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44第四章生物催化剂—酶生命的基本特征是新陈代谢，生物体在新陈代谢过程中，几乎所有的化学反应都是在生物催化剂——酶(enzyme)的催化下进行的。但是20世纪80年代发现还有一类生物催化剂，称为核酶（ribozyme），它主要作用于RNA的剪接。本章主要介绍酶的有关内容，因为生物体的一切生命活动都是在酶的催化下平衡协调地进行，临床上许多疾病都与酶的异常密切相关，许多临床常用药物亦是通过影响酶的作用来达到治疗。第一节酶是生物催化剂一、生物催化剂（一）酶酶是由活细胞产生的具有催化功能的蛋白质，它是最主要的生物催化剂。酶所催化的化学反应称为酶促反应。在酶促反应中被酶催化的物质叫底物（substrate，S）；经酶催化所产生的物质叫产物（product，P）；酶所具有的催化能力称为酶的“活性”，如果酶丧失催化能力称为酶失活。1926年Sumner首次从刀豆中提取脲酶结晶并率先提出酶的化学本质是蛋白质。到目前为止，纯化和结晶的酶已超过2000余种。根据酶的化学组成成分不同，可将其分为单纯酶（simpleenzyme）和结合酶（conjugatedenzyme）两类。1．单纯酶这类酶的基本组成单位仅为氨基酸，通常只有一条多肽链。它的催化活性仅仅决定于它的蛋白质结构。如淀粉酶、脂肪酶、蛋白酶等均属于单纯酶。2．结合酶这类酶由蛋白质部分和非蛋白质部分组成，前者称为酶蛋白（apoenzyme），后者称为辅助因子（cofactor）。酶蛋白与辅助因子结合形成的复合物称为全酶（holoenzyme）。只有全酶才有催化作用。酶蛋白在酶促反应中起着决定反应特异性的作用，辅助因子则决定反应的类型，参与电子、原子、基团的传递。辅助因子的化学本质是金属离子或小分子有机化合物，按其与酶蛋白结合的紧密程度不同可分为辅酶（coenzyme）与辅基（prostheticgroup）。辅酶与酶蛋白结合疏松，可用透析或超滤的方法除去。辅基则与酶蛋白结合紧密，不能通过透析或超滤将其除去。B族维生素是形成体内结合酶辅酶或辅基的重要成分。（二）核酶1982年，ThomasCech从四膜虫rRNA前体的加工研究中首先发现rRNA分子在没有任何蛋白质的存在下发生了自我催化的剪接反应，90年代H.F.Noller证明大肠杆菌的23SrRNA具有催化肽键形成的作用，此后更多的证据表明，某些RNA分子有固有的催化活性。这种具有催化作用的RNA被称为核酶或催化性RNA（catalyticRNA）。核酶的发现一方面推动了对于生命活动多样性的理解，另外在医学上也有其特殊的用途。由于核酶结构的阐明，可以用人工合成的小片段RNA，使其结合在有害RNA（病毒RNA，45癌基因mRNA等）上，将其特异性降解。这一思路已经在实验中获得成功，针对HIV（人类免疫缺陷病毒）的核酶在美国和澳大利亚已进入临床试验。理论上讲，核酶几乎可以被广泛用来尝试治疗所有基因产物有关的疾病。（三）脱氧核酶最初发现的核酶都是RNA分子，后来证实人工合成的具有类似结构的DNA分子也具有特异性降解RNA的作用。相对应于催化性RNA，具有切割RNA作用的DNA分子称为脱氧核酶或催化性DNA（catalyticDNA）。由于DNA分子较RNA稳定，而且合成成本低，因此在未来的治疗药物发展中可能具有更广泛的前景。目前尚未发现天然存在的催化性DNA。二、酶的催化作用特点酶是生物催化剂，既有与一般催化剂相同的催化性质，又有一般催化剂所没有的生物大分子的特征。酶与一般催化剂一样，只能催化热力学允许的化学反应，缩短达到化学平衡的时间，而不改变平衡点。酶作为催化剂在化学反应的前后没有质和量的改变，微量的酶就能发挥较大的催化作用。因为酶是蛋白质，所以又具有其独特的催化特点：1．高度的催化效率酶的催化效率比无催化剂的自发反应速度高108～1020倍，比一般催化剂的催化效率高107～1013倍。这种高度加速的酶促反应机制，主要是因为大幅度降低了反应的活化能(activationenergy)。2．