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酶作用的分子基础

2017-08-02

酶作用的分子基础

酶的化学组成

  按照酶的化学组成可将酶分为单纯酶和结合酶两大类。单纯酶分子中只有氨基酸残基组成的肽链,结合酶分子中则除了多肽链组成的蛋白质,还有非蛋白成分,如金属离子、铁卟啉或含B族维生素的小分子有机物。结合酶的蛋白质部分称为酶蛋白(apoenzyme),非蛋白质部分统称为辅助因子 (cofactor),两者一起组成全酶(holoenzyme);只有全酶才有催化活性,如果两者分开则酶活力消失。非蛋白质部分如铁卟啉或含B族维生素的化合物若与酶蛋白以共价键相连的称为辅基(prosthetic group),用透析或超滤等方法不能使它们与酶蛋白分开;反之两者以非共价键相连的称为辅酶(coenzyme),可用上述方法把两者分开。表4-1为以金属离子作结合酶辅助因子的一些例子。表4-2列出含B族维生素的几种辅酶(基)及其参与的反应。  结合酶中的金属离子有多方面功能,它们可能是酶活性中心的组成成分;有的可能在稳定酶分子的构象上起作用;有的可能作为桥梁使酶与底物相连接。辅酶与辅基在催化反应中作为氢(H+和e)或某些化学基团的载体,起传递氢或化学基团的作用。体内酶的种类很多,但酶的辅助因子种类并不多,从表4—1中已见到几种酶均用某种相同的金属离子作为辅助因子的例子,同样的情况亦见于辅酶与辅基,如3-磷酸甘油醛脱氢酶和乳酸脱氢酶均以NAD+作为辅酶。酶催化反应的特异性决定于酶蛋白部分,而辅酶与辅基的作用是参与具体的反应过程中氢(H+和e)及一些特殊化学基团的运载。

酶的活性中心

  酶属生物大分子,分子质量至少在1万以上,大的可达百万。酶的催化作用有赖于酶分子的一级结构及空间结构的完整。若酶分子变性或亚基解聚均可导致酶活性丧失。一个值得注意的问题是酶所催化的反应物即底物(substrate),却大多为小分物质它们的分子质量比酶要小几个数量级。  酶的活性中心(active center)只是酶分子中的很小部分,酶蛋白的大部分氨基酸残基并不与底物接触。组成酶活性中心的氨基酸残基的侧链存在不同的功能基团,如-NH2、-COOH、-SH、-OH和咪唑基等,它们来自酶分子多肽链的不同部位。有的基团在与底物结合时起结合基团(binding group)的作用,有的在催化反应中起催化基团(catalytic group)的作用。但有的基团既在结合中起作用,又在催化中起作用,所以常将活性部位的功能基团统称为必需基团(essential group)。它们通过多肽链的盘曲折叠,组成一个在酶分子表面、具有三维空间结构的孔穴或裂隙,以容纳进入的底物与之结合(图4-1)并催化底物转变为产物,这个区域即称为酶的活性中心。  而酶活性中心以外的功能集团则在形成并维持酶的空间构象上也是必需的,故称为活性中心以外的必需基团。对需要辅助因子的酶来说,辅助因子也是活性中心的组成部分。酶催化反应的特异性实际上决定于酶活性中心的结合基团、催化基团及其空间结构。

酶的分子结构与催化活性的关系

  酶的分子结构的基础是其氨基酸的序列,它决定着酶的空间结构和活性中心的形成以及酶催化的专一性。如哺乳动物中的磷酸甘油醛脱氢酶的氨基酸残基序列几乎完全相同,说明相同的一级结构是酶催化同一反应的基础。又如消化道的糜蛋白酶,胰蛋白酶和弹性蛋白酶都能水解食物蛋白质的肽键,但三者水解的肽键有各自的特异性,糜蛋白酶水解含芳香族氨基酸残基提供羧基的肽键,胰蛋白酶水解赖氨酸等碱性氨基酸残基提供羧基的肽键,而弹性蛋白酶水解侧链较小且不带电荷氨基酸残基提供羧基的肽键.这三种酶的氨基酸序列分析显示40%左右的氨基酸序列相同,都以丝氨酸残基作为酶的活性中心基团,三种酶在丝氨酸残基周围都有G1y-Asp-Ser-Gly-Pro序列,X线衍射研究提示这三种酶有相似的空间结构,这是它们都能水解肽键的基础。而它们水解肽键时的特异性则来自酶的底物结合部位上氨基酸组成上有微小的差别所致。  图说明这三个酶的底物结合部位均有一个袋形结构,糜蛋白酶该处能容纳芳香基或非极性基;胰蛋白酶袋子底部稍有不同其中一个氨基酸残基为天冬氨酸取代,使该处负电荷增强,故该处对带正电荷的赖氨酸或精酸残基结合有利;弹性蛋白酶口袋二侧为缬氨酸和苏氨酸残基所取代,因此该处只能结合较小侧链和不带电荷的基团.说明酶的催化特异性与酶分子结构的紧密关系。

