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酶分子中存在著許多化學(xué)基團(tuán),例如,氨基、羧基、羥基、咪唑基、巰基等,恒溫干浴器但這些基團(tuán)不一定都與酶活 性有關(guān)。酶分子中只有那些與酶活性有關(guān)的基團(tuán),稱作酶的必需基團(tuán)($//$#.&2+ ,%"-?)。常見的必需基團(tuán) 有絲氨酸殘基的羥基、組氨酸殘基的咪唑基、半胱氨酸的巰基、酸性氨基酸殘基的羧基(表 @A)等。這 些基團(tuán)多具有獨對電子,易與底物形成配位鍵。酶蛋白分子中能與底物特異結(jié)合并發(fā)揮催化作用,將底物 轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物的部位稱為酶的活性中心(2’.&B$ ’$#.$%)或活性部位(2’.&B$ /&.$)。 表 # %!一些酶活性中心的必需基團(tuán) 名44稱活性中心的必需基團(tuán) 44胰蛋白酶 =&/A64 C$%DEF4 */?EG 44彈性蛋白酶 =&/@G4 */?DF64 C$%DH@4 */?DHA4 I+$D: 44羧基肽酶 *%,DA@4 J)%6AE4 K+-6GF 44溶菌酶 K+->@4 */?@6 44乳酸脫氫酶 */?>F4 */?@>4 L)/@E4 J)%E@4 *%,DFD K+-DAF4 *%,DGD4 =&/DH@4 L)/6@F 44 !胰凝乳蛋白酶 =&/@G4 */?DF64 */?DHA4 C$%DH@4 I+$D: 44酶活性中心的必需基團(tuán)有兩種:一是結(jié)合基團(tuán)( M&#, ,%"-?),其作用是識別底物并與之特異結(jié)合, 使底物與具有一定構(gòu)象的酶形成復(fù)合物;另一是催化基團(tuán)(’2.2+).&’ ,%"-?),其作用是影響底物中的某些化 學(xué)鍵的穩(wěn)定性,催化底物發(fā)生化學(xué)反應(yīng),從而將其轉(zhuǎn)變成產(chǎn)物。有些酶的必需基團(tuán)同時兼有結(jié)合和催化兩 種功能。除了酶活性中心(圖 @D)內(nèi)的必需基團(tuán)之外,酶在活性中心以外也有必需基團(tuán)。它們雖然不 直接參與催化作用,但卻能維持酶的特殊的空間構(gòu)象,稱為酶活性中心外的必需基團(tuán)。如酶的這些必需基 團(tuán)被修飾,酶的空間結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)較大的改變,影響酶活性中心的形成,喪失催化活性。 "!第一篇 #生物分子的結(jié)構(gòu)與功能 圖 ! "#溶菌酶的活性中心 $、%、&、’、(、)為溶菌酶的底物(*$+) , 的 ,個 *乙酰氨基葡糖環(huán), -!為溶菌酶的 -!位 +./,!0為溶 菌酶的 !0位 $12,均為該酶的催化基團(tuán)。 +./-! 和 $12!0 催化 ’環(huán)的糖苷鍵斷裂,使 (,)兩個二聚體與 $、%、&、’四聚體分開。 $12"3" ,452"36 是該酶的結(jié)合基團(tuán) ##酶活性中心是由一級結(jié)構(gòu)上可能相距較遠(yuǎn),但在
