1.酶是最大最特殊的一类蛋白质

1833年，法国科学家佩延（Payen）从麦芽的水提取物中沉淀出一种物质，它可促进淀粉水解成可溶性糖。科学家开始意识到生物细胞中可能存在着一种类似于催化剂的物质。

1834年，德国博物学家许旺（Theodor Schwann）从胃液里发现了胃蛋白酶。1878年，库尼（W.Kuhne）首先把这类物质称为“enzyme”，中文译为“酶”。

1926年，美国康奈尔大学的生物化学家萨姆纳（Jame Batcheller Sumner）用他仅有的一只手，花了9年的时间，从刀豆中分离出一些结晶体，该结晶体的溶液能催化尿素分解成二氧化碳和氨。萨姆纳得到的结晶体，也就是尿素酶，还显示出具有蛋白质的性质。1930年，洛克菲勒研究所的化学家诺思罗普（John Howard Northrop）和他的同事证实了萨姆纳的发现。他们得到了许多种酶的结晶体，发现没有一个例外，它们都是蛋白质。萨姆纳和诺思罗普因此分享了1946年的诺贝尔化学奖。

酶的特殊性在于，它们在体内的新陈代谢反应中起着生物催化剂的作用，它们是通过降低反应的活化能来增加化学反应速率的。酶与底物（即处在酶表面的将要发生化学变化的分子）结合后，一部分结合的化学能用来使底物的某些化学键减弱，使底物较接近它的过渡态，从而降低了反应的活化能，这一点已被X射线衍射分析的结果所证实。现已证明，几乎所有的生物，包括许多病毒都能合成自身所需要的酶。酶几乎参与所有的生命活动过程。细菌的细胞里大约有3000种酶，分别催化3000种不同化学反应。绝大多数生物细胞一定要有至少200种不同的酶，需要由这些酶催化的反应是十分普遍的，而且常常会有多种酶相继发生作用而产生一连串的连锁反应。尿素的体内合成途径就是个很好的例子。1939年，科学家发现尿素合成途径是一种复杂到难以想像的循环反应，一个氨基酸的氨分子要接受9种酶的作用最后才变为尿素。另外一个例子是，人体内葡萄糖氧化成水和二氧化碳就分成20多个化学反应，分别由不同的酶来催化。在生物的正常体温和正常pH值的条件下，代谢反应的速率是极其缓慢的。但是酶能极大地加快这种反应的速率，使细胞在正常的身体条件下发挥其功能。有人估计过，如果消化道中没有酶，消化一餐饭将要耗费50年的时间！可见酶的催化能力是极大的。又如，在高等动物体内，二氧化碳和水作用生成碳酸的反应需要碳酸酐酶来催化，否则身体组织就不能以足够快的速度把代谢废物二氧化碳溶入到溶液中去并且在血液流经肺部时把二氧化碳气体排出体外。碳酸酐酶所催化的反应速率可以比没有它存在时大约快1000万倍，每一个酶分子每秒钟就能够转换几十万个二氧化碳分子。

更值得一提的是，生命体细胞中还有着一组非常重要的酶，那就是凡是呼吸空气的生命体，从低等生物到高等生物，包括人类在内都含有的一组称为细胞色素的酶类。它除含平常的氨基酸外，还含有血红素，其中的卟啉基使分子呈红色或紫色。细胞色素作为一种传递电子的载体，与呼吸时所发生的氧的终末反应有关：它们进行可逆的氧化和还原反应，即铁原子从亚铁到高铁状态来回转换，并通过某种复杂的过程，使从人到微生物所有呼吸空气的有机体由这些反应变化获得许多能量，供其生命过程所需。

那么酶到底又有多少种呢？科学家估计人体内约有20000～30000种之多，至今已知确定结构的酶就有1300种。酶的相对分子质量从12000至100多万，能溶于水（这是参与液相反应的首要条件），为球状蛋白。酶分子可以由一个比较简单的单一多肽链构成，也可以是一个更复杂的分子，由几个多肽链和其他非蛋白亚单位组成。

1982年以后科学家又陆续发现某些脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）也具有酶的催化功能，这就使人们进一步认识到，酶又并不都是蛋白质。故对酶的新定义应是：酶是一类由活细胞产生的，能在体内或体外起同样催化作用的具有活性中心和特殊构象的生物大分子，它包括有蛋白质和核酸。

