酶
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酶(enzyme)，具有高效特異催化作用的蛋白質(zhì)。體內(nèi)幾乎所有代謝反應(yīng)均需酶的參與，而且對(duì)物質(zhì)代謝的控制也多通過對(duì)酶活性的調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)在已經(jīng)清楚，人類的不少疾病是由于某種酶的變異、減少甚或缺失所致，因此酶的缺失或變異可引起代謝紊亂而致病。催化劑只加速化學(xué)反應(yīng)達(dá)到平衡點(diǎn)，而不改變平衡點(diǎn)。酶也是如此，不過與非酶催化劑相比較，酶的催化效率極高；而且酶只催化特定物質(zhì)（稱作用物）進(jìn)行一定的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生一定的產(chǎn)物而無副產(chǎn)物，亦即酶具有極高的特異性。酶的催化能力稱為酶的活性，可以被測定，而且酶量的多少常以其活性大小來表示。對(duì)某些酶的活性的測定，常有助于疾病的診斷，因此酶學(xué)與疾病病因、診斷、治療諸方面都很密切。
目錄 |
酶的重要性
人體及其他生物要進(jìn)行數(shù)千種不同的化學(xué)反應(yīng)。舉凡消化、吸收、運(yùn)輸、合成、分泌、運(yùn)動(dòng)和繁殖等種種活動(dòng)（即通常所說的物質(zhì)代謝），無不以化學(xué)反應(yīng)為基礎(chǔ)。這些反應(yīng)大多進(jìn)行緩慢，而酶則加速這些反應(yīng)，從而使生命賴以存在的各種活動(dòng)得以及時(shí)進(jìn)行。這些反應(yīng)絕大部分在細(xì)胞中進(jìn)行；每個(gè)反應(yīng)由不同的酶所催化；細(xì)胞內(nèi)含數(shù)千種酶，分隔在各種細(xì)胞器中，有條不紊地催化生命攸關(guān)的反應(yīng)。
以每日進(jìn)食的淀粉為例，淀粉在消化道內(nèi)消化，由淀粉酶等催化水解為葡萄糖，而葡萄糖進(jìn)入細(xì)胞，也要有酶催化促成，而葡萄糖在細(xì)胞里的各種代謝更是一連串由酶催化的反應(yīng)，這些反應(yīng)使葡萄糖氧化成二氧化碳和水并供給能量，也可使之轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌镔|(zhì)如脂肪。葡萄糖在體內(nèi)氧化與其在體外燃燒相比，其產(chǎn)物雖同是二氧化碳和水，同時(shí)都放出能量，但是在體內(nèi)的氧化因有酶催化，在常溫等溫和的條件下進(jìn)行，經(jīng)過很多步驟并逐步放出便于利用的能量，這與體外燃燒極為不同。
酶的本質(zhì)
在中國商周時(shí)期，就記錄了釀酒制醬作飴等應(yīng)用微生物中酶的生產(chǎn)活動(dòng)。但是關(guān)于酶的本質(zhì)，遲至20世紀(jì)之初方獲結(jié)論。19世紀(jì)中期，人們?nèi)哉J(rèn)為酶必須在有生命的生物體中才起作用；酶一詞的希臘文原義即“在酵母中”。1897年發(fā)現(xiàn)無細(xì)胞的酵母提取液也可發(fā)酵，方知酶在細(xì)胞外依然可起作用。但是當(dāng)時(shí)對(duì)它的化學(xué)本質(zhì)尚無所知。