酶(卷名：生物学)
enzyme
生物体产生的具有催化功能的蛋白质。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。
分类和命名 按照酶所催化的反应类型，国际酶学委员会(ICE)把酶分为6大类：①催化氧化还原反应的叫氧化还原酶；②催化基团（除氢）转移反应的叫转移酶；③催化底物特定部位水解反应的叫水解酶；④催化某些键裂解反应的叫裂解酶；⑤催化底物异构化反应的叫异构酶;⑥催化两个分子连接同时伴有核苷三磷酸(如ATP)水解反应的叫连接酶。
酶命名表中的每个酶都有1个编号，前面冠以EC，整个编号包括4个数字中间用黑点分开，第1个数字表示酶属于6大类中的哪一类；第2个数字表示酶在该类中下属哪一大组；第 3个数字表示酶在该大组中下属哪一小组；第 4个数字是酶在该小组内的流水编号。每个酶又都规定了两个名称，一个是按酶作用的底物与催化的反应来命名的──系统名称，这一名称一般较长，使用不便；另一个是习惯名称，它较短，比较通用，但不够确切和系统（见表）。1961年编号列入表内的酶数目为712种，1978年达2122种。1984年已达2477种。
化学本质 在发酵研究中，发现酵母的无细胞抽提液也能引起发酵，这就为分离和纯化酶并对此进行研究开辟了道路。1926年脲酶首次被提纯、结晶，并证明其化学本质是蛋白质。接着，胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶等一系列的酶都相继被证明是蛋白质，从而确认了酶的化学本质──蛋白质。近年来发现有少数核糖核酸也有酶活性。
有相当数量的酶是以复合蛋白质的形式存在的，即除蛋白质成分外，还含有其他的辅因子，如金属离子、某些维生素及其衍生物等小分子物质，这些辅因子是酶表现活性所必需的，其中与蛋白质结合较紧的叫辅基，如过氧化氢酶中的铁卟啉，结合较松的叫辅酶，如一些脱氢酶中的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)。通常把含有辅因子的酶叫全酶，除去辅因子的叫脱辅基酶蛋白，或简称酶蛋白。
高温、强酸、强碱能破坏酶蛋白的空间结构而使其失去活性，这就是变性。酶的作用有一个最适的酸碱度和温度范围。绝大多数酶在近中性的溶液和生理温度下能最好地发挥其功能。有一些酶能在酸性或碱性条件下发挥功能。胃蛋白酶则是在胃液的酸性介质中活力最高。近年来还发现某些耐热细菌中的酶，甚至能在近100℃的情况下起催化作用。
结构 酶的特殊的生物功能决定于它的特定结构。60年代以来，测定了一系列酶的化学结构，对有的酶还通过 X射线晶体衍射。测出了立体结构、酶分子中结合底物并与催化直接有关的区域叫活性部位。从化学结构来看，活性部位一般不是紧挨在一起的连续肽段，而是肽链经过折叠而构成的具有一定大小和一定几何形状的某一特定空间区域（图1）。
不同种属生物中执行同一生物功能的酶之间，其立体结构的相似性比化学结构的相似性更重要，例如鲣鱼线粒体和细菌的细胞色素C，二者的立体结构非常近似，而化学结构的差别则达60％（氨基酸序列相差60多个）。此外，以同一类化合物为辅因子的不同种类的酶（如某些脱氢酶与激酶都以核苷酸化合物为辅因子）在立体结构上也有很多相似之处，这可能与这几类酶都要与核苷酸等相同辅因子的结合有关。
