酶

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酶(enzyme)，具有高效特異催化作用的蛋白質。體內幾乎所有代謝反應均需酶的參與，而且對物質代謝的控制也多通過對酶活性的調節來實現。現在已經清楚，人類的不少疾病是由於某種酶的變異、減少甚或缺失所致，因此酶的缺失或變異可引起代謝紊亂而致病。催化劑只加速化學反應達到平衡點，而不改變平衡點。酶也是如此，不過與非酶催化劑相比較，酶的催化效率極高；而且酶只催化特定物質（稱作用物）進行一定的化學反應，產生一定的產物而無副產物，亦即酶具有極高的特異性。酶的催化能力稱為酶的活性，可以被測定，而且酶量的多少常以其活性大小來表示。對某些酶的活性的測定，常有助於疾病的診斷，因此酶學與疾病病因、診斷、治療諸方面都很密切。

酶的重要性

人體及其他生物要進行數千種不同的化學反應。舉凡消化、吸收、運輸、合成、分泌、運動和繁殖等種種活動（即通常所說的物質代謝），無不以化學反應為基礎。這些反應大多進行緩慢，而酶則加速這些反應，從而使生命賴以存在的各種活動得以及時進行。這些反應絕大部分在細胞中進行；每個反應由不同的酶所催化；細胞內含數千種酶，分隔在各種細胞器中，有條不紊地催化生命攸關的反應。

以每日進食的澱粉為例，澱粉在消化道內消化，由澱粉酶等催化水解為葡萄糖，而葡萄糖進入細胞，也要有酶催化促成，而葡萄糖在細胞里的各種代謝更是一連串由酶催化的反應，這些反應使葡萄糖氧化成二氧化碳和水並供給能量，也可使之轉變為其他物質如脂肪。葡萄糖在體內氧化與其在體外燃燒相比，其產物雖同是二氧化碳和水，同時都放出能量，但是在體內的氧化因有酶催化，在常溫等溫和的條件下進行，經過很多步驟並逐步放出便於利用的能量，這與體外燃燒極為不同。

酶的本質

在中國商周時期，就記錄了釀酒制醬作飴等應用微生物中酶的生產活動。但是關於酶的本質，遲至20世紀之初方獲結論。19世紀中期，人們仍認為酶必須在有生命的生物體中才起作用；酶一詞的希臘文原義即「在酵母中」。1897年發現無細胞的酵母提取液也可發酵，方知酶在細胞外依然可起作用。但是當時對它的化學本質尚無所知。1926年美國生物化學家J.B.薩姆納純化脲酶，獲得結晶，證明其為蛋白質，首先提出酶是蛋白質的概念。不過當時的學術權威多持異議，不以為酶已被結晶出來，反認為結晶了的是無作用的蛋白質，而起酶作用的卻是附在其上的不明性質的污染物。後來其他科學家也純化結晶得到諸如胃蛋白酶和胰蛋白酶等多種蛋白質水解酶，並也都證明它們都是蛋白質，酶的本質是蛋白質這結論才得到科學界認可。現已發現的數千種酶，已純化結晶的數百種酶，以及分析測定了一級化學結構的酶，都證明是蛋白質。酶是蛋白質的概念如此牢固，若發現具有催化作用而非蛋白質的大分子，或不宜以酶稱之。因此新發現的幾種具催化活性的核糖核酸，被稱為類酶(ribozyme，亦有譯為核質酶、核酶、RNA酶或稱為「」者)。

全酶和輔酶

酶可能是一條肽鏈，如水解RNA的核糖核酸酶就是由124個胺基酸組成的單條肽鏈;也可由兩條或多條肽鏈組成，如乳酸脫氫酶由4條肽鏈組成。有些酶，整個分子都是蛋白質，另一些酶分子除蛋白質外尚需含有非蛋白質組分，方具酶活性。這些非蛋白質部分中與蛋白質（即酶蛋白）結合鬆散的稱輔酶，結合牢固的稱為輔基。酶蛋白和輔酶或輔基合稱為全酶；單獨的酶蛋白或輔酶都無活性。輔酶分子小，對熱穩定，多屬B族維生素衍生物（表1）。金屬離子參與生物化學反應，約1/3的酶在催化中需要金屬離子，它們將作用物直接連接到酶分子上，或與酶分子結合使形成可與作用物相結合的構象而間接起作用。需金屬的酶可按與金屬結合的強度區分為金屬酶或金屬激活酶。前者的金屬結合很牢，雖再增加自由金屬離子，其活性並不再增高。後者的金屬與酶分子表面基因結合較松，往往在酶的純化中丟失，因此需要再加入該金屬離子方可恢復活性。Zn、Fe、Co、Mn、Cu等多見於金屬酶，而Ca與Mg常隨Na和K作為金屬激活酶的輔助因子。

