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發(fā)現(xiàn)及研究史

 法國(guó)科學(xué)家路易·巴斯德

酶的發(fā)現(xiàn)來(lái)源于人們對(duì)發(fā)酵機(jī)理的逐漸了解。早在18世紀(jì)末和19世紀(jì)初，人們就認(rèn)識(shí)到食物在胃中被消化， 用植物的提取液可以將淀粉轉(zhuǎn)化為糖，但對(duì)于其對(duì)應(yīng)的機(jī)理則并不了解。

到了19世紀(jì)中葉，法國(guó)科學(xué)家路易·巴斯德對(duì)蔗糖轉(zhuǎn)化為酒精的發(fā)酵過(guò)程進(jìn)行了研究，認(rèn)為在酵母細(xì)胞中存在一種活力物質(zhì)，命名為“酵素”（ferment）。他提出發(fā)酵是這種活力物質(zhì)催化的結(jié)果，并認(rèn)為活力物質(zhì)只存在于生命體中，細(xì)胞破裂就會(huì)失去發(fā)酵作用。

1878年，德國(guó)生理學(xué)家威廉·屈內(nèi)首次提出了 酶 （enzyme）這一概念。隨后， 酶 被用于專(zhuān)指胃蛋白酶等一類(lèi)非活體物質(zhì)，而 酵素 （ferment）則被用于指由活體細(xì)胞產(chǎn)生的催化活性。

 德國(guó)科學(xué)家愛(ài)德華·比希納

這種對(duì)酶的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)很快得到糾正。1897年，德國(guó)科學(xué)家愛(ài)德華·比希納開(kāi)始對(duì)不含細(xì)胞的酵母提取液進(jìn)行發(fā)酵研究，通過(guò)在柏林洪堡大學(xué)所做的一系列實(shí)驗(yàn)最終證明發(fā)酵過(guò)程并不需要完整的活細(xì)胞存在。 他將其中能夠發(fā)揮發(fā)酵作用的酶命名為發(fā)酵酶（zymase）。 這一貢獻(xiàn)打開(kāi)了通向現(xiàn)代酶學(xué)與現(xiàn)代生物化學(xué)的大門(mén)，其本人也因“發(fā)現(xiàn)無(wú)細(xì)胞發(fā)酵及相應(yīng)的生化研究”而獲得了1907年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。在此之后，酶和酵素兩個(gè)概念合二為一，并依據(jù)比希納的命名方法，酶的發(fā)現(xiàn)者們根據(jù)其所催化的反應(yīng)將它們命名。通常酶的英文名稱(chēng)是在催化底物或者反應(yīng)類(lèi)型的名字最后加上-ase的后綴，而對(duì)應(yīng)中文命名也采用類(lèi)似方法，即在名字最后加上“酶”。例如，乳糖酶（lactase）是能夠剪切乳糖（lactose）的酶；DNA聚合酶（DNA polymerase）能夠催化DNA聚合反應(yīng)。

人們?cè)谡J(rèn)識(shí)到酶是一類(lèi)不依賴(lài)于活體細(xì)胞的物質(zhì)后，下一步工作就是鑒定其生化組成成分。許多早期研究者指出，一些蛋白質(zhì)與酶的催化活性相關(guān)；但包括諾貝爾獎(jiǎng)得主里夏德·維爾施泰特在內(nèi)的部分科學(xué)家認(rèn)為酶不是蛋白質(zhì)，他們辯稱(chēng)那些蛋白質(zhì)只是酶分子的攜帶者，蛋白質(zhì)本身并不具有催化活性。1926年，美國(guó)生物化學(xué)家詹姆斯·薩姆納完成了一個(gè)決定性的實(shí)驗(yàn)。他首次從刀豆得到尿素酶結(jié)晶，并證明了尿素酶的蛋白質(zhì)本質(zhì)。其后，薩姆納在1931年在過(guò)氧化氫酶的研究中再次證實(shí)了酶為蛋白質(zhì)。約翰·霍華德·諾思羅普和溫德?tīng)枴っ防椎纤肌に固估ㄟ^(guò)對(duì)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，最終確認(rèn)蛋白質(zhì)可以是酶。以后陸續(xù)發(fā)現(xiàn)的兩千余種酶均證明酶的化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)。以上三位科學(xué)家因此獲得1946年度諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

由于蛋白質(zhì)可以結(jié)晶，通過(guò)X射線(xiàn)晶體學(xué)就可以對(duì)酶的三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。第一個(gè)獲得結(jié)構(gòu)解析的酶分子是溶菌酶，一種在眼淚、唾液和蛋清中含量豐富的酶，其功能是溶解細(xì)菌外殼。溶菌酶結(jié)構(gòu)由大衛(wèi)·菲利浦（David Phillips）所領(lǐng)導(dǎo)的研究組解析，并于1965年發(fā)表。 這一成果的發(fā)表標(biāo)志著結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究的開(kāi)始，高分辨率的酶三維結(jié)構(gòu)使得對(duì)于酶在分子水平上的工作機(jī)制的了解成為可能。

1980年代，托馬斯·切赫和悉尼·奧爾特曼分別從四膜蟲(chóng)的rRNA前體的加工研究和細(xì)菌的核糖核酸酶P復(fù)合物的研究中都發(fā)現(xiàn)RNA本身具有自我催化作用，并提出了核酶的概念。這是第一次發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)以外的具有催化活性的生物分子。 1989年，其二人也因此獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

結(jié)構(gòu)

