来自 生物 2019-07-29 20:36 的文章
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探索历程!!超高分悬赏!来啊!

  我需要知道在探索酶的过程中,有哪些科学家(包括国籍,他是什么学家,如物理学家或者化学家等等,时间,哪个世纪)做出了贡献,做出了什么贡献,(如果有记载他是怎么做的实验那跟号...

  我需要知道在探索酶的过程中,有哪些科学家(包括国籍,他是什么学家,如物理学家或者化学家等等,时间,哪个世纪)做出了贡献,做出了什么贡献,(如果有记载他是怎么做的实验那跟号)。

  要全,不要只挑以前的或只挑现在的,我给你那么多分就是要你仔细的找,不要随便糊弄我!!

  酶(enzyme)由生物体内细胞产生的一种生物催化剂。由蛋白质组成(少数为RNA)。能在机体中十分温和的条件下,高效率地催化各种生物化学反应,促进生物体的新陈代谢。生命活动中的消化、吸收、呼吸、运动和生殖都是酶促反应过程。酶是细胞赖以生存的基础。细胞新陈代谢包括的所有化学反应几乎都是在酶的催化下进行的。如哺乳动物的细胞就含有几千种酶。它们或是溶解于细胞液中,或是与各种膜结构结合在一起,或是位于细胞内其他结构的特定位置上。这些酶统称胞内酶;另外,还有一些在细胞内合成后再分泌至细胞外的酶——胞外酶。酶催化化学反应的能力叫酶活力(或称酶活性)。酶活力可受多种因素的调节控制,从而使生物体能适应外界条件的变化,维持生命活动。没有酶的参与,新陈代谢只能以极其缓慢的速度进行,生命活动就根本无法维持。例如食物必须在酶的作用下降解成小分子,才能透过肠壁,被组织吸收和利用。在胃里有胃蛋白酶,在肠里有胰脏分泌的胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、脂肪酶和淀粉酶等。又如食物的氧化是动物能量的来源,其氧化过程也是在一系列酶的催化下完成的。

  1、相同点:1)改变化学反应速率,本身几乎不被消耗;2)只催化已存在的化学反应;3)加快化学反应速率,缩短达到平衡时间,但不改变平衡点;4)降低活化能,使化学反应速率加快。5)都会出现中毒现象。

  1、高效性:酶的催化效率比无机催化剂更高,使得反应速率更快;2、专一性:一种酶只能催化一种或一类底物,如蛋白酶只能催化蛋白质水解成多肽;3、多样性:酶的种类很多,大约有4000多种;4、温和性:是指酶所催化的化学反应一般是在较温和的条件下进行的。

  一般来说,动物体内的酶最适温度在35到40摄氏度之间,植物体内的酶最适温度在40-50摄氏度之间;细菌和真菌体内的酶最适温度差别较大,有得酶最适温度可高达70摄氏度。动物体内的酶最适PH大多在6.5-8.0之间,但也有例外,如胃蛋白酶的最适PH为1.5,植物体内的酶最适PH大多在4.5-6.5之间。

  酶的这些性质使细胞内错综复杂的物质代谢过程能有条不紊地进行,使物质代谢与正常的生理机能互相适应.若因遗传缺陷造成某个酶缺损,或其它原因造成酶的活性减弱,均可导致该酶催化的反应异常,使物质代谢紊乱,甚至发生疾病.因此酶与医学的关系十分密切。

  1773年,意大利科学家斯帕兰扎尼(L.Spallanzani,1729—1799)设计了一个巧妙的实验:将肉块放入小巧的金属笼中,然后让鹰吞下去。过一段时间他将小笼取出,发现肉块消失了。于是,他推断胃液中一定含有消化肉块的物质。但是什么,他不清楚。

  1836年,德国科学家施旺(T.Schwann,1810—1882)从胃液中提取出了消化蛋白质的物质。解开胃的消化之谜。

  1926年,美国科学家萨姆钠(J.B.Sumner,1887—1955)从刀豆种子中提取出脲酶的结晶,并通过化学实验证实脲酶是一种蛋白质。

  20世纪30年代,科学家们相继提取出多种酶的蛋白质结晶,并指出酶是一类具有生物催化作用的蛋白质。

  20世纪80年代,美国科学家切赫(T.R.Cech,1947—)和奥特曼(S.Altman,1939—)发现少数RNA也具有生物催化作用。

  酶活力单位的量度。1961年国际酶学会议规定:1个酶活力单位是指在特定条件(25oC,其它为最适条件)下,在1min内能转化1μmol底物的酶量,或是转化底物中1μmol的有关基团的酶量。

  比活(specific activity):每分钟每毫克酶蛋白在25oC下转化的底物的微摩尔数。比活是酶纯度的测量。

  活化能(activation energy):将1mol反应底物中所有分子由其态转化为过度态所需要的能量。

  活性部位(active energy):酶中含有底物结合部位和参与催化底物转化为产物的氨基酸残基部分。活性部位通常位于蛋白质的结构域或亚基之间的裂隙或是蛋白质表面的凹陷部位,通常都是由在三维空间上靠得很进的一些氨基酸残基组成。

  初速度(initial velocity):酶促反应最初阶段底物转化为产物的速度,这一阶段产物的浓度非常低,其逆反应可以忽略不计。

  米氏常数(Michaelis constant):对于一个给定的反应,异至酶促反应的起始速度(υ0)达到最大反应速度(υmax)一半时的底物浓度。

  催化常数(catalytic number)(Kcat):也称为转换数。是一个动力学常数,是在底物处于饱和状态下一个酶(或一个酶活性部位)催化一个反应有多快的测量。

  催化常数等于最大反应速度除以总的酶浓度(υmax/[E]total)。或是每摩酶活性部位每秒钟转化为产物的底物的量(摩[尔])。

  双倒数作图(double-reciprocal plot):那称为Lineweaver_Burk作图。一个酶促反应的速度的倒数(1/V)对底物度的倒数(1/LSF)的作图。x和y轴上的截距分别代表米氏常数和最大反应速度的倒数。

  竞争性抑制作用(competitive inhibition):通过增加底物浓度可以逆转的一种酶抑制类型。竞争性抑制剂通常与正常的底物或配体竞争同一个蛋白质的结合部位。这种抑制使Km增大而υmax不变。

  非竞争性抑制作用(noncompetitive inhibition): 抑制剂不仅与游离酶结合,也可以与酶-底物复合物结合的一种酶促反应抑制作用。这种抑制使Km不变而υmax变小。

  反竞争性抑制作用(uncompetitive inhibition): 抑制剂只与酶-底物复合物结合而不与游离的酶结合的一种酶促反应抑制作用。这种抑制使Km和υmax都变小但υmax/Km不变。

  很大一类复杂的蛋白质物质 [enzyme;ferment],在促进可逆反应(如水解和氧化)方面起着像催化剂一样的作用。在许多工业过程中是有用的(如发酵、皮革鞣制及干酪生产)

  酶是一种有机的胶状物质,由蛋白质组成,对于生物的化学变化起催化作用,发酵就是靠它的作用:~原。

  酸-碱催化(acid-base catalysis):质子转移加速反应的催化作用。

  共价催化(covalent catalysis):一个底物或底物的一部分与催化剂形成共价键,然后被转移给第二个底物。许多酶催化的基团转移反应都是通过共价方式进行的。

  酶的催化机理和一般化学催化剂基本相同,也是先和反应物(酶的底物)结合成络合物,通过降低反应的能来提高化学反应的速度,在恒定温度下,化学反应体系中每个反应物分子所含的能量虽然差别较大,但其平均值较低,这是反应的初态。

  S(底物)→P(产物)这个反应之所以能够进行,是因为有相当部分的S分子已被激活成为活化(过渡态)分子,活化分子越多,反应速度越快。在特定温度时,化学反应的活化能是使1摩尔物质的全部分子成为活化分子所需的能量(千卡)。

  酶(E)的作用是:与S暂时结合形成一个新化合物ES,ES的活化状态(过渡态)比无催化剂的该化学反应中反应物活化分子含有的能量低得多。ES再反应产生P,同时释放E。E可与另外的S分子结合,再重复这个循环。降低整个反应所需的活化能,使在单位时间内有更多的分子进行反应,反应速度得以加快。如没有催化剂存在时,过氧化氢分解为水和氧的反应(2H2O2→2H2O+O2)需要的活化能为每摩尔18千卡(1千卡=4.187焦耳),用过氧化氢酶催化此反应时,只需要活化能每摩尔2千卡,反应速度约增加10^11倍。

  按照酶的化学组成可将酶分为单纯酶和结合酶两大类。单纯酶分子中只有氨基酸残基组成的肽链,结合酶分子中则除了多肽链组成的蛋白质,还有非蛋白成分,如金属离子、铁卟啉或含B族维生素的小分子有机物。结合酶的蛋白质部分称为酶蛋白(apoenzyme),非蛋白质部分统称为辅助因子 (cofactor),两者一起组成全酶(holoenzyme);只有全酶才有催化活性,如果两者分开则酶活力消失。非蛋白质部分如铁卟啉或含B族维生素的化合物若与酶蛋白以共价键相连的称为辅基(prosthetic group),用透析或超滤等方法不能使它们与酶蛋白分开;反之两者以非共价键相连的称为辅酶(coenzyme),可用上述方法把两者分开。表4-1为以金属离子作结合酶辅助因子的一些例子。表4-2列出含B族维生素的几种辅酶(基)及其参与的反应。

