二、酶的分类

国际酶学委员会，按酶促反应性质把酶分为六大类。

（1）氧化还原酶类（oxidoreductases）：催化底物进行氧化还原反应，如琥珀酸脱氢酶、细胞色素氧化酶、过氧化氢酶等。

（2）转移酶类（transferases）：催化底物之间某些基团的转移或交换，如转氨酶、转甲基酶、磷酸化酶等。

（3）水解酶类（hydrolases）：催化底物发生水解反应，如胃蛋白酶、唾液淀粉酶、胰脂酶等。

（4）裂合酶类（lyases）：催化一种底物分解为两种化合物或将两种化合物合成一种化合物的反应，如柠檬酸合成酶、醛缩酶、碳酸酐酶等。

（5）异构酶类（isomerases）：催化同分异构体之间的相互转化，如磷酸己糖异构酶、磷酸丙糖异构酶等。

（6）合成酶类（或连接酶类，ligases）：催化两分子底物缔合为一分子化合物，并必须与ATP的磷酸键断裂相偶联，如氨基酰－tRNA合成酶、谷氨酰胺合成酶等。

表4－1　酶的分类与命名

                                                               第三节　酶的结构与催化活性

一、酶的分子组成

根据酶的化学组成成分的不同，可分为单纯酶（simple enzyme）和结合酶（conjugated enzyme）两大类。

（一）单纯酶

此类酶仅由氨基酸构成的单纯蛋白质，如脲酶、蛋白酶、淀粉酶、酯酶等均属于此类。

（二）结合酶

此类酶既含有蛋白质，又含有非蛋白质成分，如金属离子、铁卟啉、含B族维生素的小分子有机物等。结合酶的蛋白质部分称为酶蛋白（apoenzyme），非蛋白部分称为辅助因子（cofactor），两者结合组成全酶（holoenzymes）。只有全酶才具有催化活性，若将酶蛋白与辅助因子分开，催化活性即丧失。可见结合酶的蛋白质部分与辅助因子都是酶催化作用所不可缺少的。

结合酶的辅助因子有两类：一类是金属离子，另一类是小分子有机化合物。金属离子的作用：①有的是稳定酶的分子构象所必需；②有的参与组成酶的活性中心，通过本身的还原而传递电子；③有的在酶和底物之间起桥梁作用；④有的是中和阴离子，降低反应中的静电斥力。小分子有机化合物与酶蛋白以非共价键疏松结合，经透析或超滤等方法能与酶蛋白分离的辅助因子称为辅酶。与酶蛋白以共价键结合，结合比较牢固，用上述方法不易将二者分离的辅助因子称为辅基。辅助因子对热的稳定性较高。它们参与转移氢原子、电子或某些化学基团的反应。

想一想：

酶蛋白部分和辅助因子部分在酶分子中各起何作用？

体内酶的种类很多，但作为酶的辅酶或辅基的种类却有限。一种酶蛋白只能与一种辅助因子结合生成一种结合酶（全酶）；而一种辅助因子可与不同的酶蛋白结合形成不同的全酶，催化不同的反应。例如乳酸脱氢酶和苹果酸脱氢酶的酶蛋白均可与NAD⁺结合，分别成为乳酸脱氢酶全酶和苹果酸脱氢酶全酶，二者都催化脱氢反应，但催化的底物不同，说明酶催化的特异性决定于酶蛋白，而辅助因子的作用是参与具体的酶促反应。

B族维生素在酶促反应中的作用见表4－2。

表4－2　B族维生素与辅助因子

续表4－2

二、酶催化的关键部位

（一）酶的必需基团

酶分子中与酶活性密切相关的基团，称为必需基团（essential group）或活性基团。常见的必需基团有丝氨酸的羟基、组氨酸的咪唑基、半胱氨酸的巯基和天冬氨酸、谷氨酸的侧链羧基等。

（二）酶的活性中心

议一议：

酶活性中心有何特点？

酶的必需基团在一级结构上可能相距很远，但在形成空间结构时相互接近，形成具有三维结构的区域，既能与底物结合又能将底物转化为产物的局部区域称酶的活性中心。活性中心的功能基团可分为结合基团（binding group）和催化基团（catalytic group）；前者作用是影响底物中某些化学键的稳定性，催化底物发生化学反应并使之转化为产物。有些酶的结合基团同时具有催化基团的功能。酶在活性中心以外也有必需基团，称为酶活性中心外的必需基团，虽然它们不直接参与催化作用，但却为维持酶的活性中心的空间构象所必需（图4－1）。