酶結(jié)構(gòu)的組織（以溶菌酶為例）。圖中結(jié)合位點(diǎn)以藍(lán)色表示，催化位點(diǎn)以紅色表示，底物肽聚糖以黑色表示（PDB9LYZ）酶活性最初隨溫度升高而增加（Q 10為正），直到酶的結(jié)構(gòu)開(kāi)始去折疊化（即變性）。因而酶促反應(yīng)的速度在適中的溫度條件下是最快的

酶大都是球蛋白，以單體或聚成復(fù)合物對(duì)反應(yīng)進(jìn)行催化。和其他的蛋白質(zhì)一樣，酶的三維結(jié)構(gòu)是通過(guò)多肽鏈折疊形成的。氨基酸的序列（一級(jí)結(jié)構(gòu)）能決定蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響酶的催化活性 。盡管結(jié)構(gòu)決定功能是一條具普適性的規(guī)則，一種新的酶的活性不能僅僅通過(guò)其結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè) 。加熱時(shí)或與化學(xué)變性劑接觸時(shí)，酶結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生去折疊（即變性），原有的結(jié)構(gòu)被打亂，活性也往往隨之喪失 。在溫度超過(guò)正常水平時(shí)，酶就會(huì)變性。因此，不難推斷生活在火山環(huán)境（比如熱泉）中的細(xì)菌的酶具有很強(qiáng)的耐熱性。這些酶使高溫條件下酶促反應(yīng)的發(fā)生成為可能，在工業(yè)上具有很高的利用價(jià)值。

酶通常比底物大得多。酶的肽鏈長(zhǎng)度從62個(gè)氨基酸殘基的 4-草酰巴豆酸異構(gòu)酶 （ 英語(yǔ) ： 4-Oxalocrotonate tautomerase ） 的單體 到長(zhǎng)度超過(guò)2,500個(gè)氨基酸殘基的動(dòng)物脂肪酸合酶 。酶的結(jié)構(gòu)只有一小部分（大約2-4個(gè)氨基酸）是直接與催化相關(guān)的。這部分稱(chēng)為催化位點(diǎn)（catalytic site） 。催化位點(diǎn)通常與一個(gè)或多個(gè)與底物結(jié)合的 結(jié)合位點(diǎn) （ 英語(yǔ) ： Binding site ） （binding site）相連。催化位點(diǎn)與結(jié)合位點(diǎn)共同組成了酶的活性位點(diǎn)（active site）。酶的其余部分起維持活性位點(diǎn)準(zhǔn)確的方向以及動(dòng)力學(xué)特性的作用 。

在一些酶中，催化與任何一個(gè)氨基酸都沒(méi)有關(guān)系。這類(lèi)酶另有與催化輔助因子結(jié)合的位點(diǎn) 。一些酶亦可能包含別構(gòu)位點(diǎn)。小分子與別構(gòu)位點(diǎn)的結(jié)合可使酶發(fā)生構(gòu)象改變，進(jìn)而使酶的活性降低或升高 。

一些具有生物催化活性的RNA分子稱(chēng)為核酶（ribozyme）。這類(lèi)分子可能單獨(dú)發(fā)揮催化作用，也可能在與蛋白質(zhì)結(jié)合成復(fù)合物的條件下發(fā)揮催化作用。最常見(jiàn)的核酶應(yīng)是核糖體。核糖體是蛋白質(zhì)以及具有催化活性的RNA的復(fù)合物。核糖體的活性位點(diǎn)完全由RNA組成，而蛋白質(zhì)僅起支架的作用 。

機(jī)制

底物結(jié)合

酶在催化化學(xué)反應(yīng)前必須要與底物結(jié)合。酶具有很強(qiáng)的專(zhuān)一性，通常僅能與寥寥數(shù)種底物結(jié)合，催化一種或幾種反應(yīng)。專(zhuān)一性通過(guò)結(jié)合區(qū)的形狀、電荷、疏水/親水性與底物互補(bǔ)實(shí)現(xiàn)。因此，酶可以用來(lái)區(qū)分 化學(xué)選擇性 （ 英語(yǔ) ： chemoselectivity ） 上、區(qū)域選擇性上、立體專(zhuān)一性上有所不同的結(jié)構(gòu)相似的分子 。

一些與基因組復(fù)制與表達(dá)相關(guān)的酶具有很高的專(zhuān)一性和準(zhǔn)確性。一些酶有校對(duì)機(jī)制。以DNA聚合酶為例，這類(lèi)酶先催化DNA鏈的合成，再檢查新加上的堿基是否正確 。校對(duì)機(jī)制確保了酶的極高準(zhǔn)確性，哺乳動(dòng)物的高保真DNA聚合酶在每一億次反應(yīng)中才會(huì)出一次錯(cuò)誤 。RNA聚合酶、氨酰-tRNA合成酶 、核糖體 也有與DNA聚合酶類(lèi)似的校對(duì)機(jī)制 。

另外，一些酶表現(xiàn)出 酶亂交 （ 英語(yǔ) ： enzyme promisty ） （enzyme promisty）的現(xiàn)象。這類(lèi)酶專(zhuān)一性弱，能與一系列生理上相關(guān)的底物反應(yīng)。一些酶偶爾會(huì)出現(xiàn)數(shù)值不高的副反應(yīng)活性（即中性進(jìn)化）。這樣的變化可能會(huì)成為酶的新功能的進(jìn)化起點(diǎn) 。

