酶(英语:Enzyme),又称为酵素,是指具有催化功能的蛋白质。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。 

发现及研究史

  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,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。
  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。
德国科学家爱德华·比希纳
德国科学家爱德华·比希纳
  1878年,德国生理学家威廉·屈内首次提出了(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。
  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。他将其中能够发挥发酵作用的酶命名为发酵酶(zymase)。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。
  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。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。  

生物学功能

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。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。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。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。
  

结构与催化机理

  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。
  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)到超过2500个残基的动物脂肪酸合成酶。酶的三维结构决定了它们的催化活性和机理。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。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。  

·结构

  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,这种去折叠的可逆性也有所不同。  

·专一性

  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)。 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。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。在RNA聚合酶、胺酰tRNA合成酶 和核糖体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。
  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): 

·“锁-钥匙”模式(“Lock and key”)

  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。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。  

·诱导契合模式(Induced fit)

诱导契合模式详解图
诱导契合模式详解图
 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1894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。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。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。  

·群体移动模式(Population shift)

  这一模式是近年来提出的一种新的酶与底物的结合模式,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。

·机理

      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‡:
      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,因此对于催化的贡献较校

·过渡态的稳定

       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,而这是在水溶液非催化反应体系中不存在的。

·动态作用

      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。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。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)。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。

·别构调节

      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。

·失活

      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。  

辅因子与辅酶  

·辅因子

  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。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。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

辅酶NADH的空间填充式结构模型
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。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。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。
  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。
  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。  

热力学

  有酶或无酶催化反应体系中反应进程与能量关系图示。可以看出,当反应没有酶的催化时,底物通常需要获得较高的活化能才能到达过渡态,然后才能生成产物;而当反应体系中有酶催化时,通过酶对过渡态的稳定作用,降低了达到过渡态所需能量,从而降低了整个反应所需的能量。
  与其他催化剂一样,酶并不改变反应的平衡常数,而是通过降低反应的活化能来加快反应速率(见右图)。通常情况下,反应在酶存在或不存在的两种条件下,其反应方向是相同的,只是前者的反应速度更快一些。但必须指出的是,在酶不存在的情况下,底物可以通过其他不受催化的“自由”反应生成不同的产物,原因是这些不同产物的形成速度更快。
  酶可以连接两个或多个反应,因此可以用一个热力学上更容易发生的反应去“驱动”另一个热力学上不容易发生的反应。例如,细胞常常通过ATP被酶水解所产生的能量来驱动其他化学反应。
  酶可以同等地催化正向反应和逆向反应,而并不改变反应自身的化学平衡。例如,碳酸酐酶可以催化如下两个互逆反应,催化哪一种反应则是依赖于反应物浓度。
  当然,如果反应平衡极大地趋向于某一方向,比如释放高能量的反应,而逆反应不可能有效的发生,则此时酶实际上只催化热力学上允许的方向,而不催化其逆反应。
  

动力学

单一底物的酶催化反应机理:酶(表示为“E”)结合底物(表示为“S”),并通过催化反应生成产物(表示为“P”)。
单一底物的酶催化反应机理:酶(表示为“E”)结合底物(表示为“S”),并通过催化反应生成产物(表示为“P”)。
  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;随后该理论得到他人证实并扩展为米氏方程。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”)。 src="http://img.zwbk.org/baike/spic/2011/09/21/20110921104808647_840.png" border=0/]
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。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。在这些情况下,可以应用分形米氏方程。
  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。有报道发现色胺中质子存在量子穿隧效应。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,但穿隧效应是否在酶催化反应中普遍存在并未有定论。  

抑制作用

  酶的催化活性可以被多种抑制剂所降低。  
                          不同的抑制类型。分类参考自。图中,“E”表示酶;“I”表示抑制剂;“S”表示底物;“P”表示产物。

·可逆抑制作用

  可逆抑制作用的类型有多种,它们的共同特点在于抑制剂对酶活性的抑制反应具有可逆性。  

·竞争性抑制作用

  抑制剂与底物竞争结合酶的活性位点(抑制剂和底物不能同时结合到活性位点)。对于竞争性抑制作用,催化反应的最大反应速率值没有变,但是需要更高的底物浓度,反映在表观Km值的增加。  

·非竞争性抑制作用

  非竞争性抑制抑制剂可以与底物同时结合到酶上,即抑制剂不结合到活性位点。酶-抑制剂复合物(EI)或酶-抑制剂-底物复合物(EIS)都没有催化活性。与竞争性抑制作用相比,非竞争性抑制作用不能通过提高底物浓度来达到所需反应速度,即表观最大反应速率Vmax的值变小;而同时,由于抑制剂不影响底物与酶的结合,因此Km值保持不变。  