三維空間結(jié)構(gòu)上卻十分接近的幾個氨基酸殘基形成 的具有一定空間結(jié)構(gòu)的區(qū)域。酶活性中心常常是具有三維空間結(jié)構(gòu)的裂縫或裂隙( 7589:78)。底物分子 (或一部分)結(jié)合到裂隙內(nèi)并發(fā)生催化反應(yīng)。此裂縫多為氨基酸殘基的疏水基團(tuán)形成的疏水“口袋”,深入 到酶分子內(nèi)部。非極性基團(tuán)聚在一起形成一個易與底物結(jié)合的環(huán)境,利于催化作用的發(fā)生。在此裂隙中 底物濃度可達(dá)很高。酶可由數(shù)十個或數(shù)百個氨基酸殘基組成,而構(gòu)成活性中心的氨基酸殘基只是一小部 分,常常只占整個酶分子體積的 "; <0;。酶分子的催化部位常常只由 0個 <-個氨基酸殘基構(gòu)成。而 酶分子中大部分氨基酸殘基作為支架用于形成酶分子的三維空間結(jié)構(gòu)。圖 !"顯示了溶菌酶的活性中 心,該部位剛好能容納一個六糖分子( *$+),$、%、&、’、(、)表示 ,個糖殘基的位置。第四個糖殘基 ’ 環(huán)由于空間限制作用由正常的椅式結(jié)構(gòu)變成能(,) 量較高的半椅式構(gòu)象,導(dǎo)致 ’(之間的糖苷鍵穩(wěn)定性降低, 容易斷裂。酶分子的 +./-! 和 $12!0 催化 ’環(huán)的糖苷鍵斷裂,使 (、)二聚體與 $、%、&、’四聚體分開。 三、酶的結(jié)構(gòu)與功能 ##(一)酶的一級結(jié)構(gòu)、空間結(jié)構(gòu)與酶的活性 ##酶的一級結(jié)構(gòu)是酶發(fā)揮催化功能的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。酶的一級結(jié)構(gòu)改變可能使其催化功能發(fā)生一定的改 變。與酶活性密切相關(guān)的氨基酸序列是維持酶活性的關(guān)鍵。有相同催化功能的同一類酶,其活性中心的 一些氨基酸序列有極大的同源性。例如,胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶和彈性蛋白酶均屬于胰蛋白酶家族,這 三種酶活性中心的氨基酸殘基有 0!;的同源性,甚至二硫鍵的位置亦相同。胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、彈 性蛋白酶的活性中心均含有 =85和 >:1殘基(見第二章 #表 0?);而木瓜蛋白酶、菠蘿蛋白酶的活性中心 則含有 &@1和 >:1殘基。 ##酶的催化活性除了依賴于酶的一
級結(jié)構(gòu),也與它的正確的空間構(gòu)象密切相關(guān)。如胰蛋白酶、胰凝乳蛋 白酶和彈性蛋白酶的活性中心 =85殘基附近都有一個立體的“口袋”狀結(jié)構(gòu),被水解肽鍵羧基側(cè)的氨基酸 側(cè)鏈恰好落在這個口袋中。胰蛋白酶的口袋較深,底部含帶負(fù)電的 $12"6A,可容納底物的帶正電的長側(cè) 鏈 $5B或 C@1,使 $5B或 C@1的羧基端肽鍵被水解。胰凝乳蛋白酶的口袋較寬,并由非極性氨基酸殘基構(gòu) 成,故可容納側(cè)鏈大的疏水性氨基酸和芳香族氨基酸,使其羧基端肽鍵被水解。彈性蛋白酶的袋口兩側(cè)均 第五章 &酶"! 為 !"#,對側(cè)鏈大或長的殘基的進(jìn)入有阻礙作用,故該酶易水解側(cè)鏈小的非極性氨基酸的羧基端肽鍵(圖 $ %)。一些酶具有四級結(jié)構(gòu),四級結(jié)構(gòu)完整時,酶的催化功能才可正常發(fā)揮。因此酶的特異的三維空間 結(jié)構(gòu)是酶催化功能的基礎(chǔ)。 圖 $ %&胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶和彈性蛋白酶活性中心底物結(jié)合口袋 & &(二)酶的變構(gòu)效應(yīng) & &關(guān)于血紅蛋白的變構(gòu)調(diào)節(jié)已在第二章涉及,生物體內(nèi)許多酶也有類似的變構(gòu)現(xiàn)象。細(xì)胞內(nèi)一些中間 代謝物能與某些酶分子活性中心以外的某一部位以非共價鍵可逆結(jié)合,使酶構(gòu)象發(fā)生改變并影響其催化 活性,進(jìn)而調(diào)節(jié)代謝反應(yīng)速率,這種現(xiàn)象為變構(gòu)效應(yīng)( "##’()*+,-*..