酶是蛋白质,故跟蛋白质一样,其主要组成元素是C、H、O、N、S等,基本单位是氨基酸,同样具有一、二、三级乃至四级结构,也具有蛋白质全部的理化性质。根据酶的分子组成、结构与功能的不同,酶具有以下几类形式。
根据酶蛋白分子的结构与功能特点,可将酶分为单体酶、寡聚酶、多酶体系与多功能酶。
1.单体酶(Monomeric enzyme) 由一条多肽链所构成,分子量较小,通常在13000~15000。具有完整的一、二、三级结构。例如:溶菌酶、胰蛋白酶等。
2.寡聚酶(Oligomeric enzyme) 由若干个亚基组成,亚基可以相同,也可以不同,即具有四级结构的蛋白酶。一般来讲,单个亚基没有催化活性,聚合成完整四级结构的寡聚酶才具有催化活性。寡聚酶是酶活性变构调节的基础。
3.多酶体系(Multienzyme system) 由催化功能密切相关的几种酶,通过非共价键相互作用彼此嵌合在一起而形成的复合体。其中的每一个酶都有特定的催化活性及其相应的辅助因子。它的特点是可以催化一个代谢途径中的一系列反应,使反应连续进行。前一个酶催化生成的产物,直接作为后一个酶的底物,起始物直到生成终产物才离开复合体,从而使得其在体内的催化效率更高。例如:线粒体中的丙酮酸脱氢酶复合体、 α -酮戊二酸脱氢酶复合体,都是由三个酶和五个辅助因子所组成的。
4.多功能酶(Multifunctional enzyme)或串联酶(Tandemenzyme) 还有一些多酶体系进化过程中由于基因的融合,形成由一条多肽链组成却具有多种不同催化功能的酶,或者说一条多肽链上存在着几种酶的催化活性,进而使酶的催化效率进一步提高。例如:体内脂肪酸合成的多酶体系中的六个酶就存在于一条多肽链上,因此相关的连锁反应就都在一条多肽链上由众多酶活性中心催化进行,其优越性显而易见。
辅酶与辅基的概念,单纯酶与结合酶的特点,其组成成分及各自的作用。
根据酶的组成成分,又可将酶分为单纯酶和结合酶两类。
1.单纯酶(Simple enzyme) 是基本组成单位只有氨基酸的一类酶,通常只有一条多肽链。其催化活性仅决定于蛋白质结构。脲酶、消化道的蛋白酶、淀粉酶、酯酶、核糖核酸酶等均属此列。
2.结合酶(Conjugated enzyme) 其结构中除含有蛋白质外,还含有非蛋白部分。蛋白质部分称为酶蛋白,非蛋白部分统称为辅助因子(Cofactor),两者结合成的复合物称作全酶(holoenzyme)。
全酶只有成分齐全才具有催化活性,将酶蛋白和辅助因子分开后均无催化作用。
酶的辅助因子包括金属离子和小分子有机化合物。金属离子常见的有Mg 2+ 、Cu 2+ (或Cu + )、Zn 2+ 、Fe 2+ (或Fe 3+ )、Ca 2+ 等。它们或者是酶活性中心的组成部分,或者是连接底物和酶分子的桥梁,或者是中和阴离子的电荷从而降低反应中的静电斥力,或者是稳定酶蛋白分子构象所必需。小分子有机物最常见的是维生素及其衍生物,其主要作用是在反应中传递电子、原子或一些基团。辅助因子可按其与酶蛋白结合的紧密程度不同分成辅酶和辅基两大类。辅酶(Coenzyme)与酶蛋白结合疏松,可以用透析或超滤方法除去;辅基(Prosthetic group)与酶蛋白结合紧密,不易用透析或超滤方法除去。
体内结合酶的种类很多,而辅助因子的种类却较少。通常一种酶蛋白只能与一种辅助因子结合,成为一种特异的酶,但一种辅助因子往往能与不同的酶蛋白结合构成多种特异性酶。所以,酶促反应的特异性、高效性以及酶对一些理化因素的不稳定性均决定于酶蛋白部分,而辅助因子往往直接参与化学反应,决定反应的种类与性质。
必需基团的种类及分布,酶活性中心的概念及意义,与酶活性有关的因素有哪些。
酶分子中存在着许多功能基团,例如,-NH 2 、-COOH、-SH、-OH等。但并不是所有基团都与酶活性有关。一般将与酶活性密切有关的基团称为酶的必需基团。
有些必需基团虽然在一级结构上可能相距很远,但在形成特定空间结构时彼此靠近,集中在一起形成特定的空间构象,能与特异底物相结合并将底物转化为产物,这一区域称为酶的活性中心(图4-1)。酶的活性中心在酶分子空间结构中,或为裂缝,或为凹陷,深入到酶分子内部,其环境多为疏水氨基酸残基聚集的区域,形成疏水“口袋”。辅酶或辅基上的一部分结构往往是结合酶活性中心的组成成分。
图4-1 酶活性中心示意图
构成酶活性中心的必需基团可分为两类:直接与底物结合的必需基团称为结合基团;影响底物中某些化学键的稳定性,促进底物转化为产物的基团称为催化基团。活性中心中有的必需基团可同时具有这两方面的功能。还有些必需基团虽然不参加酶的活性中心的组成,但是维持酶活性中心应有的空间构象所必需的基团,这些基团称为酶的活性中心以外的必需基团。不同的酶有不同的活性中心,故对底物有严格的选择。酶促反应的高度特异性及高效性均因活性中心的存在而产生。