·反竞争性抑制作用

  反竞争性抑制作用比较少见:抑制剂不能与处于自由状态下的酶结合,而只能和酶-底物复合物(ES)结合,在酶反应动力学上表现为Vmax和Km值都变校这种抑制作用可能发生在多亚基酶中。  

·复合抑制作用

  这种抑制作用与非竞争性抑制作用比较相似,区别在于EIS复合物残留有部分酶的活性。在许多生物体中,这类抑制剂可以作为负反馈机制的组成部分。若一个酶体系生产了过多的产物,那么产物就会抑制合成该产物的酶体系中第一个酶的活性,这就可以保证一旦合成足够多的产物后,该产物的合成速率会下降或停止。受这种抑制作用调控的酶通常为多亚基酶,并具有与调控产物结合的别构结合位点。这种抑制作用的反应速率与底物浓度的关系图不再是双曲线形而是S形。  

·不可逆抑制作用

  不可逆抑制剂可以与酶结合形成共价连接,而其他抑制作用中酶与抑制剂之间都是非共价结合。这种抑制作用是不可逆的,酶一旦被抑制后就无法再恢复活性状态。这类抑制剂包括二氟甲基鸟氨酸(一种可用于治疗寄生虫导致的昏睡症的药物)、苯甲基磺酰氟(PMSF)、青霉素和阿司匹林。这些药物都是与酶活性位点结合并被激活,然后与活性位点处的一个或多个氨基酸残基发生不可逆的反应形成共价连接。 

·抑制剂的用途

  酶抑制剂常被用作药物,同样也可以被作为毒药使用。而药物和毒药之间的差别通常非常小,大多数的药物都有一定程度的毒性,正如帕拉塞尔苏斯所言:“所有东西都有毒,没有什么是无毒的”(“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药物只是特异性地对病原体而不是对宿主有毒性。
  一个获得广泛应用的抑制剂药物是阿司匹林,它可以抑制环加氧酶的活性,而环加氧酶可以生产炎症反应信使前列腺素,因此,阿司匹林可以起到抑制疼痛与炎症的作用。而剧毒毒药氰化物可以通过结合细胞色素氧化酶位点处的铜和铁原子不可逆地抑制酶活性,从而抑制细胞的呼吸作用。  

活性控制

  由两个亚基组成的流感病毒表面蛋白红血球凝集素分子的三维结构图及其与细胞膜结合示意图。显示为蓝色的亚基可以特异性地结合人体细胞表面的糖链;在病毒结合到细胞后,显示为橙色的亚基可以启动侵染程序。
  细胞内有五种控制酶催化活性的机制:
  根据外界环境的变化,细胞可以增强或减弱酶的生产(即酶相关基因的转录和翻译)。这属于一种基因调控,被称为酶的诱导和抑制。例如,当环境中出现如青霉素这样的抗生素时,部分细菌可以对抗生素产生抗性,其原因就在于细菌体内的β-半乳糖苷酶被诱导而大量生产,这种酶可以水解青霉素分子上关键的β-乳胺环。另一个例子是在人体肝脏中存在一类酶对于药物代谢非常重要的酶,细胞色素P450氧化酶;对这一类酶的诱导或抑制,会导致药物相互作用。
  通过在不同的细胞组分中进行不同的代谢途径,酶可以被分隔。例如,脂肪酸的合成是由细胞溶质、内质网和高尔基体中的一系列酶所完成,而脂肪酸的降解(以提供能量)是在线粒体中由另一系列酶通过β-氧化来完成。
  酶可以被抑制剂与激活剂所调控。例如,一个代谢途径中的终产物常常是这一途径中第一个酶的抑制剂,从而调控这一代谢途径的产物量。这种调控机制被称为负反馈机制,因为终产物的合成量是受其自身浓度调控。负反馈机制可以根据细胞的需要,有效地调节中间代谢物的合成速率,从而使细胞的能量和物质的分配更为高效,并防止多余产物的合成。控制酶的作用,可以在生物体内维持一个稳定的内部环境(即体内平衡)。
  翻译后修饰也可以调控酶的活性。这些修饰包括磷酸化、肉豆蔻酸化和糖基化。例如,细胞接受胰岛素信号后,对包括糖原合成酶在内的多个酶进行磷酸化,帮助控制糖原的合成或降解,使得细胞可以对血糖的变化产生反应。另一个翻译后修饰的例子是多肽链的剪切。胰凝乳蛋白酶,一种消化性蛋白酶,是产生于胰脏中的无活性的胰凝乳蛋白酶原,这一蛋白通过运输到达胃后才被激活。这种方式有效地防止了胰凝乳蛋白酶在进入肠之前消化胰脏或其他组织。这种无活性的酶的前体被命名为酶原。
  还有一些酶可以通过定位到不同环境后而被激活,比如从还原态的环境(细胞质)到氧化态环境(细胞周质空间),从高pH环境到低pH环境等。流感病毒的红血球凝集素蛋白就是一个例子:当它接触到宿主细胞囊泡的酸性环境时,它的构象立刻发生变化,导致其获得激活。  