2.酶的结构组成和分类

酶可以完全是由氨基酸组成的简单蛋白，也可以因为其生理活性需要而有着一个非蛋白的化学基团，称之为辅助因子。辅助因子是金属离子的就称之为激活剂，如是复杂的有机化合物还要分两种情况，是牢固地附着在酶蛋白上的就称之为辅基，而疏松地附着的就叫做辅酶（B族维生素就是一种重要的辅酶）。

金属在酶分子中，或者作为酶活性中心部位的组成成分，或者帮助形成酶活性所必需的构象，其生物功能见表5-5。酶蛋白以自身侧链上的极性基团，通过反应以共价键、配位键或离子键与辅助因子结合。

表5-5　金属在酶分子中的生物功能

根据酶在生化反应中的作用，可以将已发现的酶大致分成以下六大类。

（1）氧化还原酶：可催化氧化-还原类型的反应。

（2）转移酶类：可催化底物的一个基团转移至另一个底物上去。

（3）裂解酶类：即裂合酶类，能使C—C，C—O，C—N，C—S之间的键裂解。

（4）水解酶类：能催化水解反应。

（5）异构酶类：如消旋酶、差向异构酶、顺-反异构酶、分子内的转移酶等。

（6）连接酶类：即合成酶，催化生成C—O，C—S，C—N，C—C之间的化学键。

3.酶的特性

毫无疑义，酶的活动是一切生命活动的开始，也是机体内一切化学变化的启动者。酶除了具有一般催化剂的特征外，它同时还有其自身的特性：

（1）催化效率高。酶催化反应的速率要比非酶催化反应的速率高108～1020倍，催化效率比一般催化剂高107～1013倍。

（2）它的催化活性具有高度的专一性。

（3）它的催化活性可被调节和控制。

（4）它的催化活性易受环境变化的影响，在一定的条件下会中毒并失去催化能力。

在酶的这些特性当中，酶的专一性尤为重要。酶如果没有专一性，生命本身有序的代谢活动也就不复存在，因此酶的缺失就会导致某些生理机能的缺失。下面我们就以生活中常见的饮酒为例来较为详细地说明。

研究显示，大约有50%的中国人和日本人的酒精代谢酶系统出现故障，使其中间产物乙醛快速、大量积累，而乙醛具有使末梢毛细血管扩张的功能，因此，他们喝了酒会容易出现因脸部毛细血管扩张而脸红、晕眩等症状。对这些人来说，他们唾液中的乙醛含量要比含有健全酶系统的人高出两倍至三倍。由于乙醛有致癌的可能，因此，不注意口腔卫生的饮酒人士患上癌症的概率就高。

酒精在体内的代谢过程，主要是在肝脏中进行。少量的酒精在进入人体后，会马上随肺部呼吸或经汗腺排出体外。较多的酒精进入人体，其绝大部分是在肝脏中先在乙醇脱氢酶作用下生成乙醛，它们分别催化的化学反应如下：

其中：参与反应的NAD＋叫烟酰胺腺嘌呤二核苷酸；NADH叫还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸。乙醇脱氢酶（ADH）是广泛分布于人和动物肝脏、植物及微生物细胞之中的含锌金属酶。乙醛对人体有害，但它又会很快在乙醛脱氢酶的作用下转化成能提供热量的乙酸。一个人如同时有着高活性的乙醇脱氢酶又有高活性的乙醛脱氢酶，在喝酒后又会大量出汗，这就表明酒精已迅速变成乙酸进入了柠檬酸循环而发热，那此人就一定是个“酒坛子”了。容易醉酒的人则是由于体内乙醛脱氢酶含量缺损影响了酒精的及时分解。

人体摄取酒精以后，酒精引起交感神经兴奋，心脏输出量增加，一时血压会上升。但乙醛通过血液进入大脑后，能够干扰神经信号的传递，导致记忆丧失，行为运动失控。乙醛还引起末梢血管过于扩张，又使血压下降，造成内脏血流状况恶化。这时，人体会自行分泌肾上腺素和去甲肾上腺素，促使中枢血管收缩，增加心搏次数，从而使下降的血压回升，保持血压平衡。

饮酒后脸不变色的人，是因为乙醛未造成脸部毛细血管的扩张，但这种人如果饮酒过多，会引起脸色发青。这是因为乙醛造成血压下降后，反过来会使末梢血管突然收缩（如乙醛多，就不会突然收缩），导致脸部末梢血管的血流恶化，脸色便发青。