酶的活性在於有一定的蛋白質結構。若酶受到酸、鹼或酶的水解，通常要失去活性，這表明活性與其蛋白質一級結構相關。酶若受加熱、pH劇變、變性劑的影響，雖無水解引起一級結構變化，但酶活性也往往消失，這表明酶的天然二級、三級及四級結構的重要性。酶蛋白變性就失去活性，但一些酶如RNA酶在一定條件下變性後，可有條件地恢復活性，此即復性作用。

酶的活性部位

酶的活性部位是結合作用物並提供直接參与形成或斷開化學鍵的胺基酸殘基的區域。含輔基的酶中，輔基也包括在活性部位。活性部位只佔整個酶分子相當小的一部分。酶分子上絕大部分胺基酸殘基並不與作用物接觸。作用物與酶分子相比通常要小得多，只可能接觸酶的很小的部分；即使大分子作用物如核酸或蛋白質，被催化進行反應時，酶也只是與該類大分子作用物中的局部接觸。活性部位呈立體結構而不是一個點或線，也不是一個平面。它由來自酶分子中胺基酸序列的不同部分的殘基組成，實際上一級結構上遠隔開的殘基更易相互作用成活性中心。如 RNA酶活性部位的重要胺基酸殘基是第12位和第 119位的組氨酸及41位的賴氨酸殘基。所有已知結構的酶分子上都有一個凹陷或裂縫構造，用以與作用物相結合。凹陷內含有進行結合作用和催化所需的殘基，作用物進入凹陷式裂縫後，即借共價鍵、氫鍵、靜電吸引等各種力量與酶結合併被催化。酶的特異性就與活性部位的構象密切相關。

酶的特異性

酶的一個最引人注目的特點是它催化的反應的特異性（或稱專一性）。這既指酶對作用物的選擇，也指對所催化反應的專一。不同的酶，其特異性的程度有別。如脲酶只催化尿素水解成為CO₂和NH₃；琥珀酸脫氫酶只以琥珀酸為作用物，它們的特異性極其嚴格，這可稱為絕對特異性，更多的酶對共同的基團或化學鍵有選擇性；如磷酸酶可催化很多種含磷酸基團的化合物水解脫下磷酸，又如酯酶則可催化水解很多不同化合物的酯鍵，選擇不甚嚴格，這可稱為相對特異性。可見不同的酶對作用物的特異性差別很大，即使是同一類酶，因來源不同，特異性的嚴格程度也不一致。例如：同是斷開肽鍵的蛋白質水解酶，枯草桿菌蛋白酶對各種胺基酸殘基形成的肽鍵都有催化活性，胰蛋白酶對賴氨酸或精氨酸的羧基構成的肽鍵才有催化活性，而凝血酶僅對精氨酸的羧基與甘氨酸的氨基構成的肽鍵才有活性。酶對作用物的立體結構也有專一的選擇，這稱為立體特異性。如催化L-胺基酸氧化的酶對D-胺基酸就無活性。

酶的特異性早有鎖與鑰匙之說作解釋。該說認為酶猶如複雜的鎖，而作用物則似與之正確匹配的鑰匙，只有形狀相合的酶才有催化作用。這一觀念現在經修改為誘導契合說：酶與作用物並非死板的鎖與鑰匙；酶分子的構象可受作用物誘導而改變，使兩者成互補形狀，十分配合，此即契合。

酶原

有一些酶在細胞內初合成時沒有催化活性，這是酶的前體，稱為酶原。例如胃和胰腺合成的蛋白水解酶都是以酶原的形式分泌到胃腸腔道中，然後經過不同的有限的水解作用，斷開特異的肽鍵，才成為有活性的酶，這稱為酶原的激活。體內血液凝固和凝塊溶解也是一些酶原激活過程。酶初合成時呈酶原的形式，這可以防止酶不適時宜的催化活性。例如急性胰腺炎就是酶原在胰臟內被激活，導致胰腺組織蛋白質被水解，可危及性命。下面列出胰腺分泌的一些酶原的激活反應概要：

