【正文】 第四章 生物催化劑—酶生命的基本特征是新陳代謝，生物體在新陳代謝過程中，幾乎所有的化學(xué)反應(yīng)都是在生物催化劑——酶(enzyme)的催化下進行的。但是20世紀(jì)80年代發(fā)現(xiàn)還有一類生物催化劑，稱為核酶（ribozyme），它主要作用于RNA的剪接。本章主要介紹酶的有關(guān)內(nèi)容，因為生物體的一切生命活動都是在酶的催化下平衡協(xié)調(diào)地進行，臨床上許多疾病都與酶的異常密切相關(guān)，許多臨床常用藥物亦是通過影響酶的作用來達到治療。第一節(jié) 酶是生物催化劑一、生物催化劑（一）酶酶是由活細胞產(chǎn)生的具有催化功能的蛋白質(zhì)，它是最主要的生物催化劑。酶所催化的化學(xué)反應(yīng)稱為酶促反應(yīng)。在酶促反應(yīng)中被酶催化的物質(zhì)叫底物（substrate，S）；經(jīng)酶催化所產(chǎn)生的物質(zhì)叫產(chǎn)物（product，P）；酶所具有的催化能力稱為酶的“活性”，如果酶喪失催化能力稱為酶失活。1926年Sumner首次從刀豆中提取脲酶結(jié)晶并率先提出酶的化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)。到目前為止，純化和結(jié)晶的酶已超過2000余種。根據(jù)酶的化學(xué)組成成分不同，可將其分為單純酶（simple enzyme）和結(jié)合酶（conjugated enzyme）兩類。1． 單純酶 這類酶的基本組成單位僅為氨基酸，通常只有一條多肽鏈。它的催化活性僅僅決定于它的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。如淀粉酶、脂肪酶、蛋白酶等均屬于單純酶。2． 結(jié)合酶 這類酶由蛋白質(zhì)部分和非蛋白質(zhì)部分組成，前者稱為酶蛋白（apoenzyme），后者稱為輔助因子（cofactor）。酶蛋白與輔助因子結(jié)合形成的復(fù)合物稱為全酶（holoenzyme）。只有全酶才有催化作用。酶蛋白在酶促反應(yīng)中起著決定反應(yīng)特異性的作用，輔助因子則決定反應(yīng)的類型，參與電子、原子、基團的傳遞。 輔助因子的化學(xué)本質(zhì)是金屬離子或小分子有機化合物，按其與酶蛋白結(jié)合的緊密程度不同可分為輔酶（coenzyme）與輔基（prosthetic group）。輔酶與酶蛋白結(jié)合疏松，可用透析或超濾的方法除去。輔基則與酶蛋白結(jié)合緊密，不能通過透析或超濾將其除去。B族維生素是形成體內(nèi)結(jié)合酶輔酶或輔基的重要成分。（二）核酶1982年，Thomas Cech從四膜蟲rRNA前體的加工研究中首先發(fā)現(xiàn)rRNA分子在沒有任何蛋白質(zhì)的存在下發(fā)生了自我催化的剪接反應(yīng)，此后更多的證據(jù)表明，某些RNA分子有固有的催化活性。這種具有催化作用的RNA被稱為核酶或催化性RNA（catalytic RNA）。核酶的發(fā)現(xiàn)一方面推動了對于生命活動多樣性的理解，另外在醫(yī)學(xué)上也有其特殊的用途。由于核酶結(jié)構(gòu)的闡明，可以用人工合成的小片段RNA，使其結(jié)合在有害RNA（病毒RNA，癌基因mRNA等）上，將其特異性降解。這一思路已經(jīng)在實驗中獲得成功，針對HIV（人類免疫缺陷病毒）的核酶在美國和澳大利亞已進入臨床試驗。理論上講，核酶幾乎可以被廣泛用來嘗試治療所有基因產(chǎn)物有關(guān)的疾病。（三）脫氧核酶最初發(fā)現(xiàn)的核酶都是RNA分子，后來證實人工合成的具有類似結(jié)構(gòu)的DNA分子也具有特異性降解RNA的作用。相對應(yīng)于催化性RNA，具有切割RNA作用的DNA分子稱為脫氧核酶或催化性DNA（catalytic DNA）。由于DNA分子較RNA穩(wěn)定，而且合成成本低，因此在未來的治療藥物發(fā)展中可能具有更廣泛的前景。目前尚未發(fā)現(xiàn)天然存在的催化性DNA。二、酶的催化作用特點酶是生物催化劑，既有與一般催化劑相同的催化性質(zhì)，又有一般催化劑所沒有的生物大分子的特征。酶與一般催化劑一樣，只能催化熱力學(xué)允許的化學(xué)反應(yīng)，縮短達到化學(xué)平衡的時間，而不改變平衡點。酶作為催化劑在化學(xué)反應(yīng)的前后沒有質(zhì)和量的改變，微量的酶就能發(fā)揮較大的催化作用。因為酶是蛋白質(zhì)，所以又具有其獨特的催化特點：1．高度的催化效率 酶的催化效率比無催化劑的自發(fā)反應(yīng)速度高108～1020倍，比一般催化劑的催化效率高107～1013倍。這種高度加速的酶促反應(yīng)機制，主要是因為大幅度降低了反應(yīng)的活化能(activation energy)。2．