高度的特异性酶对其所催化的底物和催化的反应具有较严格的选择性，常将这种选择性称为酶的特异性或专一性(specificity)。根据酶对底物选择的严格程度不同，酶的特异性通常分为以下三种：(1)绝对特异性(absolutespecifictity)：有的酶只能催化一种底物发生一定的反应，称为绝对特异性。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)相对特异性(relativespecificity)：一种酶可作用于一类化合物或一种化学键，这种不太严格的特异性称为相对特异性。如脂肪酶不仅水解脂肪，也能水解简单的酯类。(3)立体异构特异性(stereopecificity)：酶对底物的立体构型的特异要求，称为立体异构特异性。如L-乳酸脱氢酶的底物只能是L型乳酸，而不能是D型乳酸。3．酶活性的可调节性物质代谢在正常情况下处于错综复杂、有条不紊的动态平衡中。酶活性的调节作用是维持这种平衡的重要环节。通过各种调控方式，例如，酶的生物合成的诱导和阻遏、酶的化学修饰、酶的变构调节以及神经体液因素的调节等，改变酶的催化活性，以适应生理功能的需要，促进体内物质代谢的协调统一，保证生命活动的正常进行。4．酶活性的不稳定性酶是蛋白质，酶促反应要求一定的pH、温度等温和的条件，强酸、强碱、有机溶剂、重金属盐、高温、紫外线、剧烈震荡等任何使蛋白质变性的理化因素都可使酶变性而失去其催化活性。三、酶的活性中心与催化作用机理（一）酶的活性中心组成酶分子的氨基酸中有许多化学基团，如-NH2、-COOH、-SH、-OH等，但这些基团并不都是与酶活性有关。其中那些与酶的活性密切相关的基团称为酶的必需基团（essential46group）。这些必需基团在一级结构上可能相距很远，但在空间结构上彼此靠近，形成一个能与底物特异地结合并将底物转变为产物的特定空间区域，这一区域称为酶的活性中心（activecenter）。对结合酶来说，辅酶或辅基也参与酶活性中心的组成。酶活性中心内的必需基团分两种：能直接与底物结合的必需基团称为结合基团（bindinggroup），影响底物中某些化学键的稳定性，催化底物发生化学变化的必需基团称为催化基团（catalyticgroup）。还有一些必需基团虽然不参加活性中心的组成，但却为维持酶活性中心应有的空间构象所必需，这些基团是酶活性中心外的必需基团（图4-1-1）图4-1-1酶活性中心示意图酶的活性中心往往位于酶分子表面或凹陷处，是酶催化作用的关键部位。不同的酶有不同的活性中心，故对底物有高度的特异性。形成或暴露酶的活性中心，可使无催化活性的酶原转变成具有催化活性的酶。相反，酶的活性中心一旦被其它物质占据或某些理化因素使酶的空间结构破坏，酶则丧失催化活性。（二）酶的催化作用机理酶和化学催化剂都能降低反应的活化能，但酶比一般化学催化剂降低活化能作用要大得多，故表现为酶作用的高度催化效率（图4-1-2）。例如，反应:H2O2+H2O2→2H2O+O2在无催化剂时，需活化能75.6KJ/mol；胶体钯催化时，需活化能49KJ/mol；过氧化氢酶催化时，仅需活化能8.4KJ/mol。图4-1-2酶与一般化学催化剂降低反应活化能示意图酶能大幅度降低反应活化能的原因是：471．酶能与底物形成中间复合物酶催化底物反应时，首先酶的活性中心与底物结合生成酶－底物复合物，此复合物再进行分解而释放出酶，同时生成一种或数种产物，此过程可用下式表示：E+S—→ES—→E+P上式中E代表酶，S代表底物，ES代表酶底复合物，P代表反应产物。ES的形成，改变了原来反应的途径，大幅度降低了反应活化能，从而使反应加速。2．趋近效应和定向效应酶与底物形成复合物后，使底物与底物（如双分子反应）之间，酶的催化基团与底物之间结合于同一分子而使有效浓度得以极大地升高，从而使反应速度大大增加，这种效应称为趋近效应。趋近效应使酶活性中心处的底物浓度急剧增高，从而增加底物分子的有效碰撞。酶还能使靠近活性中心处的底物分子的反应基团与酶的催化基团取得正确定向，这就是定向作用。定向作用提高了酶与底物反应的适宜时机，从而降低了反应活化能，加快了反应速度。