酶原与酶原激活

  有些酶如消化系统中的各种蛋白酶以无活性的前体形式合成和分泌,然后,输送到特定的部位,当体内需要时,经特异性蛋白水解酶的作用转变为有活性的酶而发挥作用。这些不具催化活性的酶的前体称为酶原(zymogen)。如胃蛋白酶原(pepsinogen)、胰蛋白酶原(trypsinogen)和胰凝乳蛋白酶原(chymotrypsinogen)等。某种物质作用于酶原使之转变成有活性的酶的过程称为酶原的激活(zymogen andactivation of zymogen)。使无活性的酶原转变为有活性的酶的物质称为活化素。活化素对于酶原的激活作用具有一定的特异性。  例如胰腺细胞合成的糜蛋白酶原为245个氨基酸残基组成的单一肽链,分子内部有5对二硫键相连,该酶原的激活过程如图4-3所示.首先由胰蛋白酶水解15位精氨酸和16位异亮氨酸残基间的肽键,激活成有完全催化活性的p-糜蛋白酶,但此时酶分子尚未稳定,经p-糜蛋白酶自身催化,去除二分子二肽成为有催化活性井具稳定结构的α—糜蛋白酶。  在正常情况下,血浆中大多数凝血因子基本上是以无活性的酶原形式存在,只有当组织或血管内膜受损后,无活性的酶原才能转变为有活性的酶,从而触发一系列的级联式酶促反应,最终导致可溶性的纤维蛋白原转变为稳定的纤维蛋白多聚体,网罗血小板等形成血凝块。  酶原激活的本质是切断酶原分子中特异肽键或去除部分肽段后有利于酶活性中心的形成酶原激活有重要的生理意义,一方面它保证合成酶的细胞本身不受蛋白酶的消化破坏,另一方面使它们在特定的生理条件和规定的部位受到激活并发挥其生理作用。如组织或血管内膜受损后激活凝血因子;胃主细胞分泌的胃蛋白酶原和胰腺细胞分泌的糜蛋白酶原、胰蛋白酶原、弹性蛋白酶原等分别在胃和小肠激活成相应的活性酶,促进食物蛋白质的消化就是明显的例证。特定肽键的断裂所导致的酶原激活在生物体内广泛存在,是生物体的一种重要的调控酶活性的方式。如果酶原的激活过程发生异常,将导致一系列疾病的发生。出血性胰腺炎的发生就是由于蛋白酶原在未进小肠时就被激活,激活的蛋白酶水解自身的胰腺细胞,导致胰腺出血、肿胀。

同工酶

  同工酶(isoenzyme)的概念:即同工酶是一类催化相同的化学反应,但酶蛋白的分子结构、理化性质和免疫原性各不相同的一类酶。 它们存在于生物的同一种族或同一个体的不同组织,甚至在同一组织、同一细胞的不同细胞器中。至今已知的同工酶已不下几十种,如己糖激酶,乳酸脱氢酶等,其中以乳酸脱氢酶(Lactic acid dehydrogenase,LDH)研究得最为清楚。人和脊柱动物组织中,有五种分子形式,它们催化下列相同的化学反应:  五种同工酶均由四个亚基组成。LDH的亚基有骨骼肌型(M型)和心肌型(H型)之分,两型亚基的氨基酸组成不同,由两种亚基以不同比例组成的四聚体,存在五种LDH形式.即H4(LDHl)、H3M1(LDH2)、H2M2 (LDH3)、H1M3(LDH4)和M4 (LDH5)。  M、H亚基的氨基酸组成不同,这是由基因不同所决定。五种LDH中的M、H亚基比例各异,决定了它们理化性质的差别.通常用电冰法可把五种LDH分开,LDH1向正极泳动速度最快,而LDH5泳动最慢,其它几种介于两者之间,依次为LDH2、LDH3和LDH4(图4-5) 图4-5还说明了不同组织中各种LDH所含的量不同,心肌中以LDHl及LDH2的量较多,而骨骼肌及肝中LDH5和LDH4为主.不同组织中LDH同工酶谱的差异与组织利用乳酸的生理过程有关.LDH1和LDH2对乳酸的亲和力大,使乳酸脱氢氧化成丙酮酸,有利于心肌从乳酸氧化中取得能量。LDH5和LDH4对丙酮酸的亲和力大,有使丙酮酸还原为乳酸的作用,这与肌肉在无氧酵解中取得能量的生理过程相适应(详见糖代谢章).在组织病变时这些同工酶释放入血,由于同工酶在组织器官中分布差异,因此血清同工酶谱就有了变化。故临床常用血清同工酶谱分析来诊断疾病(图4-5)。