  结合酶中的金属离子有多方面功能,它们可能是酶活性中心的组成成分;有的可能在稳定酶分子的构象上起作用;有的可能作为桥梁使酶与底物相连接。辅酶与辅基在催化反应中作为氢(H+和e)或某些化学基团的载体,起传递氢或化学基团的作用。体内酶的种类很多,但酶的辅助因子种类并不多,从表4—1中已见到几种酶均用某种相同的金属离子作为辅助因子的例子,同样的情况亦见于辅酶与辅基,如3-磷酸甘油醛脱氢酶和乳酸脱氢酶均以NAD+作为辅酶。酶催化反应的特异性决定于酶蛋白部分,而辅酶与辅基的作用是参与具体的反应过程中氢(H+和e)及一些特殊化学基团的运载。

  酶属生物大分子,分子质量至少在1万以上,大的可达百万。酶的催化作用有赖于酶分子的一级结构及空间结构的完整。若酶分子变性或亚基解聚均可导致酶活性丧失。一个值得注意的问题是酶所催化的反应物即底物(substrate),却大多为小分物质它们的分子质量比酶要小几个数量级。

  酶的活性中心(active center)只是酶分子中的很小部分,酶蛋白的大部分氨基酸残基并不与底物接触。组成酶活性中心的氨基酸残基的侧链存在不同的功能基团,如-NH2、-COOH、-SH、-OH和咪唑基等,它们来自酶分子多肽链的不同部位。有的基团在与底物结合时起结合基团(binding group)的作用,有的在催化反应中起催化基团(catalytic group)的作用。但有的基团既在结合中起作用,又在催化中起作用,所以常将活性部位的功能基团统称为必需基团(essential group)。它们通过多肽链的盘曲折叠,组成一个在酶分子表面、具有三维空间结构的孔穴或裂隙,以容纳进入的底物与之结合(图4-1)并催化底物转变为产物,这个区域即称为酶的活性中心。

  而酶活性中心以外的功能集团则在形成并维持酶的空间构象上也是必需的,故称为活性中心以外的必需基团。对需要辅助因子的酶来说,辅助因子也是活性中心的组成部分。酶催化反应的特异性实际上决定于酶活性中心的结合基团、催化基团及其空间结构。

  酶的分子结构的基础是其氨基酸的序列,它决定着酶的空间结构和活性中心的形成以及酶催化的专一性。如哺乳动物中的磷酸甘油醛脱氢酶的氨基酸残基序列几乎完全相同,说明相同的一级结构是酶催化同一反应的基础。又如消化道的糜蛋白酶,胰蛋白酶和弹性蛋白酶都能水解食物蛋白质的肽键,但三者水解的肽键有各自的特异性,糜蛋白酶水解含芳香族氨基酸残基提供羧基的肽键,胰蛋白酶水解赖氨酸等碱性氨基酸残基提供羧基的肽键,而弹性蛋白酶水解侧链较小且不带电荷氨基酸残基提供羧基的肽键.这三种酶的氨基酸序列分析显示40%左右的氨基酸序列相同,都以丝氨酸残基作为酶的活性中心基团,三种酶在丝氨酸残基周围都有G1y-Asp-Ser-Gly-Pro序列,X线衍射研究提示这三种酶有相似的空间结构,这是它们都能水解肽键的基础。而它们水解肽键时的特异性则来自酶的底物结合部位上氨基酸组成上有微小的差别所致。

  图说明这三个酶的底物结合部位均有一个袋形结构,糜蛋白酶该处能容纳芳香基或非极性基;胰蛋白酶袋子底部稍有不同其中一个氨基酸残基为天冬氨酸取代,使该处负电荷增强,故该处对带正电荷的赖氨酸或精酸残基结合有利;弹性蛋白酶口袋二侧为缬氨酸和苏氨酸残基所取代,因此该处只能结合较小侧链和不带电荷的基团.说明酶的催化特异性与酶分子结构的紧密关系。

  有些酶如消化系统中的各种蛋白酶以无活性的前体形式合成和分泌,然后,输送到特定的部位,当体内需要时,经特异性蛋白水解酶的作用转变为有活性的酶而发挥作用。这些不具催化活性的酶的前体称为酶原(zymogen)。如胃蛋白酶原(pepsinogen)、胰蛋白酶原(trypsinogen)和胰凝乳蛋白酶原(chymotrypsinogen)等。某种物质作用于酶原使之转变成有活性的酶的过程称为酶原的激活。使无活性的酶原转变为有活性的酶的物质称为活化素。活化素对于酶原的激活作用具有一定的特异性。

  例如胰腺细胞合成的糜蛋白酶原为245个氨基酸残基组成的单一肽链,分子内部有5对二硫键相连,该酶原的激活过程如图4-3所示.首先由胰蛋白酶水解15位精氨酸和16位异亮氨酸残基间的肽键,激活成有完全催化活性的p-糜蛋白酶,但此时酶分子尚未稳定,经p-糜蛋白酶自身催化,去除二分子二肽成为有催化活性井具稳定结构的α—糜蛋白酶。

  在正常情况下,血浆中大多数凝血因子基本上是以无活性的酶原形式存在,只有当组织或血管内膜受损后,无活性的酶原才能转变为有活性的酶,从而触发一系列的级联式酶促反应,最终导致可溶性的纤维蛋白原转变为稳定的纤维蛋白多聚体,网罗血小板等形成血凝块。

  酶原激活的本质是切断酶原分子中特异肽键或去除部分肽段后有利于酶活性中心的形成酶原激活有重要的生理意义,一方面它保证合成酶的细胞本身不受蛋白酶的消化破坏,另一方面使它们在特定的生理条件和规定的部位受到激活并发挥其生理作用。如组织或血管内膜受损后激活凝血因子;胃主细胞分泌的胃蛋白酶原和胰腺细胞分泌的糜蛋白酶原、胰蛋白酶原、弹性蛋白酶原等分别在胃和小肠激活成相应的活性酶,促进食物蛋白质的消化就是明显的例证。特定肽键的断裂所导致的酶原激活在生物体内广泛存在,是生物体的一种重要的调控酶活性的方式。如果酶原的激活过程发生异常,将导致一系列疾病的发生。出血性胰腺炎的发生就是由于蛋白酶原在未进小肠时就被激活,激活的蛋白酶水解自身的胰腺细胞,导致胰腺出血、肿胀。

  同工酶的概念:即同工酶是一类催化相同的化学反应,但酶蛋白的分子结构、理化性质和免疫原性各不相同的一类酶。 它们存在于生物的同一种族或同一个体的不同组织,甚至在同一组织、同一细胞的不同细胞器中。至今已知的同工酶已不下几十种,如己糖激酶,乳酸脱氢酶等,其中以乳酸脱氢酶(Lactic acid dehydrogenase,LDH)研究得最为清楚。人和脊柱动物组织中,有五种分子形式,它们催化下列相同的化学反应:

  五种同工酶均由四个亚基组成。LDH的亚基有骨骼肌型(M型)和心肌型(H型)之分,两型亚基的氨基酸组成不同,由两种亚基以不同比例组成的四聚体,存在五种LDH形式.即H4(LDHl)、H3M1(LDH2)、H2M2 (LDH3)、H1M3(LDH4)和M4 (LDH5)。

  M、H亚基的氨基酸组成不同,这是由基因不同所决定。五种LDH中的M、H亚基比例各异,决定了它们理化性质的差别.通常用电冰法可把五种LDH分开,LDH1向正极泳动速度最快,而LDH5泳动最慢,其它几种介于两者之间,依次为LDH2、LDH3和LDH4(图4-5) 图4-5还说明了不同组织中各种LDH所含的量不同,心肌中以LDHl及LDH2的量较多,而骨骼肌及肝中LDH5和LDH4为主.不同组织中LDH同工酶谱的差异与组织利用乳酸的生理过程有关.LDH1和LDH2对乳酸的亲和力大,使乳酸脱氢氧化成丙酮酸,有利于心肌从乳酸氧化中取得能量。LDH5和LDH4对丙酮酸的亲和力大,有使丙酮酸还原为乳酸的作用,这与肌肉在无氧酵解中取得能量的生理过程相适应(详见糖代谢章).在组织病变时这些同工酶释放入血,由于同工酶在组织器官中分布差异,因此血清同工酶谱就有了变化。故临床常用血清同工酶谱分析来诊断疾病(图4-5)。