酶的缺失不仅会导致某些生理机能的缺失，而且还会形成家族性遗传病。1934年，有一位挪威医生对一个家族性遗传病做研究，发现这个家族的患病人群中都有一些特征，比如他们本身智力水平低下，身上往往有种难闻的味道，尤其是尿液，简直就跟老鼠尿味道一样。这个病症就叫苯丙酮尿症（PKU）。PKU患者肝脏里缺少一种酶，无法转化苯丙氨酸。普通的家常便饭对他们来说就像毒药一样。对于PKU患者来说，此时原本应该被转化成营养成分的苯丙氨酸不能得到正常的代谢，而没有经过转化的苯丙氨酸是一种对身体有害的物质，它直接随着血液游走于全身，一旦上升到神经系统，将对患者的脑组织造成无法修复的损伤，患者的智力将逐渐下降，并出现头发发黄、湿疹、脾气暴躁、动作不能协调、语言发育迟缓等病态特征。如果不治的话这个病人就是一个智力残疾人，甚至有的生活都不能完全自理。患者在治疗的同时必须终生控制饮食，所有含有蛋白质的饮食都要受到控制，连大米白面都不能随便吃，所以他们的生活质量是比较差的，只能与提取掉了苯丙氨酸的特殊食品作伴。

酶的特性还在于酶的活动尚需在一定的温度和pH值条件下才能进行。不同来源的酶，最适温度不同。一般植物来源的酶最适温度在45～60℃，动物酶的最适温度在37～50℃，但有的动物酶的最适温度较低，如淡水鱼酶的最适温度在20～30℃。人发高烧时会抑制消化酶的活性，导致人食欲减退，消化不良（见图5-15）。微生物酶的最适温度差别较大，细菌高温淀粉酶的最适温度达80～90℃。一般来讲，温度超过60℃，大多数酶都要变性失活，但也有一些酶具有较高的抗热性，如木瓜蛋白酶、核糖核酸酶等，牛胰核糖核酸酶在100℃仍不失活。

图5-15　人体内的酶在35～45℃具有最大的活性

在pH值范围上，多数植物和微生物来源的酶最适pH值在4.5～6.5；动物酶的最适pH值在6.5～8.0；个别也有例外，如胃蛋白酶的最适pH值为1.5～2.5，精氨酸酶的最适pH值在9.8～10.0。

4.解释酶特异性的一些学说

酶在催化生命体内的化学反应时是有着严格的特异性的。为什么会有这么严格的特异性？科学家们提出了锁匙学说（见图5-16）来解释：因为酶的分子很大，底物（被催化后能降低反应活化能的对象）则很小，酶表面有些区域具有特殊形状，称为活性部位，只有特定的底物或底物分子的某一部分才能够与酶的活性部位相契合，这时候，底物的电子正好被捕获，催化的效率也就很高，酶就像“锁”，底物就是“钥匙”。

图5-16　酶的锁匙学说示意

在20世纪50年代Koshland又提出了诱导契合学说。该学说认为酶与底物结合时，酶有相当大的自由度，因而可以改变它的构象，使自身部分地包围底物，从而使催化基团能够处于相对被作用键（或基团）最适合的位置。这一学说已为α-射线衍射法测定结果证实了：当底物或抑制剂与酶结合后，酶的构象确实发生了一定的变化。酶的诱导契合如图5-17所示。

图5-17　酶的诱导契合学说示意

5.酶的激活剂和抑制剂

酶的活性与作用不仅与所处环境有关，也与能影响酶的活性的物质——激活剂和抑制剂有关。

（1）激活剂。凡能提高酶活性，加速酶促反应进行的物质都称为该酶的激活剂。激活剂按其相对分子质量大小可分为以下三种。

1）无机离子激活剂：有Na，K，Mg，Ca，Zn，Mn等金属的离子，还有氯离子、溴离子。一般认为金属离子是在酶和底物之间起了桥梁的作用，形成酶-金属离子-底物的三元复合物，从而更有利于底物和酶的活性中心部位的结合，如图5-18所示。其中Mg离子尤为突出，它几乎参与体内所有的代谢反应；固氮酶是含Mo-Fe的金属酶，而含铁或铜的金属酶是生物体中最具活力的氧化-还原酶；氯离子会提高淀粉酶的催化效率，故不吃盐，食欲就减退，四肢乏力。