特性 催化效率高 酶活力一般是非酶催化剂的107倍，与没有催化剂的反应相比，最多可高出1017倍。例如碳酸酐酶催化二氧化碳与水合成碳酸的反应，是已知最快的酶催化反应之一。每一个酶分子在 1秒钟内可以使105个二氧化碳分子发生水合反应。如果没有这个酶的存在，二氧化碳从组织到血液然后再通过肺泡呼出体外的过程就远远不能完成。酶活力是酶最重要的特性，是酶学研究的基础。1961年国际酶学委员会规定:1分钟内催化1微摩尔底物发生反应所需的酶量为1个酶单位，以U表示。这一定义中的酶量是一个不明确的物理量，它可用一定的体积或一定的重量来表示，而且对于尚未纯化和分子量未知的酶，也应避免使用与化学上的物质量相混淆的概念。因此，国际纯粹和应用化学联合会（IUPAC）和国际生物化学联合会 (IUB)于1972年建议采用“酶活力”来代替“酶单位”，即每秒钟转化 1摩尔底物所需的酶活力为1个katal，简称kat，并建议以每千克酶蛋白所具有的kat数或每摩尔酶所含的kat数来表示酶的比活力与摩尔活力。新旧两种单位之间的关系是:1U≈16.67nkat或1kat＝6×107U，目前，新旧单位尚同时并存。
作用的专一性 脂类、酰胺、糖苷等都能在质子的催化下水解。若这些化合物是在酶催化下水解则分别需用各不相同的专一的酶。
酶的专一性主要有两方面的含义：①对于被作用的底物是专一的；②对于被催化的反应是专一的。
底物在酶催化下发生反应，首先必须与酶的活性部位有适当的契合，所以只有特定结构的分子才能作为某一个酶的底物，这就是酶的底物专一性。酶对于底物的专一性使生物体内成百上千个酶分别在各自代谢途径的特定位置上发挥功能，保证了新陈代谢有规律地进行。
过去曾认为某些酶具有绝对专一性，只能作用于一个化合物，实际在大多数情况下，人工合成的与天然底物结构类似的分子也能被酶所作用。
不同酶的专一性程度很不相同，同样是蛋白水解酶，消化系统的胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶等几乎可作用于任何一种蛋白质，这是与食物蛋白的多样性相适应的；凝血酶则仅作用于血纤维蛋白原这一种蛋白质，这是凝血机制所要求的。消化系统的蛋白水解酶仅对被水解键的一端在结构上有一定的选择性，而凝血酶则对键的两端的结构都有严格的要求。
一个酶可能有几个类似的底物，但只能催化某一类特定的化学反应，这叫做酶的反应专一性。例如脂肪水解酶可以催化脂肪的水解，也可催化有机酸脂的水解，只是水解的速度不同，短链脂肪水解速度快，长链脂肪水解速度较慢。另外，几个酶可作用于同一底物，但每个酶只能催化特定的化学反应。例如，苹果酸脱氢酶和苹果酸脱水酶都以苹果酸为底物，但前者只催化苹果酸氧化为草酰乙酸，而后者只催化从苹果酸分子上除去一个水分子生成反丁烯二酸。到目前为止，所有已知的酶所催化的化学反应类型都是专一的。几乎所有的酶对于立体异构物都具有高度的专一性。当底物含有不对称碳原子时，酶仅能作用于旋光异构体的一种，而对其对映体则全无作用。同样，对于顺反异构体，酶也仅能作用于其中之一。这种专一性说明酶分子和底物之间的结合及其相互作用至少必须包括三个作用点。
酶活性的调节控制 生物体新陈代谢的调节控制，通常都是通过酶实现的。使酶活性增高的物质叫激活剂；使酶活性下降的物质叫抑制剂。酶活性的调节控制大体上可分为下述3个类型，其中前两种属于快调或细调，在数秒或数分钟内即可发生，后一种为慢调或粗调，一般需数小时后才能实现。
通过酶分子化学结构的变化 消化系统的蛋白水解酶在体内刚分泌出来时，是一种无活性的前体，叫酶原。酶原被激活成有活性的酶时，必须切去其中的某些肽段，这一过程叫酶原的活化，它涉及到酶的化学结构的变化。在糖原降解成葡萄糖的过程中，好几个酶的作用都是通过酶的磷酰化（即在酶分子上引入以共价键连接的磷酰基）来调节活性的。这一过程属酶的共价修饰调节。