  别构酶(allosteric enzyme)往往是具有四级结构的多亚基的寡聚酶,酶分子中除有催化作用的活性中心也称催化位点(catalytic site)外;还有别构位点(allosteric site).后者是结合别构剂(allesteric effector)的位置,当它与别构剂结合时,酶的分子构象就会发生轻微变化,影响到催化位点对底物的亲和力和催化效率。若别构剂结合使酶与底物亲和力或催化效率增高的称为别构激活剂(allostericactivator),反之使酶底物的r亲和力或催化效率降低的称为别构抑制剂(allostericinhibitor)。酶活性受别构剂调节的作用称为别构调节(allosteric regulation)作用.别构酶的催化位点与别构位点可共处一个亚基的不同部位,但更多的是分别处于不同亚基上.在后一种情况下具催化位点的亚基称催化亚基,而具别构位点的称调节亚基。多数别构酶处于代谢途径的开端,而别构酶的别构剂往往是一些生理性小分子及该酶作用的底物或该代谢途径的中间产物或终产物。故别构酶的催化活性受细胞内底物浓度、代谢中间物或终产物浓度的调节。终产物抑制该途径中的别构酶称反馈抑制(feedback inhibition).说明一旦细胞内终产物增多,它作为别构抑制剂抑制处于代谢途径起始的酶,及时调整该代谢途径的速度,以适应细胞生理机能的需要。别构酶在细胞物质代谢上的调节中发挥重要作用。故别构酶又称调节酶。(regulatory enzyme)

  体内有些酶需在其它酶作用下,对酶分子结构进行修饰后才具催化活性,这类酶称为修饰酶(modification enzyme)。其中以共价修饰为多见,如酶蛋白的丝氨酸,苏氨酸残基的功能基团-OH可被磷酸化,这时伴有共价键的修饰变化生成,故称共价修饰(covalent modification)。由于这种修饰导致酶活力改变称为酶的共价修饰调节(covalent modification regulation)。体内最常见的共价修饰是酶的磷酸化与去磷酸化,此外还有酶的乙酰化与去乙酰化、尿苷酸化与去尿苷酸化、甲基化与去甲基化。由于共价修饰反应迅速,具有级联式放大效应所以亦是体内调节物质代谢的重要方式。如催化糖原分解第一步反应的糖原磷酸化酶存在有活性和无活性两种形式,有活性的称为磷酸化酶a,无活性的称为磷酸化酶b,这两种形式的互变就是通过酶分子的磷酸化与去磷酸化的过程(详见糖代谢章)

  体内有些酶彼此聚合在一起,组成一个物理的结合体,此结合体称为多酶复合体(multienzyme complex)。若把多酶复合体解体,则各酶的催化活性消失。参与组成多酶复合体的酶有多有少,如催化丙酮酸氧化脱羧反应的丙酮酸脱氢酶多酶复合体由三种酶组成,而在线粒体中催化脂肪酸β-氧化的多酶复合体由四种酶组成。多酶复合体第一个酶催化反应的产物成为第二个酶作用的底物,如此连续进行,直至终产物生成.

  多酶复合体由于有物理结合,在空间构象上有利于这种流水作业的快速进行,是生物体提高酶催化效率的一种有效措施。

  体内物质代谢的各条途径往往有许多酶共同参与,依次完成反应过程,这些酶不同于多酶复合体,在结构上无彼此关联。故称为多酶体系(multienzyme system)。如参与糖酵解的11个酶均存在于胞液,组成一个多酶体系。

  近年来发现有些酶分子存在多种催化活性,例如大肠杆菌DNA聚合酶I是一条分子质量为109kDa的多肽链,具有催化DNA链的合成、3’-5’核酸外切酶和5’-3’核酸外切酶的活性,用蛋白水解酶轻度水解得两个肽段,一个含5’-3’核酸外切酶活性,另一个含另两种酶的活性,表明大肠杆菌DNA聚合酶分子中含多个活性中心。哺乳动物的脂肪酸合成酶由两条多肽链组成,每一条多肽链均含脂肪酸合成所需的七种酶的催化活性。这种酶分子中存在多种催化活性部位的酶称为多功能酶(multifunctional enzyme)或串联酶(tandem enzyme)。多功能酶在分子结构上比多酶复合体更具有优越性,因为相关的化学反应在一个酶分子上进行,比多酶复合体更有效,这也是生物进化的结果。

  米契里斯(Michaelis)和门坦(Menten)根据中间产物学说推导出酶促反应速度方程式,即米-门公式(具体参考《环境工程微生物学》第四章微生物的生理)。由米门公式可知:酶促反应速度受酶浓度和底物浓度的影响,也受温度、pH、激活剂和抑制剂的影响。

  从米门公式和酶浓度与酶促反应速度的关系图解可以看出:酶促反应速度与酶分子的浓度成正比。当底物分子浓度足够时,酶分子越多,底物转化的速度越快。但事实上,当酶浓度很高时,并不保持这种关系,曲线逐渐趋向平缓。根据分析,这可能是高浓度的底物夹带夹带有许多的抑制剂所致。

  在生化反应中,若酶的浓度为定值,底物的起始浓度较低时,酶促反应速度与底物浓度成正比,即随底物浓度的增加而增加。当所有的酶与底物结合生成中间产物后,即使在增加底物浓度,中间产物浓度也不会增加,酶促反应速度也不增加。

  还可以得出,在底物浓度相同条件下,酶促反应速度与酶的初始浓度成正比。酶的初始浓度大,其酶促反应速度就大。

  在实际测定中,即使酶浓度足够高,随底物浓度的升高,酶促反应速度并没有因此增加,甚至受到抑制。其原因是:高浓度底物降低了水的有效浓度,降低了分子扩散性,从而降低了酶促反应速度。过量的底物聚集在酶分子上,生成无活性的中间产物,不能释放出酶分子,从而也会降低反应速度。

  各种酶在最适温度范围内,酶活性最强,酶促反应速度最大。在适宜的温度范围内,温度每升高10℃,酶促反应速度可以相应提高1~2倍。不同生物体内酶的最适温度不同。如,动物组织中各种酶的最适温度为37~40℃;微生物体内各种酶的最适温度为25~60℃,但也有例外,如黑曲糖化酶的最适温度为62~64℃;巨大芽孢杆菌、短乳酸杆菌、产气杆菌等体内的葡萄糖异构酶的最适温度为80℃;枯草杆菌的液化型淀粉酶的最适温度为85~94℃。可见,一些芽孢杆菌的酶的热稳定性较高。过高或过低的温度都会降低酶的催化效率,即降低酶促反应速度。

  最适温度在60℃以下的酶,当温度达到60~80℃时,大部分酶被破坏,发生不可逆变性;当温度接近100℃时,酶的催化作用完全丧失。

  酶在最适pH范围内表现出活性,大于或小于最适pH,都会降低酶活性。主要表现在两个方面:①改变底物分子和酶分子的带电状态,从而影响酶和底物的结合;②过高或过低的pH都会影响酶的稳定性,进而使酶遭受不可逆破坏。

  能激活酶的物质称为酶的激活剂。激活剂种类很多,有①无机阳离子,如钠离子、钾离子、铜离子、钙离子等;②无机阴离子,如氯离子、溴离子、碘离子、硫酸盐离子磷酸盐离子等;③有机化合物,如维生素C、半胱氨酸、还原性谷胱甘肽等。许多酶只有当某一种适当的激活剂存在时,才表现出催化活性或强化其催化活性,这称为对酶的激活作用。而有些酶被合成后呈现无活性状态,这种酶称为酶原。它必须经过适当的激活剂激活后才具活性。

  能减弱、抑制甚至破坏酶活性的物质称为酶的抑制剂。它可降低酶促反应速度。酶的抑制剂有重金属离子、一氧化碳、硫化氢、氢氰酸、氟化物、碘化乙酸、生物碱、染料、对-氯汞苯甲酸、二异丙基氟磷酸、乙二胺四乙酸、表面活性剂等。

  对酶促反应的抑制可分为竞争性抑制和非竞争性抑制。与底物结构类似的物质争先与酶的活性中心结合,从而降低酶促反应速度,这种作用称为竞争性抑制。竞争性抑制是可逆性抑制,通过增加底物浓度最终可解除抑制,恢复酶的活性。与底物结构类似的物质称为竞争性抑制剂。抑制剂与酶活性中心以外的位点结合后,底物仍可与酶活性中心结合,但酶不显示活性,这种作用称为非竞争性抑制。非竞争性抑制是不可逆的,增加底物浓度并不能解除对酶活性的抑制。与酶活性中心以外的位点结合的抑制剂,称为非竞争性抑制剂。

  1773年,意大利科学家斯帕兰扎尼(L.Spallanzani,1729—1799)设计了一个巧妙的实验:将肉块放入小巧的金属笼中,然后让鹰吞下去。过一段时间他将小笼取出,发现肉块消失了。于是,他推断胃液中一定含有消化肉块的物质。但是什么,他不清楚。

  1836年,德国科学家施旺(T.Schwann,1810—1882)从胃液中提取出了消化蛋白质的物质。解开胃的消化之谜。

  1926年,美国科学家萨姆钠(J.B.Sumner,1887—1955)从刀豆种子中提取出脲酶的结晶,并通过化学实验证实脲酶是一种蛋白质。

  20世纪30年代,科学家们相继提取出多种酶的蛋白质结晶,并指出酶是一类具有生物催化作用的蛋白质。

  20世纪80年代,美国科学家切赫(T.R.Cech,1947—)和奥特曼(S.Altman,1939—)发现少数RNA也具有生物催化作用。

  酶活力单位的量度。1961年国际酶学会议规定:1个酶活力单位是指在特定条件(25oC,其它为最适条件)下,在1min内能转化1μmol底物的酶量,或是转化底物中1μmol的有关基团的酶量。

