第七节 酶类
一、酶的基本知识
（一）酶的基本概念
酶是具有催化功能的生物大分子，和其他催化剂一样，酶能通过降低活化能来显著的改变化学反应速率，使反应快速达到平衡，但不能改变反应的平衡常数。酶最大的特点是强大的催化能力和专一性。酶的催化活力，若以分子比表示，酶催化反应的反应速率比非催化或非生物催化剂反应速度高100～1 000倍。酶催化的反应与非酶催化的反应历程不同，只能估计出一个下限。几乎所有细胞中的代谢过程都需要酶，它们能使生物体内的反应足够快速的发生从而维持生命。酶是一种非常有效的催化剂，它们能够特异性地结合很大范围的分子，通过利用分子间作用力，将底物以最佳的方式组合在一起，这是破坏和制造化学键的前奏。已知酶能够催化超过5 000种生物化学反应。酶的活性易受其他物质的影响，并且酶的活性需要有适宜的温度和pH值，在最适温度和最适pH值之外酶的活性显著降低。
1962年，詹姆斯·萨姆纳（James B.Sumner）证明脲酶是一种纯蛋白质，并获得了脲酶结晶，他在1937年也对过氧化氢酶做了同样的实验证明其本质。随后的50多年中，人们普遍接受了“酶是具有生物催化功能的蛋白质”这一概念，直到1982年托马斯·切克（Thomas Cech）发现核酸类酶。
（二）酶的化学本质和组成结构
除少数核酶外，绝大多数酶都是蛋白质。但不能说所有的蛋白质都是酶，只有具有催化作用的蛋白质才称为酶。根据酶中起催化作用的主要成分，来自自然界的酶可以分为蛋白质类酶和核酸类酶两类，蛋白质类酶占绝对主导多数。
许多酶的催化活性取决于被称为辅因子的小分子的存在，确切的作用随着辅因子和酶的不同而变化。没有辅因子的酶被称为脱辅酶，具有完整催化活性的酶被称为全酶。辅因子可以分为两类：金属离子和有机小分子。例如，碳酸酐酶需要Zn2+作为辅因子结合后才有催化活性。酶的辅因子根据它们与脱辅酶结合的松紧程度的不同分为辅酶和辅基。通常辅酶是指与脱辅酶结合比较松弛的小分子有机物质，可以通过透析的方法除去，如辅酶Ⅰ和辅酶Ⅱ等。辅基通常是以共价键和脱辅酶结合，不能通过透析去除，需要经过一定的化学处理才能与蛋白分开，如细胞色素氧化酶中的铁卟啉，丙酮酸氧化酶中的黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD），都属于辅基。辅酶和辅基的区别在于它们与脱辅酶结合的牢固程度不同，并无严格的界限。酶对辅酶或者辅基的要求有一定选择性，脱辅酶部分决定酶催化的专一性。辅酶和辅基在酶催化过程中通常是起着电子、原子或某些化学基团的传递作用，许多维生素就是辅酶或辅基的前体。
（三）酶的命名和分类
许多酶有通用的名称，例如，由胰腺分泌的蛋白水解酶被称为胰蛋白酶。为了使酶的分类具有一致性，国际酶学委员会于1964年根据各种酶所催化反应的类型，把酶分为六大类：氧化还原酶类、转移酶类、水解酶类、裂合酶类、异构酶类和连接酶类。这六大类根据性质被进一步细分并编号，编号之前冠以EC（enzyme commission缩写），编号后的第一个数字表示该酶属于六大类中的哪一类，第二个数字说明该酶属于哪一个亚类，以此类推。
1.氧化还原酶类（oxido-reductases）
是一类催化氧化还原反应的酶，可分为氧化酶和脱氢酶两类。
2.转移酶类（transferases）
催化化合物某些基团的转移，即将一种分子上的某一基团转移到另一种分子上的反应，比如谷丙转氨酶。
3.水解酶类（hydrolases）
催化水解反应，大都属于细胞外酶，在生物体内分布最广，数量也多。
4.裂合酶类（lyases）
催化从底物移去一个基团而形成双键的反应或其逆反应。
5.异构酶类（isomerases）
催化各种同分异构体之间的相互转变，即分子内部基团的重新排列，这类酶包括消旋酶、差向异构酶、顺反异构酶、分子内氧化还原酶、分子内转移酶和分子内裂解酶等亚类。
6.连接酶类（ligases）