图5-18　酶的组成和底物的关系

2）一些小分子的有机化合物：如抗坏血酸、半胱氨酸、谷胱甘肽等对某些酶也有激活作用，牛磺胆酸钠则是脂肪酸酶的激活剂。

3）生物大分子激活剂：一些蛋白激酶对某些酶的激活，在生物体代谢活动中起重要的作用，如磷酸化酶b激酶可激活磷酸化酶b。

激活剂对酶的作用是具有一定的选择性的：一种激活剂对某种酶可能具有激活作用，但对另一种酶就可能具有抑制作用。如镁离子是脱羧酶、烯醇化酶、DNA聚合酶等的激活剂，但对肌球蛋白腺三磷酶的活性有抑制作用。

（2）抑制剂。与激活剂相反，许多药物和毒物能抑制酶的活性，能引起这种抑制作用的物质就称为酶的抑制剂。抑制剂对酶的作用也有一定的选择性。一种抑制剂只能引起某一种酶或某一类酶的活性丧失或降低。凡可使酶蛋白变性而引起酶活力丧失的作用称为失活作用。由于蛋白变性剂均可使酶蛋白变性而使酶丧失活性，所以蛋白变性剂对酶的作用是没有选择性的。

常见不可逆抑制剂有以下几类：

1）重金属离子、有机汞及有机砷化合物，如Pb，Hg离子及含有Hg，Ag，As离子的化合物可与某些酶活性中心的必需基团如巯基结合而使酶失去活性。

2）有机磷化合物。如有机磷农药、敌敌畏、敌百虫等，它们能与酶（如乙酰胆碱酯酶）活性中心上的丝氨酸以共价键结合而使酶丧失活性。

正常机体在神经兴奋时，神经末梢释放出乙酰胆碱来传导刺激，乙酰胆碱发挥作用后，立即被乙酰胆碱酯酶水解为乙酸和胆碱。此过程有效地终止了信号，使得降解产物得以回收，为下次传导重建新的神经递质。乙酰胆碱酯酶是人体中反应最快的酶之一，降解一个分子约需80微秒。若胆碱酯酶被抑制，神经末梢分泌的乙酰胆碱不能及时地分解掉，造成突触间隙乙酰胆碱的积蓄，引起神经过度兴奋，产生抽搐等症状，最终导致死亡。因此，抑制胆碱酯酶的这类物质又称为神经毒剂，例如蛇的毒素。

3）氰化物。这些物质能与金属离子形成稳定的络合物，而使一些需要金属离子的酶的活性受到抑制。像氰化钾或氰化氢一类化合物，用它们的氰基（—CN）同主要酶的铁原子相结合，就能很快使动物致死。

抑制剂与酶以非共价键方式结合而引起酶的活性降低或丧失，用透析、超滤等方法可除去抑制剂而使酶恢复活性，此种抑制作用称为可逆的抑制作用。

6.酶的生理效应的研究

由于酶在机体中的重要作用，生命科学家们一直在研究酶的生理效应及其变化。在人体中，正常组织和不正常组织（例如癌组织）中的酶谱以及酶含量的多少是不相同的，因此这就可以用来诊断疾病。例如转氨酶，正常情况下，血球中的转氨酶不能渗透到血清中去，但当肝脏受到损伤，患有病毒或中毒性肝炎、肝硬变或肝癌等病时，患者血球细胞膜渗透性受到改变，转氨酶就外泄到血清中，从而导致血清中这种酶的活性要比正常血清高，转氨酶活性升高的程度可以反映肝细胞的损伤程度。转氨酶的测定已普遍用于肝病的诊断上。

科学家的研究还发现，酶的生理效应的不正常也许和生命体的衰老和死亡密切相关。科学家曾经用幼年和老年大白鼠进行了比较研究，发现老年动物体内所含的一些关键性的酶，虽然在数量上减少并不明显，但是在催化活性上却远远不如幼年动物体内的酶。进一步的研究表明，老年动物体内的酶，在化学结构上发生了变化。众所周知，生物体内蛋白质的合成，是要经历从DNA到RNA然后到蛋白质这样一个信息传递的过程的。蛋白质在化学结构上，如出现了氨基酸排列顺序上的变化，就反映出上述信息传递过程中出现了差错。可能正是这种差错的积累，才造成了老年动物体内酶的催化效率不断下降，最终导致了动物的衰老和死亡。