  比活(specific activity):每分钟每毫克酶蛋白在25oC下转化的底物的微摩尔数。比活是酶纯度的测量。

  活化能(activation energy):将1mol反应底物中所有分子由其态转化为过度态所需要的能量。

  活性部位(active energy):酶中含有底物结合部位和参与催化底物转化为产物的氨基酸残基部分。活性部位通常位于蛋白质的结构域或亚基之间的裂隙或是蛋白质表面的凹陷部位,通常都是由在三维空间上靠得很进的一些氨基酸残基组成。

  初速度(initial velocity):酶促反应最初阶段底物转化为产物的速度,这一阶段产物的浓度非常低,其逆反应可以忽略不计。

  米氏常数(Michaelis constant):对于一个给定的反应,异至酶促反应的起始速度(υ0)达到最大反应速度(υmax)一半时的底物浓度。

  催化常数(catalytic number)(Kcat):也称为转换数。是一个动力学常数,是在底物处于饱和状态下一个酶(或一个酶活性部位)催化一个反应有多快的测量。

  催化常数等于最大反应速度除以总的酶浓度(υmax/[E]total)。或是每摩酶活性部位每秒钟转化为产物的底物的量(摩[尔])。

  双倒数作图(double-reciprocal plot):那称为Lineweaver_Burk作图。一个酶促反应的速度的倒数(1/V)对底物度的倒数(1/LSF)的作图。x和y轴上的截距分别代表米氏常数和最大反应速度的倒数。

  竞争性抑制作用(competitive inhibition):通过增加底物浓度可以逆转的一种酶抑制类型。竞争性抑制剂通常与正常的底物或配体竞争同一个蛋白质的结合部位。这种抑制使Km增大而υmax不变。

  非竞争性抑制作用(noncompetitive inhibition): 抑制剂不仅与游离酶结合,也可以与酶-底物复合物结合的一种酶促反应抑制作用。这种抑制使Km不变而υmax变小。

  反竞争性抑制作用(uncompetitive inhibition): 抑制剂只与酶-底物复合物结合而不与游离的酶结合的一种酶促反应抑制作用。这种抑制使Km和υmax都变小但υmax/Km不变。

  很大一类复杂的蛋白质物质 [enzyme;ferment],在促进可逆反应(如水解和氧化)方面起着像催化剂一样的作用。在许多工业过程中是有用的(如发酵、皮革鞣制及干酪生产)

  酶是一种有机的胶状物质,由蛋白质组成,对于生物的化学变化起催化作用,发酵就是靠它的作用:~原。

  酸-碱催化(acid-base catalysis):质子转移加速反应的催化作用。

  共价催化(covalent catalysis):一个底物或底物的一部分与催化剂形成共价键,然后被转移给第二个底物。许多酶催化的基团转移反应都是通过共价方式进行的。

  酶的催化机理和一般化学催化剂基本相同,也是先和反应物(酶的底物)结合成络合物,通过降低反应的能来提高化学反应的速度,在恒定温度下,化学反应体系中每个反应物分子所含的能量虽然差别较大,但其平均值较低,这是反应的初态。

  S(底物)→P(产物)这个反应之所以能够进行,是因为有相当部分的S分子已被激活成为活化(过渡态)分子,活化分子越多,反应速度越快。在特定温度时,化学反应的活化能是使1摩尔物质的全部分子成为活化分子所需的能量(千卡)。

  酶(E)的作用是:与S暂时结合形成一个新化合物ES,ES的活化状态(过渡态)比无催化剂的该化学反应中反应物活化分子含有的能量低得多。ES再反应产生P,同时释放E。E可与另外的S分子结合,再重复这个循环。降低整个反应所需的活化能,使在单位时间内有更多的分子进行反应,反应速度得以加快。如没有催化剂存在时,过氧化氢分解为水和氧的反应(2H2O2→2H2O+O2)需要的活化能为每摩尔18千卡(1千卡=4.187焦耳),用过氧化氢酶催化此反应时,只需要活化能每摩尔2千卡,反应速度约增加10^11倍。

  按照酶的化学组成可将酶分为单纯酶和结合酶两大类。单纯酶分子中只有氨基酸残基组成的肽链,结合酶分子中则除了多肽链组成的蛋白质,还有非蛋白成分,如金属离子、铁卟啉或含B族维生素的小分子有机物。结合酶的蛋白质部分称为酶蛋白(apoenzyme),非蛋白质部分统称为辅助因子 (cofactor),两者一起组成全酶(holoenzyme);只有全酶才有催化活性,如果两者分开则酶活力消失。非蛋白质部分如铁卟啉或含B族维生素的化合物若与酶蛋白以共价键相连的称为辅基(prosthetic group),用透析或超滤等方法不能使它们与酶蛋白分开;反之两者以非共价键相连的称为辅酶(coenzyme),可用上述方法把两者分开。表4-1为以金属离子作结合酶辅助因子的一些例子。表4-2列出含B族维生素的几种辅酶(基)及其参与的反应。

  结合酶中的金属离子有多方面功能,它们可能是酶活性中心的组成成分;有的可能在稳定酶分子的构象上起作用;有的可能作为桥梁使酶与底物相连接。辅酶与辅基在催化反应中作为氢(H+和e)或某些化学基团的载体,起传递氢或化学基团的作用。体内酶的种类很多,但酶的辅助因子种类并不多,从表4—1中已见到几种酶均用某种相同的金属离子作为辅助因子的例子,同样的情况亦见于辅酶与辅基,如3-磷酸甘油醛脱氢酶和乳酸脱氢酶均以NAD+作为辅酶。酶催化反应的特异性决定于酶蛋白部分,而辅酶与辅基的作用是参与具体的反应过程中氢(H+和e)及一些特殊化学基团的运载。

  酶属生物大分子,分子质量至少在1万以上,大的可达百万。酶的催化作用有赖于酶分子的一级结构及空间结构的完整。若酶分子变性或亚基解聚均可导致酶活性丧失。一个值得注意的问题是酶所催化的反应物即底物(substrate),却大多为小分物质它们的分子质量比酶要小几个数量级。

  酶的活性中心(active center)只是酶分子中的很小部分,酶蛋白的大部分氨基酸残基并不与底物接触。组成酶活性中心的氨基酸残基的侧链存在不同的功能基团,如-NH2、-COOH、-SH、-OH和咪唑基等,它们来自酶分子多肽链的不同部位。有的基团在与底物结合时起结合基团(binding group)的作用,有的在催化反应中起催化基团(catalytic group)的作用。但有的基团既在结合中起作用,又在催化中起作用,所以常将活性部位的功能基团统称为必需基团(essential group)。它们通过多肽链的盘曲折叠,组成一个在酶分子表面、具有三维空间结构的孔穴或裂隙,以容纳进入的底物与之结合(图4-1)并催化底物转变为产物,这个区域即称为酶的活性中心。

  而酶活性中心以外的功能集团则在形成并维持酶的空间构象上也是必需的,故称为活性中心以外的必需基团。对需要辅助因子的酶来说,辅助因子也是活性中心的组成部分。酶催化反应的特异性实际上决定于酶活性中心的结合基团、催化基团及其空间结构。

  酶的分子结构的基础是其氨基酸的序列,它决定着酶的空间结构和活性中心的形成以及酶催化的专一性。如哺乳动物中的磷酸甘油醛脱氢酶的氨基酸残基序列几乎完全相同,说明相同的一级结构是酶催化同一反应的基础。又如消化道的糜蛋白酶,胰蛋白酶和弹性蛋白酶都能水解食物蛋白质的肽键,但三者水解的肽键有各自的特异性,糜蛋白酶水解含芳香族氨基酸残基提供羧基的肽键,胰蛋白酶水解赖氨酸等碱性氨基酸残基提供羧基的肽键,而弹性蛋白酶水解侧链较小且不带电荷氨基酸残基提供羧基的肽键.这三种酶的氨基酸序列分析显示40%左右的氨基酸序列相同,都以丝氨酸残基作为酶的活性中心基团,三种酶在丝氨酸残基周围都有G1y-Asp-Ser-Gly-Pro序列,X线衍射研究提示这三种酶有相似的空间结构,这是它们都能水解肽键的基础。而它们水解肽键时的特异性则来自酶的底物结合部位上氨基酸组成上有微小的差别所致。

  图说明这三个酶的底物结合部位均有一个袋形结构,糜蛋白酶该处能容纳芳香基或非极性基;胰蛋白酶袋子底部稍有不同其中一个氨基酸残基为天冬氨酸取代,使该处负电荷增强,故该处对带正电荷的赖氨酸或精酸残基结合有利;弹性蛋白酶口袋二侧为缬氨酸和苏氨酸残基所取代,因此该处只能结合较小侧链和不带电荷的基团.说明酶的催化特异性与酶分子结构的紧密关系。

  有些酶如消化系统中的各种蛋白酶以无活性的前体形式合成和分泌,然后,输送到特定的部位,当体内需要时,经特异性蛋白水解酶的作用转变为有活性的酶而发挥作用。这些不具催化活性的酶的前体称为酶原(zymogen)。如胃蛋白酶原(pepsinogen)、胰蛋白酶原(trypsinogen)和胰凝乳蛋白酶原(chymotrypsinogen)等。某种物质作用于酶原使之转变成有活性的酶的过程称为酶原的激活。使无活性的酶原转变为有活性的酶的物质称为活化素。活化素对于酶原的激活作用具有一定的特异性。