图4－1　活性中心结构示意

酶的活性中心位于酶分子表面一个较小的区域，或为裂缝或为凹陷，不是一个点也不是一个面，更不是一条线，而是一个立体结构的区域。酶的专一性是由酶活性中心的结构决定的。

三、酶原与激活

想一想：

酶以酶原形式存在有何生理意义？

有些酶在细胞内合成或初分泌时，没有催化活性，这种无活性状态的酶的前身物称为酶原（zymogen）。如胃蛋白酶原在胃液中H⁺的作用下水解除去N－末端42个氨基酸残基后，才形成有活性的胃蛋白酶。后者可再催化胃蛋白酶原激活为胃蛋白酶，这种作用称为自身激活作用（auto catalysis）。胰蛋白酶原在小肠内受肠激酶的作用，从N－末端切去六肽后被激活为胰蛋白酶（图4－2）。胰蛋白酶原亦能自身激活。酶原激活的本质是去掉部分肽段后有利于活性中心的形成或暴露。

图4－2　胰蛋白酶原的激活过程

酶以酶原的形式存在具有重要的生理意义。消化道蛋白酶以酶原形式分泌可避免胰腺细胞和细胞外基质蛋白遭受蛋白酶的水解破坏，激活的生理意义在于避免细胞产生的蛋白酶对细胞自身进行消化，同时还能保证了酶在特定的部位和环境中迅速地发挥其生理作用。除胃肠道的蛋白酶有酶原激活过程外，参与血液凝固过程的许多蛋白水解酶在细胞内合成以及进入血液时也以酶原形式存在，可保证血流畅通运行。一旦血管破坏，一系列凝血因子被激活，凝血酶原被激活生成凝血酶，后者催化纤维蛋白原转变为纤维蛋白，产生血凝块以阻止大量失血，对机体起保护作用。此外，酶原还可以看作酶的储存形式，一旦需要时，便可及时激活并发挥作用。

四、同工酶

在同一机体的不同组织，甚至在同一组织细胞的不同细胞器中，存在着催化相同反应，而分子结构、理化性质和免疫学性质有所不同的一组酶，称同工酶（isoenzyme or isozyme）。现已发现有100多种酶具有同工酶。大多数是由不同亚基组成的聚合体，因其亚基类型、数目或比例不同，形成分子结构不同的一组酶。虽然它们都可催化同一种反应，但它们之间对底物的亲和力、专一性、酶动力学及免疫学性质均不同。例如乳酸脱氢酶（LDH）同工酶是由H或M两种亚基组成的四聚体，这两种亚基以不同的比例组成5种同工酶，即LDH₁～LDH₅（图4－3）。它们均能催化乳酸与丙酮酸之间的氧化还原反应，在碱性条件下，它们所带的电荷不同，按电泳迁移率的不同，可进行分离和测定，电泳最快的同工酶为LDH₁，最慢者为LDH₅（图4－4）。不同组织中LDH的同工酶酶谱不同，例如心肌中LDH_l和LDH₂含量最多，而骨骼肌和肝脏中以LDH₄和LDH₅为主。当骨骼肌病变时，血清中LDH₄和LDH₅含量升高，而在心肌病变时，血清中LDH₁和LDH₂含量升高，另外同工酶在疾病出现的早期比总酶升高快，因此，血清同工酶谱分析有助于器官疾病的早期诊断和定位诊断。

议一议：

同工酶的含义，同工酶在临床疾病诊断方面有何特点？

图4－3　乳酸脱氢酶的同工酶

图4－4　血清乳酸脱氢酶同工酶的电泳图谱

五、酶的作用机制

（一）降低反应的活化能

化学反应时，底物分子间的有效碰撞是反应进行的基础，所谓有效碰撞是指底物分子获得足够能量后，发生的分子间碰撞。发生有效碰撞的分子称为活化分子，其所获得的能量称为活化能。温度升高，可以增大化学反应的速度，是因为温度升高使更多的底物分子获得活化能。酶增大化学反应的速度却是降低化学反应所需的活化能。在酶的作用下，使原先不能进行有效碰撞的分子变成活化分子，从而加速化学反应的速度。

（二）中间复合物学说

酶之所以能降低反应的活化能，主要是因为酶与底物分子形成中间复合物，中间复合物不稳定，它进行反应所需要的活化能就少，因此极易转变为产物和游离的酶。

上式中E代表游离的酶，S代表底物，ES代表酶－底物复合物（中间产物），P代表产物。