酶和辅酶小论文

酶和辅酶

引言

自然界一切生命现象都和酶有关。天然酶以蛋白质为主，是一类具有催化功能的生物分子，其催化特点是效率高、底物专一。对酶的早期研究可以追溯到1833年Payen和Persoz将磨碎麦芽的液体作用于淀粉，结果发现淀粉被分解，从而制得了淀粉糖化酵素，也就是现在所谓的淀粉酶，1897年Eduard Bunchner 证实发酵是需要活酵母的酶促反应过程，推进了人们对酶的广泛和深入研究[1]。直至20世纪80年代，美国科学家切赫和奥尔特曼发现少数RNA也具有生物催化作用。辅酶是一类可以将化学基团从一个酶转移到另一个酶上的有机小分子，与酶蛋白较为松散地结合，辅酶对于特定酶的活性发挥是必要的，因此在研究酶的同时常常进行辅酶的研究。

酶的化学组成

除核酶外，酶都是蛋白质。根据化学组成，酶可以分为单纯蛋白质和缀合蛋白质两类。属于单纯蛋白质的酶仅由氨基酸残基组成，不含其它化学组成。属于缀合蛋白质的酶除了氨基酸残基组分外，还含有金属离子、有机小分子等化学成分，这类酶又称为全酶，其中的蛋白质部分称为脱辅酶，非蛋白质部分称为辅因子，酶蛋白与辅因子单独存在没有活性，并且酶的催化专一性主要决定于酶蛋白部分。

属于有机分子的辅因子被称为辅酶，辅酶可分为一般的辅酶和辅基。一般的辅酶与酶蛋白结合比较松驰，可以通过透析法等温和的物理手段除去；辅基与酶蛋白结合比较紧密，甚至通过共价键结合。在全酶的催化功能中，脱辅酶与辅因子所起的作用不同，脱辅酶通常具有结合底物的作用，决定了酶作用的专一性。辅因子可作为电子、原子或某些化学基团的载体起作用，参与反应并加快反应进程，例如FMN(黄素单核苷酸)与FAD(黄素腺嘌呤二核苷酸)可在许多酶促反应中起传递氢原子和电子的作用，辅酶磷酸吡哆醛可在转氨酶催化的反应中起转移氨基的作用，各种辅酶或辅基的作用见表1。维生素通常是许多辅酶的前体，这是维生素成为生物生存必需物质的原因之一。作为辅因子的金属离子除了起到转移电子的作用外，还具有提高水的亲核性能、静电屏蔽、为反应定向等功能[2]。

辅酶主要功能

NAD+转移H原子、电子

NADP 转移H原子、电子

FMN 转移H原子、电子

FAD 转移H原子、电子

辅酶Q(CoQ) 转移H原子

细胞色素酶系辅酶转移电子

辅酶A(CoASH) 转移酰基

四氢叶酸转移甲基、亚甲基、甲酰基

表1

酶的分类

根据酶蛋白分子结构不同，酶可分为单体酶、寡聚酶和多酶复合体三类。通常只具有一条多肽链的酶称为单体酶，它们不能解离为更小的单位。由两个或两个以上的亚基组成的酶称为寡聚酶。由几种酶彼此嵌合形成的复合体称为多酶复合体，多酶复合体的相对分子质量都在几百万以上。多酶复合体的存在有利于细胞中系列反应的连续进行，以提高酶的催化效率，同时便于机体对酶的调控。

按照酶促反应的类型，国际酶学委员会将所有酶分为六大类，这六大类酶分别为氧化还原酶类、转移酶类、水解酶类、裂合酶类、异构酶类、合成酶类。

催化底物发生氧化还原反应的酶称为氧化还原酶，其成员包括氧化酶和脱氢酶等。氧化酶催化底物上的氢与O2结合生成H2O或生成H2O2；脱氢酶催化直接从底物上脱氢的反应及其逆反应，其特点是需要辅

酶I(NAD+/NADH)或辅酶II(NADP+/NADPH)作为氢受体或氢供体参与反应。

转移酶可催化不同化合物之间基团转移反应。转移不同基团的反应由不同的转移酶催化，如转移氨基的反应由氨基转移酶催化，转移甲基的反应由甲基转移酶催化。激酶也是一类极具代表性的转移酶，可催化特定分子与ATP之间磷酸基团的转移反应，如己糖激酶催化葡萄糖与ATP的反应，反应生成葡萄糖-6-磷酸与ADP。

催化底物发生水解反应的酶称为水解酶。常见的水解酶有淀粉酶、蔗糖酶、麦芽糖酶、蛋白酶、肽酶、脂肪酶及磷酸酯酶等，水解酶是生物体内一类有重要生理意义的酶。

催化一种化合物裂解为几种化合物，或由几种化合物缩合为一种化合物的酶称为裂合酶。裂合酶所催化反应的特点是这些反应均涉及从一个化合物移去一个基团形成双键的反应或其逆反应。裂解反应通常涉及双键的形成，而缩合反应则相反。