  例如胰腺细胞合成的糜蛋白酶原为245个氨基酸残基组成的单一肽链,分子内部有5对二硫键相连,该酶原的激活过程如图4-3所示.首先由胰蛋白酶水解15位精氨酸和16位异亮氨酸残基间的肽键,激活成有完全催化活性的p-糜蛋白酶,但此时酶分子尚未稳定,经p-糜蛋白酶自身催化,去除二分子二肽成为有催化活性井具稳定结构的α—糜蛋白酶。

  在正常情况下,血浆中大多数凝血因子基本上是以无活性的酶原形式存在,只有当组织或血管内膜受损后,无活性的酶原才能转变为有活性的酶,从而触发一系列的级联式酶促反应,最终导致可溶性的纤维蛋白原转变为稳定的纤维蛋白多聚体,网罗血小板等形成血凝块。

  酶原激活的本质是切断酶原分子中特异肽键或去除部分肽段后有利于酶活性中心的形成酶原激活有重要的生理意义,一方面它保证合成酶的细胞本身不受蛋白酶的消化破坏,另一方面使它们在特定的生理条件和规定的部位受到激活并发挥其生理作用。如组织或血管内膜受损后激活凝血因子;胃主细胞分泌的胃蛋白酶原和胰腺细胞分泌的糜蛋白酶原、胰蛋白酶原、弹性蛋白酶原等分别在胃和小肠激活成相应的活性酶,促进食物蛋白质的消化就是明显的例证。特定肽键的断裂所导致的酶原激活在生物体内广泛存在,是生物体的一种重要的调控酶活性的方式。如果酶原的激活过程发生异常,将导致一系列疾病的发生。出血性胰腺炎的发生就是由于蛋白酶原在未进小肠时就被激活,激活的蛋白酶水解自身的胰腺细胞,导致胰腺出血、肿胀。

  同工酶的概念:即同工酶是一类催化相同的化学反应,但酶蛋白的分子结构、理化性质和免疫原性各不相同的一类酶。 它们存在于生物的同一种族或同一个体的不同组织,甚至在同一组织、同一细胞的不同细胞器中。至今已知的同工酶已不下几十种,如己糖激酶,乳酸脱氢酶等,其中以乳酸脱氢酶(Lactic acid dehydrogenase,LDH)研究得最为清楚。人和脊柱动物组织中,有五种分子形式,它们催化下列相同的化学反应:

  五种同工酶均由四个亚基组成。LDH的亚基有骨骼肌型(M型)和心肌型(H型)之分,两型亚基的氨基酸组成不同,由两种亚基以不同比例组成的四聚体,存在五种LDH形式.即H4(LDHl)、H3M1(LDH2)、H2M2 (LDH3)、H1M3(LDH4)和M4 (LDH5)。

  M、H亚基的氨基酸组成不同,这是由基因不同所决定。五种LDH中的M、H亚基比例各异,决定了它们理化性质的差别.通常用电冰法可把五种LDH分开,LDH1向正极泳动速度最快,而LDH5泳动最慢,其它几种介于两者之间,依次为LDH2、LDH3和LDH4(图4-5) 图4-5还说明了不同组织中各种LDH所含的量不同,心肌中以LDHl及LDH2的量较多,而骨骼肌及肝中LDH5和LDH4为主.不同组织中LDH同工酶谱的差异与组织利用乳酸的生理过程有关.LDH1和LDH2对乳酸的亲和力大,使乳酸脱氢氧化成丙酮酸,有利于心肌从乳酸氧化中取得能量。LDH5和LDH4对丙酮酸的亲和力大,有使丙酮酸还原为乳酸的作用,这与肌肉在无氧酵解中取得能量的生理过程相适应(详见糖代谢章).在组织病变时这些同工酶释放入血,由于同工酶在组织器官中分布差异,因此血清同工酶谱就有了变化。故临床常用血清同工酶谱分析来诊断疾病(图4-5)。

  别构酶(allosteric enzyme)往往是具有四级结构的多亚基的寡聚酶,酶分子中除有催化作用的活性中心也称催化位点(catalytic site)外;还有别构位点(allosteric site).后者是结合别构剂(allesteric effector)的位置,当它与别构剂结合时,酶的分子构象就会发生轻微变化,影响到催化位点对底物的亲和力和催化效率。若别构剂结合使酶与底物亲和力或催化效率增高的称为别构激活剂(allostericactivator),反之使酶底物的r亲和力或催化效率降低的称为别构抑制剂(allostericinhibitor)。酶活性受别构剂调节的作用称为别构调节(allosteric regulation)作用.别构酶的催化位点与别构位点可共处一个亚基的不同部位,但更多的是分别处于不同亚基上.在后一种情况下具催化位点的亚基称催化亚基,而具别构位点的称调节亚基。多数别构酶处于代谢途径的开端,而别构酶的别构剂往往是一些生理性小分子及该酶作用的底物或该代谢途径的中间产物或终产物。故别构酶的催化活性受细胞内底物浓度、代谢中间物或终产物浓度的调节。终产物抑制该途径中的别构酶称反馈抑制(feedback inhibition).说明一旦细胞内终产物增多,它作为别构抑制剂抑制处于代谢途径起始的酶,及时调整该代谢途径的速度,以适应细胞生理机能的需要。别构酶在细胞物质代谢上的调节中发挥重要作用。故别构酶又称调节酶。(regulatory enzyme)

  体内有些酶需在其它酶作用下,对酶分子结构进行修饰后才具催化活性,这类酶称为修饰酶(modification enzyme)。其中以共价修饰为多见,如酶蛋白的丝氨酸,苏氨酸残基的功能基团-OH可被磷酸化,这时伴有共价键的修饰变化生成,故称共价修饰(covalent modification)。由于这种修饰导致酶活力改变称为酶的共价修饰调节(covalent modification regulation)。体内最常见的共价修饰是酶的磷酸化与去磷酸化,此外还有酶的乙酰化与去乙酰化、尿苷酸化与去尿苷酸化、甲基化与去甲基化。由于共价修饰反应迅速,具有级联式放大效应所以亦是体内调节物质代谢的重要方式。如催化糖原分解第一步反应的糖原磷酸化酶存在有活性和无活性两种形式,有活性的称为磷酸化酶a,无活性的称为磷酸化酶b,这两种形式的互变就是通过酶分子的磷酸化与去磷酸化的过程(详见糖代谢章)

  体内有些酶彼此聚合在一起,组成一个物理的结合体,此结合体称为多酶复合体(multienzyme complex)。若把多酶复合体解体,则各酶的催化活性消失。参与组成多酶复合体的酶有多有少,如催化丙酮酸氧化脱羧反应的丙酮酸脱氢酶多酶复合体由三种酶组成,而在线粒体中催化脂肪酸β-氧化的多酶复合体由四种酶组成。多酶复合体第一个酶催化反应的产物成为第二个酶作用的底物,如此连续进行,直至终产物生成.

  多酶复合体由于有物理结合,在空间构象上有利于这种流水作业的快速进行,是生物体提高酶催化效率的一种有效措施。

  体内物质代谢的各条途径往往有许多酶共同参与,依次完成反应过程,这些酶不同于多酶复合体,在结构上无彼此关联。故称为多酶体系(multienzyme system)。如参与糖酵解的11个酶均存在于胞液,组成一个多酶体系。

  近年来发现有些酶分子存在多种催化活性,例如大肠杆菌DNA聚合酶I是一条分子质量为109kDa的多肽链,具有催化DNA链的合成、3’-5’核酸外切酶和5’-3’核酸外切酶的活性,用蛋白水解酶轻度水解得两个肽段,一个含5’-3’核酸外切酶活性,另一个含另两种酶的活性,表明大肠杆菌DNA聚合酶分子中含多个活性中心。哺乳动物的脂肪酸合成酶由两条多肽链组成,每一条多肽链均含脂肪酸合成所需的七种酶的催化活性。这种酶分子中存在多种催化活性部位的酶称为多功能酶(multifunctional enzyme)或串联酶(tandem enzyme)。多功能酶在分子结构上比多酶复合体更具有优越性,因为相关的化学反应在一个酶分子上进行,比多酶复合体更有效,这也是生物进化的结果。

  米契里斯(Michaelis)和门坦(Menten)根据中间产物学说推导出酶促反应速度方程式,即米-门公式(具体参考《环境工程微生物学》第四章微生物的生理)。由米门公式可知:酶促反应速度受酶浓度和底物浓度的影响,也受温度、pH、激活剂和抑制剂的影响。

  从米门公式和酶浓度与酶促反应速度的关系图解可以看出:酶促反应速度与酶分子的浓度成正比。当底物分子浓度足够时,酶分子越多,底物转化的速度越快。但事实上,当酶浓度很高时,并不保持这种关系,曲线逐渐趋向平缓。根据分析,这可能是高浓度的底物夹带夹带有许多的抑制剂所致。

  在生化反应中,若酶的浓度为定值,底物的起始浓度较低时,酶促反应速度与底物浓度成正比,即随底物浓度的增加而增加。当所有的酶与底物结合生成中间产物后,即使在增加底物浓度,中间产物浓度也不会增加,酶促反应速度也不增加。