通过酶分子立体结构的变化 许多代谢途径中，都有反馈抑制的调节方式，即某一途径的终点产物是该途径第一个酶的专一的抑制剂。某些小分子化合物通过结合在活性部位以外的另一个部位（别构部位）而抑制了酶的活力，这种抑制剂叫别构抑制剂。反之，如果使酶的活性增高了，则叫别构激活剂。别构调节物与酶分子别构部位相互作用，引起酶分子空间构象的变化，从而改变了酶的催化能力，这种作用称为别构调节。别构调节是一种相当灵敏的调节机制（见别构效应）。
通过酶分子含量的变化 控制酶分子的合成和降解速度可以改变酶分子的含量。在生物体不需要某些酶的情况下，一种叫阻遏物的分子会阻止该酶的合成进行。阻遏物是一种蛋白质，它与酶操纵基因结合后，结构基因的转录作用就不能进行，从而关闭了蛋白质生物合成的开关。这一作用叫阻遏作用。另一方面，某些代谢物会促使细胞合成出它所需要的酶，这种现象称为诱导作用。例如在大肠杆菌的培养基中加入乳糖，就能活化结构基因的转录，诱导细菌合成与乳糖的代谢有关的三个酶。
动力学与作用机理 米氏方程 1913年德国生物化学家L.米夏埃利斯和M.L.门滕提出的有关酶催化反应速度与底物浓度的关系的方程。用下式来表示：
。方程中υ为反应速度，S为底物浓度，
为最大反应速度，
为米氏常数。这一方程的基本假设是酶催化反应速度与酶和底物形成的复合物成正比，当酶分子上所有的活性部位都被底物占据后，反应速度达到最大值
。若以每分钟每分子酶所形成的产物的分子数表示，即为酶的转换率或转换数，以T.N.表示。而米氏常数
等于反应速度达到
一半时的底物浓度，它是酶的一个特征性常数。作用机理 按照化学动力学中比较普遍接受的过渡态理论，一个反应的发生总是有一些键断裂以及另一些键生成。介于原来键断裂和新键生成的中间状态叫过渡态。反应物的基态和过渡态所处的能量状态不同，这个能量差叫能垒。在一定温度下只有一部分分子的能量能达到能垒顶部的水平，形成过渡态，然后再转变成产物。当一个反应在酶的参与下进行时，它一般要比原来非催化的反应多经历几步，但由于酶与过渡态中间物的紧密结合，稳定了底物的过渡态结构，从而降低了底物形成其过渡态所需克服的能垒，结果提高了反应的速度。
60年代以来，由于物理学、有机化学理论的渗透，以及快速反应、X射线晶体衍射分析、低温酶学等一系列新技术的应用，深化了对酶的作用机理的了解，认为酶催化的高效率是由下述因素共同作用的结果。①邻近与定向效应：酶与底物结合后，底物分子中被作用的键，不但接近于酶的活性部位起催化作用的基团，而且以一定的取向排列，提高了起反应的原子间发生碰撞的几率，从而更易形成过渡态。②微环境效应与多元催化：酶的活性部位由于局部微环境的影响，使某些酸性基团和碱性基团彼此靠近，或使同一种基团有的带上正电荷，有的带上负电荷，从而发挥了既有酸催化又有碱催化的多元催化作用。例如核糖核酸酶在水解其底物时，第12位和第 119位两个组氨酸残基分别起着碱催化和酸催化的作用，前者从核糖的2'位羟基上接受一个质子；后者则提供一个质子，与磷酸的氧原子形成氢键。③底物的形变：在酶的诱导下，底物分子中被作用的键会经受一定的张力，使结合变弱，因而更易断裂。例如溶菌酶结合底物后，使底物分子中的一个糖环发生了扭曲，水解就发生在该处的键上。这一形变可能使底物结构更加趋于过渡态中间物的结构，使催化反应易于进行。④酶构象的变化：酶与底物的作用是相互的，一方面酶诱导底物发生形变，另一方面底物结合在酶上后也会使酶的构象发生一定的变化，使其活性部位的催化基团与底物分子中被作用的键更好地契合。例如羧肽酶A结合底物后，酶分子有一个比较大的构象变化（图2）。
其中第 248位酪氨酸残基移动的距离能达到酶分子直径的四分之一。这一构象变化使得酶分子中起催化作用的基团与被水解的肽链相互靠近，同时形成了一个疏水性的口袋，从而加强了底物与酶的相互作用。应用 酶在食品、纺织、发酵、制革等工业中广泛应用，与临床治疗和诊断也有着密切的关系。酶在农业和国防上的应用也有广阔前景。