由此可見，胰蛋白酶原一旦被腸激酶激活，其他酶原也都被激活，它們就可協同作用，徹底水解腸腔中的蛋白質。腸激酶由十二指腸分泌，是控制蛋白質水解的關鍵。它特異地催化胰蛋白酶原中由賴氨酸羧基與異亮氨酸氨基構成的肽鍵的斷開，從而脫下酶原N端一段六肽，蛋白質構象發生變化，可以形成有催化作用的活性部位。其他酶原的激活也是通過脫下或打開一些肽鍵，使酶分子可以形成活性部位。胰蛋白酶原也可被胰蛋白酶激活，這稱為自身催化或激活；胃蛋白酶原既可由H⁺激活也可由胃蛋白酶自身激活。

酶作用機理

化學反應無非是舊化學鍵的斷裂和新化學鍵的形成，在斷裂與形成之間有一個過渡狀態。在A→P的反應中，A要先開至過渡態A-P^*方可跌落成為產物P，A-P^*具有比 A或 P都高的能量。A要有足夠的能量(即活化能△G^厵)方可達到過渡狀態：△G厵＝－，化學反應的速度與具有等於或大於△G厵的自由能的分子數成正比。化學催化劑可降低反應的活化能，使更多的分子升到過渡狀態，從而加速化學反應的進行，酶也如此。酶與作用物形成複合體ES而達到過渡狀態［ES］^*，所需活化能大大低於非催化反應和非酶催化反應，所以酶的催化效率極高。［ES］^*經 EP（酶與產物複合體）而降解為產物和酶。

酶與作用物的可逆結合是通過離子鍵、氫鍵和范德瓦爾斯氏力這些非共價鍵而實現。換言之，酶的活性部位上的基團具有與作用物形成這種非共價鍵的能力。酶與作用物複合體的存在已經光譜分析、電子顯微鏡觀察甚至分離提純等技術證明。

米凱利斯－門頓二氏方程

在很多酶促反應中，當酶濃度恆定時反應速度 υ與作用物濃度［S］的關係呈雙曲線圖形，即在低［S］下υ呈直線上升，而在高［S］下，υ上升緩慢)。

即酶(E)以速度常數k₁與作用物S形成複合體ES。ES可以速度常數k₂解離為E和S，也可以速度常數k₃生成E和產物P。可以設想，在反應初始時P生成極少，可不考慮其逆轉為S的過程。因此，初始速度υ 決定於［ES］，即υ=k₃［KS］，在低［S］的條件下，作用物不足以結合所有的酶，故若［S］增加，［ES］隨即增加，υ急劇增大。若［S］繼續增加至所有E均與S結合成［ES］，即［ES］=［E］，反應速度υ即達最大值V，即使［S］再增，［ES］也不增多，所以 υ也不升高。在恆態下，ES形成速度k₁［E］［S］等於ES分解速度(k₂+k₃)［ES］，按此推導出下式。即米凱利斯－門頓二氏方程式。

若反應速度υ 為最大速度V的一半，即V=2υ時，則K_m=［S］；亦即K_m為酶促反應速度等於最大速度的一半時的作用物濃度，其單位是摩爾/升(mol/L)。不同的酶，K_m值不同，K_m是酶的特徵常數。在很多情況下，ES逆轉為E和S的速度遠大於ES生成E和P的速度，即k₂》k₃，此時K_m等於k₂/k₁。K_m值愈小，表示ES解離愈少，即酶與作用物的親和力愈大；反之K_m愈大，其親和力則愈小。

酶濃度恆定時，V也是個常數。因為V=k₃［E］，若已知酶的摩爾濃度，得到V的值就可計算出k₃，例如10^-6摩爾碳酸酐酶被作用物完全飽和時，每秒可催化生成0.6摩爾H₂CO₃，其k₃=6×10⁵秒^-3。常數k₃稱為轉換率，又稱催化常數，以K_cat表示。K_cat愈大，酶的催化效率愈高。碳酸酐酶的轉換率是已知酶中最高的。大多數酶的K_cat值在1～10⁴秒^-1範圍內。

酶的抑制作用

許多物質可抑制酶的催化作用，這些物質稱為抑制劑。抑制作用有重要意義，體內代謝調節的一種方式就是代謝產物的反饋抑制，而且很多藥物或毒物也是通過抑制酶而起作用的。抑制作用可分為可逆抑制作用和不可逆抑制作用兩類。後者指抑制物與酶活性部位牢固結合而使之持久地失去活性。如二異丙基氟化磷這一有機磷毒物就是與乙醯膽鹼酯酶活性部位的絲氨酸共價結合而使該酶失去活性，不能水解在突觸積累的乙醯膽鹼。不可逆抑制劑不能用透析、超濾等物理手段從酶分子上除去。