别构酶

  别构酶(allosteric enzyme)往往是具有四级结构的多亚基的寡聚酶,酶分子中除有催化作用的活性中心也称催化位点(catalytic site)外;还有别构位点(allosteric site).后者是结合别构剂(allesteric effector)的位置,当它与别构剂结合时,酶的分子构象就会发生轻微变化,影响到催化位点对底物的亲和力和催化效率。若别构剂结合使酶与底物亲和力或催化效率增高的称为别构激活剂(allostericactivator),反之使酶底物的r亲和力或催化效率降低的称为别构抑制剂(allostericinhibitor)。酶活性受别构剂调节的作用称为别构调节(allosteric regulation)作用.别构酶的催化位点与别构位点可共处一个亚基的不同部位,但更多的是分别处于不同亚基上.在后一种情况下具催化位点的亚基称催化亚基,而具别构位点的称调节亚基。多数别构酶处于代谢途径的开端,而别构酶的别构剂往往是一些生理性小分子及该酶作用的底物或该代谢途径的中间产物或终产物。故别构酶的催化活性受细胞内底物浓度、代谢中间物或终产物浓度的调节。终产物抑制该途径中的别构酶称反馈抑制(feedback inhibition).说明一旦细胞内终产物增多,它作为别构抑制剂抑制处于代谢途径起始的酶,及时调整该代谢途径的速度,以适应细胞生理机能的需要。别构酶在细胞物质代谢上的调节中发挥重要作用。故别构酶又称调节酶。(regulatory enzyme)

修饰酶

  体内有些酶需在其它酶作用下,对酶分子结构进行修饰后才具催化活性,这类酶称为修饰酶(modification enzyme)。其中以共价修饰为多见,如酶蛋白的丝氨酸,苏氨酸残基的功能基团-OH可被磷酸化,这时伴有共价键的修饰变化生成,故称共价修饰(covalent modification)。由于这种修饰导致酶活力改变称为酶的共价修饰调节(covalent modification regulation)。体内最常见的共价修饰是酶的磷酸化与去磷酸化,此外还有酶的乙酰化与去乙酰化、尿苷酸化与去尿苷酸化、甲基化与去甲基化。由于共价修饰反应迅速,具有级联式放大效应所以亦是体内调节物质代谢的重要方式。如催化糖原分解第一步反应的糖原磷酸化酶存在有活性和无活性两种形式,有活性的称为磷酸化酶a,无活性的称为磷酸化酶b,这两种形式的互变就是通过酶分子的磷酸化与去磷酸化的过程(详见糖代谢章)

多酶复合体与多酶体系

  体内有些酶彼此聚合在一起,组成一个物理的结合体,此结合体称为多酶复合体(multienzyme complex)。若把多酶复合体解体,则各酶的催化活性消失。参与组成多酶复合体的酶有多有少,如催化丙酮酸氧化脱羧反应的丙酮酸脱氢酶多酶复合体由三种酶组成,而在线粒体中催化脂肪酸β-氧化的多酶复合体由四种酶组成。多酶复合体第一个酶催化反应的产物成为第二个酶作用的底物,如此连续进行,直至终产物生成.  多酶复合体由于有物理结合,在空间构象上有利于这种流水作业的快速进行,是生物体提高酶催化效率的一种有效措施。  体内物质代谢的各条途径往往有许多酶共同参与,依次完成反应过程,这些酶不同于多酶复合体,在结构上无彼此关联。故称为多酶体系(multienzyme system)。如参与糖酵解的11个酶均存在于胞液,组成一个多酶体系。

多功能酶

  近年来发现有些酶分子存在多种催化活性,例如大肠杆菌DNA聚合酶I是一条分子质量为109kDa的多肽链,具有催化DNA链的合成、3’-5’核酸外切酶和5’-3’核酸外切酶的活性,用蛋白水解酶轻度水解得两个肽段,一个含5’-3’核酸外切酶活性,另一个含另两种酶的活性,表明大肠杆菌DNA聚合酶分子中含多个活性中心。哺乳动物的脂肪酸合成酶由两条多肽链组成,每一条多肽链均含脂肪酸合成所需的七种酶的催化活性。这种酶分子中存在多种催化活性部位的酶称为多功能酶(multifunctional enzyme)或串联酶(tandem enzyme)。多功能酶在分子结构上比多酶复合体更具有优越性,因为相关的化学反应在一个酶分子上进行,比多酶复合体更有效,这也是生物进化的结果。


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