1926年美國生物化學(xué)家J.B.薩姆納純化脲酶，獲得結(jié)晶，證明其為蛋白質(zhì)，首先提出酶是蛋白質(zhì)的概念。不過當(dāng)時(shí)的學(xué)術(shù)權(quán)威多持異議，不以為酶已被結(jié)晶出來，反認(rèn)為結(jié)晶了的是無作用的蛋白質(zhì)，而起酶作用的卻是附在其上的不明性質(zhì)的污染物。后來其他科學(xué)家也純化結(jié)晶得到諸如胃蛋白酶和胰蛋白酶等多種蛋白質(zhì)水解酶，并也都證明它們都是蛋白質(zhì)，酶的本質(zhì)是蛋白質(zhì)這結(jié)論才得到科學(xué)界認(rèn)可。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的數(shù)千種酶，已純化結(jié)晶的數(shù)百種酶，以及分析測定了一級(jí)化學(xué)結(jié)構(gòu)的酶，都證明是蛋白質(zhì)。酶是蛋白質(zhì)的概念如此牢固，若發(fā)現(xiàn)具有催化作用而非蛋白質(zhì)的大分子，或不宜以酶稱之。因此新發(fā)現(xiàn)的幾種具催化活性的核糖核酸，被稱為類酶(ribozyme，亦有譯為核質(zhì)酶、核酶、RNA酶或稱為“”者)。
全酶和輔酶
酶可能是一條肽鏈，如水解RNA的核糖核酸酶就是由124個(gè)氨基酸組成的單條肽鏈;也可由兩條或多條肽鏈組成，如乳酸脫氫酶由4條肽鏈組成。有些酶，整個(gè)分子都是蛋白質(zhì)，另一些酶分子除蛋白質(zhì)外尚需含有非蛋白質(zhì)組分，方具酶活性。這些非蛋白質(zhì)部分中與蛋白質(zhì)（即酶蛋白）結(jié)合松散的稱輔酶，結(jié)合牢固的稱為輔基。酶蛋白和輔酶或輔基合稱為全酶；單獨(dú)的酶蛋白或輔酶都無活性。輔酶分子小，對(duì)熱穩(wěn)定，多屬B族維生素衍生物（表1）。金屬離子參與生物化學(xué)反應(yīng)，約1/3的酶在催化中需要金屬離子，它們將作用物直接連接到酶分子上，或與酶分子結(jié)合使形成可與作用物相結(jié)合的構(gòu)象而間接起作用。需金屬的酶可按與金屬結(jié)合的強(qiáng)度區(qū)分為金屬酶或金屬激活酶。前者的金屬結(jié)合很牢，雖再增加自由金屬離子，其活性并不再增高。后者的金屬與酶分子表面基因結(jié)合較松，往往在酶的純化中丟失，因此需要再加入該金屬離子方可恢復(fù)活性。Zn、Fe、Co、Mn、Cu等多見于金屬酶，而Ca與Mg常隨Na和K作為金屬激活酶的輔助因子。
酶的活性在于有一定的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。若酶受到酸、堿或酶的水解，通常要失去活性，這表明活性與其蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)相關(guān)。酶若受加熱、pH劇變、變性劑的影響，雖無水解引起一級(jí)結(jié)構(gòu)變化，但酶活性也往往消失，這表明酶的天然二級(jí)、三級(jí)及四級(jí)結(jié)構(gòu)的重要性。酶蛋白變性就失去活性，但一些酶如RNA酶在一定條件下變性后，可有條件地恢復(fù)活性，此即復(fù)性作用。
酶的活性部位
