第二节　酶的分类、组成、结构特点和作用机制

一、酶的分类

1961年国际生化联合会酶学委员会提出将酶分成6类。许多酶是由它们的底物名称加上后缀“-ase”命名的。例如尿酶（urease）是催化尿素（urea）水解的酶。果糖1，6-二磷酸酶（fructose-1，6-diphosphatase）是水解果糖1，6-二磷酸的酶。然而，有些酶，如胰蛋白酶和胃蛋白酶的命名并未表示它的底物名称，而强调的是它们的来源。有些酶有多种不同的名称。为了使酶的名称合理，国际上已公认一种酶的命名（enzyme nomenclature）系统，这个系统将所有的酶根据其反应催化的类型安置到六种主要类型的某一种中（表1-1）。此外，每种酶各有一个独自的4个数字的分类编号，例如胰蛋白酶由国际生化联合会酶委员会公布的酶分类（用EC标示）编号为3、4、21、4：这里第一个数字“3”表示它是水解酶；第二个数字“4”表示它是蛋白酶水解肽键；第三个数字“21”表示它是丝氨酸蛋白酶，在活性部位上有一至关重要的丝氨酸残基；第4个数字“4”表示它是这一类型中被指认的第四个酶。作为对照，胰凝乳蛋白酶的EC编号为3、4、21、1，弹性蛋白酶的编号为3、4、21、36。

（1）氧化还原酶　在体内参与产能、解毒和某些生理活性物质的合成。重要的有各种脱氢酶、氧化酶、过氧化物酶、氧合酶、细胞色素氧化酶等。

（2）转移酶　在体内将某基团从一个化合物转移到另一个化合物，参与核酸、蛋白质、糖及脂肪的代谢和合成。重要的有一碳基转移酶、酮醛基转移酶、酰基转移酶、糖苷基转移酶、含氮基转移酶、含磷基转移酶、含硫基转移酶等。

（3）水解酶　在体内外起降解作用，也是人类应用最广的酶类。重要的有各种酯酶、糖苷酶、肽酶等。水解酶一般不需要辅酶。

（4）裂合酶　这类酶可脱去底物上的某一基团而留下双键，或可相反地在双键处加入某一基团。它们分别催化C—C、C—O、C—N、C—S、C—X（F，CI，Br，I）和P—O键。

（5）异构酶　此类酶为生物代谢需要而对某些物质进行分子异构化，分别进行外消旋、差向异构、顺反异构、醛酮异构、分子内转移、分子内裂解等。

（6）连接酶（合成酶）　这类酶关系着很多生命物质的合成，其特点是需要三磷酸腺苷等高能磷酸酯作为结合能源，有的还需要金属离子辅助因子。分别形成C—O键（与蛋白质合成有关）、C—S键（与脂肪酸合成有关）、C—C键和磷酸酯键。

二、酶的组成和结构特点

酶分子要发挥其功能必须要依赖特定的空间结构形式，其中蛋白酶的一级结构是指具有一定氨基酸顺序的多肽链的共价骨架，二级结构是在一级结构中相近的氨基酸残基间由氢键的相互作用而形成的带有螺旋、折叠、转角、卷曲等的细微结构，三级结构是在二级结构的基础上进一步进行分子盘曲以形成包括主侧链的专一性三维排列，四级结构是指低聚蛋白中各折叠多肽链在空间的专一性三维排列。具有低聚蛋白结构的酶（寡聚酶）必须具有正确的四级结构才有活性。酶蛋白有三种组成形式。①单体酶：仅有一个活性部位的多肽链构成的酶，分子量为几万，且都是水解酶。②寡聚酶：由若干相同或不同亚基结合而组成的酶，亚基一般无活性，必须相互结合才有活性，分子量为几万以上到数百万不等。③多酶复合体：指多种酶进行连续反应的体系。前一个反应产物为后一反应的底物。仅有少部分酶是由单一蛋白质所组成的，而大部分酶则为复合蛋白质，或称全酶，是由蛋白质部分（酶蛋白）和非蛋白质部分所组成的，即酶蛋白本身无活性，需要在辅因子的存在下才有活性。辅因子可以是无机离子，也可是有机化合物。有的酶仅需其中一种；有的酶则二者都需要。它们都属于小分子化合物。约有25％的酶含有紧密结合的金属离子或在催化过程中需要金属离子，包括铁、铜、锌、镁、钙、钾、钠等。它们在维持酶的活性和完成酶的催化过程中起作用。有机辅因子可依其与酶蛋白结合的程度分为辅酶和辅基。前者为松散结合；后者为紧密结合，但有时把它们统称为辅酶。大多数辅酶为核苷酸和维生素或它们的衍生物（表1-2）。它经常是生物体食物的必需成分，因此，当供应不足时，即引起缺乏性疾病。上述六类酶中，除水解酶和连接酶外，其他酶在反应时通常需要特定的辅酶。

