3.2　酶的结构及催化特点

3.2.1　酶的结构

除核酶外，大部分酶是蛋白质。在分子量很大的酶分子中，一条或几条多肽链盘旋折叠形成特定空间结构，在表面形成一个相对较小的裂缝区域。反应过程中，底物小分子在裂缝区，通过次级键与酶结合并发生催化作用，酶分子只有少数官能基团与底物发生作用，因此酶分子中直接与底物结合并催化底物发生化学反应的部位称为酶的活性中心（active center）或活性部位（active site）。酶活性中心位于裂缝内，裂缝区通常含有较多非极性氨基酸，形成疏水区域，而活性中心则常含有少量极性氨基酸残基，如组氨酸、天冬氨酸、丝氨酸、赖氨酸、谷氨酸和半胱氨酸等，氨基酸的极性侧链易与底物作用，形成中间过渡态。活性中心的氨基酸残基可能位于一条肽链上相距很远的位置，也可能在不同肽链上，但通过肽链的盘旋折叠，空间结构上相对距离都很近。

按照酶活性功能，活性中心可分为两个部分：结合部位和催化部位。结合部位（binding site）与底物结合，决定酶的选择性和专一性；催化部位（catalytic site）决定酶促反应的类型，决定酶的催化高效性，前面讲述的辅因子位于催化部位。通常情况下，催化部位与结合部位重叠或靠近。

在酶的活性部位以外，还存在一些特殊部位，可以与一些小分子物质结合，改变酶分子的空间构象，激活或抑制酶的催化作用，可调节酶促反应速率和反应方向，这一部位称为酶的调节部位（regulating site）。

3.2.2　研究酶活性中心的方法

酶的活性中心是酶催化作用的重要部位，了解其位置、氨基酸残基的组成是研究酶的作用机制、模拟酶以及抑制或激活机理的基础。探究酶活性中心的方法有以下几种。

1）化学修饰法

利用某些化合物能与酶分子中氨基酸残基侧链基团发生的特异反应，使酶活性中心的氨基酸残基被修饰，从而造成酶的催化活性显著降低甚至丧失。酶分子中可被修饰的基团有羟基、咪唑基、巯基、氨基、羧基等，如果它们被氧化、还原、烷基化或酰化等化学修饰或置换，酶的催化活性就会降低或丧失。例如二异丙基氟磷酸（DIFP）能够专一性地与丝氨酸蛋白酶活性中心丝氨酸残基的羟基共价结合，屏蔽羟基作用，导致酶活性丧失，由此推测酶活性中心含有丝氨酸残基。

2）X射线衍射法

如果能够获得蛋白质或酶的晶体，就可以利用X射线衍射法解析其空间结构，进而了解酶活性中心位置及氨基酸残基的分布状况。溶菌酶和胰凝乳蛋白酶就是通过X射线衍射法确定活性部位的氨基酸残基，如Glu35和Asp52是溶菌酶的催化基团，而Ser195、His57和Asp102构成胰凝乳蛋白酶的催化三联体。

3）基因定点突变法

利用基因定点突变技术，改变酶活性中心的氨基酸残基，测定突变后酶的活性，进而推断活性中心的氨基酸残基。在胰蛋白酶研究中，将Asp102突变为Asn102，酶的活性只是天然胰蛋白酶的万分之一，由此得知Asp102是酶活性中心的必需氨基酸。

4）蛋白酶水解法

利用蛋白水解酶可以专一性地切断肽链的特点，将酶的部分片段切除，然后检测剩余部分是否还具有酶的活性。因该方法可能破坏酶的空间结构，使酶变性，所以要结合其他方法共同研究酶的活性中心。

3.2.3　酶的催化特点

酶与其他化学催化剂一样，通过与底物作用，形成中间过渡态，降低反应活化能，加速化学反应，但不能改变反应平衡，且反应后酶自身不发生变化。

作为生物催化剂，酶又有着自身特殊的催化性质。

1）具有较高的催化效率

在自然界中，酶是催化活性最高的一类催化剂，高出一般催化剂106～1013倍，生物体内的化学反应都要依赖于酶的作用。例如，食物在体内的消化吸收过程就是一系列生物酶高效催化的结果，食物中的淀粉、蛋白质、脂肪在淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶的催化下水解成单体小分子，这些水解产物被运输到身体各个部位，进而被细胞内的酶分步氧化或利用，最终转化为身体组织结构的成分或者被代谢产生能量。如果没有酶的催化作用，一顿饭的消化大约需要50年。

2）酶易失活

酶本身是蛋白质，加热、紫外线照射、酸、碱或有机溶剂等因素都可能破坏其空间结构，改变其理化性质，导致酶活性丧失。

3）温和的反应条件

酶促反应一般发生在一定的温度、pH范围内，多数生物体的胞内pH、温度、湿度及液态环境都是稳定、温和的。

4）酶的催化活力可被调控

酶的催化作用受到底物浓度、酶浓度以及抑制剂的影响，这是生物代谢和调控的重要方式。

5）酶具有高度的专一性

酶催化的专一性来自酶特殊的空间结构和表面化学基团对底物的作用，它能与底物或者中间过渡态产物相结合，大大降低反应所需要的活化能，从而提高反应速率。

酶的专一性包括反应专一性和底物专一性。

（1）反应专一性

酶的反应专一性通常指其只催化一种或者一类相似的反应，而不同酶的专一性会有所差别。如胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶（或称糜蛋白酶）都作用于多肽或蛋白质的肽键，但胰蛋白酶只专一水解赖氨酸或精氨酸羧基参与形成的肽键，而胰凝乳蛋白酶专一水解芳香族氨基酸或较大非极性氨基酸羧基参与形成的肽键。

（2）底物专一性

根据底物和反应专一性的程度，又可分为结构专一性、手性专一性和几何异构专一性。

①结构专一性：有些酶只作用于一种底物，称为绝对专一性（absolute specificity），如脲酶只催化尿素水解生成氨和二氧化碳，而不能催化尿素衍生物发生水解反应；麦芽糖酶水解麦芽糖，不水解其他二糖。另有一些酶可以作用于一类结构相似的化合物，称为相对专一性（relative specificity），如α-D-葡萄糖苷酶可以催化麦芽糖，也可以催化蔗糖的水解反应。

②手性专一性：酶对底物的构型有特殊的选择性，如L-乳酸脱氢酶不能催化D-乳酸的脱氢。

③几何异构专一性：酶只作用于一种几何异构体，对另一种异构体不起催化作用。如马来酸（顺丁烯二酸）和延胡索酸或富马酸（反丁烯二酸）互为顺反同分异构体，而延胡索酸水合酶只催化延胡索酸生成苹果酸，对马来酸没有催化作用。