图4-1-3中，A、B分别代表两个底物，当它们进入活性中心后，从不易起反应的Ⅰ位，定向转位到最易起反应的Ⅲ位。图4-1-3趋近效应与定向作用3.“变形”与“契合”酶与底物接触后，酶在底物的诱导下其空间构象发生变化，另一方面底物也因某些敏感键受力而发生“变形”，酶构象的改变与底物的变形，使两者彼此互补“契合”(图4-1-4)，导致底物分子内部产生张力，受牵拉力影响底物化学键易断裂，容易反应。48图4-1-4酶-底物“变形”与“契合”示意图4．酸碱催化作用酶的活性中心具有某些氨基酸残基的R基团，这些基团有许多是酸碱功能基团（如氨基、羧基等）它们在体液条件下，往往是良好的质子供体或受体，极有利于进行酸碱催化作用，从而提高酶的催化效能。5．共价催化作用某些酶能与底物形成极不稳定的、共价结合的ES复合物，这些复合物极易变成过渡态，从而降低反应的活化能，加速化学反应速度。四、辅酶与辅基前已述及，结合酶由两部分构成：酶蛋白+辅酶（或辅基）。其中辅酶（基）通常结合于酶的活性中心，酶蛋白的活性中心形状决定了什么样的底物可以与之结合，而存在于活性中心的辅酶（基）则对底物进行电子、原子或基团转移。即辅酶（基）决定了化学反应的性质和类型，因此，酶的辅助因子（辅酶、辅基）在酶促反应中起着非常重要的作用。B族维生素是合成辅酶或辅基的基本原料，个别B族维生素可以直接作为辅助因子结合于酶蛋白上。以下介绍生化反应中一些常见的辅酶和辅基。（一）辅酶I和辅酶II：NAD+、NADP+NAD+（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸）和NADP+（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸）是生化反应中重要的电子和氢传递体，因此它们参与的是氧化还原反应（图4-1-5）。49图4-1-5辅酶I和辅酶IINAD+和NADP+是各种不需氧脱氢酶的辅酶，可以接受底物分子上提供的氢负离子（H:-）而还原为NADH和NADPH。底物分子脱氢时，一次脱下一对氢（2H++2e-），NAD+或NADP+接受1个H+和2个e-，另一个H+游离存在于溶液中。NADH在细胞内有两条去路，一是通过呼吸链最终将氢传递给氧生成水，释放能量用于ATP的合成；一是作为还原剂为加氢反应（还原反应）提供氢。NADPH一般不将氢传递给氧，通常只作为还原剂为加氢反应提供氢。NADPH是细胞内重要的还原剂。辅酶I和辅酶II是以维生素PP（尼克酸、尼克酰胺）、核糖、磷酸、腺嘌呤为原料合成的。（二）黄素辅酶：FMN、FADFMN（黄素单核苷酸）和FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）是另一类氢和电子的传递体，参与氧化还原反应（图4-1-6）。50图4-1-6FMN与FADFMN、FAD是黄酶（氧化还原酶）的辅基，参与体内多种氧化还原反应，它可以接受2个氢而还原为FMNH2或FADH2。其中FMN是呼吸链的重要氢和电子传递体，FAD主要参与有机物如脂肪酸等的氧化脱氢。FADH2可将氢通过呼吸链传递至氧生成水，释放能量用于ATP的合成；在某些情况下，也可将氢直接传递给氧而生成过氧化氢（H2O2），H2O2可被过氧化氢酶催化分解成水和氧气。黄素辅基是由维生素B2（核黄素）转化形成的。（三）辅酶A：CoA-SH辅酶A是体内传递酰基的载体，为酰基移换酶之辅酶（图4-1-7）。图4-1-7辅酶A51辅酶A由3-磷酸-ADP、泛酸、巯基乙胺三部分构成，其中泛酸为维生素，因此辅酶A是主要是以维生素泛酸为原料转化合成的。巯基-SH是辅酶A的活性基团，因此辅酶A常写作CoA-SH。当携带乙酰基时形成CH3CO-SCoA，称为乙酰辅酶A。当交出乙酰基时又恢复为CoA-SH。辅酶A在糖代谢、脂质分解代谢、氨基酸代谢及体内一些重要物质如乙酰胆碱、胆固醇的合成中均起重要作用。（四）氨基酸分解代谢的重要辅酶：磷酸吡哆醛与磷酸吡哆胺磷酸吡哆醛与磷酸吡哆胺是氨基酸代谢中多种酶的辅酶，可以催化多种反应，