第三节　酶催化剂的特点

酶与化学催化剂相比具有显著的特性。最重要的有三方面：高催化效率，强专一性及酶活性可以调控。

一、高效性

酶加快反应速率可高达1017倍（如OMP脱羧酶）。但酶催化的反应速率和在相同pH值及温度条件下非酶催化的反应速率可直接比较的例子很少，这是因为非酶催化的反应速率太低，不易观察，对那些可比较的反应，可发现反应速率大大加速，如乙酰胆碱酯酶接近1013倍，丙糖磷酸异构酶为109倍，分支酸变位酶为1.9×106倍，四膜虫核酶接近1011倍（表1-6）。在其他可比较的反应中，酶促反应速率相当高，而反应温度可能很低。酶催化的最适条件几乎都为温和的温度和非极端pH值。以固氮酶为例，NH3的合成在植物中通常是25℃和中性pH下由固氮酶催化完成的。酶是由两个解离的蛋白质组分组成的一个复杂的系统，其中一个含金属铁，另一个含铁和钼，反应需消耗一些ATP分子，精确的计量关系还未知，但工业上由氮和氢合成氨时，需在700～900K、10～90MPa下，还要有铁及其他微量金属氧化物作催化剂才能完全反应。

二、专一性

大多数酶对所作用的底物和催化的反应都是高度专一的。不同的酶专一性程度不同，有些酶的专一性很低（键专一性），如肽酶、磷酸（酯）酶、酯酶，可以作用很多底物，只要求化学键相同。例如它们可分别作用于肽、磷酸酯、羧酸酯。生物分子降解中常见到低专一性的酶，而在合成中则很少见到，这是因为前者是起降解作用的，低专一性可能更为经济。具有中等程度专一性的为基团专一性，如己糖激酶可以催化很多己醛糖的磷酸化。大多数酶呈绝对或几乎绝对的专一性，它们只催化一种底物进行快速反应，如脲酶只催化尿素的反应，或以很低的速率催化结构非常相似的类似物。

基团专一性和绝对专一性对低分子量的底物来说容易理解。对大分子底物而言，由于酶的活性中心只与大分子的一部分相互作用，因此情形有点不同，限制性核酸内切酶一般可识别DNA上四对到六对碱基，然后切除双链间的磷酸二酯键，一般切成黏性末端。现已知道有400多种不同专一性的这类酶，虽然酶对含有合适序列的任何DNA分子或片段都能作用，但每一个酶的活性中心接触底物的特定区域具有绝对的专一性。

酶的另一个显著特点就是催化反应的立体专一性，以NAD+和NADP+为辅因子的脱氢酶为例，用适当标记的底物做实验，发现脱氢酶催化底物上的氢转移到尼克酰胺环特异的一面，称为A型和B型脱氢酶（图1-5）。几乎所有的脱氢酶作用时都需要NAD+或NADP+。对那些已知立体结构的脱氢酶，如肝乙醇脱氢酶、乳酸脱氢酶，其专一性机制已经搞清。在酶催化反应中，还存在潜手性的例子，虽然底物本身不具有手性，但反应却是立体专一性的。以延胡索酸水合酶催化延胡索酸生成苹果酸为例，在3H2O溶液中，3H以立体专一性的方式加入到底物上（图1-6）。

酶专一性在蛋白质合成和DNA复制时具有重要意义。生物体内DNA复制的错误比率非常低，在聚合核苷酸时，只有1/108～1/1010的错误率，转录DNA且转译mRNA为蛋白质的整个过程中氨基酸的参入错误的比率只有1/104。从结构相似的氨基酸和氨酰-tRNA合成酶之间的相互作用的能量差异来看，酶的专一性远比预计的要高，这是由于酶存在着校读功能。这里简要介绍一下氨酰-tRNA合成酶作用机制的要点。氨酰-tRNA合成酶催化的tRNA转运过程包括以下两个步骤：

酶需要识别专一性的氨基酸和tRNA，后者因分子较大，与酶的接触位点多，因而可准确识别。而氨基酸分子很小，准确选择较难，跟踪反应第一步、第二步，发现形成氨酰-腺苷酸中间物时会发生明显的错误，但氨酰-tRNA合成却不会出错，错误的氨酰-腺苷酸会被水解。有证据表明酶分子上存在着与合成部位不同的校读部位，它可以水解错配的氨基酸。DNA复制过程也有类似的情形，DNA聚合酶Ⅲ在校读DNA复制时同样具有外切核酸酶的活力，以保证DNA准确的复制。

三、可调节性

生命现象表现了它内部反应历程的有序性。这种有序性是受多方面因素调节和控制的，而酶活性的控制又是代谢调节作用的主要方式。酶活性的调节控制主要有下列七种方式。

1.酶浓度的调节

酶浓度的调节主要有两种方式，一种是诱导或抑制酶的合成；另一种是调节酶的降解。例如，在分解代谢中，β-半乳糖苷酶的合成平时被葡萄糖阻遏，当葡萄糖不足而乳糖存在时，酶经乳糖诱导而合成。

