酶的分子结构与功能-《玩转太极拳之二十四式》作者龙殿法的生物化学笔记

生物体内的新陈代谢过程是通过有序的、连续不断的、有条不紊的、各种各样的化学反应来体现。这些化学反应如果在体外进行，通常需要在高温、高压、强酸、强碱等剧烈条件下才能发生。而在生物体内，这些反应在极为温和的条件下就能高效和特异地进行，其原因是由于生物体内存在着一类极为重要的生物催化剂——酶。酶是催化特定反应的蛋白质，是一种生物催化剂。酶能通过降低反应的活化能加快反应速率，但不改变反应的平衡点。酶具有催化效率高、专一性强、作用条件温和等特点。随着人们对酶分子的结构与功能、酶促反应动力学等研究的深入和发展，逐步形成了一个专门学科——酶学。酶学与医学的关系十分密切，人体的许多疾病与酶的异常密切相关，许多酶还被用于疾病的诊断和治疗。酶学研究不仅在医学领域具有重要意义，而且对科学实践、工农业生产实践亦影响深远。
      酶的化学本质是蛋白质。由一条肽链构成的酶称为单体酶，如牛胰核糖核酸酶A、溶菌酶、羧肽酶A等。由多个相同或不同的肽链以非共价键连接组成的酶称为寡聚酶，如蛋白激酶A和磷酸果糖激酶-1均含有4个亚基。此外，在某一代谢途径中，按序催化完成一组连续反应的几种具有不同催化功能的酶可彼此聚合形成一个结构和功能上的整体，此即为多酶复合物，亦称为多酶体系。还有一些酶在一条肽链上同时具有多种不同的催化功能，这类酶称为多功能酶或串联酶，如氨基甲酰磷酸合成酶Ⅱ、天冬氨酸氨基甲酰转移酶和二氢乳清酸酶即位于同一条肽链上。
     一、酶的分子组成中常含有辅因子
        酶按其分子组成可分为单纯酶和缀合酶。水解后仅有氨基酸组分而无其他组分的酶称为单纯酶，如脲酶、某些蛋白酶、淀粉酶、脂酶、核酸酶等；缀合酶（亦称为结合酶）则是由蛋白质部分和非蛋白质部分共同组成，其中蛋白质部分称为酶蛋白，非蛋白质部分称为辅因子。酶蛋白主要决定酶促反应的特异性及其催化机制；辅因子主要决定酶促反应的类型。酶蛋白与辅因子结合在一起称为全酶，酶蛋白和辅因子单独存在时均无催化活性，只有全酶才具有催化作用。
      辅因子按其与酶蛋白结合的紧密程度与作用特点不同可分为辅酶和辅基。辅酶多通过非共价键与酶蛋白相连，这种结合比较疏松，可以用透析或超滤的方法除去。在酶促反应中，辅酶作为底物接受质子或基团后离开酶蛋白，参加另一酶促反应并将所携带的质子或基团转移出去，或者相反。辅基则与酶蛋白形成共价键，结合较为紧密，不易通过透析或超滤将其除去。在酶促反应中，辅基不能离开酶蛋白。
       辅因子多为小分子的有机化合物或金属离子。作为辅因子的有机化合物多为B族维生素的衍生物或卟啉化合物，它们在酶促反应中主要参与传递电子、质子（或基团）或起运载体作用。 
      金属离子是最常见的辅因子，约2/3的酶含有金属离子。金属离子作为酶的辅因子的主要作用是:①作为酶活性中心的组成部分参加催化反应，使底物与酶活性中心的必需基团形成正确的空间排列，有利于酶促反应的发生；②作为连接酶与底物的桥梁，形成三元复合物；③金属离子还可以中和电荷，减小静电斥力，有利于底物与酶的结合；④金属离子与酶的结合还可以稳定酶的空间构象。
      有的金属离子与酶结合紧密，提取过程中不易丢失，这类酶称为金属酶；有的金属离子虽为酶的活性所必需，但与酶的结合是可逆结合，这类酶称为金属激活酶。
       有些酶可以同时含有多种不同类型的辅因子，如细胞色素氧化酶既含有血红素又含有Cu+/Cu2+，琥珀酸脱氢酶同时含有Fe2+和FAD。
        二、酶的活性中心是酶分子执行其催化功能的部位
