第三节

酶作用的基本原理

一、酶作用的基本原理

酶之所以具有高度的催化效率，是因为酶能显著地降低反应的活化能（图4-2）。在化学反应体系中，参与反应的每个分子具有的能量状态不同。在反应发生的每一瞬间，只有那些具有较高能量，达到或超过一定能量水平的分子（即活化分子）才有可能发生化学反应。体系中活化分子越多，反应速度越快。把底物从“静态”非活化分子转变成可发生化学反应的活化分子所需的能量，称为活化能。反应所需活化能越高，相对活化分子就越少，反应速度就越慢。反之则越快。活化能的改变可以有两种方式，供给能量或降低需求。酶所起的作用就是降低底物分子对活化能的需求。例如H ₂ O ₂ 的分解反应，在无催化剂时，活化能为75kJ/mol，用胶态钯作催化剂，活化能为50kJ/mol，而用过氧化氢酶来催化，活化能仅需8kJ/mol。由于过氧化氢酶的催化，使活化能大幅度降低，能达到发生反应的活化状态的分子就大幅度增加，反应速度上升的幅度可达10亿倍以上。

为什么酶能大幅度降低反应的活化能？大量资料证明，在酶促反应中，酶（E）活性中心总是先与特异底物（S）形成不稳定的酶-底物复合物（ES中间产物），再分解成酶和产物（P），即“中间产物学说”。释放出来的酶又可以和下一个底物结合，继续发挥催化作用，所以少量的酶就可以催化大量的底物发生反应。酶在与底物分子相互接近时，其结构相互诱导、相互变形和相互适应，进而相互结合。这一过程称为酶与底物结合的“相互诱导契合假说”（图4-3）。酶构象的改变有利于与底物结合；底物分子在酶的诱导下某些化学键发生极化而呈现不稳定状态（也称过渡态），从而大幅降低了活化能，反应速度大大加快。

二、与酶作用原理相关的机制

在酶和底物形成过渡态中间物过程中，不同的酶有不同的机制，也可有多种机制共同作用。

（一）邻近效应与定向排列

酶在反应中将诸底物分子“吸引”到酶的活性中心，使它们相互接近并形成有利于反应的正确定向关系。在两个以上底物参加的反应中，底物之间必须以正确的方向相互碰撞，才有可能发生反应。这种邻近效应与定向排列实际上是将分子间的反应变成类似于分子内的反应，从而降低反应的活化能，提高反应速度。（图4-4）

（二）多元催化

一般化学催化剂通常只有一种解离状态，即只有酸催化或者碱催化。酶是两性电解质，所含的多种功能基团具有不同的解离常数。即使同一种功能基团，由于在不同的蛋白质分子中处于不同的微环境，解离度也有差异。同一种功能基团（如咪唑基）在一定的条件下既可以作为质子供体，又可以作为质子受体。因此，同一种酶常常兼有酸、碱双重催化作用。这种多功能基团（包括辅酶或辅基）的协同作用可极大地提高酶的催化剂效率。

（三）表面效应

酶的活性中心多为疏水环境，可排除水分子对酶和底物功能基团的干扰性吸引或排斥，防止在底物和酶之间形成水化膜，有利于酶与底物的密切接触。

三、酶的几种特殊形式

（一）酶原

某些酶在细胞内合成或初分泌时，只是酶的无活性前身，必须在某些因素参与下，水解掉一个或几个特殊的肽段，致使酶的构象发生改变而表现出酶的活性。这种无活性的酶前身，称为酶原（Zymogen）。无活性的酶原转化成有活性的酶的过程，称为酶原激活（Zymogen activation）。

☆考点提示

酶催化作用的实质，酶原及其激活概念、实质与意义，同工酶的定义及应用。

酶原激活的机制主要是分子内肽链的一处或多处断裂同时使分子构象发生改变从而形成酶活性中心所必须的构象，或者使原本被包裹的活性中心暴露。如胰蛋白酶原进入小肠后，在Ca ²⁺ 存在下受肠激酶激活，第六位赖氨酸残基与第七位异亮氨酸残基之间的肽键被切断，失去一个六肽。断裂后的N端其余部分解脱张力的束缚，像一个放松的弹簧一样卷起来，使酶蛋白的构象发生变化，并把与催化有关的组氨酸 ₄₆ 、天冬氨酸 ₉₀ 带至丝氨酸 ₁₈₃ 附近，形成一个合适的排列，因而自动产生活性中心，成为了有催化活性的胰蛋白酶（图4-5）。酶原激活的实质就是酶的活性中心形成或暴露的过程。

消化道的酶类、血液中起凝血作用及一些起补体作用的酶类都以酶原形式存在。酶原只有在特定的部位、环境和条件下被激活才表现出酶活性，有效地保护了自身组织不受其伤害，保证了体内代谢的正常进行。同时，酶原还可以视为酶的贮存形式。因而酶原及其激活具有重要的生理意义。例如，胰腺分泌的消化酶只能在肠道内被激活并对食物进行消化，如果由于某种原因使其在胰腺组织内提前激活，则将导致胰腺炎；血液中的凝血因子如果被提前激活，则会导致各种栓塞性疾病的发生。