酶的活性部位是結(jié)合作用物并提供直接參與形成或斷開化學(xué)鍵的氨基酸殘基的區(qū)域。含輔基的酶中，輔基也包括在活性部位。活性部位只占整個(gè)酶分子相當(dāng)小的一部分。酶分子上絕大部分氨基酸殘基并不與作用物接觸。作用物與酶分子相比通常要小得多，只可能接觸酶的很小的部分；即使大分子作用物如核酸或蛋白質(zhì)，被催化進(jìn)行反應(yīng)時(shí)，酶也只是與該類大分子作用物中的局部接觸。活性部位呈立體結(jié)構(gòu)而不是一個(gè)點(diǎn)或線，也不是一個(gè)平面。它由來自酶分子中氨基酸序列的不同部分的殘基組成，實(shí)際上一級(jí)結(jié)構(gòu)上遠(yuǎn)隔開的殘基更易相互作用成活性中心。如 RNA酶活性部位的重要氨基酸殘基是第12位和第 119位的組氨酸及41位的賴氨酸殘基。所有已知結(jié)構(gòu)的酶分子上都有一個(gè)凹陷或裂縫構(gòu)造，用以與作用物相結(jié)合。凹陷內(nèi)含有進(jìn)行結(jié)合作用和催化所需的殘基，作用物進(jìn)入凹陷式裂縫后，即借共價(jià)鍵、氫鍵、靜電吸引等各種力量與酶結(jié)合并被催化。酶的特異性就與活性部位的構(gòu)象密切相關(guān)。
酶的特異性
酶的一個(gè)最引人注目的特點(diǎn)是它催化的反應(yīng)的特異性（或稱專一性）。這既指酶對(duì)作用物的選擇，也指對(duì)所催化反應(yīng)的專一。不同的酶，其特異性的程度有別。如脲酶只催化尿素水解成為CO2和NH3；琥珀酸脫氫酶只以琥珀酸為作用物，它們的特異性極其嚴(yán)格，這可稱為絕對(duì)特異性，更多的酶對(duì)共同的基團(tuán)或化學(xué)鍵有選擇性；如磷酸酶可催化很多種含磷酸基團(tuán)的化合物水解脫下磷酸，又如酯酶則可催化水解很多不同化合物的酯鍵，選擇不甚嚴(yán)格，這可稱為相對(duì)特異性。可見不同的酶對(duì)作用物的特異性差別很大，即使是同一類酶，因來源不同，特異性的嚴(yán)格程度也不一致。例如：同是斷開肽鍵的蛋白質(zhì)水解酶，枯草桿菌蛋白酶對(duì)各種氨基酸殘基形成的肽鍵都有催化活性，胰蛋白酶對(duì)賴氨酸或精氨酸的羧基構(gòu)成的肽鍵才有催化活性，而凝血酶僅對(duì)精氨酸的羧基與甘氨酸的氨基構(gòu)成的肽鍵才有活性。酶對(duì)作用物的立體結(jié)構(gòu)也有專一的選擇，這稱為立體特異性。如催化L-氨基酸氧化的酶對(duì)D-氨基酸就無活性。
酶的特異性早有鎖與鑰匙之說作解釋。該說認(rèn)為酶猶如復(fù)雜的鎖，而作用物則似與之正確匹配的鑰匙，只有形狀相合的酶才有催化作用。這一觀念現(xiàn)在經(jīng)修改為誘導(dǎo)契合說：酶與作用物并非死板的鎖與鑰匙；酶分子的構(gòu)象可受作用物誘導(dǎo)而改變，使兩者成互補(bǔ)形狀，十分配合，此即契合。
酶原
有一些酶在細(xì)胞內(nèi)初合成時(shí)沒有催化活性，這是酶的前體，稱為酶原。例如胃和胰腺合成的蛋白水解酶都是以酶原的形式分泌到胃腸腔道中，然后經(jīng)過不同的有限的水解作用，斷開特異的肽鍵，才成為有活性的酶，這稱為酶原的激活。體內(nèi)血液凝固和凝塊溶解也是一些酶原激活過程。酶初合成時(shí)呈酶原的形式，這可以防止酶不適時(shí)宜的催化活性。例如急性胰腺炎就是酶原在胰臟內(nèi)被激活，導(dǎo)致胰腺組織蛋白質(zhì)被水解，可危及性命。下面列出胰腺分泌的一些酶原的激活反應(yīng)概要：