催化有腺苷三磷酸（ATP）参加的合成反应，即由两种物质合成一种新物质的反应。
（四）酶的专一性
酶的专一性可以分为两种类型：结构专一性和立体异构专一性。结构专一性：有的酶对底物的要求非常严格，只能作用于一种底物，而不作用于任何其他物质，这种专一性是绝对专一性。有的酶对底物的专一性比绝对专一性稍低，可作用于一类结构相近的底物，这种专一性是相对专一性。立体异构专一性：当底物具有立体异构体时，酶只能作用于其中的一种，这种专一性就是立体异构专一性，这种专一性是非常普遍的现象。
酶的专一性与酶的种类和结构相关联。例如，蛋白酶水解底物特异性程度明显不同。某些枯草杆菌蛋白酶会切割任何肽键而几乎不考虑相邻侧链。胰蛋白酶是一种具有高度特异性的消化酶，它仅催化水解赖氨酸和精氨酸的羧基形成的肽键。凝血酶是一种参与凝血的酶，它比胰蛋白酶的特异性更高，仅在特定的肽序列中催化水解精氨酸-甘氨酸（Arg-Gly）形成的肽键。酶的特异性是由于底物和酶精确的相互作用，这种精确性的产生是因为酶具有复杂的三维结构。DNA聚合酶Ⅰ是另一种高度特异性的酶，它将核苷酸添加到正在合成的DNA链中，序列由作为模板的另一条DNA链中的核苷酸序列确定。DNA聚合酶Ⅰ在按照模板添加核苷酸时非常精确，它将错误的核苷酸插入一个新的DNA链中的概率连百万分之一都不到。
二、酶在消毒杀菌方面的应用
（一）酶的消毒杀菌效果
由于酶具有高效，专一的特性，某些能对微生物起到损伤甚至杀灭作用的酶已经被人们用于消毒的过程，目前可直接用于杀灭微生物的酶主要有：溶菌酶、几丁质酶、过氧化物酶、细菌素和细菌自溶素、核酶和噬菌体裂解酶等。
1.溶菌酶
也被称为N-乙酰基神经酰胺糖基水解酶，是由动物产生的抗微生物酶，它是形成先天免疫系统的一部分。溶菌酶是一种糖苷水解酶，可以催化革兰氏阳性菌细胞壁的主要成分，即肽聚糖中的N-乙酰胞壁酸和N-乙酰-D-葡糖胺残基之间的1，4-β-糖苷键的水解，这种水解反应会损害细菌细胞壁的完整性，导致细菌溶解。溶菌酶在眼泪、唾液、人乳和黏液等广泛存在，也存在于巨噬细胞和多形核中性粒细胞（PMN）中。值得一提的是，蛋清中含有大量的溶菌酶。该溶菌酶耐热，在pH为5.0的条件下，能经受72℃高温而不变性。而人乳溶菌酶在这个温度下会很快就失去活性。溶菌酶可以耐受pH为6～9的环境。该酶通过攻击、水解和破坏肽聚糖中的糖苷键发挥杀死微生物的功能，也能破坏几丁质中的糖苷键，但不如几丁质酶高效。溶菌酶的活性位点是两个结构域中间明显的裂隙，这个裂隙可以与肽聚糖分子结合，从而使分解肽聚糖的反应发生。咪唑及其衍生物可以与溶菌酶活性中心内部或外部的一些残基形成涉及电荷转移的络合物，从而对溶菌酶起到竞争性抑制的作用。在革兰氏阴性细菌中，脂多糖通过与溶菌酶高度结合而起非竞争抑制作用。溶菌酶是先天免疫系统的一部分，新生儿的溶菌酶水平的降低与支气管肺发育不良有关。人乳中溶菌酶的浓度比家畜乳中的浓度高1 600～3 000倍，也比鸡蛋清溶菌酶活性更高，喂食人溶菌酶乳的仔猪可以更快地从大肠杆菌引起的腹泻中恢复。利用转基因山羊去分泌含人类溶菌酶的乳汁，可以帮助不能获得人类母乳喂养的孩子，避免他们被腹泻折磨。溶菌酶是应对革兰氏阳性病原体（如芽孢杆菌和链球菌）的天然保护方式，它在母乳喂养的酶医学中起着重要的作用。皮肤利用干燥和偏酸性的环境作为保护性屏障，而结膜则被分泌酶（主要是溶菌酶）保护，但这些保护性障碍失效时，会出现结膜炎。在某些癌症（尤其是骨髓单核细胞性白血病）中，癌细胞产生的溶菌酶过多会导致血液中溶菌酶达到有害水平，高溶菌酶血液水平会导致肾衰竭和低血钾。
2.几丁质酶