（二）同工酶

同工酶（Isoenzyme）是指能催化相同的化学反应，但酶的分子结构、理化性质乃至免疫性质不同的一组酶（一同三不同）。同工酶不仅存在于同一机体的不同组织，也存在于同一细胞的不同亚细胞结构中，在代谢调节中起着重要作用。

同工酶由两个以上的亚基聚合而成，其分子结构的不同主要是所含亚基组合的不同。其非活性中心部分组成虽然不同，但它们与酶活性有关的结构部分均相同。

现已发现五百余种同工酶，其中研究最多的是乳酸脱氢酶（LDH）。该酶有五个同工酶，分子量都相近，每个酶都含有四个亚基，其亚基有两种类型：骨骼肌型（M型）和心肌型（H型）。LDH ₁ 的亚基组成为H ₄ （心肌中以此为主），LDH ₂ 为H ₃ M，LDH ₃ 为H ₂ M ₂ ，LDH ₄ 为HM ₃ ，LDH ₅ 为M ₄ （骨骼肌中以此为主）。LDH的五种同工酶在不同的器官的分布、含量和活性各不相同，在功能上也不完全相同。如LDH ₁ 主要催化乳酸脱氢生成丙酮酸氧化供能，LDH ₅ 主要催化丙酮酸还原成乳酸，说明不同器官存在的同工酶是与各器官的代谢环境相适应的。

不同器官存在的同工酶随器官代谢环境的变化而改变。正因为一种酶的同工酶在各组织器官中分布与含量上的差异，从而使血清同工酶的测定成为现代医学中一种灵敏、可靠的诊断手段。临床上通过对患者血清同工酶电泳图谱的变化，作为某些器官组织病变诊断及鉴别的依据。例如，心肌梗死患者LDH ₁ 含量明显升高，肺梗死患者LDH ₃ 含量明显升高，而肝细胞受损患者LDH ₅ 含量明显增高（图4-6）。肌酸激酶（CK）是二聚体酶，其亚基有M型（肌型）和B型（脑型）两种。脑中含CK ₁ （BB型），骨骼肌中含CK ₃ （MM型），CK ₂ （MB型）仅含于心肌中。因而CK ₂ 对于心肌梗死的诊断具有很好的特异性。

（三）调节酶

1.变构酶 体内一些代谢产物可以与某些酶分子活性中心外的一个或几个部位特异、可逆的结合，使酶发生构象改变并改变酶催化活性。此现象称为酶的变构效应或变构调节，具有这种特性的酶称为变构酶。变构调节是体内快速调节代谢活动的一种重要的方式。导致酶分子变构的物质称为变构剂，酶分子与变构剂结合的部位称为变构部位或调节部位。在酶与底物浓度不变的情况下，变构剂引起的变构效应使酶与底物的亲和力增加，使反应速度加快，此效应称为变构激活效应，该变构剂称为变构激活剂。反之，则降低反应速度，称为变构抑制效应，该变构剂称为变构抑制剂。

一般变构酶具有蛋白质的四级分子结构，含有多个（偶数）亚基，其亚基可以相同，也可以不同。酶分子的催化部位（活性中心）和调节部位有的在同一亚基内，也有的在不同的亚基中。与底物结合并发挥催化作用的亚基称为催化亚基，与变构剂结合的亚基称为调节亚基。变构剂可以引起酶在紧密构象与疏松构象之间的互变，或者是亚基的聚合与解聚的互变，影响了酶活性中心与底物的结合，从而改变了酶活性。变构剂可以是酶的底物、产物或其他小分子物质，其浓度的变化即可通过变构效应改变酶的活性，从而改变代谢的速度、代谢途径的方向。对机体适应各种生理活动的需要具有重要意义。

变构调节的特点：①酶活性的改变通过酶分子构象的改变而实现；②酶的变构仅涉及非共价键的变化；③调节酶活性的因素为代谢物；④为一非耗能过程；⑤无放大效应。

2.共价修饰酶 酶蛋白分子中的某些基团可以在其他酶的催化下发生共价化学修饰，从而导致酶活性的改变，称为共价修饰调节。能够被共价修饰调节的酶即共价修饰酶。共价修饰调节也是体内快速调节代谢活动的一种重要的方式。共价修饰酶通常在两种不同酶的催化下发生共价修饰或去修饰，从而引起酶分子在有活性形式与无活性形式之间进行相互转变。包括磷酸化/去磷酸化，腺苷酰化/去腺苷酰化，乙酰化/去乙酰化，尿苷酰化/去尿苷酰化，甲基化/去甲基化等形式，其中以磷酸化/去磷酸化为最常见。

共价修饰调节的特点：①酶以两种不同修饰和不同活性的形式存在；②有共价键的变化；③受其他调节因素（如激素）的影响；④一般为耗能过程；⑤存在瀑布放大效应。 oNnLMqpkLvIGcLu0JfaMwMi/theUjnVs2iAia+5C5T3X+FBhf1HKECSURnhaZMXi