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酶分子中存在着许多化学基团,例如,氨基、羧基、羟基、咪唑基、巯基等,恒温干浴器但这些基团不一定都与酶活 性有关。酶分子中只有那些与酶活性有关的基团,称作酶的必需基团($//$#.&2+ ,%"-?)。常见的必需基团 有丝氨酸残基的羟基、组氨酸残基的咪唑基、半胱氨酸的巯基、酸性氨基酸残基的羧基(表 @A)等。这 些基团多具有独对电子,易与底物形成配位键。酶蛋白分子中能与底物特异结合并发挥催化作用,将底物 转变为产物的部位称为酶的活性中心(2’.&B$ ’$#.$%)或活性部位(2’.&B$ /&.$)。 表 # %!一些酶活性中心的必需基团 名44称活性中心的必需基团 44胰蛋白酶 =&/A64 C$%DEF4 */?EG 44弹性蛋白酶 =&/@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乳酸脱氢酶 */?>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团有两种:一是结合基团( M&#, ,%"-?),其作用是识别底物并与之特异结合, 使底物与具有一定构象的酶形成复合物;另一是催化基团(’2.2+).&’ ,%"-?),其作用是影响底物中的某些化 学键的稳定性,催化底物发生化学反应,从而将其转变成产物。有些酶的必需基团同时兼有结合和催化两 种功能。除了酶活性中心(图 @D)内的必需基团之外,酶在活性中心以外也有必需基团。它们虽然不 直接参与催化作用,但却能维持酶的特殊的空间构象,称为酶活性中心外的必需基团。如酶的这些必需基 团被修饰,酶的空间结构会出现较大的改变,影响酶活性中心的形成,丧失催化活性。 "!第一篇 #生物分子的结构与功能 图 ! "#溶菌酶的活性中心 $、%、&、’、(、)为溶菌酶的底物(*$+) , 的 ,个 *乙酰氨基葡糖环, -!为溶菌酶的 -!位 +./,!0为溶 菌酶的 !0位 $12,均为该酶的催化基团。 +./-! 和 $12!0 催化 ’环的糖苷键断裂,使 (,)两个二聚体与 $、%、&、’四聚体分开。 $12"3" ,452"36 是该酶的结合基团 ##酶活性中心是由一级结构上可能相距较远,但在
三维空间结构上却十分接近的几个氨基酸残基形成 的具有一定空间结构的区域。酶活性中心常常是具有三维空间结构的裂缝或裂隙( 7589:78)。底物分子 (或一部分)结合到裂隙内并发生催化反应。此裂缝多为氨基酸残基的疏水基团形成的疏水“口袋”,深入 到酶分子内部。非极性基团聚在一起形成一个易与底物结合的环境,利于催化作用的发生。在此裂隙中 底物浓度可达很高。酶可由数十个或数百个氨基酸残基组成,而构成活性中心的氨基酸残基只是一小部 分,常常只占整个酶分子体积的 "; <0;。酶分子的催化部位常常只由 0个 <-个氨基酸残基构成。而 酶分子中大部分氨基酸残基作为支架用于形成酶分子的三维空间结构。图 !"显示了溶菌酶的活性中 心,该部位刚好能容纳一个六糖分子( *$+),$、%、&、’、(、)表示 ,个糖残基的位置。第四个糖残基 ’ 环由于空间限制作用由正常的椅式结构变成能(,) 量较高的半椅式构象,导致 ’(之间的糖苷键稳定性降低, 容易断裂。酶分子的 +./-! 和 $12!0 催化 ’环的糖苷键断裂,使 (、)二聚体与 $、%、&、’四聚体分开。 三、酶的结构与功能 ##(一)酶的一级结构、空间结构与酶的活性 ##酶的一级结构是酶发挥催化功能的结构基础。酶的一级结构改变可能使其催化功能发生一定的改 变。与酶活性密切相关的氨基酸序列是维持酶活性的关键。有相同催化功能的同一类酶,其活性中心的 一些氨基酸序列有极大的同源性。例如,胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶和弹性蛋白酶均属于胰蛋白酶家族,这 三种酶活性中心的氨基酸残基有 0!;的同源性,甚至二硫键的位置亦相同。胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、弹 性蛋白酶的活性中心均含有 =85和 >:1残基(见第二章 #表 0?);而木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶的活性中心 则含有 &@1和 >:1残基。 ##酶的催化活性除了依赖于酶的一
