生物化學(xué)酶的結(jié)構(gòu)

一、酶分子的化學(xué)組成酶的本質(zhì)是蛋白質(zhì)。酶與其他蛋白一樣，由氨基酸構(gòu)成，具有一、二、三、四級結(jié)構(gòu)。酶也會受到某些物理、化學(xué)因素作用而發(fā)生變性，失去活力。酶分子量很大，具有膠體性質(zhì)，不能透析。酶也能被蛋白酶水解。輔因子有些酶完全由蛋白質(zhì)構(gòu)成，屬于簡單蛋白，如脲酶、蛋白酶等；有些酶除蛋白質(zhì)外，還含有非蛋白成分，屬于結(jié)合蛋白。其中的非蛋白成分稱為輔因子(cofactor)，蛋白部分成為酶蛋白，復(fù)合物叫全酶。輔因子一般起攜帶及轉(zhuǎn)移電子或功能基團(tuán)的作用，其中與酶蛋白以共價鍵緊密結(jié)合的稱為輔基，以非共價鍵松散結(jié)合的稱為輔酶。在催化過程中，輔基不與酶蛋白分離，只作為酶內(nèi)載體起作用，如黃素蛋白類酶分子中的FAD、FMN輔基攜帶氫，羧化酶的生物素輔基攜帶羧基等等。輔酶則常作為酶間載體，將兩個酶促反應(yīng)連接起來，如NAD+在一個反應(yīng)中被還原成NADH，在另一個反應(yīng)中又被氧化回NAD+。它在反應(yīng)中象底物一樣，有時也稱為輔底物。有30%以上的酶需要金屬元素作為輔因子。有些酶的金屬離子與酶蛋白結(jié)合緊密，不易分離，稱為金屬酶；有些酶的金屬離子結(jié)合松散，稱為金屬活化酶。金屬酶的輔因子一般是過渡金屬，如鐵、鋅、銅、錳等；金屬活化酶的輔因子一般是堿金屬或堿土金屬，如鉀、鈣、鎂等。單體酶、寡聚酶和多酶體系由一條肽鏈構(gòu)成的酶稱為單體酶，由多條肽鏈以非共價鍵結(jié)合而成的酶稱為寡聚酶，屬于寡聚蛋白。有時在生物體內(nèi)一些功能相關(guān)的酶被組織起來，構(gòu)成多酶體系，依次催化有關(guān)的反應(yīng)。構(gòu)成多酶體系是代謝的需要，可以降低底物和產(chǎn)物的擴(kuò)散限制，提高總反應(yīng)的速度和效率。有時一條肽鏈上有多種酶活性，稱為多酶融合體。如糖原分解中的脫支酶在一條肽鏈上有淀粉-1，6-葡萄糖苷酶和4-a-D-葡聚糖轉(zhuǎn)移酶活性；來自樟樹種子的克木毒蛋白(camphorin)由一條肽鏈組成，有三種活性：①RNAN-糖苷酶活性，可水解大鼠28SrRNA中第4324位腺苷酸的糖苷鍵，釋放一個腺嘌吟；②依賴于超螺旋DNA構(gòu)型的核酸內(nèi)切酶活性，專一解旋并切割超螺旋環(huán)狀DNA形成缺口環(huán)狀和線狀DNA:③超氧化物歧化酶活性。來自紅色鏈孢霉的AROM多酶融合體是二聚體，每條肽鏈含五種酶活性，可催化莽草酸途徑的第二至第六步反應(yīng)，由于有中間產(chǎn)物的傳遞通道，使催化效率大為提高。二、酶的活性中心定義酶是大分子，其分子量一般在一萬以上，由數(shù)百個氨基酸組成。而酶的底物一般很小，所以，直接與底物接觸并起催化作用的只是酶分子中的一小部分。有些酶的底物雖然較大，但與酶接觸的也只是一個很小的區(qū)域。因此，人們認(rèn)為，酶分子中有一個活性中心，它是酶分子的一小部分，是酶分子中與底物結(jié)合并催化反應(yīng)的場所?；钚灾行氖怯忻阜肿又猩贁?shù)幾個氨基酸殘基構(gòu)成的，它們在一級結(jié)構(gòu)上可能相距很遠(yuǎn)，甚至位于不同的肽鏈上，由于肽鏈的盤曲折疊而互相接近，構(gòu)成一個特定的活性結(jié)構(gòu)。因此活性中心不是一個點(diǎn)或面，而是一個小的空間區(qū)域。分類活性中心的氨基酸按功能可分為底物結(jié)合部位和催化部位。前者負(fù)責(zé)識別特定的底物并與之結(jié)合。它們決定了酶的底物專一性。催化部位是起催化作用的，底物的敏感鍵在此被切斷或形成新鍵，并生成產(chǎn)物。二者的分別并不是絕對的，有些基團(tuán)既有底物結(jié)合功能又有催化功能。