由此可見，胰蛋白酶原一旦被腸激酶激活，其他酶原也都被激活，它們就可協(xié)同作用，徹底水解腸腔中的蛋白質(zhì)。腸激酶由十二指腸分泌，是控制蛋白質(zhì)水解的關(guān)鍵。它特異地催化胰蛋白酶原中由賴氨酸羧基與異亮氨酸氨基構(gòu)成的肽鍵的斷開，從而脫下酶原N端一段六肽，蛋白質(zhì)構(gòu)象發(fā)生變化，可以形成有催化作用的活性部位。其他酶原的激活也是通過脫下或打開一些肽鍵，使酶分子可以形成活性部位。胰蛋白酶原也可被胰蛋白酶激活，這稱為自身催化或激活；胃蛋白酶原既可由H+激活也可由胃蛋白酶自身激活。
酶作用機(jī)理
化學(xué)反應(yīng)無非是舊化學(xué)鍵的斷裂和新化學(xué)鍵的形成，在斷裂與形成之間有一個(gè)過渡狀態(tài)。在A→P的反應(yīng)中，A要先開至過渡態(tài)A-P*方可跌落成為產(chǎn)物P，A-P*具有比 A或 P都高的能量。A要有足夠的能量(即活化能△G厵)方可達(dá)到過渡狀態(tài)：△G厵＝－，化學(xué)反應(yīng)的速度與具有等于或大于△G厵的自由能的分子數(shù)成正比。化學(xué)催化劑可降低反應(yīng)的活化能，使更多的分子升到過渡狀態(tài)，從而加速化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，酶也如此。酶與作用物形成復(fù)合體ES而達(dá)到過渡狀態(tài)［ES］*，所需活化能大大低于非催化反應(yīng)和非酶催化反應(yīng)，所以酶的催化效率極高。［ES］*經(jīng) EP（酶與產(chǎn)物復(fù)合體）而降解為產(chǎn)物和酶。
酶與作用物的可逆結(jié)合是通過離子鍵、氫鍵和范德瓦爾斯氏力這些非共價(jià)鍵而實(shí)現(xiàn)。換言之，酶的活性部位上的基團(tuán)具有與作用物形成這種非共價(jià)鍵的能力。酶與作用物復(fù)合體的存在已經(jīng)光譜分析、電子顯微鏡觀察甚至分離提純等技術(shù)證明。
米凱利斯－門頓二氏方程
在很多酶促反應(yīng)中，當(dāng)酶濃度恒定時(shí)反應(yīng)速度 υ與作用物濃度 ［S］的關(guān)系呈雙曲線圖形，即在低［S］下υ呈直線上升，而在高［S］下，υ上升緩慢)。
即酶(E)以速度常數(shù)k1與作用物S形成復(fù)合體ES。ES可以速度常數(shù)k2解離為E和S，也可以速度常數(shù)k3生成E和產(chǎn)物P。可以設(shè)想，在反應(yīng)初始時(shí)P生成極少，可不考慮其逆轉(zhuǎn)為S的過程。 因此，初始速度υ 決定于［ES］，即υ=k3［KS］，在低［S］的條件下，作用物不足以結(jié)合所有的酶，故若［S］增加，［ES］隨即增加，υ急劇增大。若［S］繼續(xù)增加至所有E均與S結(jié)合成［ES］，即［ES］=［E］，反應(yīng)速度υ即達(dá)最大值V，即使［S］再增，［ES］也不增多，所以 υ也不升高。在恒態(tài)下，ES形成速度k1［E］［S］等于ES分解速度(k2+k3)［ES］，按此推導(dǎo)出下式。即米凱利斯－門頓二氏方程式。