三、酶的作用机制

酶一般是通过其活性中心（通常是其氨基酸侧链基团）先与底物形成一个中间复合物，随后再转变成产物，并放出酶。酶的活性部位（active site）是它结合底物和将底物转化为产物的区域，通常是整个酶分子相当小的一部分，它是由在一级序列中可能相隔很远的氨基酸残基形成的三维实体。活性部位通常在酶的表面空隙或裂缝处，形成促进底物结合的优越的非极性环境。在活性部位，底物被多重的弱的作用力结合（静电相互作用、氢键、范德华键、疏水相互作用），在某些情况下被可逆的共价键结合。酶键合底物分子，形成酶-底物复合物（enzyme-substrate complex）。酶活性部位的活性残基与底物分子结合，首先将它转变为过渡态，然后生成产物，释放到溶液中。这时游离的酶又与另一分子底物结合，开始它的再一次循环。

现有两种经典模型解释酶如何和底物结合。1894年Emil Fischer提出锁和钥匙模型（lock-and-key model），底物的形状和酶的活性部位被认为彼此相适合，像钥匙插入它的锁中［图1-1（a）］，两种形状被认为是刚性的（rigid）和固定的（fixed），当正确组合在一起时，正好互相补充。诱导契合模型（induced-fit model）是1958年由Daniel E.Koshland提出的，底物的结合在酶的活性部位诱导出构象变化［图1-1（b）］。此外，酶可以使底物变形，迫使其构象近似于它的过渡态。例如，葡萄糖与己糖激酶的结合，当葡萄糖刚刚与酶结合后，即诱导酶的结构产生一种构象变化，使活化部位与底物葡萄糖形成互补关系。不同的酶表现出两种不同的模型特征，某些是互补性的，某些是构象变化。

氨基酸残基的性质和空间排布形成酶的活性部位，它决定哪种分子能成为酶的底物与之结合。底物专一性（substrate specificity）通常是由活性部位相关的少数氨基酸的变化所决定的，在胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶和弹性蛋白酶这3种消化酶中可清楚地看到（图1-2）。这3种酶属于丝氨酸蛋白酶（serine proteases）家族。“丝氨酸”的含义是因为它们在活性部位上有一丝氨酸残基，它在催化进程中是至关重要的。“蛋白酶”的含义是它们催化蛋白质的肽键使之水解。3种酶都断裂蛋白质底物的肽键，作用在某些氨基酸残基的羧基端。

胰蛋白酶切断带正电荷的Lys或Arg残基的羧基侧，胰凝乳蛋白酶切断庞大的芳香族氨基酸和疏水氨基酸残基的羧基侧，弹性蛋白酶切断具有小的不带电荷侧链残基的羧基侧。它们不同的专一性由它们的底物结合部位中的氨基酸基团的性质所决定，它们与其作用的底物互补。像胰蛋白酶，在它的底物结合部位有带负电荷的Asp残基，它与底物侧链上带正电荷的Lys和Arg相互作用［图1-2（a）］。胰凝乳蛋白酶在它的底物结合部位有带小侧链的氨基酸残基，如Gly和Ser，使底物的庞大侧链得以进入［图1-2（b）］。相反，弹性蛋白酶有相对大的Val和Thr，不带电荷的氨基酸侧链凸出在它的底物结合部位中，阻止了除Gly和Ala小侧链以外的所有其他氨基酸［图1-2（c）］。

研究酶的催化作用一般采用两种方法：一种方法是从非酶系统模式获得催化作用规律，其优点是反应简单，易于探究，而其缺点是非酶系统与酶系统不同，其实验结果不一定完全适合于阐明酶的催化作用。另一种方法是从酶的结构与功能研究中得到催化作用机制的证据。

根据两种方法的研究结果，目前已知酶的催化作用来自5个方面，即广义的酸碱催化、共价催化、邻近效应及定向效应、变形或张力以及活性中心为疏水区域。

1.广义的酸碱催化

在酶反应中起到催化作用的酸与碱，在化学上应与非酶反应中酸与碱的催化作用相同。酸与碱，在狭义上常指能离解H+与OH-的化合物。狭义的酸碱催化剂即是H+与OH-。广义的酸碱是指能供给质子（H+）与接受质子的物质。例如。在狭义上HA是酸，因为它能离解H+，但在广义上，HA也为酸，是由于它供给质子。在狭义上，A-既不是酸，也不是碱，但在广义上，它能接受质子，因此它就是碱。由此可见，在广义上酸与碱可以存在成相关的或共轭的对，如CH3COOH为共轭酸，而CH3COO-则为共轭碱。

虽然酸离解时释放H+，但是H+是质子，实际上在水溶液中是不会自由存在的。它常与溶剂结合成水化质子，即H3O+。不过，在一般情况下，为了方便起见，仍把H3O+看成H+。

在酸催化反应中，H+与反应物结合。其结合物更有反应性，因而反应速率大为加速。

上式中，X和Y代表酸催化前后的底物和产物。依同理，当碱为催化剂时，从反应物中移去H+，反应速率也大为加快。许多反应既受酸的催化，也受碱的催化，即在反应中有质子的供给，也有质子的减移，例如X转变为Y的反应主要靠酸与碱的催化。