级结构,也与它的正确的空间构象密切相关。如胰蛋白酶、胰凝乳蛋 白酶和弹性蛋白酶的活性中心 =85残基附近都有一个立体的“口袋”状结构,被水解肽键羧基侧的氨基酸 侧链恰好落在这个口袋中。胰蛋白酶的口袋较深,底部含带负电的 $12"6A,可容纳底物的带正电的长侧 链 $5B或 C@1,使 $5B或 C@1的羧基端肽键被水解。胰凝乳蛋白酶的口袋较宽,并由非极性氨基酸残基构 成,故可容纳侧链大的疏水性氨基酸和芳香族氨基酸,使其羧基端肽键被水解。弹性蛋白酶的袋口两侧均 第五章 &酶"! 为 !"#,对侧链大或长的残基的进入有阻碍作用,故该酶易水解侧链小的非极性氨基酸的羧基端肽键(图 $ %)。一些酶具有四级结构,四级结构完整时,酶的催化功能才可正常发挥。因此酶的特异的三维空间 结构是酶催化功能的基础。 图 $ %&胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶和弹性蛋白酶活性中心底物结合口袋 & &(二)酶的变构效应 & &关于血红蛋白的变构调节已在第二章涉及,生物体内许多酶也有类似的变构现象。细胞内一些中间 代谢物能与某些酶分子活性中心以外的某一部位以非共价键可逆结合,使酶构象发生改变并影响其催化 活性,进而调节代谢反应速率,这种现象为变构效应( "##’()*+,-*..*-))。对酶催化活性的这种调节方式称 为变构调节("##’()*+,-+*/0#"),’1)。具有变构调节的酶被称为变构酶("##’()*+,-*1234*)。酶分子中与中间 代谢物结合的部位称为变构部位( "##’()*+,-(,)*)或调节部位( +*/0#")’+3 (,)*)。能引起变构效应的代谢物 称为变构效应剂("##’()*+,-*..*-)’+)。如果某效应剂能使酶活性增加并加速反应速率,则被称为变构激活 剂("##’()*+,-"-),5")’+);反之,降低酶活性及反应速率者为变构抑制剂("##’()*+,-,16,7,)’+)。 图 $ 8&蛋白激酶 9的变构作用 蛋白激酶 9(:% ;% )的 :% 与
<个 -9=>(是一种变构激活剂, 它可与调节亚基结合,使调节亚基发生构象改变,从而与催化亚基分离,游离的催化亚基即具有催化活性。 "!第一篇 #生物分子的结构与功能 ##变构效应剂常常是酶的底物、产物或其他小分子代谢物。 这些变构效应剂浓度的变化可通过变构效应改变某些酶的活 性,进而改变代谢反应速率或代谢途径的方向。变构酶的动力 学特点不符合米氏方程式。在变构效应剂作用下,正协同效应 变构酶的反应速率对[$]的曲线呈 $型(图 !"),而不是矩形 双曲线。 ##例如,磷酸果糖激酶的变构激活剂是 %&’、%(’。当它们 发挥作用时, $形曲线可左移发生变构激活作用;而变构抑制剂 %)’可使曲线右移,发生变构抑制作用。变构调节只引起酶构 象的改变,不涉及共价键的改变。 ##(三)酶的共价修饰 ##酶蛋白肽链上的某些基团可在另一种酶的催化下,与某些 化学基团发生可逆的共价结合,从而影响酶的活性。对酶活性的这种调节方式称为酶的共价修饰( *+,-. /012 3+4565*-25+1),或化学修饰(*7035*-/ 3+4565*-25+1)。酶的可逆的共价修饰包括磷酸化( 87+987+:;/-25+1) 和去磷酸化(4087+987+:;/-25+1,图 !!);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见的酶化学修饰方式。酶 蛋白的磷酸化是在蛋白激酶的催化下,来自 %)’的磷酸基团共价地结合在酶蛋白的 $0:、)7:或 );:残基 的侧链羟基上。反之,磷酸化的酶蛋白在磷蛋白磷酸酶催化下,磷酸酯键被水解。磷酸化或去磷酸化可使 酶从无(低)活性变为有(高)活性。一些酶也可从有(高)活性变为无(低)活性。 图 ! "#变构酶的