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第一节

酶的化学本质和特性

一、酶的化学本质

物质代谢是生命活动的基本特征之一,也是一切生命活动的基础。尤其是作为高等生物的人类,其具有敏捷的思维、灵活的运动、良好的自然及社会适应能力,这些都依托于机体不同组织细胞内复杂高效的化学反应。生物体内几乎所有的化学反应都是在一类特异的生物催化剂作用下有条不紊地完成的,这就是酶。

☆考点提示

酶的化学本质,化学催化剂与生物催化剂的异同点,不同专一性的区别。

酶学知识来源于生产实践。酶的应用在我国夏商时代已经开始,如酿酒醋、制麦饴等技术早为人所知。春秋战国时期,神曲(酵母)用于治疗胃肠道疾病,至今仍为世界上通用的助消化药。19世纪初,人们就已经知道生物体内存在着能催化化学反应的热不稳定物质,但对其本质一直不甚了解。酶的系统研究始于19世纪中叶对发酵本质的探讨。1877年Kuhne正式使用“酶”(Enzyme,E)的名称。1897年,德国科学家Hans Buchner和Eduard Buchner首次成功地用无细胞的酵母提取液将蔗糖转变成乙醇,实现了生醇发酵。1926年,Sumner从刀豆中分离获得了脲酶结晶,并提出酶的化学本质是蛋白质,后来发现的很多酶都验证了这一点。直到1982年,Thomas Cech从四膜虫rRNA前体的加工研究中首先发现rRNA前体具有自我催化作用,并提出核酶(Ribozyme)的概念。1995年Jack W.Szostak研究室首先报道了具有DNA连接酶活性的DNA片段,从而扩充了的核酶的概念,为生物催化剂的发展作出了新的贡献。

综上所述,酶是由活细胞合成的生物催化剂。化学本质为蛋白质的酶是最主要的生物催化剂。化学本质为核酸的酶为数不多,是主要作用于核酸的生物催化剂,包括一些小RNA和某些DNA片段。迄今已经发现生物体内存在的酶有数千种,它们都具有生物大分子的化学性质。本章只讨论化学本质是蛋白质的酶。

酶催化的化学反应称为酶促反应。在酶促反应中被催化的物质称为底物(Substrate,S),反应生成的物质称为产物(Product,P)。酶促反应可用式子表示为:

二、酶的特性

酶和一般的催化剂一样,仅能催化热力学上能够发生的化学反应。酶能使可逆的酶促反应加速达到平衡点(即缩短反应时间,加快反应速度,提高反应效率),而不能改变反应的平衡常数,反应前后酶没有质和量的变化。但作为生物催化剂,酶有自身的许多特点:

(一)高度的催化效率

酶的催化效率比相应的非酶促反应要高10 8 ~10 20 倍,比一般催化剂高10 7 ~10 13 。例如:每个碳酸酐酶分子每分钟可以催化10 6 个CO 2 分子转变成碳酸,比无催化剂时快10 7 倍;脲酶水解尿素时,反应速度比用酸水解时快7×10 12 倍,比无催化剂时快10 14 倍。

(二)高度的专一性

酶对所催化底物的选择性,称为酶的专一性或特异性。酶的专一性要求底物具有特定的结构,既可以针对底物分子内部的化学键或针对催化反应的类型,也可以针对底物的立体结构。根据酶对底物选择的严格程度不同,酶的高度专一性分为以下三种类型:

1.绝对专一性 有一些酶只能作用于特定结构的底物或进行一种特定的反应,产生一种特定结构的产物。这种专一性称为绝对专一性。例如:脲酶只能催化尿素水解为NH 3 和CO 2 ,而不能催化和尿素结构非常相似的衍生物;琥珀酸脱氢酶只能催化琥珀酸发生氧化还原反应,而不能催化结构非常相似的丙二酸;同分异构体中只催化其中之一。这类酶对催化的底物具有唯一性。

2.相对专一性 有一些酶的特异性相对较差,其作用于一类化合物或同类化学键,这种对底物不太严格的选择性称为相对专一性。例如:脂肪酶不仅水解脂肪,也可水解简单的脂;磷酸酶对一般的磷酸酯键都有水解作用,也可水解甘油或酚与磷酸形成的酯键;蔗糖酶不仅水解蔗糖,也可水解棉子糖中的同一种糖苷键;同分异构体都能催化。这类酶所催化的底物具有相似性。

3.立体异构专一性 有些酶作用的底物仅具有立体异构体,其只催化其中的一种构象或构型,这种选择性称为立体异构专一性。例如:淀粉酶只能水解淀粉中葡萄糖残基之间的“ α -1,4-糖苷键”,而不能水解纤维素中葡萄糖残基之间的“ α -1,6-糖苷键”;L-氨基酸氧化酶只能催化L-氨基酸,对D-氨基酸则无作用;延胡索酸酶只能作用于反丁烯二酸(延胡索酸),对顺丁烯二酸则无作用。

(三)高度的不稳定性

酶是蛋白质,凡能影响蛋白质结构稳定的因素(如酸、碱、金属离子等化学因素,射线、温度、振荡等物理因素)都可以影响酶的活性,甚至使酶变性失活。在生产、保存酶制剂和临床测定酶活性时都应避免上述因素的影响。

(四)酶的活性可调节性

生物体内,酶活性受多种因素(如底物、产物和激素等)的调控,以适应机体不断变化的内外环境和生命活动的需要。酶的调节方式很多,包括:变构调节、共价修饰调节、酶量的调节等。有的可提高酶的活性,有的抑制酶的活性,从而使体内各种化学反应有条不紊地进行。

人体的许多疾病与酶的异常有关,很多药物也通过对酶的作用来发挥治疗目的。日常生活中,用途广泛的含酶产品给我们带来很多的便利。由于酶的独特的催化功能,使它在工业、农业、医疗卫生及现代高科技研究等方面具有重大实际意义。

知识链接

消化酶的故事

1822年,美国士兵圣马丁在一次爆炸中,左侧腹部被弹片击穿,伤愈后留下了一个直径2.5cm的“胃瘘”。波门特医生设计了一个有趣的实验:把一些食物用线拴住,通过瘘道送进圣马丁的胃里,过一段时间后把食物拉出来进行检查。结果发现,残存的淀粉类食物表面有许多葡萄糖,残存的脂肪表面有许多脂肪酸。直到1836年,德国的科学家施万从胃里提取出了消化蛋白质的物质——胃蛋白酶,这才解开了食物消化之谜。 oNnLMqpkLvIGcLu0JfaMwMi/theUjnVs2iAia+5C5T3X+FBhf1HKECSURnhaZMXi

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