第二节　酶的结构与功能

一、酶的分子组成

酶的化学本质是蛋白质，按照酶的分子组成，可将酶分为单纯酶和结合酶两类。单纯酶是指仅由氨基酸残基构成的酶，如脲酶、蛋白酶、淀粉酶、脂酶等。结合酶由蛋白质部分和非蛋白部分共同组成，其中蛋白质部分称为酶蛋白（apoenzyme），决定酶促反应的特异性及其催化机制；非蛋白质部分称为辅助因子（cofactor），主要决定酶促反应的类型与性质。酶蛋白与辅助因子结合形成的复合物称为全酶（holoenzyme），酶蛋白与辅助因子单独存在时均无催化活性，只有全酶才具有催化作用。

酶的辅助因子按其与酶蛋白结合的紧密程度与作用特点，可以分为辅酶与辅基。辅酶与酶蛋白结合疏松，可用透析或超滤的方法除去。辅酶在酶促反应中作为底物接受（或释放）质子或基团后离开酶蛋白，参加另外的酶促反应。辅基与酶蛋白的结合紧密，不能通过透析或超滤的方法将其除去，在酶促反应中不能离开酶蛋白。

辅助因子多为金属离子或小分子有机化合物。作为辅助因子的金属离子有K^＋、Na^＋、Mg^2＋、Cu^2＋、Zn^2＋、Fe^2＋、Mn^2＋等，约有2/3的酶含有金属离子。金属离子在酶促反应中的主要作用有：①作为酶活性中心的组成部分参与催化反应，使底物与酶活性中心的必需基团形成正确的空间排列，以利于酶促反应的发生；②中和阴离子，降低反应的静电斥力，有利于底物与酶的结合；③作为连接底物与酶的桥梁，维持酶分子构象等。

作为辅助因子的小分子有机化合物多为B族维生素的衍生物，在酶促反应中主要参与传递电子、质子或其他基团，起运载体作用（表4-2）。

二、酶的活性中心

酶分子中能与底物特异结合，并催化底物发生化学反应生成产物的特定结构区域，称为酶的活性中心（active center），酶的活性中心是酶分子执行催化活性的部位。酶分子中的氨基酸残基侧链上含有许多不同的化学基团，并非每一个化学基团都与酶的活性有关，一般将与酶活性密切相关的化学基团称为酶的必需基团（essential group），常见的必需基团有组氨酸的咪唑基、丝氨酸的羟基、半胱氨酸的巯基、谷氨酸的γ-羧基等。活性中心内的必需基团可分为两类：①结合基团（binding group），其作用是识别结合底物，形成酶-底物复合物；②催化基团（catalytic group），其作用是催化底物发生化学变化，并将其转变为产物，决定酶的催化能力。酶活性中心内的这些必需基团虽然在一级结构上可能相距很远，但在空间结构上彼此靠近，集中在一起形成活性中心。辅助因子一般位于酶的活性中心内，有些必需基团可同时具有结合基团和催化基团两种功能。有些必需基团位于活性中心外，主要为维持酶活性中心的空间构象和（或）作为调节剂的结合部位所必需（图4-1）。

酶的活性中心往往是酶分子多肽链折叠成形，如裂隙或凹陷的三维结构区域，深入到酶分子的内部，且多为氨基酸残基的疏水基团组成的疏水环境，形成疏水“口袋”，这种疏水环境有利于底物与酶形成复合物。例如溶菌酶的活性中心是一裂隙结构，可容纳6个（A、B、C、D、E、F）N-乙酰氨基葡糖环，见图4-2。

★ 考点提示：单纯酶、结合酶、酶的活性中心、必需基团的概念

三、酶促反应的机制

酶在催化反应过程中，通过促进酶与底物结合形成过渡态的中间复合物，并有效降低反应活化能来实现其高效催化作用。

（一）酶有效地降低反应的活化能

在化学反应体系中，只有所含自由能达到或超过一定能量水平的底物分子，才可能发生相互碰撞并进行化学反应，这样的分子称为活化分子。活化能（activation energy）是指在一定温度下，1mol底物全部进入活化态所需要的自由能（J/mol），即底物分子从初态转变到过渡态（活化分子）所需要的能量。活化能是化学反应的“能障”，决定了化学反应的速率。与一般催化剂一样，酶加速反应的作用也是通过降低反应所需的活化能而实现的（图4-3）。酶比一般催化剂能更有效地降低活化能，从而更高效地提高酶促反应的速率。

