第一节 概 述
一、酶与生物催化剂
新陈代谢是生物体维持生命活动的基础，构成新陈代谢的许多复杂而规律的化学反应和能量变化，都是在生物催化剂的作用下完成的。生物体内的各种化学反应能在温和的条件下高效、特异、有条不紊地进行，就是因为体内存在着极为重要的生物催化剂——酶（enzyme）。酶是由活细胞产生的、对其底物具有高度特异性和高效催化作用的蛋白质。由酶催化进行的化学反应称为酶促反应（enzymatic reaction），酶促反应的反应物又称为底物（substrate），反应后生成的物质称为产物（product）。
在20世纪80年代初，人们又发现了具有催化功能的RNA——核酶（ribozyme），打破了酶是蛋白质的传统认识，是对酶概念的补充。本章主要讨论本质为蛋白质的酶。
★ 考点提示：酶的概念及化学本质
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酶学简史
人们利用发酵的原理制作豆酱、酿酒、制醋等已有几千年的历史，酶学知识得益于发酵，Enzyme的词根zyme就是希腊文中“发酵”或“酵母”的意思。1926年Sumner首次从刀豆中获得脲酶结晶并证明是蛋白质，以后又有数千种酶被证明是蛋白质。1981年，T.R.Cech在研究四膜虫的26S rRNA前体在成熟过程中，即使不添加蛋白提取液，该rRNA前体也能变成成熟的RNA。其内含子通过剪接反应而被除去，此剪接反应是一种RNA的自我剪接作用，说明RNA具有催化作用，这种具有催化作用的RNA称为核酶。
核酶的发现，开辟了生物化学研究的新领域，提出了生命起源的新概念，并设计出多种人工核酶，为研究防治抗病毒、抗肿瘤的药物及临床的基因治疗提供了一种手段，有广泛的应用前景。
二、酶促反应的特点
酶是一类生物催化剂，具有一般催化剂的共性：酶在反应前后没有质和量的变化且只能催化热力学允许的化学反应；只能加速可逆化学反应的进程而不改变反应的平衡点和平衡常数；催化反应的机制是降低反应的活化能等。由于酶的化学本质是蛋白质，所以酶所催化的反应具有不同于一般催化剂的特点。
（一）酶具有极高的催化效率
酶对底物具有极高的催化效率，通常比非催化反应高108～1020倍，比一般催化剂催化的反应高107～1013倍。例如，脲酶催化尿素水解的速率是H＋催化作用的7×1012倍；α-胰凝乳蛋白酶催化苯酰胺水解的速率是H＋催化作用的6×106倍，而且不需要较高的反应温度。
（二）酶具有高度的特异性
酶对其所催化的底物和反应具有严格的选择性，表现为一种酶仅作用于一种或一类化合物，或作用于一定的化学键，催化一定的化学反应并生成一定的产物。酶的这种特性称为酶的特异性或专一性（specificity）。例如，H＋可以催化淀粉、蛋白质和脂肪的水解反应，而淀粉酶却只能催化淀粉糖苷键的水解，蛋白酶只能催化蛋白质肽键的水解，脂肪酶只能催化脂肪酯键的水解。根据酶对其底物分子选择的严格程度不同，酶的特异性可分为绝对特异性、相对特异性、立体异构特异性三种类型。
1．绝对特异性
绝对特异性是指一种酶只作用于特定结构的底物，进行一种专一的反应，生成一种特定结构的产物。例如，脲酶只催化尿素水解生成氨和二氧化碳，对甲基尿素则不起作用；琥珀酸脱氢酶只催化琥珀酸与延胡索酸之间的氧化还原反应。
2．相对特异性
有些酶对底物的选择依据底物分子中特定的化学键或特定的基团，因此这类酶对底物的选择不太严格，可以作用于含有相同化学键或化学基团的一类化合物，称为相对特异性。
3．立体异构特异性
有些具有绝对专一性的酶，对底物的立体异构具有严格的选择性，即一种酶仅作用于底物的立体异构体中的一种类型，称为立体异构特异性。如L-乳酸脱氢酶只作用于L-乳酸，对D-乳酸没有作用。
（三）酶促反应的可调节性
体内的酶促反应受多种因素的调节，主要通过对酶的含量和酶的活性调节使代谢过程受到精确的调控，以此适应机体对不断变化的内外环境和生命活动的需要。
（四）酶具有不稳定性
酶的化学本质是蛋白质，任何使蛋白质变性的理化因素都可以使酶发生变性而失去催化活性，因此酶促反应往往在比较温和的条件下进行。
★ 考点提示：酶促反应的特点
三、酶的分类和命名
（一）酶的分类
根据酶催化反应的性质，将酶分为六大类。
1．氧化还原酶类
催化底物进行氧化还原反应的酶属于氧化还原酶类，包括催化传递电子、氢及需氧参加反应的酶。例如乳酸脱氢酶、细胞色素氧化酶等。
2．转移酶类
催化底物之间进行某些基团的转移或交换的酶属于转移酶类，例如氨基转移酶、甲基转移酶、己糖激酶、磷酸化酶等。
3．水解酶类
催化底物发生水解反应的酶属于水解酶类，如蛋白酶、脂肪酶、核酸酶等。
4．裂合酶类
催化从底物移去一个基团而形成双键的反应或其逆反应的酶属于裂合酶类，例如脱水酶、脱羧酶、水化酶、醛缩酶等。
5．异构酶类
催化分子内部基团位置互变，即各种同分异构体间相互转变及醛酮互变的酶属于异构酶类。如磷酸丙糖异构酶、磷酸己糖异构酶等。
6．合成酶类
催化两种底物分子合成一种产物并同时耦联有高能键水解和释放能量的酶属于合成酶类或称连接酶类。如谷氨酰胺合成酶、DNA连接酶、氨基酰-tRNA合成酶等。
（二）酶的命名
1．酶的习惯命名
早期酶的命名多根据酶所催化的底物、反应的性质以及酶的来源来确定，如催化淀粉水解的酶称为淀粉酶，催化蛋白质水解的酶称为蛋白酶；有些酶依据其所催化反应的类型或方式命名，如琥珀酸脱氢酶、天冬氨酸氨基转移酶；有时还加上酶的来源或酶的其他特点，如唾液淀粉酶和胰淀粉酶、碱性磷酸酶和酸性磷酸酶等。习惯命名法有时不能完全说明酶促反应的本质，甚至出现一酶多名或多酶一名的混乱情况。
2．酶的系统命名
为了克服习惯命名法的弊端，国际生物化学与分子生物学学会（IUBMB）以酶的分类为依据，于1961年提出系统命名法。系统命名法规定：每一个酶都有一个系统名称，它标明酶的所有底物和反应性质。底物名称之间以“：”分隔。每种酶都有一个特定的编号，编号由四位数字组成，数字间由“.”隔开。编号之前冠以酶学委员会（Enzyme Commision）的缩写“EC”。但由于许多酶促反应是双底物甚至是多底物参加的反应，且许多底物的化学名称很长，使得许多酶的系统名称过长或过于复杂，为了应用方便，国际酶学委员会又从每种酶的习惯名称中选定一个简便实用的推荐名称。一些酶的系统名称及推荐名称见表4-1。
表4-1 酶的分类与命名举例