若反應(yīng)速度υ 為最大速度V的一半，即V=2υ時(shí)，則Km=［S］；亦即Km為酶促反應(yīng)速度等于最大速度的一半時(shí)的作用物濃度，其單位是摩爾/升(mol/L)。不同的酶，Km值不同，Km是酶的特征常數(shù)。在很多情況下，ES逆轉(zhuǎn)為E和S的速度遠(yuǎn)大于ES生成E和P的速度，即k2》k3，此時(shí)Km等于k2/k1。Km值愈小，表示ES解離愈少，即酶與作用物的親和力愈大；反之Km愈大，其親和力則愈小。
酶濃度恒定時(shí)，V也是個(gè)常數(shù)。因?yàn)?i>V=k3［E］，若已知酶的摩爾濃度，得到V的值就可計(jì)算出k3，例如10-6摩爾碳酸酐酶被作用物完全飽和時(shí)，每秒可催化生成0.6摩爾H2CO3，其k3=6×105秒-3。常數(shù)k3稱為轉(zhuǎn)換率，又稱催化常數(shù)，以Kcat表示。Kcat愈大， 酶的催化效率愈高。碳酸酐酶的轉(zhuǎn)換率是已知酶中最高的。大多數(shù)酶的Kcat值在1～104秒-1范圍內(nèi)。
酶的抑制作用
許多物質(zhì)可抑制酶的催化作用，這些物質(zhì)稱為抑制劑。抑制作用有重要意義，體內(nèi)代謝調(diào)節(jié)的一種方式就是代謝產(chǎn)物的反饋抑制，而且很多藥物或毒物也是通過抑制酶而起作用的。抑制作用可分為可逆抑制作用和不可逆抑制作用兩類。后者指抑制物與酶活性部位牢固結(jié)合而使之持久地失去活性。如二異丙基氟化磷這一有機(jī)磷毒物就是與乙酰膽堿酯酶活性部位的絲氨酸共價(jià)結(jié)合而使該酶失去活性，不能水解在突觸積累的乙酰膽堿。不可逆抑制劑不能用透析、超濾等物理手段從酶分子上除去。
可逆抑制作用指抑制劑與酶以非共價(jià)鍵結(jié)合，此時(shí)可用一些物理方法恢復(fù)酶的活性。按抑制劑與作用物及酶之間的相互關(guān)系，可逆抑制作用可分為競爭性抑制、非競爭性抑制、反競爭抑制和混合性抑制。①競爭性抑制劑與作用物競爭酶的相同結(jié)合部位。酶與抑制物結(jié)合就不能與作用物結(jié)合，反之亦然，它們相互排斥。抑制劑與作用物在結(jié)構(gòu)上常有類似之處，如丙二酸是琥珀酸脫氫酶的競爭性抑制劑；但也不盡然。在競爭性抑制劑存在下，酶的Km值增大而且隨抑制劑濃度的增加而增加，但是V不變。競爭性抑制是很多藥物發(fā)揮作用的方式。如有抗菌作用的磺胺藥是細(xì)菌二氫葉酸合成酶作用物對(duì)氨基苯甲酸的競爭性抑制劑。②非競爭性抑制劑既可與游離的酶結(jié)合，也可與酶－作用物復(fù)合體結(jié)合；作用物也可與酶－抑制劑復(fù)合體結(jié)合，它們不互相排斥而可形成酶－作用物－抑制劑三元復(fù)合體，但這個(gè)復(fù)合體不能釋放產(chǎn)物。從上可見，此種抑制劑與作用物并不結(jié)合在酶上的相同部位，不影響作用物與酶的親和力，但阻止酶的催化作用。在此種抑制劑作用下，酶的Km不變，但V減少并隨抑制劑濃度的增大而減小。③反競爭性抑制劑不與游離酶分子結(jié)合，而只與酶－作用物復(fù)合體結(jié)合成三元復(fù)合體，使之不能釋放產(chǎn)物。在反競爭性抑制劑作用下，酶的Km和V都減小。
酶的調(diào)節(jié)
體內(nèi)代謝可藉酶的隔離分布、數(shù)量和活性的變化而調(diào)節(jié)。不同細(xì)胞器有不同的酶譜。酶的數(shù)量可藉合成的誘導(dǎo)和阻遏以及降解的快慢而改變。酶的催化活性則可經(jīng)化學(xué)修飾或非共價(jià)結(jié)合配體而改變。這種調(diào)節(jié)可在數(shù)秒至數(shù)分鐘內(nèi)完成，迅速精確。酶分子上磷酸化與脫磷酸是常見的化學(xué)修飾調(diào)節(jié)，如無活性磷酸化酶經(jīng)磷酸化而具活性，脫磷酸后又失去活性。前述一些抑制劑就是非共價(jià)結(jié)合的配體，可起調(diào)節(jié)作用。也有能使酶活性增加的配體，即激活劑，如常見的某些金屬離子。