  还可以得出,在底物浓度相同条件下,酶促反应速度与酶的初始浓度成正比。酶的初始浓度大,其酶促反应速度就大。

  在实际测定中,即使酶浓度足够高,随底物浓度的升高,酶促反应速度并没有因此增加,甚至受到抑制。其原因是:高浓度底物降低了水的有效浓度,降低了分子扩散性,从而降低了酶促反应速度。过量的底物聚集在酶分子上,生成无活性的中间产物,不能释放出酶分子,从而也会降低反应速度。

  各种酶在最适温度范围内,酶活性最强,酶促反应速度最大。在适宜的温度范围内,温度每升高10℃,酶促反应速度可以相应提高1~2倍。不同生物体内酶的最适温度不同。如,动物组织中各种酶的最适温度为37~40℃;微生物体内各种酶的最适温度为25~60℃,但也有例外,如黑曲糖化酶的最适温度为62~64℃;巨大芽孢杆菌、短乳酸杆菌、产气杆菌等体内的葡萄糖异构酶的最适温度为80℃;枯草杆菌的液化型淀粉酶的最适温度为85~94℃。可见,一些芽孢杆菌的酶的热稳定性较高。过高或过低的温度都会降低酶的催化效率,即降低酶促反应速度。

  最适温度在60℃以下的酶,当温度达到60~80℃时,大部分酶被破坏,发生不可逆变性;当温度接近100℃时,酶的催化作用完全丧失。

  酶在最适pH范围内表现出活性,大于或小于最适pH,都会降低酶活性。主要表现在两个方面:①改变底物分子和酶分子的带电状态,从而影响酶和底物的结合;②过高或过低的pH都会影响酶的稳定性,进而使酶遭受不可逆破坏。

  能激活酶的物质称为酶的激活剂。激活剂种类很多,有①无机阳离子,如钠离子、钾离子、铜离子、钙离子等;②无机阴离子,如氯离子、溴离子、碘离子、硫酸盐离子磷酸盐离子等;③有机化合物,如维生素C、半胱氨酸、还原性谷胱甘肽等。许多酶只有当某一种适当的激活剂存在时,才表现出催化活性或强化其催化活性,这称为对酶的激活作用。而有些酶被合成后呈现无活性状态,这种酶称为酶原。它必须经过适当的激活剂激活后才具活性。

  能减弱、抑制甚至破坏酶活性的物质称为酶的抑制剂。它可降低酶促反应速度。酶的抑制剂有重金属离子、一氧化碳、硫化氢、氢氰酸、氟化物、碘化乙酸、生物碱、染料、对-氯汞苯甲酸、二异丙基氟磷酸、乙二胺四乙酸、表面活性剂等。

  对酶促反应的抑制可分为竞争性抑制和非竞争性抑制。与底物结构类似的物质争先与酶的活性中心结合,从而降低酶促反应速度,这种作用称为竞争性抑制。竞争性抑制是可逆性抑制,通过增加底物浓度最终可解除抑制,恢复酶的活性。与底物结构类似的物质称为竞争性抑制剂。抑制剂与酶活性中心以外的位点结合后,底物仍可与酶活性中心结合,但酶不显示活性,这种作用称为非竞争性抑制。非竞争性抑制是不可逆的,增加底物浓度并不能解除对酶活性的抑制。与酶活性中心以外的位点结合的抑制剂,称为非竞争性抑制剂。

  催化从底物分子双键上加基团或脱基团反应,即促进一种化合物分裂为两种化合物,或由两种化合物合成一种化合物。

  促进两分子化合物互相结合,同时ATP分子(或其它三磷酸核苷)中的高能磷酸键断裂,即催化分子间缔合反应。

  按照国际生化协会公布的酶的统一分类原则,在上述六大类基础上,在每一大类酶中又根据底物中被作用的基团或键的特点,分为若干亚类;为了更精确地表明底物或反应物的性质,每一个亚类再分为几个组(亚亚类);每个组中直接包含若干个酶。

  1773年意大利 斯帕兰札尼通过把中有肉的金属笼放入鹰胃肉被消化说明胃有化学消化性 1836德国施旺从胃液提取出胃蛋白酶 1926美国萨姆纳从刀豆种子提取脲酶并证明是蛋白质 20世纪80年代美国切赫和奥特曼发现少数RNA也具有生物催化功能!

  展开全部1773年,意大利科学家斯帕兰扎尼(L.Spallanzani,1729—1799)设计了一个巧妙的实验:将肉块放入小巧的金属笼中,然后让鹰吞下去。过一段时间他将小笼取出,发现肉块消失了。于是,他推断胃液中一定含有消化肉块的物质。但是什么,他不清楚。

  1836年,德国科学家施旺(T.Schwann,1810—1882)从胃液中提取出了消化蛋白质的物质。解开胃的消化之谜。

  1926年,美国科学家萨姆钠(J.B.Sumner,1887—1955)从刀豆种子中提取出脲酶的结晶,并通过化学实验证实脲酶是一种蛋白质。

  20世纪30年代,科学家们相继提取出多种酶的蛋白质结晶,并指出酶是一类具有生物催化作用的蛋白质。

  20世纪80年代,美国科学家切赫(T.R.Cech,1947—)和奥特曼(S.Altman,1939—)发现少数RNA也具有生物催化作用。

  展开全部酶,又称为酵素,是指具有催化功能的蛋白质。[1]在酶的催化反应体系中,反应物分子被称为底物,底物通过酶的催化转化为另一种分子。几乎所有的细胞活动进程都需要酶的参与,以提高效率。与其他非生物催化剂相似,酶通过降低化学反应的活化能(用Ea或ΔG表示)来加快反应速率,大多数的酶可以将其催化的反应之速率提高上百万倍;同样,酶作为催化剂,本身在反应过程中不被消耗,也不影响反应的化学平衡。与其他非生物催化剂不同的是,酶具有高度的专一性,只催化特定的反应或产生特定的构型。目前已知的可以被酶催化的反应有约4000种。[2]

  虽然酶是蛋白质,但并非具有生物催化功能的分子都是蛋白质,有一些被称为核酶的RNA分子同样具有催化功能。[3]此外,通过人工合成所谓人工酶也具有与酶类似的催化活性。[4]有人认为酶应定义为具有催化功能的生物大分子,即生物催化剂,则该定义中酶包含具有催化功能的蛋白质和核酶。[5]

  酶的催化活性可以受其他分子影响:抑制剂是可以降低酶活性的分子;激活剂则是可以增加酶活性的分子。有许多药物和毒药就是酶的抑制剂。酶的活性还可以被温度、化学环境(如pH值)、底物浓度以及电磁波(如微波[6])等许多因素所影响。

  酶在工业和人们的日常生活中的应用也非常广泛。例如,药厂用特定的合成酶来合成抗生素;加酶洗衣粉通过分解蛋白质和脂肪来帮助除去衣物上的污渍和油渍。

  酶的发现来源于人们对发酵机理的逐渐了解。早在18世纪末和19世纪初,人们就认识到食物在胃中被消化,[7]用植物的提取液可以将淀粉转化为糖,但对于其对应的机理则并不了解。[8]

  到了19世纪中叶,法国科学家路易·巴斯德对蔗糖转化为酒精的发酵过程进行了研究,认为在酵母细胞中存在一种活力物质,命名为“酵素”(ferment)。他提出发酵是这种活力物质催化的结果,并认为活力物质只存在于生命体中,细胞破裂就会失去发酵作用。[9]

  1878年,德国生理学家威廉·屈内首次提出了酶(enzyme)这一概念。随后,酶被用于专指胃蛋白酶等一类非活体物质,而酵素(ferment)则被用于指由活体细胞产生的催化活性。

  德国科学家爱德华·比希纳这种对酶的错误认识很快得到纠正。1897年,德国科学家爱德华·比希纳开始对不含细胞的酵母提取液进行发酵研究,通过在柏林洪堡大学所做的一系列实验最终证明发酵过程并不需要完整的活细胞存在。[10]他将其中能够发挥发酵作用的酶命名为发酵酶(zymase)。[11]这一贡献打开了通向现代酶学与现代生物化学的大门,其本人也因“发现无细胞发酵及相应的生化研究”而获得了1907年的诺贝尔化学奖。在此之后,酶和酵素两个概念合二为一,并依据比希纳的命名方法,酶的发现者们根据其所催化的反应将它们命名。通常酶的英文名称是在催化底物或者反应类型的名字最后加上-ase的后缀,而对应中文命名也采用类似方法,即在名字最后加上“酶”。例如,乳糖酶(lactase)是能够剪切乳糖(lactose)的酶;DNA聚合酶(DNA polymerase)能够催化DNA聚合反应。

  人们在认识到酶是一类不依赖于活体细胞的物质后,下一步工作就是鉴定其生化组成成分。许多早期研究者指出,一些蛋白质与酶的催化活性相关;但包括诺贝尔奖得主里夏德·维尔施泰特在内的部分科学家认为酶不是蛋白质,他们辩称那些蛋白质只是酶分子的携带者,蛋白质本身并不具有催化活性。1926年,美国生物化学家詹姆斯·萨姆纳完成了一个决定性的实验。他首次从刀豆得到尿素酶结晶,并证明了尿素酶的蛋白质本质。其后,萨姆纳在1931年在过氧化氢酶的研究中再次证实了酶为蛋白质。约翰·霍华德·诺思罗普和温德尔·梅雷迪思·斯坦利通过对胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶等消化性蛋白酶的研究,最终确认蛋白质可以是酶。以后陆续发现的两千余种酶均证明酶的化学本质是蛋白质。以上三位科学家因此获得1946年度诺贝尔化学奖。[12]