高度的特異性酶對其所催化的底物和催化的反應(yīng)具有較嚴格的選擇性，常將這種選擇性稱為酶的特異性或?qū)Ｒ恍?specificity)。根據(jù)酶對底物選擇的嚴格程度不同，酶的特異性通常分為以下三種：(1)絕對特異性(absolute specifictity)：有的酶只能催化一種底物發(fā)生一定的反應(yīng)，稱為絕對特異性。如脲酶只能催化尿素水解成NH3和CO2，而不能催化甲基尿素水解。(2)相對特異性(relative specificity)：一種酶可作用于一類化合物或一種化學(xué)鍵，這種不太嚴格的特異性稱為相對特異性。如脂肪酶不僅水解脂肪，也能水解簡單的酯類。(3)立體異構(gòu)特異性(stereopecificity)：酶對底物的立體構(gòu)型的特異要求，稱為立體異構(gòu)特異性。如L乳酸脫氫酶的底物只能是L型乳酸，而不能是D型乳酸。3．酶活性的可調(diào)節(jié)性物質(zhì)代謝在正常情況下處于錯綜復(fù)雜、有條不紊的動態(tài)平衡中。酶活性的調(diào)節(jié)作用是維持這種平衡的重要環(huán)節(jié)。通過各種調(diào)控方式，例如，酶的生物合成的誘導(dǎo)和阻遏、酶的化學(xué)修飾、酶的變構(gòu)調(diào)節(jié)以及神經(jīng)體液因素的調(diào)節(jié)等，改變酶的催化活性，以適應(yīng)生理功能的需要，促進體內(nèi)物質(zhì)代謝的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，保證生命活動的正常進行。4．酶活性的不穩(wěn)定性酶是蛋白質(zhì)，酶促反應(yīng)要求一定的pH、溫度等溫和的條件，強酸、強堿、有機溶劑、重金屬鹽、高溫、紫外線、劇烈震蕩等任何使蛋白質(zhì)變性的理化因素都可使酶變性而失去其催化活性。三、酶的活性中心與催化作用機理（一） 酶的活性中心組成酶分子的氨基酸中有許多化學(xué)基團，如NHCOOH、SH、OH等，但這些基團并不都是與酶活性有關(guān)。其中那些與酶的活性密切相關(guān)的基團稱為酶的必需基團（essential group）。這些必需基團在一級結(jié)構(gòu)上可能相距很遠，但在空間結(jié)構(gòu)上彼此靠近，形成一個能與底物特異地結(jié)合并將底物轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物的特定空間區(qū)域，這一區(qū)域稱為酶的活性中心（active center）。對結(jié)合酶來說，輔酶或輔基也參與酶活性中心的組成。酶活性中心內(nèi)的必需基團分兩種：能直接與底物結(jié)合的必需基團稱為結(jié)合基團（binding group），影響底物中某些化學(xué)鍵的穩(wěn)定性，催化底物發(fā)生化學(xué)變化的必需基團稱為催化基團（catalytic group）。還有一些必需基團雖然不參加活性中心的組成，但卻為維持酶活性中心應(yīng)有的空間構(gòu)象所必需，這些基團是酶活性中心外的必需基團（圖411）圖411 酶活性中心示意圖酶的活性中心往往位于酶分子表面或凹陷處，是酶催化作用的關(guān)鍵部位。不同的酶有不同的活性中心，故對底物有高度的特異性。形成或暴露酶的活性中心，可使無催化活性的酶原轉(zhuǎn)變成具有催化活性的酶。相反，酶的活性中心一旦被其它物質(zhì)占據(jù)或某些理化因素使酶的空間結(jié)構(gòu)破壞，酶則喪失催化活性。（二） 酶的催化作用機理酶和化學(xué)催化劑都能降低反應(yīng)的活化能，但酶比一般化學(xué)催化劑降低活化能作用要大得多，故表現(xiàn)為酶作用的高度催化效率（圖412）。例如，反應(yīng): H2O2+ H2O2→2H2O+O2 在無催化劑時，；膠體鈀催化時，需活化能49KJ/mol；過氧化氫酶催化時。圖412 酶與一般化學(xué)催化劑降低反應(yīng)活化能示意圖酶能大幅度降低反應(yīng)活化能的原因是：1． 酶能與底物形成中間復(fù)合物酶催化底物反應(yīng)時，首先酶的活性中心與底物結(jié)合生成酶－底物復(fù)合物，此復(fù)合物再進行分解而釋放出酶，同時生成一種或數(shù)種產(chǎn)物，此過程可用下式表示： E+S—→ES—→E+P上式中E代表酶，S代表底物，ES代表酶底復(fù)合物，P代表反應(yīng)產(chǎn)物。ES的形成，改變了原來反應(yīng)的途徑，大幅度降低了反應(yīng)活化能，從而使反應(yīng)加速。 2． 趨近效應(yīng)和定向效應(yīng)酶與底物形成復(fù)合物后，使底物與底物（如雙分子反應(yīng)）之間，酶的催化基團與底物之間結(jié)合于同一分子而使有效濃度得以極大地升高，從而使反應(yīng)速度大大增加，這種效應(yīng)稱為趨近效應(yīng)。趨近效應(yīng)使酶活性中心處的底物濃度急劇增高，從而增加底物