2024年4月11日发(作者：)

第四章 生物催化剂—酶

生命的基本特征是新陈代谢，生物体在新陈代谢过程中，几乎所有的化学反应都是在生

物催化剂——酶(enzyme)的催化下进行的。但是20世纪80年代发现还有一类生物催化剂，

称为核酶（ribozyme），它主要作用于RNA的剪接。本章主要介绍酶的有关内容，因为生物

体的一切生命活动都是在酶的催化下平衡协调地进行，临床上许多疾病都与酶的异常密切相

关，许多临床常用药物亦是通过影响酶的作用来达到治疗。

第一节 酶是生物催化剂

一、生物催化剂

（一）酶

酶是由活细胞产生的具有催化功能的蛋白质，它是最主要的生物催化剂。酶所催化的化

学反应称为酶促反应。在酶促反应中被酶催化的物质叫底物（substrate，S）；经酶催化所

产生的物质叫产物（product，P）；酶所具有的催化能力称为酶的“活性”，如果酶丧失催化

能力称为酶失活。

1926年Sumner首次从刀豆中提取脲酶结晶并率先提出酶的化学本质是蛋白质。到目前

为止，纯化和结晶的酶已超过2000余种。根据酶的化学组成成分不同，可将其分为单纯酶

（simple enzyme）和结合酶（conjugated enzyme）两类。

1． 单纯酶

这类酶的基本组成单位仅为氨基酸，通常只有一条多肽链。它的催化活性仅仅决定于

它的蛋白质结构。如淀粉酶、脂肪酶、蛋白酶等均属于单纯酶。

2． 结合酶

这类酶由蛋白质部分和非蛋白质部分组成，前者称为酶蛋白（apoenzyme），后者称为

辅助因子（cofactor）。酶蛋白与辅助因子结合形成的复合物称为全酶（holoenzyme）。只有

全酶才有催化作用。酶蛋白在酶促反应中起着决定反应特异性的作用，辅助因子则决定反应

的类型，参与电子、原子、基团的传递。

辅助因子的化学本质是金属离子或小分子有机化合物，按其与酶蛋白结合的紧密程度不

同可分为辅酶（coenzyme）与辅基（prosthetic group）。辅酶与酶蛋白结合疏松，可用透

析或超滤的方法除去。辅基则与酶蛋白结合紧密，不能通过透析或超滤将其除去。B族维生

素是形成体内结合酶辅酶或辅基的重要成分。

（二）核酶

1982年，Thomas Cech从四膜虫rRNA前体的加工研究中首先发现rRNA分子在没有任何

蛋白质的存在下发生了自我催化的剪接反应，90年代证明大肠杆菌的23SrRNA

具有催化肽键形成的作用，此后更多的证据表明，某些RNA分子有固有的催化活性。这种具

有催化作用的RNA被称为核酶或催化性RNA（catalytic RNA）。

核酶的发现一方面推动了对于生命活动多样性的理解，另外在医学上也有其特殊的用

途。由于核酶结构的阐明，可以用人工合成的小片段RNA，使其结合在有害RNA（病毒RNA，

44

癌基因mRNA等）上，将其特异性降解。这一思路已经在实验中获得成功，针对HIV（人类

免疫缺陷病毒）的核酶在美国和澳大利亚已进入临床试验。理论上讲，核酶几乎可以被广泛

用来尝试治疗所有基因产物有关的疾病。

（三）脱氧核酶

最初发现的核酶都是RNA分子，后来证实人工合成的具有类似结构的DNA分子也具有特

异性降解RNA的作用。相对应于催化性RNA，具有切割RNA作用的DNA分子称为脱氧核酶或

催化性DNA（catalytic DNA）。由于DNA分子较RNA稳定，而且合成成本低，因此在未来的

治疗药物发展中可能具有更广泛的前景。目前尚未发现天然存在的催化性DNA。

二、酶的催化作用特点

酶是生物催化剂，既有与一般催化剂相同的催化性质，又有一般催化剂所没有的生物大

分子的特征。酶与一般催化剂一样，只能催化热力学允许的化学反应，缩短达到化学平衡的

时间，而不改变平衡点。酶作为催化剂在化学反应的前后没有质和量的改变，微量的酶就能

发挥较大的催化作用。因为酶是蛋白质，所以又具有其独特的催化特点：

1．高度的催化效率

820

酶的催化效率比无催化剂的自发反应速度高10～10倍，比一般催化剂的催化效率高

713

10～10倍。这种高度加速的酶促反应机制，主要是因为大幅度降低了反应的活化能

(activation energy)。

2．高度的特异性

酶对其所催化的底物和催化的反应具有较严格的选择性，常将这种选择性称为酶的特异

性或专一性(specificity)。根据酶对底物选择的严格程度不同，酶的特异性通常分为以下

三种：

(1)绝对特异性(absolute specifictity)：有的酶只能催化一种底物发生一定的反应，

称为绝对特异性。如脲酶只能催化尿素水解成NH

3

和CO

2

，而不能催化甲基尿素水解。

(2)相对特异性(relative specificity)：一种酶可作用于一类化合物或一种化学键，

这种不太严格的特异性称为相对特异性。如脂肪酶不仅水解脂肪，也能水解简单的酯类。

(3)立体异构特异性(stereopecificity)：酶对底物的立体构型的特异要求，称为立体

异构特异性。如L-乳酸脱氢酶的底物只能是L型乳酸，而不能是D型乳酸。

3．酶活性的可调节性

物质代谢在正常情况下处于错综复杂、有条不紊的动态平衡中。酶活性的调节作用是维

持这种平衡的重要环节。通过各种调控方式，例如，酶的生物合成的诱导和阻遏、酶的化学

修饰、酶的变构调节以及神经体液因素的调节等，改变酶的催化活性，以适应生理功能的需

要，促进体内物质代谢的协调统一，保证生命活动的正常进行。

4．酶活性的不稳定性

酶是蛋白质，酶促反应要求一定的pH、温度等温和的条件，强酸、强碱、有机溶剂、

重金属盐、高温、紫外线、剧烈震荡等任何使蛋白质变性的理化因素都可使酶变性而失去其

催化活性。

三、酶的活性中心与催化作用机理

（一） 酶的活性中心

组成酶分子的氨基酸中有许多化学基团，如-NH

2

、-COOH、-SH、-OH等，但这些基团并

不都是与酶活性有关。其中那些与酶的活性密切相关的基团称为酶的必需基团（essential

45