  在與底物發(fā)生誘導(dǎo)契合后，酶改變形狀，生成酶—底物復(fù)合物。己糖激酶的誘導(dǎo)契合運(yùn)動(dòng)較大，能包覆住底物ATP和木糖。圖中結(jié)合位點(diǎn)用藍(lán)色表示，底物用黑色表示，Mg 2+輔助因子用黃色表示（PDB2E2N, 2E2Q ）

“鑰匙和鎖”模型

為了解釋觀(guān)察到的酶的特異性，1894年，赫爾曼·埃米爾·費(fèi)歇爾提出，酶和底物靠著互補(bǔ)的幾何形狀精準(zhǔn)地結(jié)合在一起 。這一理論即通常所說(shuō)的“鑰匙和鎖”模型 。這一早期的理論解釋了酶的專(zhuān)一性，但卻沒(méi)能解釋酶的過(guò)渡態(tài)為何能穩(wěn)定存在 。

誘導(dǎo)契合模型

1958年， 丹尼爾·科甚蘭 （ 英語(yǔ) ： Daniel E. Koshland, Jr. ） 提出了一個(gè)對(duì)鑰匙與鎖模型進(jìn)行修正的理論：酶的結(jié)構(gòu)相對(duì)靈活，底物與酶（活性位點(diǎn)）作用時(shí)，活性位點(diǎn)會(huì)不斷改變結(jié)構(gòu) 。底物不是簡(jiǎn)單地與一個(gè)剛性的活性位點(diǎn)結(jié)合。組成活性位點(diǎn)的氨基酸側(cè)鏈的準(zhǔn)確有序排布保證酶能執(zhí)行催化功能。糖苷酶等酶，當(dāng)?shù)孜锓肿优c活性位點(diǎn)結(jié)合時(shí)，底物分子亦會(huì)發(fā)生輕微的形狀改變 。直到底物與酶發(fā)生完全結(jié)合，分子形狀和電荷排布都最終確定，活性位點(diǎn)都會(huì)不斷發(fā)生結(jié)構(gòu)變化 誘導(dǎo)契合可以通過(guò) 結(jié)構(gòu)校對(duì) （ 英語(yǔ) ： Conformational proofreading ） （conformational proofreading）機(jī)制在噪音和競(jìng)爭(zhēng)物存在的條件下增強(qiáng)分子識(shí)別的保真度 。

催化作用

酶可以通過(guò)多種途徑加快化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行速度。這些途徑的機(jī)理是降低反應(yīng)激活能（ΔG ，吉布斯自由能） 。

通過(guò)使過(guò)度態(tài)更加穩(wěn)定：

提供一條不同的反應(yīng)途徑：

使處于基態(tài)的底物穩(wěn)定性降低：

酶可能會(huì)同時(shí)使用多種途徑催化化學(xué)反應(yīng)。比如胰蛋白酶（trypsin）通過(guò)一個(gè)催化三聯(lián)體催化化學(xué)反應(yīng)，借助 氧負(fù)離子洞 （ 英語(yǔ) ： oxyanion hole ） （oxyanion hole）改變過(guò)渡態(tài)的電荷排布，達(dá)到增強(qiáng)過(guò)渡態(tài)穩(wěn)定性的作用，水解過(guò)程的完成則依賴(lài)排布有序的水分子。

動(dòng)力學(xué)

酶的結(jié)構(gòu)并不是剛性、恒定不變的。酶的內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)變化。酶的結(jié)構(gòu)可能在反應(yīng)過(guò)程中發(fā)生變化，單個(gè)氨基酸殘基、一個(gè) 轉(zhuǎn)角 （ 英語(yǔ) ： turn (biochemistry) ） 、一個(gè)二級(jí)結(jié)構(gòu)單位，乃至整個(gè)結(jié)構(gòu)域的位置都可能發(fā)生改變。酶內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化能使差異度不大、且能發(fā)生互變的結(jié)構(gòu)之間在熱力學(xué)平衡狀態(tài)下發(fā)生 構(gòu)象系綜 （ 英語(yǔ) ： conformational ensemble ） （conformational ensemble）。在系綜狀態(tài)下，酶的每一結(jié)構(gòu)狀態(tài)都可能與酶的功能的某一部分有關(guān)。舉例來(lái)說(shuō)，二氫葉酸還原酶的不同構(gòu)象就分別和底物結(jié)合、催化、輔助因子釋放、產(chǎn)物釋放相關(guān) 。

別構(gòu)調(diào)節(jié)

別構(gòu)中心是酶當(dāng)中一個(gè)可以讓分子和酶結(jié)合的區(qū)域，別構(gòu)中心不同于活性中心的。和別構(gòu)中心結(jié)合的分子可以改變酶的構(gòu)象或是酶的動(dòng)力學(xué)特性，因此影響酶活性中心的反應(yīng)速率 。因此別構(gòu)反應(yīng)可以使酶激活，也可使其不激活。酶和代謝路徑上游或是下游代謝物的別構(gòu)作用會(huì)有反饋調(diào)整，用路徑上的 通量 （ 英語(yǔ) ： Flux (metabolism) ） 來(lái)調(diào)整酶的活性 。

輔助因子

 轉(zhuǎn)酮酶 （ 英語(yǔ) ： Transketolase ） （Transketolase）以及硫胺素焦磷酸的結(jié)構(gòu)。黃色部分代表硫胺素焦磷酸，黑色部分代表木酮糖-5-磷酸（PDB4KXV）

