第一節(jié)　概　述

一、酶與生物催化劑

新陳代謝是生物體維持生命活動(dòng)的基礎(chǔ)，構(gòu)成新陳代謝的許多復(fù)雜而規(guī)律的化學(xué)反應(yīng)和能量變化，都是在生物催化劑的作用下完成的。生物體內(nèi)的各種化學(xué)反應(yīng)能在溫和的條件下高效、特異、有條不紊地進(jìn)行，就是因?yàn)轶w內(nèi)存在著極為重要的生物催化劑——酶（enzyme）。酶是由活細(xì)胞產(chǎn)生的、對(duì)其底物具有高度特異性和高效催化作用的蛋白質(zhì)。由酶催化進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)稱為酶促反應(yīng)（enzymatic reaction），酶促反應(yīng)的反應(yīng)物又稱為底物（substrate），反應(yīng)后生成的物質(zhì)稱為產(chǎn)物（product）。

在20世紀(jì)80年代初，人們又發(fā)現(xiàn)了具有催化功能的RNA——核酶（ribozyme），打破了酶是蛋白質(zhì)的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)，是對(duì)酶概念的補(bǔ)充。本章主要討論本質(zhì)為蛋白質(zhì)的酶。

★ 考點(diǎn)提示：酶的概念及化學(xué)本質(zhì)

二、酶促反應(yīng)的特點(diǎn)

酶是一類生物催化劑，具有一般催化劑的共性：酶在反應(yīng)前后沒有質(zhì)和量的變化且只能催化熱力學(xué)允許的化學(xué)反應(yīng)；只能加速可逆化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)程而不改變反應(yīng)的平衡點(diǎn)和平衡常數(shù)；催化反應(yīng)的機(jī)制是降低反應(yīng)的活化能等。由于酶的化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)，所以酶所催化的反應(yīng)具有不同于一般催化劑的特點(diǎn)。

（一）酶具有極高的催化效率

酶對(duì)底物具有極高的催化效率，通常比非催化反應(yīng)高10⁸～10²⁰倍，比一般催化劑催化的反應(yīng)高10⁷～10¹³倍。例如，脲酶催化尿素水解的速率是H^＋催化作用的7×10¹²倍；α-胰凝乳蛋白酶催化苯酰胺水解的速率是H^＋催化作用的6×10⁶倍，而且不需要較高的反應(yīng)溫度。

（二）酶具有高度的特異性

酶對(duì)其所催化的底物和反應(yīng)具有嚴(yán)格的選擇性，表現(xiàn)為一種酶僅作用于一種或一類化合物，或作用于一定的化學(xué)鍵，催化一定的化學(xué)反應(yīng)并生成一定的產(chǎn)物。酶的這種特性稱為酶的特異性或?qū)Ｒ恍裕╯pecificity）。例如，H^＋可以催化淀粉、蛋白質(zhì)和脂肪的水解反應(yīng)，而淀粉酶卻只能催化淀粉糖苷鍵的水解，蛋白酶只能催化蛋白質(zhì)肽鍵的水解，脂肪酶只能催化脂肪酯鍵的水解。根據(jù)酶對(duì)其底物分子選擇的嚴(yán)格程度不同，酶的特異性可分為絕對(duì)特異性、相對(duì)特異性、立體異構(gòu)特異性三種類型。

1．絕對(duì)特異性

絕對(duì)特異性是指一種酶只作用于特定結(jié)構(gòu)的底物，進(jìn)行一種專一的反應(yīng)，生成一種特定結(jié)構(gòu)的產(chǎn)物。例如，脲酶只催化尿素水解生成氨和二氧化碳，對(duì)甲基尿素則不起作用；琥珀酸脫氫酶只催化琥珀酸與延胡索酸之間的氧化還原反應(yīng)。

2．相對(duì)特異性

有些酶對(duì)底物的選擇依據(jù)底物分子中特定的化學(xué)鍵或特定的基團(tuán)，因此這類酶對(duì)底物的選擇不太嚴(yán)格，可以作用于含有相同化學(xué)鍵或化學(xué)基團(tuán)的一類化合物，稱為相對(duì)特異性。

3．立體異構(gòu)特異性

有些具有絕對(duì)專一性的酶，對(duì)底物的立體異構(gòu)具有嚴(yán)格的選擇性，即一種酶僅作用于底物的立體異構(gòu)體中的一種類型，稱為立體異構(gòu)特異性。如L-乳酸脫氫酶只作用于L-乳酸，對(duì)D-乳酸沒有作用。