Koshland將酶分子中的殘基分為四類：接觸亞基負(fù)責(zé)底物的結(jié)合與催化，輔助亞基起協(xié)助作用，結(jié)構(gòu)亞基維持酶的構(gòu)象，非貢獻(xiàn)亞基的替換對活性無影響，但對酶的免疫、運(yùn)輸、調(diào)控與壽命等有作用。前二者構(gòu)成活性中心，前三者稱為酶的必須基團(tuán)?；钚灾行囊酝獾牟糠植⒉皇菬o用的，它們能夠維持酶的空間結(jié)構(gòu)，使活性中心保持完整。在酶與底物結(jié)合后，整個酶分子的構(gòu)象發(fā)生變化，這種扭動的張力使底物化學(xué)鍵容易斷裂。這種變化也要依靠非活性中心的協(xié)同作用。一般單體酶只有一個活性中心，但有些具有多種功能的多功能酶具有多個活性中心。如大腸桿菌DNA聚合酶I是一條109kd的肽鏈，既有聚合酶活性，又有外切酶活性。形成過程有些酶在細(xì)胞內(nèi)剛剛合成或分泌時，尚不具有催化活性，這些無活性的酶的前體稱為酶原。酶原通過激活才能轉(zhuǎn)化為有活性的酶。酶原的激活是通過改變酶分子的共價結(jié)構(gòu)來控制酶活性的一種機(jī)制，通過肽鏈的剪切，改變蛋白的構(gòu)象，從而形成或暴露酶的活性中心，使酶原在必要時被活化成為有活性的酶，發(fā)揮其功能。研究活性中心的方法酶的底物和競爭性抑制劑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有助于研究酶的活性中心的結(jié)構(gòu)。酶的最適pH及速度常數(shù)等動力學(xué)特點(diǎn)也可提供一些信息?；瘜W(xué)修飾在活性中心的研究中起過很重要的作用。因?yàn)榛钚灾行牡幕鶊F(tuán)反應(yīng)性常與其他基團(tuán)不同，所以一些試劑可以專一性地與活性中心中的某種殘基反應(yīng)，而不與活性中心外的殘基作用。如DFP(二異丙基氟磷酸)可與活性中心中的絲氨酸反應(yīng)。TPCK(N-對甲苯磺酰苯丙氨酰氯甲基酮)的專一性更強(qiáng)，只能與糜蛋白酶活性中心的His-57結(jié)合，稱為親和標(biāo)記。它是底物類似物，烷化劑。TLCK(賴氨酸衍生物)作用于胰酶的His-46。某些試劑的專一性不強(qiáng)，可用差示標(biāo)記法：先用底物類似物保護(hù)活性中心，加入修飾劑，與活性中心以外的基團(tuán)反應(yīng)，然后除去抑制劑，再加入放射性標(biāo)記的試劑，此時試劑只能與活性中心的基團(tuán)反應(yīng)，測定放射性的位置，即可找到活性中心。紫外、熒光、園二色光譜等方法也可用與活性中心的研究。在酶與底物結(jié)合時，位于底物結(jié)合部位的生色團(tuán)必然會發(fā)生某種變化，從而導(dǎo)致其光譜的變化。這些生色團(tuán)可以是酶本身帶有的，也可以人工引入。這種方法可以用來判斷活性中心的構(gòu)成，也可以研究催化的反應(yīng)過程。最直接最準(zhǔn)確的方法是X-射線衍射。三、同工酶同工酶是同一生物催化同一反應(yīng)的不同的酶分子。同工酶的催化作用相同，但其功能意義有所不同。不同種生物有相同功能的酶不是同工酶。同工酶具有相同或相似的活性中心，但其理化性質(zhì)和免疫學(xué)性質(zhì)不同。同工酶的細(xì)胞定位、專一性、活性及其調(diào)節(jié)可有所不同。每種同工酶都有其獨(dú)特的功能意義。如乳酸脫氫酶(LDH)是由4個亞基組成的四聚體。亞基有A(M)和B(H)兩種，有5種同工酶：LDH1(H4)、LDH2(MH3)、LDH3(M2H2)、LDH4(M3H)、LDH5(M4)。M、H兩個亞基由不同基因編碼，在不同細(xì)胞中合成速度不同，所以在不同的組織器官中5種同工酶的比例不同，經(jīng)電泳分離后會得到不同的同工酶譜。人體心肌中LDH1和LDH2較多，而骨骼肌中LDH5較多。M亞基