（二）酶与底物结合形成中间复合物

酶在发挥催化作用时，必须首先与底物特异结合形成过渡态中间复合物，此过程是酶降低反应活化能、发挥催化作用的关键。

1．酶与底物结合的诱导契合

1958年D.E.Koshland提出的酶-底物结合的诱导契合假说认为，酶与底物相互接近时，其结构相互诱导、相互变形、相互适应，进而相互结合成复合物，这一过程称为酶与底物结合的诱导契合（induced-fit）（图4-4）。酶的构象改变有利于酶和底物的结合及对底物的催化作用。底物在酶活性中心的某些基团或金属离子作用下发生变形，使某些化学键变得敏感而易于断裂，容易受到酶的催化而转变成产物。

2．邻近效应与定向排列

在有两个以上的底物参加的反应中，底物之间必须以正确的方向相互碰撞才有可能形成过渡态分子而发生反应。邻近效应是指酶将反应中所需的底物和辅助因子，按特定顺序和空间定向结合于酶的活性中心，使它们相互接近在特定区域内，增加底物之间互相碰撞的机会。而定向排列是指底物和酶结合时诱导酶蛋白的构象变化，使二者能更好地互补，并使底物有正确的定向。邻近效应与定向排列实际是使分子间（底物与底物）的反应变成了类似于分子内（酶-底物复合体）的反应，提高了反应的速率。

3．表面效应

酶的活性中心多为疏水性“口袋”样结构。底物与酶的反应在酶分子内部疏水环境中进行，使底物分子脱溶剂化，可排除水分子对酶和底物功能基团的干扰性吸引或排斥，防止在酶与底物之间形成水化膜，有利于酶和底物的亲密接触与结合，并相互作用，这种现象称为表面效应。

★ 考点提示：酶促反应的机制

四、酶原及其激活

有些酶在细胞内初合成或初分泌出细胞或在其发挥催化功能之前只是无活性的酶前体，称为酶原（zymogen，proenzyme）。酶原必须在特定的部位和条件下水解一个或几个肽键，使酶的构象发生改变，形成或者暴露出酶的活性中心，才具有催化活性。无活性的酶原转变为有活性的酶的过程称为酶原的激活，其实质是酶活性中心的形成或暴露。如胰蛋白酶原由胰腺分泌随胰液入小肠后，在Ca^2＋存在下被肠激酶激活，从N端水解去掉一个六肽，分子构象发生改变，形成酶的活性中心，从而成为有催化活性的胰蛋白酶（图4-5）。

消化道及血管中的许多酶在初分泌时都是以无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，在特定的条件下水解掉一个或几个短肽，转变成相应的酶，才具有消化蛋白质或肽类的活性。血液中参与凝血过程及纤维蛋白溶解系统的酶类也都以酶原的形式存在，在特定的情况下被激活成有活性的酶。

酶原与酶原的激活有着重要的生理意义。一方面是保护及定位作用，蛋白酶以酶原形式分泌可以保护细胞本身的蛋白质不受蛋白酶的水解破坏，同时保证酶在特定的部位与环境发挥作用。另一方面，酶原是酶的储存形式。如血液中的凝血酶和纤溶酶以酶原的形式储存在血循环中，一旦机体需要便转变成有催化活性的酶，发挥其对机体的保护作用。急性胰腺炎的主要病理就是由于胰腺内的酶，特别是胰蛋白酶原的过早激活而引起的组织自溶。

★ 考点提示：酶原的概念、酶原激活的实质、酶原与酶原激活的生理意义

五、同工酶

同工酶（isoenzyme或isozyme）是指催化相同的化学反应，而酶蛋白的分子结构、理化性质、免疫学性质都不同的一组酶。同工酶的一级结构存在差异，但其活性中心的空间结构相同或相似，可以催化相同的化学反应。乳酸脱氢酶（lactate dehydrogenase，LDH）是最先发现的同工酶，是一种四聚体。其同工酶包括由骨骼肌型（M型）和心肌型（H型）两种亚基按不同比例组成的5种类型，即LDH₁、LDH₂、LDH₃、LDH₄和LDH₅（图4-6）。

