn)移

　　甲基轉(zhuǎn)移

　　二、酶的活性部位

　　酶的活性部位(active site)是它結(jié)合底物和將底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的區(qū)域，又稱活性中心。它是由在線性多肽鏈中可能相隔很遠(yuǎn)的氨基酸殘基形成的三維小區(qū)(為裂縫或?yàn)榘枷?。酶活性部位的基團(tuán)屬必需基團(tuán)，有二種：一是結(jié)合基團(tuán)，其作用是與底物結(jié)合，生成酶-底物復(fù)合物;二是催化基團(tuán)，其作用是影響底物分子中某些化學(xué)鍵的穩(wěn)定性，催化底物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并促進(jìn)底物轉(zhuǎn)變成產(chǎn)物，也有的必需基團(tuán)同時(shí)有這兩種功能。還有一些化學(xué)基團(tuán)位于酶的活性中心以外的部位，為維持酶活性中心的構(gòu)象所必需，稱為酶活性中心以外的必需基團(tuán)。

　　構(gòu)成酶活性中心的常見(jiàn)基團(tuán)有組氨酸的咪唑基、絲氨酸的羥基、半胱氨酸的巰基等。如絲氨酸蛋白酶家族的胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶和彈性蛋白酶，都催化蛋白質(zhì)的肽鍵使之水解，但底物的專一性由它們的底物-結(jié)合部位中氨基酸基團(tuán)的性質(zhì)所決定，與其作用的底物互補(bǔ)。像胰蛋白酶，在它的底物-結(jié)合部位有帶負(fù)電荷的Asp殘基，可與底物側(cè)鏈上帶正電荷的Lys和Arg相互作用，切斷其羧基側(cè);胰凝乳蛋白酶在它的底物-結(jié)合部位有帶小側(cè)鏈的氨基酸殘基，如Gly和Ser，使底物龐大的芳香的和疏水氨基酸殘基得以進(jìn)入，切斷其羧基側(cè);彈性蛋白酶有相對(duì)大的Val和Thr不帶電荷的氨基酸側(cè)鏈，凸出在它的底物-結(jié)合部位，阻止了除Ala和Gly小側(cè)鏈以外的所有其他氨基酸。

　　三、酶原激活

　　沒(méi)有活性的酶的前體稱為“酶原”，酶原轉(zhuǎn)變成酶的過(guò)程稱為酶原激活。其實(shí)質(zhì)是酶活性部位形成或暴露的過(guò)程。一些與消化作用有關(guān)的酶，如胃蛋白酶、胰蛋白酶在最初合成和分泌時(shí)，沒(méi)有催化活性。胃蛋白酶原在H+作用下，自N端切下幾個(gè)多肽碎片，形成酶催化所需的空間結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)化為胃蛋白酶。胰蛋白酶原隨胰液進(jìn)入小腸時(shí)被腸激酶激活，自N端切除一個(gè)6肽，促使酶的構(gòu)象變化，形成活性中心，轉(zhuǎn)變成有活性的胰蛋白酶。

　　酶原的生物合成和酶原激活一般不在同一組織、細(xì)胞或細(xì)胞器中進(jìn)行。酶原的激活具有重要的生理意義，不僅保護(hù)細(xì)胞本身不受酶的水解破壞，而且保證酶在特定的部位與環(huán)境中發(fā)揮催化作用。

　　四、同工酶、變構(gòu)酶、抗體酶

　　(一)同工酶(isozymes)

　　具有不同的分子形式但卻催化相同的化學(xué)反應(yīng)的一組酶稱為同工酶。1959年發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)同工酶是乳酸脫氫酶(LDH)，它在NADH存在下，催化丙酮酸的可逆轉(zhuǎn)化生成乳酸。它是一個(gè)寡聚酶，由兩種不同類型的亞基組成5種分子形式：H4、H3M、H2M2、HM3、M4，它們的分子結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)和電泳行為不同，但催化同一反應(yīng)，因?yàn)樗鼈兊幕钚圆课辉诮Y(jié)構(gòu)上相同或非常相似。M亞基主要存在骨骼肌和肝臟，而H亞基主要在心肌。心肌梗死的情況可通過(guò)血液LDH同工酶的類型的檢測(cè)確定。

　　(二)變構(gòu)酶(allosteric enzyme)

　　變構(gòu)酶又稱別構(gòu)酶，是一類調(diào)節(jié)代謝反應(yīng)的酶。一般是寡聚酶，酶分子有與底物結(jié)合的活性部位和與變構(gòu)劑非共價(jià)結(jié)合的調(diào)節(jié)部位，具有變構(gòu)效應(yīng)。引起變構(gòu)效應(yīng)的物質(zhì)稱為變構(gòu)效應(yīng)劑。降低酶活性的稱變構(gòu)抑制劑或負(fù)效應(yīng)物;反之，稱為變構(gòu)激活劑或正效應(yīng)物。變構(gòu)酶與血紅蛋白一樣，存在著協(xié)同效應(yīng)。

　　變構(gòu)酶催化的反應(yīng)速度與底物濃度的關(guān)系常呈S形曲線，這和非調(diào)節(jié)酶的動(dòng)力學(xué)曲線——雙曲線不同。變構(gòu)酶多為限速酶。在多酶體系，限速酶一般位于代謝途徑的起點(diǎn)或分支點(diǎn)上，對(duì)控制反應(yīng)總速度起關(guān)鍵作用。如異檸檬酸脫氫酶就是一個(gè)變構(gòu)酶，是三羧酸循環(huán)的關(guān)鍵酶，NAD+、ADP和檸檬酸是該酶的變構(gòu)激活劑，而NADH和ATP是變構(gòu)抑制劑。

　　(三)抗體酶(abzyme)

　　既是抗體又具有催化功能的蛋白質(zhì)稱為“抗體酶或催化性抗體”，其本質(zhì)是免疫球蛋白，但是在易變區(qū)賦予了酶的屬性。1986年科學(xué)家根據(jù)過(guò)渡態(tài)理論和免疫學(xué)原理，運(yùn)用單克隆抗體技術(shù)成功地制備了具有酶活性的抗體。這加深了人們對(duì)酶作用原理的理解，而且在臨床醫(yī)學(xué)及制藥業(yè)等方面有很好的應(yīng)用。