相关疾病

  酶的活性必须严格控制以维持体内平衡,对于能够影响一个关键酶的功能的任何基因缺陷(如突变导致活性变化,过量表达、过低表达或删除突变)都可能导致遗传性疾病发生。许多事实显示,一种致命疾病的病因可以只是由于人体中的数千种酶中的一种发生功能故障。
  苯丙酮尿症:此种病症是典型的酶相关病例之一。病因是苯丙氨酸羟化酶(其功能是催化苯丙氨酸降解过程中的第一步)上一个氨基酸位点发生了突变,导致体内苯丙氨酸和相关产物的水平过高,如果没有得到合适的治疗,会进一步导致智能障碍。
  卟啉病:该病是由于血红素生物合成途径中特定酶的酶活性过低(基因突变或其他原因导致),使得中间产物卟啉的产生和排泄异常,在一定诱因(如阳光照射)下,可导致皮肤或其他组织器官发生病变。
  当生殖细胞中编码DNA修复相关酶的基因发生突变,其结果会导致遗传性癌症综合病征,如着色性干皮症。DNA修复酶的缺陷导致人体丧失修复突变基因的能力。发生的突变不断积累,最终使得患者有多种癌症发生。  

命名规则

  酶通常是根据其底物性质或其所催化的化学反应类型来命名(英文中,在单词的最后要加上-ase的后缀),如乳糖酶(lactase)、醇脱氢酶(alcohol dehydrogenase)和DNA聚合酶(DNA polymerase)。但这样往往会导致具有相同功能的不同的酶(同工酶)有相同的名字,而同工酶有着不同的氨基酸序列并可以通过它们不同的最适pH和不同的反应动力学参数来区分。而且,一些酶具有两个或多个类型催化活性,这种命名方式就会使得同一种酶具有不同的名字。为了解决这些问题,国际生物化学与分子生物学联盟发展出了酶的系统命名法:
  EC编号规定每种酶都由四个数字来表示,并在数字前冠以“EC”。其中,第一个数字是根据酶促反应的性质来将酶大致分为六大类:
  EC 1,氧化还原酶:催化底物进行氧化还原反应的酶类。例如,乳酸脱氢酶、琥珀酸脱氢酶、细胞色素氧化酶、过氧化氢酶、过氧化物酶等。  EC 2,转移酶:催化底物之间进行某些基团的转移或交换的酶类。例如,甲基转移酶、氨基转移酶、己糖激酶、磷酸化酶等。  EC 3,水解酶:催化底物发生水解反应的酶类。例如,淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、磷酸酶等。  EC 4,裂合酶:催化从底物中移去一个基团并留下双键的反应或其逆反应的酶类。例如,碳酸酐酶、醛缩酶、柠檬酸合酶等。  EC 5,异构酶:催化各种同分异构体之间的相互转化的酶类。例如,磷酸丙糖异构酶、消旋酶等。  EC 6,连接酶:催化两分子底物合成为一分子化合物,同时偶联有ATP的磷酸键断裂释放能量的酶类。例如,谷氨酰胺合成酶、氨基酸:tRNA连接酶等。
  国际系统分类法除按上述六类将酶依次编号外,还根据酶所催化的化学键的特点和参加反应的基团的不同,将每一大类又进一步分类。编号中的第一个数字表示该酶属于六大类中的哪一类;第二个数字表示该酶属于哪一亚类;第三个数字表示亚-亚类;第四个数字是该酶在亚-亚类中的排序。
  一些酶的命名举例 编号 推荐命名 系统命名 催化的反应
  EC 1.4.1.3 谷氨酸脱氢酶 L-谷氨酸:NAD+氧化还原酶 L-谷氨酸+H2O+NAD+?α-酮戊二酸+NH3+NADH  EC 2.6.1.1 天冬氨酸氨基转移酶 L-天冬氨酸:α-酮戊二酸氨基转移酶 L-天冬氨酸+α-酮戊二酸?草酰乙酸+L-谷氨酸  EC 3.5.3.1 精氨酸酶 L-精氨酸脒基水解酶 L-精氨酸+H2O?L-鸟氨酸+尿素  EC 4.1.2.13 果糖二磷酸醛缩酶 D-果糖-1,6-二磷酸:D-甘油醛-3-磷酸裂合酶 D-果糖-1,6-二磷酸?磷酸二羟丙酮+D-甘油醛-3-磷酸  EC 5.3.1.9 磷酸葡糖异构酶 D-葡萄糖-6-磷酸酮醇异构酶 D-葡萄糖-6-磷酸?D-果糖-6-磷酸  EC 6.3.1.2 谷氨酰胺合成酶 L-谷氨酸:氨连接酶 ATP+L-谷氨酸+NH3?ADP+磷酸+L-谷氨酰胺