一些酶并不需要額外的組分就能就能正常發(fā)揮作用，另外一些酶則要在和輔助因子（cofactor）結(jié)合后才能顯示出活性 。輔助因子可以是無(wú)機(jī)物（如金屬離子、鐵硫簇），也可以是有機(jī)物（比如黃素和血紅素）。有機(jī)輔助 因子如果在反應(yīng)中會(huì)與酶分離則為輔酶（coenzyme），如果與酶緊密結(jié)合則為輔基（prosthetic groups）。有機(jī)的輔基可能與酶發(fā)生共價(jià)結(jié)合（丙酮酸羧化酶與生物素（biotin）之間即發(fā)生共價(jià)結(jié)合） 。

碳酸酐酶 （ 英語(yǔ) ： carbonic anhydrase ） （carbonic anhydrase）即是一類(lèi)含有輔助因子的酶。 理查德森圖 （ 英語(yǔ) ： ribbon diagram ） （ribbon diagram）顯示，碳酸酐酶的肽鏈環(huán)繞在一個(gè)鋅離子（值得注意的是，鋅離子亦是活性位點(diǎn)的一部分）周?chē)?，并與這個(gè)鋅離子結(jié)合在一起 這些與酶緊密結(jié)合的離子或分子通常位于活性位點(diǎn)之中，并且能夠參與催化反應(yīng) 。例如，黃素以及血紅素即會(huì)參與氧化還原反應(yīng) 。

需要輔助因子才可以發(fā)揮作用的酶，處于未與輔助因子狀態(tài)時(shí)稱(chēng)為“脫輔酶”（ apoenzymes 或 apoproteins ），當(dāng)其與輔助因子結(jié)合后則稱(chēng)為“全酶”（ holoenzyme ）。不過(guò)，值得注意的是，名詞全酶亦可以指含有多個(gè)亞基的酶，如DNA聚合酶。不過(guò)，在本文中，全酶是指含有所有發(fā)揮活性所需的亞基的酶 。

輔酶

輔酶是一類(lèi)與酶結(jié)合的小分子有機(jī)物，輔酶與酶結(jié)合的強(qiáng)度因輔酶和酶的種類(lèi)而異，或強(qiáng)或弱。輔酶能夠?qū)⒒瘜W(xué)基團(tuán)從一個(gè)酶轉(zhuǎn)移到另一個(gè)酶上 。NADH、NADPH為兩種常見(jiàn)的輔酶。核黃素、硫胺、葉酸等維生素類(lèi)輔酶人體不能合成，需要通過(guò)膳食補(bǔ)充。輔酶能攜帶化學(xué)基團(tuán)，如NAD或NADP能攜帶氫離子（H ）、ATP能攜帶磷酸基團(tuán)、輔酶A能攜帶乙酰基團(tuán)、葉酸基團(tuán)能攜帶甲?；⒋渭谆?，或甲基、S-腺苷甲硫氨酸能攜帶甲基 。

輔酶在酶促反應(yīng)發(fā)生后化學(xué)結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生改變。因此，可以將看作一類(lèi)普遍存在的特殊底物。許多酶都有與之匹配的輔酶，比如，已知的酶中有大約1000種酶使用NADH作為輔酶（2015年的數(shù)據(jù)） 。

輔酶通常能不斷再生，濃度能始終維持在一個(gè)恒定不變的水平上。舉例來(lái)說(shuō)，NADPH能通過(guò)磷酸戊糖途徑再生，S-腺苷甲硫氨酸能通過(guò)甲硫氨酸腺苷轉(zhuǎn)移酶催化的反應(yīng)生成。持續(xù)不斷的再生意味著總量不多的輔酶也能以很快的速度消耗。舉例來(lái)說(shuō)，人類(lèi)每天會(huì)更新重量與自身體重相等的ATP 。

熱力學(xué)

  有酶或無(wú)酶催化反應(yīng)體系中反應(yīng)進(jìn)程與能量關(guān)系圖示?？梢钥闯?，當(dāng)反應(yīng)沒(méi)有酶的催化時(shí)，底物通常需要獲得較高的激活能才能到達(dá)過(guò)渡態(tài)，然后才能生成產(chǎn)物；而當(dāng)反應(yīng)體系中有酶催化時(shí)，通過(guò)酶對(duì)過(guò)渡態(tài)的穩(wěn)定作用，降低了達(dá)到過(guò)渡態(tài)所需能量，從而降低了整個(gè)反應(yīng)所需的能量。

與其他催化劑一樣，酶并不改變反應(yīng)的平衡常數(shù)，而是通過(guò)降低反應(yīng)的激活能來(lái)加快反應(yīng)速率（見(jiàn)右圖）。通常情況下，反應(yīng)在酶存在或不存在的兩種條件下，其反應(yīng)方向是相同的，只是前者的反應(yīng)速度更快一些。但必須指出的是，在酶不存在的情況下，底物可以通過(guò)其他不受催化的“自由”反應(yīng)生成不同的產(chǎn)物，原因是這些不同產(chǎn)物的形成速度更快。

酶可以連接兩個(gè)或多個(gè)反應(yīng)，因此可以用一個(gè)熱力學(xué)上更容易發(fā)生的反應(yīng)去“驅(qū)動(dòng)”另一個(gè)熱力學(xué)上不容易發(fā)生的反應(yīng)。例如，細(xì)胞常常通過(guò)ATP被酶水解所產(chǎn)生的能量來(lái)驅(qū)動(dòng)其他化學(xué)反應(yīng)。