工业方面 食品工业中应用的有淀粉酶、蛋白酶、葡萄糖氧化酶、果胶酶等数十种。 α－淀粉酶可作用于淀粉分子的内部糖苷键，使淀粉液化，降低粘度。β-淀粉酶的作用则相当专一，总是从淀粉的非还原端开始，每次降解下两个葡萄糖分子，生成一个麦芽糖，因而可应用于麦芽糖和啤酒的生产。制做面包、点心时，这两种酶则同时被应用。蛋白水解酶用于肉类的嫩化、乳类加工、啤酒的澄清、抗冻等方面。生产水果汁和葡萄酒的过程中果胶酶可使产品澄清。在罐头生产中，加一些葡萄糖和葡萄糖氧化酶，可把罐头内的氧全部除尽。
60年代以来出现了以酶制剂取代老的发酵法的趋势。70年代始，又发展了固定化酶的新工艺。它是将酶连接或包埋于固相载体之上，保留其催化活性，这样不仅提高了酶对酸、碱、温度等变性条件的耐受性，而且可以反复使用，利于与产物分离和生产的连续化。许多国家已广泛用于大规模生产。
农业方面 主要集中在杀虫剂农药上。有机磷杀虫剂是强有力的胆碱酯酶抑制剂。胆碱酯酶在神经传导中起着重要的作用，它能分解乙酰胆碱使之变成胆碱和乙酸，从而使神经的兴奋态得到缓解，保证神经脉冲的有效传送。当这个酶被抑制时，神经和呼吸等系统就长期处于兴奋和紧张状态，最后导致死亡。
有机磷杀虫剂既能消灭害虫，也对人体有害。因而在生产应用中，常有中毒事件发生。N-甲基吡啶-2-醛肟的碘盐是高效有机磷杀虫剂的解毒剂──解磷定。
医学方面 人体的许多疾病与酶的正常催化作用受到干扰破坏有关。例如白化病是由于机体不能合成酪氨酸酶所致，该酶与形成皮肤、毛发和眼睛的色素有关，缺乏这个酶的病人其毛发皮肤都是白的。又例如苯丙酮酸尿症是由于缺乏苯丙氨酸羟化酶，从而引起苯丙酮酸在脑中的积累，造成痴呆症。设法将苯丙氨酸羟化酶装入磷脂组成的脂质体中，将酶带至病变细胞，有可能治疗这种病（见先天性代谢缺陷）。
血清酶学诊断是重要的临床诊断手段。当人体患有某种疾病时，一些组织或器官就会发生病变，细胞破损，许多酶就会随之进入血流，使得这些酶在血清中的含量和活性明显升高。如肝病常常会导致血液中几十种酶活性的变化，其中有临床诊断价值的是谷丙转氨酶(GPT)和谷草转氨酶 (GOT)的变化。转氨酶的测定已普遍用于肝病的诊断。在生物化学上把催化相同反应但有不同理化性质、催化性质、免疫性质的酶称同工酶。有时几种疾病都会引起同一酶活性的变化，但它们引起的同工酶的变化却往往不同，因而可借同工酶的变化作鉴别诊断。如肌酸激酶MB型同工酶在一般情况下主要存在于心肌中，当心肌梗塞后，由于缺血缺氧造成心肌坏死，心肌内的MB型肌酸激酶便出现在血液中，梗塞18～33小时后，几乎100％的病人血液中都有MB型同工酶出现，甚至高达正常人的数十倍。因此肌酸激酶活力测定及同工酶佐证试验是诊断心肌梗塞的重要指标之一。
许多化学药物、抗生素的治疗原理，基本上是它们能选择性地作用于致病微生物体内的某一酶系，从而阻断该病原微生物的正常代谢，导致它们的死亡。而这种药物对人体无害或危害较小。例如磺胺类药物就是作用于病菌体内叶酸（见维生素）合成酶的活性部位，阻断叶酸的合成，导致细菌死亡。但人体的维生素是靠从食物中直接摄取，人体内不存在这种酶，因此磺胺类药物对人类没有毒害。又如青霉素的作用机制虽然尚未彻底搞清楚，但目前已经知道它是作用于细菌细胞壁的结构成分──肽聚糖的合成酶，造成不可逆抑制。动物细胞没有细胞壁，因而青霉素对于人及动物从药理作用上讲是安全的。
此外，酶也可直接用作药物。尿激酶可以激活纤溶酶原，使之变为纤溶酶，纤溶酶有较强的水解纤维蛋白的能力，可溶解血栓。溶菌酶可降解细菌细胞壁的粘多糖，可用于治疗咽喉炎、鼻炎、口腔溃疡等病。
参考书目
许根俊编著：《酶的作用原理》，科学出版社，北京，1983。