酶分子结构与活性中心

1.酶的活性中心　酶分子中氨基酸残基的侧链具有不同的化学基团。其中一些与酶活性密切相关的化学基团称为酶的必需基团（essential group）。这些必需基团在一级结构上可能相距很远，但在空间结构上彼此靠近，组成具有特定空间结构的区域，能与底物分子发生特异性的结合并将底物转化为产物，这个区域就称为酶的活性中心（active center）或活性部位（active site）。辅酶或辅基参与酶活性中心的组成。酶的活性中心是酶分子中具有三级结构的区域，形如裂缝或凹陷，由酶的特定空间结构所维持，并深入到酶分子内部，且多为氨基酸残基的疏水基团组成的疏水环境，即疏水“口袋”。

酶活性中心内的必需基团按其作用的特点分两类：结合基团（binding group）结合底物和辅酶，使之与酶形成复合物；催化基团（catalytic group）影响底物中某些化学键的稳定性，催化底物发生化学反应并将其转变成产物。活性中心内的必需基团也可同时具有这两方面的功能。组氨酸残基的咪唑基、丝氨酸残基的羟基、半胱氨酸残基的巯基以及谷氨酸残基的γ-羧基是构成酶活性中心的常见基团。还有一些必需基团虽然不参加活性中心的组成，但却是维持酶活性中心应有的空间构象所必需，这些基团称为酶活性中心外的必需基团（图5-2）。

图5-2　酶活动中心示意图

2.酶原与酶原的激活 有些酶在细胞内合成或初分泌时，或在其发挥催化功能前只是酶的无活性前体，必须在一定的条件下，发生构象改变后才能表现出酶的活性。这种无活性酶的前体称为酶原（zymogen）。酶原向酶的转化过程称为酶原的激活。酶原的激活实际上是酶的活性中心形成或暴露的过程。

胃蛋白酶、胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、羧基肽酶、弹性蛋白酶在它们初分泌时都是以无活性的酶原形式存在，在一定条件下水解掉一个或几个短肽，转化成相应的酶。例如，胰蛋白酶原进入小肠后，在Ca2+存在下受肠激酶的激活，第6位赖氨酸残基与第7位异亮氨酸残基之间的肽键被切断，水解掉1个六肽，分子的构象发生改变，形成酶的活性中心，从而成为有催化活性的胰蛋白酶（图5-3）。而消化管内蛋白酶原的激活具有级联反应特征。胰蛋白酶原被肠激酶激活后，生成的胰蛋白酶除了可以自身激活外，还可进一步激活胰凝乳蛋白酶原、羧基肽酶原A和弹性蛋白酶原，从而加速对食物的消化过程。

图5-3　酶原激活示意图

酶原的激活具有重要的生理意义。消化管内蛋白酶以酶原形式分泌，不仅保护消化器官本身不受酶的水解破坏，而且保证酶在其特定的部位与环境中发挥其催化作用。此外，酶原还可以视为酶的储存形式。如凝血和纤维蛋白溶解酶类以酶原的形式在血液循环中运行，既防止了血液凝固，又可以在机体需要时转化为有活性的酶，发挥其对机体的保护作用。

3.变构酶　变构酶（allosteric enzyme）是指某些酶分子活性中心外的部位（也称为变构部位或调节部位）与体内一些代谢物可逆地结合，使酶发生结构变化并改变其催化活性的一类酶。对酶催化活性的这种调节方式称为变构调节（allosteric regulation）。导致变构效应的代谢物称为变构效应剂（allosteric effector）。使酶活性增高的称为变构激活剂，反之称为变构抑制剂。有时底物本身就是变构效应剂。(www.xing528.com)

变构酶分子中常含有多个（偶数）亚基，酶分子的催化部位（活性中心）和调节部位有的在同一亚基内，也有的不在同一亚基。含催化部位的亚基称为催化亚基；含调节部位的亚基称为调节亚基。具有多亚基的变构酶具有协同效应，是体内快速调节酶活性的重要方式，包括正协同效应和负协同效应。大多数变构酶催化的反应速度对底物浓度曲线呈“S”型（图5-4）。

图5-4　变构酶的“S”曲线

4.同工酶　同工酶（isoenzyme）是指催化的化学反应相同，而酶蛋白的分子结构、理化性质以及免疫学性质不同的一组酶。它存在于同一种属或同一个体的不同组织或同一细胞的不同亚细胞结构中，在代谢调节上起着重要的作用。

现已发现百余种酶具有同工酶。乳酸脱氢酶（lactate dehydrogenase，LDH或LD）是最为人知的四聚体酶。该酶的亚基有两型：骨骼肌型（M型）和心肌型（H型）。这两型亚基以不同的比例组成5种同工酶：LDH1（H4）、LDH2（H3M）、LDH3（H2M2）、LDH4（HM3）、LDH5（M4）。由于分子结构上的差异，这5种同工酶具有不同的电泳速度（1～5序列代表电泳速度递减的顺序），对同一底物具有不同的Km值。LDH的同工酶在不同组织器官中的含量与分布比例不同（表5-2）。

表5-2　人体各组织器官中LDH同工酶的分布（占总活性的百分比）

同工酶的测定已应用于临床实践。当某一组织发生疾病时，可能有某种特殊的同工酶释放入血，导致血清同工酶谱的变化从而有利于对疾病的诊断。如正常血清LDH2的活性高于LDH1，但当心肌梗死或心肌细胞损伤时可见LDH1高于LDH2。