        酶分子中能与底物特异地结合并催化底物转变为产物的具有特定三维结构的区域称为酶的活性中心或酶的活性部位。辅酶和辅基往往是酶活性中心的组成成分。酶分子中有许多化学基团，但它们并非都与酶的活性有关，其中一些与酶的活性密切相关的基团称为酶的必需基团。常见的酶的必需基团有丝氨酸残基的羟基、组氨酸残基的咪唑基、半胱氨酸残基的巯基，以及酸性氨基酸残基的羧基等。有些必需基团位于酶的活性中心内，有些必需基团位于酶的活性中心外。酶活性中心内的必需基团可有结合基团和催化基团之分，前者的作用是识别与结合底物和辅酶，形成酶-底物过渡态复合物，后者的作用是影响底物中的某些化学键的稳定性，催化底物发生化学反应，进而转变成产物。酶活性中心外的必需基团虽然不直接参与催化作用，却为维持酶活性中心的空间构象和（或）作为调节剂的结合部位所必需。
      酶的活性中心具有三维结构，往往形成裂缝或凹陷。这些裂缝或凹陷由酶的特定空间构象所维持，深入到酶分子内部，且多由氨基酸残基的疏水基团组成，形成疏水“口袋”。例如，溶菌酶的活性中心是一裂隙结构，可以容纳6个N-乙酰氨基葡糖环（A、B、C、D、E、F）。溶菌酶的催化基团是35位Glu和52位Asp，催化D环的糖苷键断裂。101位Asp和108位Trp是该酶的结合基团。
       三、同工酶催化相同的化学反应
      同工酶是指催化相同的化学反应，但酶蛋白的分子结构、理化性质乃至免疫学性质不同的一组酶。同工酶虽然在一级结构上存在差异，但其活性中心的三维结构相同或相似，故可以催化相同的化学反应。同工酶是长期进化过程中基因趋异的产物，因此从分子遗传学角度同工酶也可解释为“由不同基因或复等位基因编码，催化相同反应，但呈现不同功能的一组酶的多态型”。由同一基因转录的mRNA前体经过不同的剪接过程，生成的多种不同mRNA的翻译产物（一系列酶）也属于同工酶。
       动物的乳酸脱氢酶（LDH）是一种含锌的四聚体酶。LDH由骨骼肌型（M型）和心肌型（H型）两种类型的亚基以不同的比例组成5种同工酶，即LDH1（H4），LDH2(H3M)，LDH3(H2M2)，LDH4(HM3)，LDH5(M4)，它们均能催化L-乳酸与丙酮酸之间的氧化还原反应。
      在LDH的活性中心附近，两种亚基之间有极少数的氨基酸残基不同，如M型亚基的30位为丙氨酸残基，H亚基则为谷氨酰胺残基，且H亚基中的酸性氨基酸残基较多。这些微小的差别引起LDH同工酶解离程度不同、分子表面电荷不同，在pH8.6的缓冲液中进行电泳时的速率不同，自负极向正极泳动排列的次序为LDH5、LDH4、LDH3、LDH2和LDH1。两种亚基氨基酸序列和构象差异，表现出对底物的亲和力不同。如LDH1对乳酸的亲和力较大，而LDH5对乳酸的亲和力较小，这主要是由于H型亚基对乳酸的Km小于M亚基的缘故。
      同一个体不同发育阶段和不同组织器官中，编码不同亚基的基因开放程度不同，合成的亚基种类和数量也不同，这使得某种同工酶在同一个体的不同组织，以及同一细胞的不同亚细胞结构的分布也不同，形成不同的同工酶谱。例如，大鼠出生前9天心肌LDH同工酶是M4，出生前5天转变为HM3，出生前1天为H2M2，和HM3，出生后第12天至第21天则是H3M和H2M2。成年大鼠心肌LDH同工酶主要是H4和H3M。
      当组织细胞存在病变时，该组织细胞特异的同工酶可释放入血。因此，临床上检测血清中同工酶活性、分析同工酶谱有助于疾病的诊断和预后判定。例如，肌酸激酶（CK）是由M型（肌型）和B型（脑型）亚基组成的二聚体酶。脑中含CK，（BB型），心肌中含CK2（MB型)，骨骼肌中含CK3（MM型）。CK2仅见于心肌，且含量很高，约占人体CK总量的14%~42%。正常血液中的CK主要是CK3，几乎不含CK2；心肌梗死后3~6小时血中CK2活性升高，12~24小时达峰值（升高近6倍），3-4天恢复正常。因此，CK2常作为临床早期诊断心肌梗死的指标之一。