另有一類別構(gòu)酶，它們是寡聚體或具多個(gè)活性部位的單位。作用物與這類酶的一個(gè)活性部位結(jié)合后即影響余下活性部位與作用物的解離常數(shù)，即酶與作用物的結(jié)合有協(xié)同作用，別變構(gòu)酶催化的反應(yīng)速度與作用物濃度的關(guān)系曲線不呈雙曲線而呈S形曲線。再者，別構(gòu)酶的構(gòu)象可因活性部位（催化單位）以外的別個(gè)部位（調(diào)節(jié)部位），與配體結(jié)合而有所改變。若這種結(jié)合促進(jìn)酶的活性，該配體即為別構(gòu)正效應(yīng)劑或激活劑，反之為別構(gòu)負(fù)效應(yīng)劑或抑制劑。別構(gòu)酶多處在代謝途徑關(guān)鍵處，對(duì)調(diào)節(jié)代謝速度十分重要，可稱為關(guān)鍵酶或調(diào)節(jié)酶。
酶的醫(yī)學(xué)意義
疾病多與代謝失調(diào)相關(guān)，這常涉及酶的變化，因此酶在病因、診斷以至治療上都有其地位。不少代謝性疾病是先天性某種酶的缺乏，如白化病因缺乏酪氨酸羥化酶，糖原貯積病、脂質(zhì)貯積病苯丙酮酸尿癥等也是酶缺陷所致。有機(jī)磷（如敵敵畏）等農(nóng)藥可抑制膽堿酯酶的活性，故有毒性。疾病時(shí)常有血清酶的改變，可用此作為診斷的依據(jù)。常用于診斷的血清酶有20多種。如肝臟疾病時(shí)可測定血清谷丙轉(zhuǎn)氨酶(AST、GPT)。幾種疾病可引起同一種酶的變化。具有不同理化性質(zhì)、催化特點(diǎn)以及不同免疫性質(zhì)的酶可催化同一反應(yīng)，它們稱為同工酶。可根據(jù)同工酶的變化以助某些疾病的鑒別診斷。如肌酸激酶有MM、MB和BB三型同工酶，心肌梗死時(shí)血清MB型增高，這是極好的診斷指標(biāo)；而大多數(shù)前列腺癌病人血清中出現(xiàn)肌酸激酶BB型，而正常血清幾乎不含該型酶。許多酶可應(yīng)用于治療，各類水解酶，如淀粉酶、胃蛋白酶可口服以幫助消化。尿激酶、鏈激酶可以激活纖溶酶原，用以溶解血栓，疏通血管，治療各類栓塞，如心肌梗死和腦栓塞。
酶類藥品列表
- 巴曲酶注射液
- 菠蘿蛋白酶腸溶片
- 多酶片
- 彈性酶片
- 彈性酶腸溶片
- 彈性酶腸溶膠囊
- 淀粉酶口服溶液
- 復(fù)合磷酸酯酶腸溶片
- 復(fù)方淀粉酶口服溶液
- 復(fù)合凝乳酶膠囊
- 復(fù)方消化酶膠囊
- 含糖胃蛋白酶
- 蘄蛇酶注射液
- 溶菌酶含片
- 溶菌酶腸溶片
- 三磷酸腺苷二鈉注射液
- 三磷酸腺苷二鈉片
- 舍雷肽酶片
- 血糖試劑盒
- 胰激肽原酶腸溶片
- 注射用胰激肽原酶
- 注射用胰蛋白酶
- 注射用三磷酸腺苷二鈉
- 注射用糜蛋白酶
- 注射用輔酶Ⅰ
- 注射用膠原酶
- 注射用醋酸奧曲肽微球
- 注射用胸腺肽α1
- 注射用心肌肽
- 注射用抑肽酶
- 注射用白眉蛇毒血凝酶
- 注射用血凝酶
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