酶可以同等地催化正向反應(yīng)和逆向反應(yīng)，而并不改變反應(yīng)自身的化學(xué)平衡。例如，碳酸酐酶可以催化如下兩個(gè)互逆反應(yīng)，催化哪一種反應(yīng)則是依賴(lài)于反應(yīng)物濃度。

反應(yīng)式中“*”表示“碳酸酐酶”

當(dāng)然，如果反應(yīng)平衡極大地趨向于某一方向，比如釋放高能量的反應(yīng)，而逆反應(yīng)不可能有效的發(fā)生，則此時(shí)酶實(shí)際上只催化熱力學(xué)上允許的方向，而不催化其逆反應(yīng)。

動(dòng)力學(xué)

  單一底物的酶催化反應(yīng)機(jī)理：酶（表示為“E”）結(jié)合底物（表示為“S”），并通過(guò)催化反應(yīng)生成產(chǎn)物（表示為“P”）。

酶動(dòng)力學(xué)是研究酶結(jié)合底物能力和催化反應(yīng)速率的科學(xué)。研究者通過(guò)酶反應(yīng)分析法（enzyme assay）來(lái)獲得用于酶動(dòng)力學(xué)分析的反應(yīng)速率數(shù)據(jù)。

1902年，維克多·亨利提出了酶動(dòng)力學(xué)的定量理論； 隨后該理論得到他人證實(shí)并擴(kuò)展為米氏方程。 亨利最大貢獻(xiàn)在于其首次提出酶催化反應(yīng)由兩步組成：首先，底物可逆地結(jié)合到酶上，形成酶-底物復(fù)合物；然后，酶完成對(duì)對(duì)應(yīng)化學(xué)反應(yīng)的催化，并釋放生成的產(chǎn)物（見(jiàn)左圖）。

  酶初始反應(yīng)速率（表示為“ V ”）與底物濃度（表示為“[S]”）的關(guān)系曲線(xiàn)。隨著底物濃度不斷提高，酶的反應(yīng)速率也趨向于最大反應(yīng)速率（表示為“ V max ”）。

酶可以在一秒鐘內(nèi)催化數(shù)百萬(wàn)個(gè)反應(yīng)。例如，乳清酸核苷5"-磷酸脫羧酶所催化的反應(yīng)在無(wú)酶情況下，需要七千八百萬(wàn)年才能將一半的底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物；而同樣的反應(yīng)過(guò)程，如果加入這種脫羧酶，則需要的時(shí)間只有25毫秒。 酶催化速率依賴(lài)于反應(yīng)條件和底物濃度。如果反應(yīng)條件中存在能夠?qū)⒌鞍捉怄湹囊蛩?，如高溫、極端的pH和高的鹽濃度，都會(huì)破壞酶的活性；而提高反應(yīng)體系中的底物濃度則會(huì)增加酶的活性。在酶濃度固定的情況下，隨著底物濃度的不斷升高，酶催化的反應(yīng)速率也不斷加快并趨向于最大反應(yīng)速率（ V max ，見(jiàn)右圖的飽和曲線(xiàn)）。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是，當(dāng)反應(yīng)體系中底物的濃度升高，越來(lái)越多自由狀態(tài)下的酶分子結(jié)合底物形成酶-底物復(fù)合物；當(dāng)所有酶分子的活性位點(diǎn)都被底物飽和結(jié)合，即所有酶分子形成酶-底物復(fù)合物時(shí)，催化的反應(yīng)速率達(dá)到最大。當(dāng)然， V max 并不是酶唯一的動(dòng)力學(xué)常數(shù)，要達(dá)到一定反應(yīng)速率所需的底物濃度也是一個(gè)重要的動(dòng)力學(xué)指標(biāo)。這一動(dòng)力學(xué)指標(biāo)即米氏常數(shù)（ K m ），指的是達(dá)到 V max 值一半的反應(yīng)速率所需的底物濃度（見(jiàn)右圖）。對(duì)于特定的底物，每一種酶都有其特征 K m 值，表示底物與酶之間的結(jié)合強(qiáng)度（ K m 值越低，結(jié)合越牢固，親和力越高）。另一個(gè)重要的動(dòng)力學(xué)指標(biāo)是 k cat ，定義為一個(gè)酶活性位點(diǎn)在一秒鐘內(nèi)催化底物的數(shù)量，用于表示酶催化特定底物的能力。

酶的催化效率可以用 k cat / K m 來(lái)衡量。這一表示式又被稱(chēng)為特異性常數(shù)，其包含了催化反應(yīng)中所有步驟的反應(yīng)常數(shù)。由于特異性常數(shù)同時(shí)反映了酶對(duì)底物的親和力和催化能力，因此可以用于比較不同酶對(duì)于特定底物的 催化效率或同一種酶對(duì)于不同底物的催化效率。特異性常數(shù)的理論最大值，又稱(chēng)為擴(kuò)散極限，約為10 至10 M s ；此時(shí)，酶與底物的每一次碰撞都會(huì)導(dǎo)致底物被催化，因此產(chǎn)物的生成速率不再為反應(yīng)速率所主導(dǎo)，而分子的擴(kuò)散速率起到了決定性作用。酶的這種特性被稱(chēng)為“催化完美性”或“動(dòng)力學(xué)完美性”。相關(guān)的酶的例子有磷酸丙糖異構(gòu)酶、碳酸酐酶、乙酰膽堿酯酶、過(guò)氧化氫酶、延胡索酸酶、β-內(nèi)酰胺酶和超氧化物歧化酶。

