什么是酶催化剂?

什么是酶催化剂?

[拼音]：meicuihuaji

[外文]：enzyme

即指酶，一类由生物体产生的具有高效和专一催化功能的蛋白质。酶催化剂和活细胞催化剂均可称为生物催化剂。在生物体内，酶参与催化几乎所有的物质转化过程，与生命活动有密切关系；在体外，也可作为催化剂进行工业生产。酶有很高的催化效率，在温和条件下（室温、常压、中性）极为有效，其催化效率为一般非生物催化剂的109～1012倍。酶催化剂选择性（又称作用专一性）极高，即一种酶通常只能催化一种或一类反应，而且只能催化一种或一类反应物(又称底物)的转化，包括立体化学构造上的选择性。与活细胞催化剂相比，它的催化作用专一，无副反应，便于过程的控制和分离。

组成和活性

人类自从创造酿酒、制饴、做酱等工艺时起，即对生物催化作用有了初步认识。1897年德国E.布赫纳在对发酵过程进行的研究中，发现酵母的无细胞抽提液(即萃取液)也能引起发酵，这就为酶的分离纯化与研究提供了可能。1926年脲酶首次被结晶出来，并证明为蛋白质；以后又用各种方法制备和研究了上百种酶，证实了酶都是蛋白质；都是由氨基酸按一定顺序结合构成的大分子；在生理环境中，酶分子中的原子分别处于一定的空间位置上，形成特定的构象。在使小分子（如氮、氧、二氧化碳等）转化的酶催化反应中，酶的结构中通常含有金属中心。例如过氧化氢分解酶含铁；递送磷的酶含镁；能分解二氧化碳的酶含铬。酶中的金属元素之间形成一个较小区域的活性构造，固定在一个庞大的蛋白质分子上，分子量可高达数百万，如固氮酶中含有的铁钼蛋白，分子量约27～30万，每个分子系由一个钼原子、20个铁原子、20个半胱氨酸分子及15个不稳定的硫原子所组成。有相当数量的酶是以复合蛋白质的形式存在的，即除去蛋白质成分外，还含有其他的辅因子，如金属离子、某些维生素及其衍生物等小分子物质，这些辅因子是酶表现活性所必需的。与蛋白质部分结合较紧的称辅基，结合较松的称辅酶。前者如过氧化氢酶中的铁卟啉；后者如一些脱氢酶中的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)。通常把含有辅因子的复合蛋白质称全酶，除去辅因子的称酶蛋白。酶蛋白与许多蛋白不同之处为酶蛋白都具有一个与催化有关的特定区域，其中包括与催化过程有关的催化基团，以及与底物结合有关的结合基团。高温、强酸、强碱能破坏酶蛋白的空间结构而使其失去活性。酶的催化能力称为酶的活力。1961年国际生物化学联合会酶学委员会规定：在一分钟内催化一微摩尔底物发生反应所需的酶量为一个酶单位，以 U表示。而以每毫克蛋白质所含的酶单位数称为比活力。1972年，国际纯粹化学和应用化学联合会(IUPAC)与国际生物化学联合会建议采用“酶活力”来代替“酶单位”，即每秒钟转化一摩尔底物所需的酶活力为一个 Katal，简称Kat。1Kat=6×107U。影响酶活力的因素很多，如温度、pH值、反应物系的浓度及有关抑制剂等（见酶动力学）。

分类和命名

已知的酶约3000种，可分为六大类，每类又可分为若干亚类（见表）。酶的命名通式为“××底物＋××反应类型酶”，如使葡萄糖氧化成葡萄糖酸的酶称葡萄糖氧化酶。国际生物化学联合会酶学委员会对每一种酶均用四个数字（标码）标记，并冠以EC。EC表示酶学委员会系统，前面三个数字依次表示所属的大类、亚类、亚亚类，第四个数字表示亚亚类中的序号。例如：乳酸脱氢酶称为L-乳酸-NAD+氧化还原酶，其编号为(EC1.1.1.27)。第一个“1”表示氧化还原酶类；第二个“1”表示底物供体基团是匓CH-OH基;第三个“1”表示受体底物是NAD+或NADP+;第四个数“27”表示在以NAD+或NADP+为受体的这一小组酶中的流水序号。

来源和制剂

在工业生产中，酶主要从微生物发酵获得。得取方法是将细胞破碎，取得含酶的浆液；胞外酶则直接从发酵液中提取，如用层析法、分级沉淀法等。对于不同的用途，有不同的纯度要求，在市场中可获得某些粉状或浓缩液状态的酶制剂商品。

酶通常是在游离状态下以稀溶液的形式与底物进行催化反应，反应完成后难以将酶回收，或在回收过程中活力下降，只宜在釜式反应器中使用，分批作业。另一种酶制剂是将酶与某些不溶性大分子载体结合，形成固定化酶，其优点是易于从反应混合物中分离，重复使用，可以构成连续作业，可以在连续流动的搅拌反应器、固定床反应器或流化床反应器中使用。固定化后常可提高酶的稳定性，有些场合还可提高活力。

应用

古代人类凭着经验利用酶制造食物，现代把酶催化剂更广泛地用于生产，许多新的工业生物反应过程相继问世。食品工业广泛利用各种酶制造糖、酒、酱、醋等食品，纺织工业利用淀粉酶脱浆，毛纺业利用脂肪酶脱脂，皮革业利用角蛋白酶脱毛，制丝业及照相器材业利用蛋白酶使生丝及底片脱胶。农业用霉菌淀粉酶、纤维素酶作饲料加工，用果胶酶沤麻或精制麻。在医药、轻工方面，酶催化剂被利用生产氨基酸、半合成抗生素等。酶也直接被制成多种药物，如助消化药（酸性蛋白酶）、消炎药（溶菌酶）、抑制肿瘤药(天冬酰胺酶)以及用固定化酶制造人工脏器等。在酶法分析中，酶是一种生化试剂，也可制成测定某些底物浓度的酶电极。在利用资源和开发能源方面，生物催化剂有极为广阔的前景。生物含能体的催化转化是当前催化科学技术中的重要研究领域。

参考书目

G.G.Hammes， Enzyme Catalysis and Regulation，Academic Press，New York，1982.