*-))。對酶催化活性的這種調(diào)節(jié)方式稱 為變構(gòu)調(diào)節(jié)("##’()*+,-+*/0#"),’1)。具有變構(gòu)調(diào)節(jié)的酶被稱為變構(gòu)酶("##’()*+,-*1234*)。酶分子中與中間 代謝物結(jié)合的部位稱為變構(gòu)部位( "##’()*+,-(,)*)或調(diào)節(jié)部位( +*/0#")’+3 (,)*)。能引起變構(gòu)效應(yīng)的代謝物 稱為變構(gòu)效應(yīng)劑("##’()*+,-*..*-)’+)。如果某效應(yīng)劑能使酶活性增加并加速反應(yīng)速率,則被稱為變構(gòu)激活 劑("##’()*+,-"-),5")’+);反之,降低酶活性及反應(yīng)速率者為變構(gòu)抑制劑("##’()*+,-,16,7,)’+)。 圖 $ 8&蛋白激酶 9的變構(gòu)作用 蛋白激酶 9(:% ;% )的 :% 與
<個 -9=>(是一種變構(gòu)激活劑, 它可與調(diào)節(jié)亞基結(jié)合,使調(diào)節(jié)亞基發(fā)生構(gòu)象改變,從而與催化亞基分離,游離的催化亞基即具有催化活性。 "!第一篇 #生物分子的結(jié)構(gòu)與功能 ##變構(gòu)效應(yīng)劑常常是酶的底物、產(chǎn)物或其他小分子代謝物。 這些變構(gòu)效應(yīng)劑濃度的變化可通過變構(gòu)效應(yīng)改變某些酶的活 性,進(jìn)而改變代謝反應(yīng)速率或代謝途徑的方向。變構(gòu)酶的動力 學(xué)特點不符合米氏方程式。在變構(gòu)效應(yīng)劑作用下,正協(xié)同效應(yīng) 變構(gòu)酶的反應(yīng)速率對[$]的曲線呈 $型(圖 !"),而不是矩形 雙曲線。 ##例如,磷酸果糖激酶的變構(gòu)激活劑是 %&’、%(’。當(dāng)它們 發(fā)揮作用時, $形曲線可左移發(fā)生變構(gòu)激活作用;而變構(gòu)抑制劑 %)’可使曲線右移,發(fā)生變構(gòu)抑制作用。變構(gòu)調(diào)節(jié)只引起酶構(gòu) 象的改變,不涉及共價鍵的改變。 ##(三)酶的共價修飾 ##酶蛋白肽鏈上的某些基團(tuán)可在另一種酶的催化下,與某些 化學(xué)基團(tuán)發(fā)生可逆的共價結(jié)合,從而影響酶的活性。對酶活性的這種調(diào)節(jié)方式稱為酶的共價修飾( *+,-. /012 3+4565*-25+1),或化學(xué)修飾(*7035*-/ 3+4565*-25+1)。酶的可逆的共價修飾包括磷酸化( 87+987+:;/-25+1) 和去磷酸化(4087+987+:;/-25+1,圖 !!);甲基化(3027;/-25+1)和去甲基化(403027;/-25+1);腺苷化( -401;. /-25+1)和去腺苷化(40-401;/-25+1);尿苷化(<:54;/-25+1)和去尿苷化( 40<:54;/-25+1);%&’核糖化( %&’ :5. =+9;/-25+1)和去 %&’核糖化( 40:5=+9;/-25+1)等。酶的磷酸化和去磷酸化是常見的酶化學(xué)修飾方式。酶 蛋白的磷酸化是在蛋白激酶的催化下,來自 %)’的磷酸基團(tuán)共價地結(jié)合在酶蛋白的 $0:、)7:或 );:殘基 的側(cè)鏈羥基上。反之,磷酸化的酶蛋白在磷蛋白磷酸酶催化下,磷酸酯鍵被水解。磷酸化或去磷酸化可使 酶從無(低)活性變?yōu)橛校ǜ撸┗钚。一些酶也可從有(高)活性變(yōu)闊o(低)活性。 圖 ! "#變構(gòu)酶的