（三）酶促反應(yīng)的可調(diào)節(jié)性

體內(nèi)的酶促反應(yīng)受多種因素的調(diào)節(jié)，主要通過對(duì)酶的含量和酶的活性調(diào)節(jié)使代謝過程受到精確的調(diào)控，以此適應(yīng)機(jī)體對(duì)不斷變化的內(nèi)外環(huán)境和生命活動(dòng)的需要。

（四）酶具有不穩(wěn)定性

酶的化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)，任何使蛋白質(zhì)變性的理化因素都可以使酶發(fā)生變性而失去催化活性，因此酶促反應(yīng)往往在比較溫和的條件下進(jìn)行。

★ 考點(diǎn)提示：酶促反應(yīng)的特點(diǎn)

三、酶的分類和命名

（一）酶的分類

根據(jù)酶催化反應(yīng)的性質(zhì)，將酶分為六大類。

1．氧化還原酶類

催化底物進(jìn)行氧化還原反應(yīng)的酶屬于氧化還原酶類，包括催化傳遞電子、氫及需氧參加反應(yīng)的酶。例如乳酸脫氫酶、細(xì)胞色素氧化酶等。

2．轉(zhuǎn)移酶類

催化底物之間進(jìn)行某些基團(tuán)的轉(zhuǎn)移或交換的酶屬于轉(zhuǎn)移酶類，例如氨基轉(zhuǎn)移酶、甲基轉(zhuǎn)移酶、己糖激酶、磷酸化酶等。

3．水解酶類

催化底物發(fā)生水解反應(yīng)的酶屬于水解酶類，如蛋白酶、脂肪酶、核酸酶等。

4．裂合酶類

催化從底物移去一個(gè)基團(tuán)而形成雙鍵的反應(yīng)或其逆反應(yīng)的酶屬于裂合酶類，例如脫水酶、脫羧酶、水化酶、醛縮酶等。

5．異構(gòu)酶類

催化分子內(nèi)部基團(tuán)位置互變，即各種同分異構(gòu)體間相互轉(zhuǎn)變及醛酮互變的酶屬于異構(gòu)酶類。如磷酸丙糖異構(gòu)酶、磷酸己糖異構(gòu)酶等。

6．合成酶類

催化兩種底物分子合成一種產(chǎn)物并同時(shí)耦聯(lián)有高能鍵水解和釋放能量的酶屬于合成酶類或稱連接酶類。如谷氨酰胺合成酶、DNA連接酶、氨基酰-tRNA合成酶等。

（二）酶的命名

1．酶的習(xí)慣命名

早期酶的命名多根據(jù)酶所催化的底物、反應(yīng)的性質(zhì)以及酶的來源來確定，如催化淀粉水解的酶稱為淀粉酶，催化蛋白質(zhì)水解的酶稱為蛋白酶；有些酶依據(jù)其所催化反應(yīng)的類型或方式命名，如琥珀酸脫氫酶、天冬氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶；有時(shí)還加上酶的來源或酶的其他特點(diǎn)，如唾液淀粉酶和胰淀粉酶、堿性磷酸酶和酸性磷酸酶等。習(xí)慣命名法有時(shí)不能完全說明酶促反應(yīng)的本質(zhì)，甚至出現(xiàn)一酶多名或多酶一名的混亂情況。

2．酶的系統(tǒng)命名

為了克服習(xí)慣命名法的弊端，國(guó)際生物化學(xué)與分子生物學(xué)學(xué)會(huì)（IUBMB）以酶的分類為依據(jù)，于1961年提出系統(tǒng)命名法。系統(tǒng)命名法規(guī)定：每一個(gè)酶都有一個(gè)系統(tǒng)名稱，它標(biāo)明酶的所有底物和反應(yīng)性質(zhì)。底物名稱之間以“：”分隔。每種酶都有一個(gè)特定的編號(hào)，編號(hào)由四位數(shù)字組成，數(shù)字間由“.”隔開。編號(hào)之前冠以酶學(xué)委員會(huì)（Enzyme Commision）的縮寫“EC”。但由于許多酶促反應(yīng)是雙底物甚至是多底物參加的反應(yīng)，且許多底物的化學(xué)名稱很長(zhǎng)，使得許多酶的系統(tǒng)名稱過長(zhǎng)或過于復(fù)雜，為了應(yīng)用方便，國(guó)際酶學(xué)委員會(huì)又從每種酶的習(xí)慣名稱中選定一個(gè)簡(jiǎn)便實(shí)用的推薦名稱。一些酶的系統(tǒng)名稱及推薦名稱見表4-1。