  由于蛋白质可以结晶,通过X射线晶体学就可以对酶的三维结构进行研究。第一个获得结构解析的酶分子是溶菌酶,一种在眼泪、唾液和蛋清中含量丰富的酶,其功能是溶解细菌外壳。溶菌酶结构由大卫·菲利浦(David Phillips)所领导的研究组解析,并于1965年发表。[13]这一成果的发表标志着结构生物学研究的开始,高分辨率的酶三维结构使得对于酶在分子水平上的工作机制的了解成为可能。

  1980年代,托马斯·切赫(Thomas Cech)和悉尼·奥尔特曼分别从四膜虫的rRNA前体的加工研究和细菌的核糖核酸酶P复合物的研究中都发现RNA本身具有自我催化作用,并提出了核酶的概念。这是第一次发现蛋白质以外的具有催化活性的生物分子。 1989年,其二人也因此获得诺贝尔化学奖

  磷酸葡糖异构酶(糖酵解途径中的第二个酶)的三维结构图。在生物体内,酶发挥着非常广泛的功能。信号转导和细胞活动的调控都离不开酶,特别是激酶和磷酸酶的参与。[15]酶也能产生运动,通过催化肌球蛋白上ATP的水解产生肌肉收缩,并且能够作为细胞骨架的一部分参与运送胞内物质。[16]一些位于细胞膜上的ATP酶作为离子泵参与主动运输。一些生物体中比较奇特的功能也有酶的参与,例如荧光素酶可以为萤火虫发光。[17]病毒中也含有酶,或参与侵染细胞(如HIV整合酶和逆转录酶),或参与病毒颗粒从宿主细胞的释放(如流感病毒的神经氨酸酶)。

  酶的一个非常重要的功能是参与在动物消化系统的工作。以淀粉酶和蛋白酶为代表的一些酶可以将进入消化道的大分子(淀粉和蛋白质)降解为小分子,以便于肠道吸收。淀粉不能被肠道直接吸收,而酶可以将淀粉水解为麦芽糖或更进一步水解为葡萄糖等肠道可以吸收的小分子。不同的酶分解不同的食物底物。在草食性反刍动物的消化系统中存在一些可以产生纤维素酶的细菌,纤维素酶可以分解植物细胞壁中的纤维素,从而提供可被吸收的养料。

  在代谢途径中,多个酶以特定的顺序发挥功能:前一个酶的产物是后一个酶的底物;每个酶催化反应后,产物被传递到另一个酶。有些情况下,不同的酶可以平行地催化同一个反应,从而允许进行更为复杂的调控:比如一个酶可以以较低的活性持续地催化该反应,而另一个酶在被诱导后可以较高的活性进行催化。酶的存在确定了整个代谢按正确的途径进行;而一旦没有酶的存在,代谢既不能按所需步骤进行,也无法以足够的速度完成合成以满足细胞的需要。实际上如果没有酶,代谢途径,如糖酵解,无法独立进行。例如,葡萄糖可以直接与ATP反应使得其一个或多个碳原子被磷酸化;在没有酶的催化时,这个反应进行得非常缓慢以致可以忽略;而一旦加入六碳糖激酶,在6位上的碳原子的磷酸化反应获得极大加速,虽然其他碳原子的磷酸化反应也在缓慢进行,但在一段时间后检测可以发现,绝大多数产物为葡萄糖-6-磷酸。于是每个细胞就可以通过这样一套功能性酶来完成代谢途径的整个反应网络

  作为蛋白质,不同种酶之间的大小差别非常大,从62个氨基酸残基的4-草酰巴豆酯互变异构酶(4-oxalocrotonate tautomerase)[18]到超过2500个残基的动物脂肪酸合成酶[19]。酶的三维结构决定了它们的催化活性和机理。[20]大多数的酶都要比它们的催化底物大得多,并且酶分子中只有一小部分(3-4个残基)直接参与催化反应。[21]这些参与催化残基加上参与结合底物的残基共同形成了发生催化反应的区域,这一区域就被称为“活性中心”或“活性位点”。有许多酶含有能够结合其催化反应所必需的辅因子的结合区域。此外,还有一些酶能够结合催化反应的直接或间接产物或者底物;这种结合能够增加或降低酶活,是一种反馈调节手段。

  与其他非酶蛋白相似,酶能够折叠形成多种三维结构类型。有一部分酶是由多个亚基所组成的复合物酶。除了嗜热菌中的酶以外,大多数酶在高温情况下会发生去折叠,其三维结构和酶活性被破坏;对于不同的酶,这种去折叠

  丙糖磷酸异构酶(TIM)三维结构的飘带图和半透明的蛋白表面图显示。丙糖磷酸异构酶是典型的TIM桶折叠,图中用不同颜色来表示该酶中所含有的两个TIM桶折叠结构域

  三种酶催化机制模式图:A. “锁-钥匙”模式;B. 诱导契合模式; C. 群体移动模式。通常情况下,酶对于其所催化的反应类型和底物种类具有高度的专一性。酶的活性位点和底物,它们的形状、表面电荷、亲疏水性都会影响专一性。酶的催化可以具有很高的立体专一性、区域选择性和化学选择性(chemoselectivity)。[22] 具体来说,酶只对具有特定空间结构的某种或某类底物起作用。例如,麦芽糖酶只能使α-葡萄糖苷键断裂而对β-葡萄糖苷键无影响。此外,酶具有对底物对映异构体的识别能力,只能于一种对映体作用,而对另一对映体不起作用。例如,胰蛋白酶只能水解由L-氨基酸形成的肽键,而不能作用于D-氨基酸形成的肽键;酵母中的酶只能对D-构型糖(如D-葡萄糖)发酵,而对L-构型无效。

  不同酶之间的专一性差别很大。一些酶能够参与需要有极高准确度的基因组复制和表达中,这些酶都具有“校对”机制。以DNA聚合酶为例,它能够先完成催化反应,然后再检测产物是否正确。[23]这样一种带有校对的合成机制,使得具有高保真度的哺乳动物聚合酶的平均出错几率低于一百万分之一,即完成一百万个反应,出现产物错误的反应不到一个。[24]在RNA聚合酶[25]、胺酰tRNA合成酶[26] 和核糖体[27]中也发现了类似的校对机制。而对于另一些参与合成次生代谢产物(secondary metabolite)的酶,它们能够与相对较广的不同底物作用。有人认为这种低专一性可能对于新的生物合成途径的进化十分重要。[28]

  为了解释酶的专一性,研究者提出了多种可能的酶与底物的结合模式(后两种模式为大多数研究者所倾向):

  该模式由赫尔曼·埃米尔·费歇尔于1894年提出,基于的理论是酶和底物都有一定的外形,当且仅当两者之间的外形能够精确互补时,催化反应才可以发生。[29]这一模式通常被形象地称为“锁-钥匙”模式。虽然这一模式能够解释酶的专一性,但却无法说明为什么酶能够稳定反应的过渡态。

  六碳糖激酶在结合葡萄糖分子前后所发生的结构变化。左边为结合葡萄糖分子前,箭头所指为活性位点;右边为结合后。该模式由丹尼尔·科什兰(Daniel Koshland)通过修改“锁-钥匙”模式,于1958年提出。基于的理论是,既然酶作为蛋白质,其结构是具有一定柔性的,因此活性位点在结合底物的过程中,通过与底物分子之间的相互作用,可以不断发生微小的形变。[30]在这一模式中,底物不是简单地结合到刚性的活性位点上,活性位点上的氨基酸残基的侧链可以摆动到正确的位置,使得酶能够进行催化反应。在结合过程中,活性位点不断地发生变化,直到底物完全结合,此时活性位点的形状和带电情况才会最终确定下来。[31]在一些情况下,底物在进入活性中心时也是会发生微小形变的,如糖苷酶的催化反应。[32]

  这一模式是近年来提出的一种新的酶与底物的结合模式,[33]试图解释在一些酶中所发现的底物结合前后,酶的构象有较大变化,而这是用诱导契合模式无法解释的。其基于的假设是,酶在溶液中同时存在不同构象,一种构象(构象A)为适合底物结合的构象,而另一种(构象B)则不适合,这两种构象之间保持着动态平衡。在没有底物存在的情况下,构象B占主导地位;当加入底物后,随着底物不断与构象A结合,溶液中构象A含量下降,两种构象之间的平衡被打破,导致构象B不断地转化为构象A。

  酶催化机理多种多样,殊途同归的是最终都能够降低反应的ΔG:[34]