酸碱催化剂是催化有机反应中普遍的、有效的催化剂。它们在酶反应中的协调一致可能起到特别重要的作用。由于生物体内酸碱度偏于中性，因而在酶反应中起到催化作用的酸碱不是狭义的酸碱，而是广义的酸碱。在酶蛋白中可以作为广义酸碱的功能基团见表1-3。

在广义酸碱的功能基团中以组氨酸的咪唑基特别重要，其理由有以下两点：一是咪唑基在中性溶液条件下有一半以质子供体（广义酸）的形式存在，另一半以质子受体（广义碱）的形式存在。它可在酶的催化反应中发挥重要的作用。二是咪唑基供给质子或接受质子的速度十分迅速，而且两者的速度几乎相等，因此，咪唑基是酶的催化反应中最有效最活泼的一个功能基团。

2.共价催化

有一些酶促反应可通过共价催化来提高反应速率。所谓共价催化就是底物与酶以共价的方式形成中间物。这种中间物可以很快转变为活化能大为降低的转变态，从而提高催化反应速率。例如糜蛋白酶与乙酸对硝基苯酯可结合成为乙酰糜蛋白酶的复合中间物，同时生成对硝基苯酚。在复合中间物中乙酰基与酶的结合为共价形式。乙酰糜蛋白酶与水作用后，迅速生成乙酸并释放出糜蛋白酶。乙酰糜蛋白酶是共价结合的ES复合物。能形成共价ES复合物的酶还有一些，详见表1-4。

共价催化的常见形式是酶的催化基团中亲核原子对底物的亲电子原子的攻击。它们类似亲核试剂与亲电试剂。所谓亲电试剂就是一种试剂具有强烈亲和电子的原子中心。带正电离子如Mg2+与是亲电子的，含有及基团的化合物也是亲电子的，其中的O及的N都有吸引电子的倾向，因而使得邻近的C原子缺乏电子。为了表示这种状态，可以用δ+表示，而吸引电子的O与N则可以用δ-表示。其电子移动的方向则以从δ+至δ-的弯曲箭头线表示，如下式：

所谓亲核试剂就是一种试剂具有强烈供给电子的原子中心。如:的N:，:的O:，:的O:及:的S:。酶的催化基团如丝氨酸的—OH基团、半胱氨酸的—SH基团及组氨酸的基团都是亲核的。

亲核催化剂之所以能发挥催化作用是由于它能对底物供给一对电子。这种倾向是催化反应速率的部分或全部决定因素。由于给予电子，催化剂就可与底物共价结合，而这种共价结合的中间物可以很快地分解，结果反应速率大大加快。

亲电催化剂正好与亲核催化剂相反，它从底物移去电子的步骤才是反应速率的决定因素。事实上，亲电步骤与亲核步骤常常是相互在一起发生的。当催化剂为亲核催化剂时，它就会进攻底物中的亲电核心。反之亦然。在酶促反应中，酶的亲核基团对底物的亲电核心起作用要比酶的亲电基团对底物的亲核中心起作用的可能性大得多。

3.邻近效应及定向效应

化学反应速率与反应物浓度成正比。假使在反应系统的局部，底物浓度增高，则反应速率也相应增高；如果溶液中底物分子进入酶的活性中心，则活性中心区域内底物浓度可以大为提高。例如某底物在溶液中浓度为0.001mol/L，而在酶活性中心的浓度竟达到100mol/L，即其浓度为溶液中浓度的105倍，也就是反应速率可大为提高。

底物分子进入酶的活性中心，除因浓度增高使反应速率增快外，还有特殊的邻近效应及定位效应。所谓邻近效应，就是底物的反应基团与酶的催化基团越靠近，其反应速率越快。以双羧酸的单苯基酯的分子内催化为例，当—COO-与酯键相靠较远时，酯水解的相对速率为1，而两者相隔很近时，酯水解速率可增加53000倍，详见表1-5。

严格来讲，仅仅靠近还不能解释反应速率的提高。要使邻近效应达到提高反应速率的效果，必须是既靠近又定向，即酶与底物的结合达到最有利于形成转变态，使反应加速（图1-3）。有人认为，这种加速效应可能使反应增加108倍。要使酶既与底物靠近，又与底物定向，就要求底物必须是酶的最适宜底物。当特异底物与酶结合时，酶蛋白发生一定的构象变化，与底物发生诱导契合。

4.变形或张力

酶使底物分子中的敏感键发生变形或张力，从而使底物的敏感键更易于破裂，详见图1-4。

下面是在非酶系统中存在变形或张力加速反应速率的实例：

　　 化合物Ⅰ

　　 化合物Ⅱ 　

化合物Ⅰ的水解反应速率快，而化合物Ⅱ的水解反应速率小，这是因为前者的反应物中的环状结构存在张力，而后者的反应物却无环状结构，两者的反应速率常数的比值为108，这表明，张力或变形可使反应速率常数增加108倍。

5.酶的活性中心为疏水区域

酶的活性中心常为酶分子的凹穴。此处常为非极性或疏水性的氨基酸残基。疏水区域的特点是介电常数低，并排出极性高的水分子。这使得底物分子的反应键和酶的催化基团之间易发生反应，有助于加速酶的催化反应。