米氏方程是基于質(zhì)量作用定律而確立的，而該定律則基于自由擴(kuò)散和熱動(dòng)力學(xué)驅(qū)動(dòng)的碰撞這些假定。然而，由于酶/底物/產(chǎn)物的高濃度和相分離或者一維/二維分子運(yùn)動(dòng)，許多生化或細(xì)胞進(jìn)程明顯偏離質(zhì)量作用定律的假定。 在這些情況下，可以應(yīng)用分形米氏方程。

存在一些酶，它們的催化產(chǎn)物動(dòng)力學(xué)速率甚至高于分子擴(kuò)散速率，這種現(xiàn)象無(wú)法用目前公認(rèn)的理論來(lái)解釋。有多種理論模型被提出來(lái)解釋這類(lèi)現(xiàn)象。其中，部分情況可以用酶對(duì)底物的附加效應(yīng)來(lái)解釋?zhuān)匆恍┟副徽J(rèn)為可以通過(guò)雙偶極電場(chǎng)來(lái)捕捉底物以及將底物以正確方位擺放到催化活性位點(diǎn)。另一種理論模型引入了基于量子理論的穿隧效應(yīng)，即質(zhì)子或電子可以穿過(guò)激活能壘（就如同穿過(guò)隧道一般），但關(guān)于穿隧效應(yīng)還有較多爭(zhēng)議。 有報(bào)道發(fā)現(xiàn)色胺中質(zhì)子存在量子穿隧效應(yīng)。 因此，有研究者相信在酶催化中也存在著穿隧效應(yīng)，可以直接穿過(guò)反應(yīng)能壘，而不是像傳統(tǒng)理論模型的方式通過(guò)降低能壘達(dá)到催化效果。有相關(guān)的實(shí)驗(yàn)報(bào)道提出在一種醇脫氫酶的催化反應(yīng)中存在穿隧效應(yīng)， 但穿隧效應(yīng)是否在酶催化反應(yīng)中普遍存在并未有定論。

抑制作用

酶的催化活性可以被多種抑制劑所降低。

  不同的抑制類(lèi)型。分類(lèi)參考自 。圖中，“E”表示酶；“I”表示抑制劑；“S”表示底物；“P”表示產(chǎn)物。

可逆抑制作用

可逆抑制作用的類(lèi)型有多種，它們的共同特點(diǎn)在于抑制劑對(duì)酶活性的抑制反應(yīng)具有可逆性。

競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用

抑制劑與底物競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合酶的活性位點(diǎn)（抑制劑和底物不能同時(shí)結(jié)合到活性位點(diǎn)），也就意味著它們不能同時(shí)結(jié)合到酶上。 對(duì)于競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用，催化反應(yīng)的最大反應(yīng)速率值沒(méi)有變，但是需要更高的底物濃度，反映在表觀(guān) K m 值的增加。

非競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用

非競(jìng)爭(zhēng)性抑制抑制劑可以與底物同時(shí)結(jié)合到酶上，即抑制劑不結(jié)合到活性位點(diǎn)。酶-抑制劑復(fù)合物（EI）或酶-抑制劑-底物復(fù)合物（EIS）都沒(méi)有催化活性。與競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用相比，非競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用不能通過(guò)提高底物濃度來(lái)達(dá)到所需反應(yīng)速度，即表觀(guān)最大反應(yīng)速率 V max 的值變??；而同時(shí)，由于抑制劑不影響底物與酶的結(jié)合，因此 K m 值保持不變。

反競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用

反競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用比較少見(jiàn)：抑制劑不能與處于自由狀態(tài)下的酶結(jié)合，而只能和酶-底物復(fù)合物（ES）結(jié)合，在酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)上表現(xiàn)為 V max 和 K m 值都變小。這種抑制作用可能發(fā)生在多亞基酶中。

復(fù)合抑制作用

這種抑制作用與非競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用比較相似，區(qū)別在于EIS復(fù)合物殘留有部分酶的活性。在許多生物體中，這類(lèi)抑制劑可以作為負(fù)反饋機(jī)制的組成部分。若一個(gè)酶體系生產(chǎn)了過(guò)多的產(chǎn)物，那么產(chǎn)物就會(huì)抑制合成該產(chǎn)物的酶體系中第一個(gè)酶的活性，這就可以保證一旦合成足夠多的產(chǎn)物后，該產(chǎn)物的合成速率會(huì)下降或停止。受這種抑制作用調(diào)控的酶通常為多亞基酶，并具有與調(diào)控產(chǎn)物結(jié)合的別構(gòu)結(jié)合位點(diǎn)。這種抑制作用的反應(yīng)速率與底物濃度的關(guān)系圖不再是雙曲線(xiàn)形而是S形。

不可逆抑制作用

不可逆抑制劑可以與酶結(jié)合形成共價(jià)連接，而其他抑制作用中酶與抑制劑之間都是非共價(jià)結(jié)合。這種抑制作用是不可逆的，酶一旦被抑制后就無(wú)法再恢復(fù)活性狀態(tài)。這類(lèi)抑制劑包括二氟甲基鳥(niǎo)氨酸（一種可用于治療寄生蟲(chóng)導(dǎo)致的昏睡癥的藥物 ）、苯甲基磺酰氟（PMSF）、青霉素和阿司匹林。這些藥物都是與酶活性位點(diǎn)結(jié)合并被激活，然后與活性位點(diǎn)處的一個(gè)或多個(gè)氨基酸殘基發(fā)生不可逆的反應(yīng)形成共價(jià)連接。