  创造稳定过渡态的微环境。例如,通过与反应的过渡态分子更高的亲和力(与底物分子相比),提高其稳定性;或扭曲底物分子,以使得底物更趋向于转化为过渡态。

  提供不同的反应途径。例如,暂时性地激活底物,形成酶-底物复合物的中间态。

  将反应中不同底物分子结合到一起,并固定其方位至反应能够正确发生的位置,从而降低反应的“门槛”。如果只考虑反应的焓变(ΔH),则此作用会被忽略。有趣的是,这一作用同时也会降低反应基态的稳定性,[35]因此对于催化的贡献较小。[36]

  对比同一反应在不受催化和受酶催化的情况,可以了解酶是如何稳定过渡态的。最有效的稳定方式是电荷相互作用,酶可以为过渡态分子上的电荷提供固定的相反电荷,[37]而这是在水溶液非催化反应体系中不存在的。

  最近的一些研究揭示了酶内部的动态作用与其催化机制之间的联系。[38][39]酶内部的动态作用可以描述为其内部组成元件(小的如一个氨基酸、一组氨基酸;大的如一段环区域、一个α螺旋或相邻的β链;或者可以是整个结构域)的运动,这种运动可以发生在从飞秒(10-15秒)到秒的不同时间尺度。通过这种动态作用,整个酶分子结构中的氨基酸残基就都可以对酶催化作用施加影响。[40][41][42][43]蛋白质动态作用在许多酶中都起到关键作用,而是小的快速运动还是大的相对较慢的运动起作用更多是依赖于酶所催化的反应类型。对于动态作用的这些新发现,对于了解别构作用、设计人工酶和开发新药都有重要意义。

  但必须指出的是,这种时间依赖的动态进程不大可能帮助提高酶催化反应的速率,因为这种运动是随机发生的,并且速率常数取决于到达中间态的几率(P)(P = exp {ΔG/RT})。[44]而且,降低ΔG需要相对较小的运动(与在溶液反应中的相应运动相比)以达到反应物与产物之间的过渡态。因此,这种运动或者说动态作用对于催化反应有何贡献还不清楚。

  在结合效应子的情况下,别构酶能够改变自身结构,从而达到调节酶活性的效应。这种调节作用可以是直接的,即效应子结合到别构酶上;也可以是间接的,即效应子通过结合其它能够与别构酶相互作用的蛋白来发挥调节作用。

  一般情况下,酶在常温、常压和中性水溶液条件下可以正常发挥催化活性。在极端条件下,包括高温、过高或过低pH条件等,酶会失去催化活性,这被称为酶的失活。但也有一些酶则偏好在非常条件下发挥催化功能,如嗜热菌中的酶在高温条件下反而具有较高活性,嗜酸菌中的酶又偏好低pH条件。

  过氧化氢酶分子三维结构。其中,在血红素中的铁原子(辅因子)显示为绿色。并非所有的酶自身就可以催化反应,有一些酶需要结合一些非蛋白小分子后才可以发挥或提高催化活性。[45]这些小分子被称为辅因子,它们既可以是无机分子或离子(如金属离子、铁硫簇),也可以是有机化合物(如黄素、血红素)。有机辅因子通常是辅基,可以与其对应的酶非常牢固地结合。这种牢固结合的辅因子与辅酶(如NADH)不同的是,在整个催化反应过程中,它们一直结合在酶活性位点上而不脱落。

  以含有辅因子的碳酸酐酶为例:其辅因子锌牢固地结合在活性中心,参与催化反应。[46]黄素或血红素等辅因子可以参与催化氧化还原反应,往往结合于催化此类反应的酶中。

  需要辅因子结合以进行催化的酶,在不结合辅因子的情况下,被称为脱辅基酶蛋白(apoenzyme);而在结合了辅因子后,被称为全酶(holoenzyme)。大多数全酶中,辅因子都是以非共价连接方式与酶结合;也有一些有机辅因子可以与酶共价结合(如丙酮酸脱氢酶中的焦磷酸硫胺素)。

  辅酶NADH的空间填充式结构模型辅酶是一类可以将化学基团从一个酶转移到另一个酶上的有机小分子,与酶较为松散地结合,对于特定酶的活性发挥是必要的。[45]有许多维他命及其衍生物,如核黄素、硫胺素和叶酸,都属于辅酶。[47]这些化合物无法由人体合成,必须通过饮食补充。不同的辅酶能够携带的化学基团也不同:NAD或NADP+携带氢离子,辅酶A携带乙酰基,叶酸携带甲酰基,S-腺苷基蛋氨酸也可携带甲酰基。[48]

  由于辅酶在酶催化反应中其化学组分发生了变化,因此可以认为辅酶是一种特殊的底物或者称为“第二底物”。这种所谓的第二底物可以被许多酶所利用。例如,目前已知有约七百种酶可以利用辅酶NADH进行催化。[49]

  在细胞内,反应后的辅酶可以被再生,以维持其胞内浓度在一个稳定的水平上。例如,NADPH可以通过磷酸戊糖途径和甲硫氨酸腺苷基转移酶作用下的S-腺苷基蛋氨酸来再生。由于辅酶的再生对于维持酶反应体系的稳定是必要的,因此,辅酶再生系统获得了大量的实验室以及工业应用

  酶动力学是研究酶结合底物能力和催化反应速率的科学。研究者通过酶反应分析法(enzyme assay)来获得用于酶动力学分析的反应速率数据。

  1902年,维克多·亨利提出了酶动力学的定量理论;[52]随后该理论得到他人证实并扩展为米氏方程。[53]亨利最大贡献在于其首次提出酶催化反应由两步组成:首先,底物可逆地结合到酶上,形成酶-底物复合物;然后,酶完成对对应化学反应的催化,并释放生成的产物(见左图)。

  酶初始反应速率(表示为“V”)与底物浓度(表示为“[S]”)的关系曲线。随着底物浓度不断提高,酶的反应速率也趋向于最大反应速率(表示为“Vmax”)。酶可以在一秒钟内催化数百万个反应。例如,乳清酸核苷5-磷酸脱羧酶所催化的反应在无酶情况下,需要七千八百万年才能将一半的底物转化为产物;而同样的反应过程,如果加入这种脱羧酶,则需要的时间只有25毫秒。[54]酶催化速率依赖于反应条件和底物浓度。如果反应条件中存在能够将蛋白解链的因素,如高温、极端的pH和高的盐浓度,都会破坏酶的活性;而提高反应体系中的底物浓度则会增加酶的活性。在酶浓度固定的情况下,随着底物浓度的不断升高,酶催化的反应速率也不断加快并趋向于最大反应速率(Vmax)(见右图的饱和曲线)。出现这种现象的原因是,当反应体系中底物的浓度升高,越来越多自由状态下的酶分子结合底物形成酶-底物复合物;当所有酶分子的活性位点都被底物饱和结合,即所有酶分子形成酶-底物复合物时,催化的反应速率达到最大。当然,Vmax并不是酶唯一的动力学常数,要达到一定反应速率所需的底物浓度也是一个重要的动力学指标。这一动力学指标即米氏常数(Km),指的是达到Vmax值一半的反应速率所需的底物浓度(见右图)。对于特定的底物,每一种酶都有其特征Km值,表示底物与酶之间的结合强度(Km值越低,结合越牢固,亲和力越高)。另一个重要的动力学指标是kcat,定义为一个酶活性位点在一秒钟内催化底物的数量,用于表示酶催化特定底物的能力。

  酶的催化效率可以用kcat/Km来衡量。这一表示式又被称为特异性常数,其包含了催化反应中所有步骤的反应常数。由于特异性常数同时反映了酶对底物的亲和力和催化能力,因此可以用于比较不同酶对于特定底物的 催化效率或同一种酶对于不同底物的催化效率。特异性常数的理论最大值,又称为扩散极限,约为108至109 M-1s-1;此时,酶与底物的每一次碰撞都会导致底物被催化,因此产物的生成速率不再为反应速率所主导,而分子的扩散速率起到了决定性作用。酶的这种特性被称为“催化完美性”或“动力学完美性”。相关的酶的例子有磷酸甘油醛异构酶、碳酸酐酶、乙酰胆碱酯酶、过氧化氢酶、延胡索酸酶、β-内酰胺酶和超氧化物歧化酶。

  米氏方程是基于质量作用定律而确立的,而该定律则基于自由扩散和热动力学驱动的碰撞这些假定。然而,由于酶/底物/产物的高浓度和相分离或者一维/二维分子运动,许多生化或细胞进程明显偏离质量作用定律的假定。[55]在这些情况下,可以应用分形米氏方程。[56][57][58][59]

  存在一些酶,它们的催化产物动力学速率甚至高于分子扩散速率,这种现象无法用目前公认的理论来解释。有多种理论模型被提出来解释这类现象。其中,部分情况可以用酶对底物的附加效应来解释,即一些酶被认为可以通过双偶极电场来捕捉底物以及将底物以正确方位摆放到催化活性位点。另一种理论模型引入了基于量子理论的穿隧效应,即质子或电子可以穿过激活能垒(就如同穿过隧道一般),但关于穿隧效应还有较多争议。[60][61]有报道发现色胺中质子存在量子穿隧效应。[62]因此,有研究者相信在酶催化中也存在着穿隧效应,可以直接穿过反应能垒,而不是像传统理论模型的方式通过降低能垒达到催化效果。有相关的实验报道提出在一种醇脱氢酶的催化反应中存在穿隧效应,[63]但穿隧效应是否在酶催化反应中普遍存在并未有定论

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