是分解几丁质中糖苷键的水解酶，由于几丁质是某些真菌的细胞壁组分，因此几丁质酶能起到抑制或杀灭某些微生物的效果。许多细菌具有几丁质酶，它们能攻击活的节肢动物、浮游动物或真菌，也能降解这些生物的遗体。真菌如球孢子菌也具有降解性几丁质酶，因此，也具有作为节肢动物病原体的潜力。植物中也存在几丁质酶，主要用于抵抗真菌和昆虫的进攻。几丁质酶天然存在于许多常见的食物中，例如香蕉、栗子、猕猴桃、鳄梨、番木瓜和西红柿等，它们都含有显著水平的几丁质酶，以防御真菌和无脊椎动物的攻击；并且压力或环境信号，如乙烯气体可以刺激几丁质酶的产生。几丁质酶有很多应用，其中一些已经实现工业化，包括将几丁质转化为有用的产品，例如肥料，非致命性、无毒性、生物相容性并可生物降解的材料以及增强杀虫剂和杀菌剂。几丁质酶未来可能因为其消毒的能力作为食品添加剂来延长保质期，治疗哮喘和慢性鼻窦炎，并可以作为抗真菌药物和抗肿瘤药物等。
3.过氧化物酶
大多数过氧化物酶的最佳底物是过氧化氢，但也有一部分过氧化物酶对于有机过氧化物如过氧化脂类更具有活性。其反应的电子供体的性质取决于酶的结构，例如辣根过氧化物酶可以使用各种有机化合物作为电子供体和受体，它的活性位点使许多化合物易于到达反应位点。但是对于诸如细胞色素C过氧化物酶，由于其活性位点非常狭窄，所以提供电子的化合物具有较高特异性。尽管确切的机制还没有确定，但已知过氧化物酶在增加植物对病原体的抵抗防御方面发挥了作用。已知对病原微生物有较好杀灭效果的过氧化物酶有卤素过氧化物酶、乳过氧化物酶（LPO）和葡萄糖氧化酶等。弯孢菌卤素过氧化物酶可快速杀灭细菌、酵母和丝状真菌，葡萄糖氧化酶和乳酸过氧化酶可杀死生物膜上的金黄色葡萄球菌、表皮葡萄球菌、荧光假单胞菌、铜绿假单胞菌和转糖链球菌等。
4.细菌素和细菌自溶素
是细菌自身分泌的蛋白酶类物质，用于拮抗同种或异种细菌，或者参与细菌自身生理活动，例如细菌繁殖，细胞分裂，孢子的形成等。细菌素是André Gratia于1925年首次发现的，他观察到这种物质能够杀死大肠杆菌，随后更多不同种类以及来源的细菌素被发现。细菌自溶素是水解生物细胞或组织组分的酶，所有含肽聚糖的细菌都能合成细菌自溶素。肽聚糖基质非常坚硬，细菌用细菌自溶素分解肽聚糖，从而使自身细胞可以生长或者分裂。但过量的细菌自溶素的存在会破坏细胞壁，并由于渗透压改变而导致细胞破裂。例如溶葡萄球菌素，它是金黄色葡萄球菌自身分泌的酶，能够切割某些葡萄球菌的细胞壁肽聚糖。与常用的抗生素相比，比如万古霉素、溶葡萄球菌素已经被证明在体外表现出更大的抗菌活性。
5.核酶
是具有酶活性的RNA分子，具有高特异性和无毒性的特点，是近年来抗病毒研究的热点之一。核酶抗病毒作用目前大都处于实验研究阶段，有研究将核酶应用到抗HIV感染的研究中，也有研究串联核酶体外抗乙肝病毒的效果，但国内外尚无将核酶作为消毒剂应用的研究。
6.噬菌体裂解酶
是由噬菌体产生的水解酶，用以裂解宿主的细胞壁。噬菌体裂解酶是一种高度进化的酶，它能够靶向分解细菌细胞壁的主要成分肽聚糖。并不是所有的噬菌体都能合成噬菌体裂解酶，一些小的单链DNA和RNA噬菌体产生的膜蛋白可以直接激活宿主的自溶机制。噬菌体裂解酶与抗生素相比具有较高的效力和特异性，但同样目前尚无将噬菌体裂解酶作为消毒剂应用的研究。
（二）酶的辅助消毒
实际消毒过程中，含酶消毒剂通常会含有蛋白水解酶、脂肪酶、淀粉酶、纤维素酶、糖酶、血酶、溶菌酶等许多种酶，并与化学消毒剂联合使用。前六种酶的水解底物分别为蛋白质、脂肪、淀粉、纤维素、糖和血液。需要消毒的环境中大量存在这些物质，而这些物质可能是环境中本就存在的，也有微生物分泌保护自身的。为了消毒彻底，需要酶的辅助去除分解，使溶菌酶等有杀灭作用的酶接触到微生物。原卫生部《内镜清洗消毒技术操作规范》（2004年）明确要求器械采用含酶清洗剂清洁。有大量研究表明，含酶清洗剂和化学消毒剂联合使用的效果要优于单一使用化学消毒剂。同时由于酶的高效性，能够在医院器械有限的情况下尽可能减少消毒时间，提高效率。
酶因为其特异性、高效性、安全性等，在消毒学领域正得到越来越多的重视。更多的研究和探索如何利用酶去杀灭特定的病原微生物，以及多种酶复合使用时的消毒效果，必然会对消毒学研究产生深远的影响。
（熊海容 编 陈昭斌 审）