抑制劑的用途

酶抑制劑常被用作藥物，同樣也可以被作為毒藥使用。而藥物和毒藥之間的差別通常非常小，大多數(shù)的藥物都有一定程度的毒性，正如帕拉塞爾蘇斯所言：“所有東西都有毒，沒(méi)有什么是無(wú)毒的”（“In all things there is a poison, and there is nothing without a poison”）。 相同的，抗生素和其他抗感染藥物只是特異性地對(duì)病原體而不是對(duì)宿主有毒性。

一個(gè)獲得廣泛應(yīng)用的抑制劑藥物是阿司匹林，它可以抑制環(huán)加氧酶的活性，而環(huán)加氧酶可以生產(chǎn)炎癥反應(yīng)信使前列腺素，因此，阿司匹林可以起到抑制疼痛與炎癥的作用。而劇毒毒藥氰化物可以通過(guò)結(jié)合細(xì)胞色素氧化酶位點(diǎn)處的銅和鐵原子不可逆地抑制酶活性，從而抑制細(xì)胞的呼吸作用。

活性控制

細(xì)胞內(nèi)有五種控制酶催化活性的機(jī)制：

根據(jù)外界環(huán)境的變化，細(xì)胞可以增強(qiáng)或減弱酶的生產(chǎn)（即酶相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄和翻譯）。這屬于一種基因調(diào)控，被稱(chēng)為酶的誘導(dǎo)和抑制。例如，當(dāng)環(huán)境現(xiàn)如青霉素這樣的抗生素時(shí)，部分細(xì)菌可以對(duì)抗生素產(chǎn)生抗性，其原因就在于細(xì)菌體內(nèi)的β-半乳糖苷酶被誘導(dǎo)而大量生產(chǎn)，這種酶可以水解青霉素分子上關(guān)鍵的β-乳胺環(huán)。另一個(gè)例子是在人體肝臟中存在一類(lèi)酶對(duì)于藥物代謝非常重要的酶，細(xì)胞色素P450氧化酶；對(duì)這一類(lèi)酶的誘導(dǎo)或抑制，會(huì)導(dǎo)致 藥物相互作用 （ 英語(yǔ) ： drug interaction ） 。

通過(guò)將特定的酶分隔在特定的細(xì)胞組分中，細(xì)胞可以完成不同的代謝途徑。例如，脂肪酸的合成是由細(xì)胞溶質(zhì)、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體中的一系列酶所完成，而脂肪酸的降解（以提供能量）是在線(xiàn)粒體中由另一系列酶通過(guò)β-氧化來(lái)完成。

酶可以被抑制劑與激活劑所調(diào)控。例如，一個(gè)代謝途徑中的終產(chǎn)物常常是這一途徑中第一個(gè)酶的抑制劑，從而調(diào)控這一代謝途徑的產(chǎn)物量。這種調(diào)控機(jī)制被稱(chēng)為負(fù)反饋機(jī)制，因?yàn)榻K產(chǎn)物的合成量是受其自身濃度調(diào)控。負(fù)反饋機(jī)制可以根據(jù)細(xì)胞的需要，有效地調(diào)節(jié)中間代謝物的合成速率，從而使細(xì)胞的能量和物質(zhì)的分配更為高效，并防止多余產(chǎn)物的合成?？刂泼傅淖饔?，可以在生物體內(nèi)維持一個(gè)穩(wěn)定的內(nèi)部環(huán)境（即體內(nèi)平衡）。

翻譯后修飾也可以調(diào)控酶的活性。這些修飾包括磷酸化、肉豆蔻酸化和糖基化。例如，細(xì)胞接受胰島素信號(hào)后，對(duì)包括糖原合酶在內(nèi)的多個(gè)酶進(jìn)行磷酸化，幫助控制糖原的合成或降解，使得細(xì)胞可以對(duì)血糖的變化產(chǎn)生反應(yīng)。 另一個(gè)翻譯后修飾的例子是多肽鏈的剪切。胰凝乳蛋白酶，一種消化性蛋白酶，是產(chǎn)生于胰臟中的無(wú)活性的胰凝乳蛋白酶原，這一蛋白通過(guò)運(yùn)輸?shù)竭_(dá)胃后才被激活。這種方式有效地防止了胰凝乳蛋白酶在進(jìn)入腸之前消化胰臟或其他組織。這種無(wú)活性的酶的前體被命名為酶原。

還有一些酶可以通過(guò)定位到不同環(huán)境后而被激活，比如從還原態(tài)的環(huán)境（細(xì)胞質(zhì)）到氧化態(tài)環(huán)境（細(xì)胞周質(zhì)空間），從高pH環(huán)境到低pH環(huán)境等。流感病毒的紅血細(xì)胞凝集素蛋白就是一個(gè)例子：當(dāng)它接觸到宿主細(xì)胞囊泡的酸性環(huán)境時(shí)，它的構(gòu)象立刻發(fā)生變化，導(dǎo)致其獲得激活。

相關(guān)疾病

 苯丙氨酸羥化酶. 由PDB 1KW0生成。

酶的活性必須嚴(yán)格控制以維持體內(nèi)平衡，對(duì)于能夠影響一個(gè)關(guān)鍵酶的功能的任何基因缺陷（如突變導(dǎo)致活性變化，過(guò)量表達(dá)、過(guò)低表達(dá)或刪除突變）都可能導(dǎo)致遺傳性疾病發(fā)生。許多事實(shí)顯示，一種致命疾病的病因可以只是由于人體中的數(shù)千種酶中的一種發(fā)生功能故障。