2.激素调节

这种调节也和生物合成有关，但调节方式有所不同。如乳糖合成酶有两个亚基，催化亚基和修饰亚基。催化亚基本身不能合成乳糖，但可以催化半乳糖以共价键的方式连接到蛋白上形成糖蛋白。修饰亚基和催化亚基结合后，改变了催化亚基的专一性，可以催化半乳糖和葡萄糖反应生成乳糖。修饰亚基的水平是由激素控制的，修饰亚基于妊娠时在乳腺生成，分娩时，由于激素水平急剧的变化，修饰亚基大量合成，它和催化亚基结合，大量合成乳糖。

3.共价修饰调节

这种调节方式本身又是通过酶催化进行的。在一种酶分子上，共价地引入一个基团从而改变它的活性。引入的基团又可以被第三种酶催化除去。例如，磷酸化酶的磷酸化和去磷酸化、大肠杆菌谷氨酰胺合成酶的腺苷酸化和去腺苷酸化就是以这种方式调节它们的活性的。

4.限制性蛋白酶的水解作用与酶活性调控

限制性蛋白酶水解是一种高特异性的共价修饰调节系统。细胞内合成的新生肽大都以无活性的前体形式存在，一旦生理需要，才通过限制性水解作用使前体转变为具有生物活性的蛋白质或酶，从而启动和激活以下各种生理功能：酶原激活、血液凝固、补体激活等。除了参与酶活性调控外，还起着切除、修饰、加工等作用，因而具有重要的生物学意义。

酶原激活是指体内合成的非活化的酶的前体，在适当的条件下，受到H+或特异的蛋白酶限制性水解，切去某段肽或断开酶原分子上某个肽键而转变为有活性的酶。如胰蛋白酶原在小肠里被其他蛋白水解酶限制性地切去一个六肽，活化成为胰蛋白酶。

5.抑制剂的调节

酶的活性受到大分子抑制剂或小分子抑制剂的抑制，从而影响活力。前者如胰脏的胰蛋白酶抑制剂（抑肽酶），后者如2，3-二磷酸甘油酸，是磷酸变位酶的抑制剂。

6.反馈调节

许多小分子物质的合成是由一连串的反应组成的。催化此物质生成的第一步反应的酶，往往可以被它的终端产物所抑制，这种对自我合成的抑制叫反馈抑制。这在生物合成中是常见的现象。例如，异亮氨酸可抑制其合成代谢通路中的第一个酶——苏氨酸脱氨酶。当异亮氨酸的浓度降低到一定水平时，抑制作用解除，合成反应又重新开始。再如合成嘧啶核苷酸时，终端产物UTP和CTP可以控制合成过程一连串反应中的第一个酶。反馈抑制就是通过这种调节控制方式调节代谢物的流向，从而调节生物合成的。

7.金属离子和其他小分子化合物的调节

有一些酶需要K+活化，往往可以代替K+，但Na+不能活化这些酶，有时还有抑制作用。这一类酶有L-高丝氨酸脱氢酶、丙酮酸激酶、天冬氨酸激酶和酵母丙酮酸羧化酶。另有一些酶需要Na+活化，K+起抑制作用。如肠蔗糖酶可受Na+激活，二价金属离子如Ca2+、Zn2+、Mg2+、Mn2+往往也为一些酶表现活力所必需，它们的调节作用还不是很清楚，可能和维持酶分子一定的三级、四级结构有关，有的则和底物的结合和催化反应有关。这些离子的浓度变化都会影响有关的酶的活性。

丙酮酸羧化酶催化的反应为：，这是从丙酮酸合成葡萄糖途径中限速的一步。丙酮酸的浓度影响酶的活力，而丙酮酸的浓度是由NAD+和NADH的比值决定的，NAD+和NADH的总量在体内差不多是恒定的。NADH的浓度相对地提高了，丙酮酸的浓度就要降低。

与此相类似的ATP、ADP、AMP的总量在体内也是差不多恒定的，其中ATP、ADP、AMP的相对量的变化也可影响一些酶的活性。Atkinson提出能荷（energy charge）作为一个物理量，这个物理量数值的变化和某些酶的活力变化有一定的关系。

能荷的数值是0～1，当腺苷酸全部以AMP的形式存在，能荷数值等于零，全部以ATP的形式存在，能荷数值等于1。细胞内的能荷数值一般在0.8～0.9之间，在这个范围内，能荷数值的增加可使和ATP再生有关的酶（如糖磷酸激酶、丙酮酸激酶、丙酮酸脱氢酶、异柠檬酸脱氢酶和柠檬酸合成酶等）的反应速率降低；而使另一类和利用ATP有关的酶（如天冬氨酸激酶、磷酸核糖焦磷酸合成酶等）的反应速率增加。

此外，酶的区室化（compartmentation）和多酶复合体等都和酶活力的调节控制有密切的关系。