可逆抑制作用指抑制劑與酶以非共價鍵結合，此時可用一些物理方法恢復酶的活性。按抑制劑與作用物及酶之間的相互關係，可逆抑制作用可分為競爭性抑制、非競爭性抑制、反競爭抑制和混合性抑制。①競爭性抑制劑與作用物競爭酶的相同結合部位。酶與抑制物結合就不能與作用物結合，反之亦然，它們相互排斥。抑制劑與作用物在結構上常有類似之處，如丙二酸是琥珀酸脫氫酶的競爭性抑制劑；但也不盡然。在競爭性抑制劑存在下，酶的K_m值增大而且隨抑制劑濃度的增加而增加，但是V不變。競爭性抑制是很多藥物發揮作用的方式。如有抗菌作用的磺胺藥是細菌二氫葉酸合成酶作用物對氨基苯甲酸的競爭性抑制劑。②非競爭性抑制劑既可與游離的酶結合，也可與酶－作用物複合體結合；作用物也可與酶－抑制劑複合體結合，它們不互相排斥而可形成酶－作用物－抑制劑三元複合體，但這個複合體不能釋放產物。從上可見，此種抑制劑與作用物並不結合在酶上的相同部位，不影響作用物與酶的親和力，但阻止酶的催化作用。在此種抑制劑作用下，酶的K_m不變，但V減少並隨抑制劑濃度的增大而減小。③反競爭性抑制劑不與游離酶分子結合，而只與酶－作用物複合體結合成三元複合體，使之不能釋放產物。在反競爭性抑制劑作用下，酶的K_m和V都減小。

酶的調節

體內代謝可藉酶的隔離分布、數量和活性的變化而調節。不同細胞器有不同的酶譜。酶的數量可藉合成的誘導和阻遏以及降解的快慢而改變。酶的催化活性則可經化學修飾或非共價結合配體而改變。這種調節可在數秒至數分鐘內完成，迅速精確。酶分子上磷酸化與脫磷酸是常見的化學修飾調節，如無活性磷酸化酶經磷酸化而具活性，脫磷酸後又失去活性。前述一些抑制劑就是非共價結合的配體，可起調節作用。也有能使酶活性增加的配體，即激活劑，如常見的某些金屬離子。

另有一類別構酶，它們是寡聚體或具多個活性部位的單位。作用物與這類酶的一個活性部位結合後即影響餘下活性部位與作用物的解離常數，即酶與作用物的結合有協同作用，別變構酶催化的反應速度與作用物濃度的關係曲線不呈雙曲線而呈S形曲線。再者，別構酶的構象可因活性部位（催化單位）以外的別個部位（調節部位），與配體結合而有所改變。若這種結合促進酶的活性，該配體即為別構正效應劑或激活劑，反之為別構負效應劑或抑制劑。別構酶多處在代謝途徑關鍵處，對調節代謝速度十分重要，可稱為關鍵酶或調節酶。

酶的醫學意義

疾病多與代謝失調相關，這常涉及酶的變化，因此酶在病因、診斷以至治療上都有其地位。不少代謝性疾病是先天性某種酶的缺乏，如白化病因缺乏酪氨酸羥化酶，糖原貯積病、脂質貯積病苯丙酮酸尿症等也是酶缺陷所致。有機磷（如敵敵畏）等農藥可抑制膽鹼酯酶的活性，故有毒性。疾病時常有血清酶的改變，可用此作為診斷的依據。常用於診斷的血清酶有20多種。如肝臟疾病時可測定血清谷丙轉氨酶(AST、GPT)。幾種疾病可引起同一種酶的變化。具有不同理化性質、催化特點以及不同免疫性質的酶可催化同一反應，它們稱為同工酶。可根據同工酶的變化以助某些疾病的鑒別診斷。如肌酸激酶有MM、MB和BB三型同工酶，心肌梗死時血清MB型增高，這是極好的診斷指標；而大多數前列腺癌病人血清中出現肌酸激酶BB型，而正常血清幾乎不含該型酶。許多酶可應用於治療，各類水解酶，如澱粉酶、胃蛋白酶可口服以幫助消化。尿激酶、鏈激酶可以激活纖溶酶原，用以溶解血栓，疏通血管，治療各類栓塞，如心肌梗死和腦栓塞。

酶類藥品列表

參看

《生物化學與分子生物學》- 酶

出自A+醫學百科「酶」條目 http://cht.a-hospital.com/w/%E9%85%B6 轉載請保留此連結

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