异构酶是一种催化各种同分异构物(即分子式相同、结构式不同的化合物)之间相互转变反应的酶。异构酶催化的异构反应是分子内部基团进行重新排列的反应。例如在丙糖磷酸异构酶所催化的甘油醛-3-磷酸(醛化合物)与二羟丙酮磷酸(酮化合物)之间的异构反应中，通过氢原子在分子内的转移，双键位置发生改变。

催化由两种化合物合成一种化合物的反应的酶称为合成酶，又称为连接酶。由合成酶催化的反应一般是吸能反应，因而需要有腺苷三磷酸(ATP)等高能物质参与反应，这也是区分合成酶与裂合酶的重要依据。例如谷氨酰胺合成酶催化由谷氨酸与氨反应生成谷氨酰胺的反应，反应需要ATP的参与，反应产物除谷氨酰胺外，还有ADP与无机磷酸。

酶的专一性

酶作为生物催化剂，它的一个重要特征是具有高度专一性，即对底物的严格选择性。酶的专一性可分为两种类型，一是结构专一性，二是立体异构专一性。

有些酶对底物具有相当严格的选择，通常只作用于一种特定的底物，这种专一性称为绝对专一性，例如蔗糖酶只作用于蔗糖，麦芽糖酶只作用于麦芽糖，二者均不作用于其他二糖；有些酶的作用对象不是一种底物，而是一类结构相近的底物，这种专一性称为相对专一性。

立体异构专一性指的是当反应物具有立体异构体时，酶只选择其中的一种立体异构体作为其底物。常见的立体异构专一性包括旋光异构专一性和几何异构专一性。具有旋光异构专一性的酶只能专一地与反应物中的一种旋光异构体结合并催化其发生反应；具有几何异构专一性的酶只能选择性地催化某种几何异构体底物的反应。

酶的作用机理

酶作为一种催化剂，其提高化学反应速率的基本原理与一般催化剂是相同的：在一个化学反应体系中，产物与反应物之间Gibbs自由能的变化决定了自发反应的方向以及可逆反应达平衡后产物与反应物的浓度之比。活化能是反应物进行反应必须克服的能量障碍(又称为“能垒”)，它是反应速率的决定者，反应所需的活化能越高，能够产生的活化分子数量就越少，反应速率越慢，反之，反应所需的活化能越低，反应速率越快。

根据这个原理，在不存在酶的情况下，反应需要的活化能较高，因此反应速率较低；在存在酶的情况下，酶能降低反应所需活化能，因此与非催化反应相比，酶促反应中能够生成的活化分子数目显著增加，反应速率得以提高。即酶通过降低反应活化能使反应速率加快。

绝大多数酶都是蛋白质，蛋白质的结构决定其功能，同样酶的结构决定其功能。在整个酶分子中，只有一小部分区域的氨基酸残基参与对底物的结合与催化作用，这些特异的氨基酸残基比较集中的区域称为酶的活性部位，或称为酶的活性中心。酶的活性部位是酶结合和催化底物的场所，是与酶活力直接相关的区域。酶活性部位的结构是酶作用机理的结构基础。

酶具有高催化效率的分子机制是酶分子的活性部位结合底物形成酶-底物复合物，使分子间的催化反应转变为分子内的催化反应。酶分子充分使用一系列的化学机制来实现过渡态的稳定并由此加速反应，包括邻近定向效应、广义的酸碱催化、共价催化和金属催化。

酶促反应的动力学方程式

1913年Michaelis和Menten在中间复合物学说的基础上推导出米氏方程，如下所示：

v=V max[S] S+K S

式中，v为反应速率，V max为最大反应速率，K S为酶底物复合物ES的解离常数。米氏方程定量地反映了酶促反应速率与底物浓度的复杂关系，是酶促反应动力学研究历史上一个划时代的方程式。

影响酶促反应因素

通过改变酶必需基团的化学性质从而引起酶活力降低或丧失的作用称为抑制作用，具有抑制作用的物质称为抑制剂，抑制剂通常是小分子化合物，但在生物体内也存在生物大分子类型的抑制剂，例如胰脏内的胰蛋白酶抑制剂就是一种蛋白质。酶的抑制剂分为不可逆抑制剂和可逆抑制剂两大类。

不可逆抑制剂与酶的必需基团以共价键结合，引起酶的永久性失活，其抑制作用不能够用透析、超滤等温和物理手段解除。例如青霉素可与细菌糖肽转肽酶活性部位的丝氨酸羟基共价结合，使酶永久失活，从而抑制细菌细胞壁的合成，起抗菌作用。可逆抑制剂与酶蛋白以非共价键结合，引起酶活性暂时性丧失，其抑制作用可以通过透析、超滤等手段解除。可逆抑制剂又可分为竞争性抑制剂、非竞争性抑制剂和反竞争性抑制剂等。