苯丙酮尿癥：此種病癥是典型的酶相關(guān)病例之一。病因是苯丙氨酸羥化酶（其功能是催化苯丙氨酸降解過(guò)程中的第一步）上一個(gè)氨基酸位點(diǎn)發(fā)生了突變，導(dǎo)致體內(nèi)苯丙氨酸和相關(guān)產(chǎn)物的水平過(guò)高，如果沒(méi)有得到合適的治療，會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致智能障礙。

卟啉病：該病是由于血紅素生物合成途徑中特定酶的酶活性過(guò)低（基因突變或其他原因?qū)е拢?，使得中間產(chǎn)物卟啉的產(chǎn)生和排泄異常，在一定誘因（如陽(yáng)光照射）下，可導(dǎo)致皮膚或其他組織器官發(fā)生病變。

當(dāng)生殖細(xì)胞中編碼DNA修復(fù)相關(guān)酶的基因發(fā)生突變，其結(jié)果會(huì)導(dǎo)致遺傳性癌癥綜合病征，如著色性干皮癥。 DNA修復(fù)酶的缺陷導(dǎo)致人體喪失修復(fù)突變基因的能力。發(fā)生的突變不斷積累，最終使得患者有多種癌癥發(fā)生。

酶的口服給藥，可用于治療多種疾?。ㄈ缫认俟δ懿蝗腿樘遣荒褪馨Y）。由于酶作為蛋白質(zhì)可能在消化道環(huán)境中失活或被降解，因此一種非侵入性的成像方法被開(kāi)發(fā)用于監(jiān)測(cè)作為藥物的酶在消化道中的活性變化。

命名規(guī)則

酶的命名是衍生自其底物或是要催化的化學(xué)反應(yīng)，在字尾會(huì)加上 -ase 。例如乳糖酶（lactase）、醇脫氫酶（alcohol dehydrogenase）及DNA聚合酶（DNA polymerase）。但有些化學(xué)反應(yīng)可以由幾種不同的酶催化，這些酶稱(chēng)為同工酶 ，而上述的命名法無(wú)法處理同工酶的情形。

國(guó)際生物化學(xué)與分子生物盟 （ 英語(yǔ) ： International Union of Biochemistry and Molecular Biology ） 提出了酶的 命名法 （ 英語(yǔ) ： nomenclature ） ，也就是EC編號(hào)。每一個(gè)酶用一個(gè)四位數(shù)的數(shù)字表示，前面再加上"EC"。第一位數(shù)字是酶依酶促反應(yīng)的機(jī)制來(lái)分類(lèi) 。

依照第一位數(shù)字，可以分為以下六類(lèi)：

EC 1氧化還原酶：催化氧化還原反應(yīng)的酶類(lèi)，例如乳酸脫氫酶、琥珀酸脫氫酶、細(xì)胞色素氧化酶、過(guò)氧化氫酶、過(guò)氧化物酶等。

EC 2轉(zhuǎn)移酶：轉(zhuǎn)移官能團(tuán)（例如甲基或是磷酸基團(tuán)）的酶類(lèi)，例如 甲基轉(zhuǎn)移酶 （ 英語(yǔ) ： Methyltransferase ） 、氨基轉(zhuǎn)移酶、己糖激酶、 磷酸化酶 （ 英語(yǔ) ： Phosphorylase ） 等。

EC 3水解酶：催化底物發(fā)生水解反應(yīng)的酶類(lèi)，例如淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、磷酸酶等。

EC 4裂合酶：用氧化及水解反應(yīng)以外的方式移去基團(tuán)的酶類(lèi)，例如 碳酸酐酶 （ 英語(yǔ) ： Carbonic anhydrase ） 、醛縮酶、檸檬酸合酶等。

EC 5異構(gòu)酶：催化分子同分異構(gòu)反應(yīng)的酶類(lèi)，例如磷酸丙糖異構(gòu)酶、 消旋酶 （ 英語(yǔ) ： Racemase ） 等。

EC 6連接酶：用共價(jià)鍵結(jié)合二個(gè)分子的酶類(lèi)，例如谷氨酰胺合成酶、丙酮酸羧化酶等。。

上述分類(lèi)會(huì)再依底物、生成物及化學(xué)結(jié)構(gòu)來(lái)分類(lèi)。用四位數(shù)字可以完整的描述一個(gè)酶。例如，己糖激酶（EC 2.7.1.1）是轉(zhuǎn)移酶（EC 2），會(huì)將磷酸基團(tuán)（EC 7）加到六碳糖中，是一個(gè)含有醇基的分子（EC 2.7.1） 。

各行業(yè)的應(yīng)用

酶因?yàn)槟芨咝Т呋囟ǚ磻?yīng)，已在化工等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。總的來(lái)說(shuō)，酶的應(yīng)用因?yàn)樗鼈兡艽呋姆磻?yīng)數(shù)目少、在有機(jī)溶劑中以及高溫環(huán)境下不穩(wěn)定而受到限制。因此，酶工程這一熱門(mén)學(xué)科應(yīng)運(yùn)而生。酶工程旨在借助合理的設(shè)計(jì)或體外進(jìn)化的方法研發(fā)具有新特性的酶 。目前，酶工程學(xué)已取得了一定成果，研究人員甚至已“從頭”（即不以任何自然界中的酶為模板）設(shè)計(jì)出了一些能催化在自然界中不能發(fā)生的反應(yīng)的酶 。

參見(jiàn)

酶列表

酶數(shù)據(jù)庫(kù)

拓展閱讀

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