同一个体不同的发育阶段及不同的组织器官，编码不同亚基的基因开放程度不同，合成的亚基种类和数量也不同，因此在同一个体的不同组织以及同一细胞的不同亚细胞结构中，某种同工酶的分布也不相同，形成不同的同工酶谱。如表4-3所示，LDH同工酶有组织特异性，LDH₁在心肌中表达量较高，而LDH₅在肝、骨骼肌中相对含量高，人体LDH同工酶在不同组织器官中的种类、含量和分布比例不同，这使得不同的组织细胞具有不同的代谢特点。同工酶的存在及分布不同不仅可以调节代谢，临床上也可利用同工酶谱的变化进行疾病的诊断。

血清LDH同工酶相对含量的改变在一定程度上反映了某脏器的功能状况。当某组织细胞发生疾病时，该组织细胞特异的某种同工酶可释放入血，引起血清LDH同工酶含量或同工酶谱的变化，这些变化是组织损伤的指标，被用于临床诊断。例如，正常血清LDH₂的活性高于LDH₁，血清中LDH₁相对于LDH₂升高是心肌炎或心脏受损的标志，而肝病患者血清的LDH₅活性升高（图4-7）。

肌酸激酶（creatine kinase，CK）是由肌型（M型）和脑型（B型）两种亚基组成的二聚体酶。脑中含CK₁（BB型），骨骼肌中含CK₃（MM型），而CK₂（MB型）仅见于心肌（图4-8）。血清CK₂活性的测定对于早期诊断心肌梗死有一定意义。

★ 考点提示：同工酶的概念及临床应用

六、酶的调节

生物体存在着精细的调控系统，使体内各种代谢途径能有条不紊地进行。机体对代谢途径的调节主要是对酶的调节。细胞根据内外环境的变化，通过改变关键酶的活性或数量来实现对细胞内代谢途径的调节。

（一）酶活性的调节

酶活性的调节方式包括别构调节和化学修饰调节，这是调节代谢途径速率最直接、最有效的方式，被调节的酶多为代谢途径中的关键酶。

1．酶的别构调节

某些代谢物可与一些酶分子活性中心外的某个部位非共价键可逆的结合，引起酶分子构象改变，从而改变酶的催化活性，这种调节酶活性的方式称为酶的别构调节（allosteric regulation）也称变构调节。受别构调节的酶称为别构酶，引起别构效应的代谢物称别构效应剂（allosteric effector）。变构效应剂引起酶活性的增强或减弱，分别称别构激活作用或别构抑制作用。

2．酶的化学修饰调节

酶的化学修饰调节是通过某些化学基团与酶的共价可逆结合而实现的。一些酶在其他酶的催化下可与某种化学基团发生共价结合或解离，从而改变酶的活性，这种调节酶活性的方式称为酶的化学修饰（chemical modification）或称酶的共价修饰（covalent modification）。在化学修饰过程中，酶发生无活性（或低活性）与有活性（或高活性）两种形式的互变。这种互变是由两种酶催化的两个不可逆反应，它们又都受激素的调控，有级联放大效应。酶的化学修饰类型包括磷酸化与去磷酸化、乙酰化与去乙酰化、甲基化与去甲基化、腺苷化与去腺苷化等，其中以磷酸化修饰最为常见（图4-9）。

（二）酶含量的调节

机体内的酶都处于不断合成与降解的动态平衡过程中，细胞可以通过改变酶蛋白的合成与降解速率来调节酶的含量，影响酶的总活性。

酶蛋白的生物合成受底物、产物、激素、药物等多种因素的影响。一些因素能促进酶蛋白的基因表达，增加酶蛋白生物合成，某些因素则抑制酶蛋白的基因表达，减少酶蛋白的生物合成，从而改变酶的数量。如胰岛素能诱导合成胆固醇合成过程的关键酶HMG-CoA还原酶而促进胆固醇的合成，胆固醇则抑制HMG-CoA还原酶的合成；镇静催眠类药物苯巴比妥可诱导肝中代谢它的酶微粒体加单氧酶的合成，因而长期服用会产生耐药性。这种调节作用时间长，属于缓慢而长效的调节。酶蛋白的降解与一般蛋白质的降解途径相同，改变酶的降解速率也是细胞对酶含量调控的一种方式。

★ 考点提示：酶活性的调节方式