化学反应速率一般都受温度影响，反应速率随温度的升高而加快，但在酶促反应中，随着温度的升高，酶会因热变性而失活，从而使反应速率减慢，直至酶完全失活。因此在较低的温度范围内，酶促反应速率随温度升高而增大，超过一定温度后，反应速率反而下降。每一种酶在一定条件下都有其最适温度，动物体内酶的最适温度在35～40℃，植物体内酶的最适温度在40～50℃，一些嗜热菌中的酶的最适温度可高达90℃以上，分别与生物的生存环境相对应。

pH过高或过低可导致酶高级结构的改变，使酶失活，又称为酸变性或碱变性，酶活性部位具有柔性，比其他部位更容易在酸、碱的作用下发生构象变化，导致酶活力的下降。pH通过影响底物的解离状态以及中间复合物ES的解离状态影响酶促反应速率。若其他条件不变，酶只有在一定的pH范围内才能表现催化活性，且在某一pH下，酶促反应速率最大，此pH称为酶的最适pH。各种酶的最适pH不同，但多数在中性、弱酸性或弱碱性范围内，如植物和微生物所含的酶最适pH多在4.5～6.5，动物体内酶最适pH多在6.5～8.0，但也存在例外，如胃蛋白酶的最适pH为1.5，这也与胃中的酸性环境相适应。

类似最适温度，酶的最适pH也不是固定的常数，最适pH可因底物种类和浓度以及缓冲溶液成分改变而变化。

酶的活力可以被某些物质提高，这些物质称为激活剂，在酶促反应体系中加入激活剂可导致反应速率的增加。激活剂大部分是无机离子或简单的有机化合物。酶原可被一些蛋白酶水解而激活，这些蛋白酶也可视为激活剂。通常酶对激活剂有一定的选择性，且有一定的浓度要求，一种酶的激活剂对另一种酶来说可能是抑制剂，当激活剂的浓度超过一定的范围时，它就成为抑制剂。有些离子在酶的激活作用方面具有拮抗作用，如钠离子可抑制钾离子的激活作用，钙离子可抑制镁离子的激活作用。有些金属离子可互相替代，如激酶的镁离子可用锰取代。这些复杂的相互作用有助于生物体对酶进行精确的控制和调节。

酶活性的调控

生物体内调控酶活性的方式有很多种，可概括为以下2类：一是通过改变酶的数量与分布来调控酶的活性；二是通过改变细胞内已有的酶分子的活性来对酶进行调节，后者又包括通过改变酶的结构调节酶的活性以及通过直接影响酶与底物的相互作用调节酶的活性等。对酶结构的调节有别构调控、可逆的共价修饰、酶原的激活等多种类型。

别构调控指酶的调节部位可以与某些化合物可逆地非共价结合，使酶发生结构的改变，进而改变酶的催化活性，别构酶通常为寡聚酶，它可受到底物与非底物的别构调控作用。可逆的共价修饰指某种酶在其他酶的催化下，其肽链中某些基团发生可逆的共价修饰作用，导致该酶在活性形式和非活性形式之间相互转变，以达到调节酶活性的目的。在特定蛋白水解酶的催化作用下，酶原(无活性的酶的前体)的结构发生改变，形成酶的活性部位，变成有活性的酶，称为酶原的激活。在酶水平的代谢调控中，通常是多种调控机制共同对一种酶起作用。

酶研究方法和酶工程

酶活力(酶活性)指酶催化指定化学反应的能力，酶活力的大小可以用在一定条件下单位时间内底物的减少量或产物的增加量来表示，常用的测活方法是分光光度法。酶的分离纯化实质上就是蛋白质的分离纯化，但需要特别防止酶的失活，对酶的纯化过程进行监控时，需要测定酶的总活力与比活力。

酶工程是研究酶的生产和应用的一门技术性学科，包括化学酶工程与生物酶工程两大部分，酶工程具有巨大的市场潜力与发展前景。

总结

酶的种类很多，而辅酶的种类却较少。通常一种酶蛋白只能与一种辅酶结合，成为一种特异的酶，但一种辅酶往往能与不同的酶蛋白结合，构成多种特异性酶。

酶是生物系统的反应催化剂，是细胞产生的具有催化活性的生物大分子。其主要作用特点一是通过显著降低反应活化能，提高催化效率；二是对所催化的反应具有高度专一性。此外，相对于无机催化反应．酶促反应条件温和，可以在常温、常压和有水的条件下正常进行。在体内，酶的活性受到严格调节。

在许多酶催化反应中，电子或原子团都从一个分子转移到另一个分子，这类反应总是会有附加的分子参与，并会暂时地适应这个转移。参与辅助的这类分子通常称之为辅酶。维生素以辅酶形式广泛参与物质代谢、促进生长发育和维持生理功能等。

主要参考文献

张丽萍.;杨建雄.;生物化学简明教程, 第5版, 高等教育出版社, 北京, 2015: 115-148.

刘国琴.;杨海莲.;生物化学复习指南暨习题解析,第7版,中国农业大学出版社,2013:82

甘玲.;罗献梅.;动物生物化学,案例版, 西南师范大学出版社,2015: 53