生物化學基礎 Biochemistry Basics 2008

酵素 Enzyme (1, 2)

細胞與分子 - 胺基酸 - 蛋白質 - 核 酸

酵 素 - 生物技術

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1  酵素的命名

2  酵素的構成

3  酵素動力學

4  酵素的抑制

5  酵素催化機制

6  酵素活性調節

7  細胞代謝調控

8  生物技術應用

酵素概論

1  酵素的命名

2  酵素的構成 

2.1  全脢

2.2  輔脢

2.2.1  輔助因子

2.2.2  輔脢的作用

2.2.3  輔助因子範例

2.2.4  輔脢與 ribozyme

問題集 (1, 2)

酵素印象:反應速率、專一性、可調節、蛋白質

 Wikipedia

Enzyme

EC number

Coenzyme

Cofactor

Ribozyme

 

     

酵素  1, 2

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Enzyme 一字源自希臘文,原意為 "in yeast"; 描述在酵母菌中,含有某種神奇的催化活力,可以把糖轉變為酒精,故名為酵素。Sumner 在 1926 年首先結晶出尿素脢 (urease),並證實酵素為一種蛋白質。一般而言,酵素具有下列特性:

 a. 酵素可催化生化反應,增加其反應速率,是最有效率的催化劑。

 b. 酵素種類非常多,每一種都能催化所賦與的專一性反應,不相關酵素不易干擾;不過,可能會有酵素間的協同或抑制作用。

 c. 酵素的催化反應是可調節的,反應可受許多因子影響而加快或減緩。

 d. 通常酵素為蛋白質,但部份 RNA 也具專一性的催化能力 (ribozyme)。

總之,生物體藉著種種酵素的催化作用與調節,才能有效地完成他所需要的許多生理活動。 若細胞內的酵素活動受到抑制或干擾,整個生物體就可能出現異狀,甚至死亡。

 

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1  酵素的命名:

酵素的命名,有一定規則可循。

 a. 最初酵素命名並無法定的規則,但大都附有 -in 或 -zyme 等字尾,例如 trypsin, renin 及 lysozyme 等;後來漸以該酵素催化的反應加上 -ase 字尾為名,再冠上此反應的反應物,如 histidine decarboxylase (反應物 + 反應 -ase)。

 b. 1965 年命名系統化,把所有酵素依催化反應分成六大類,以四組數字名之 (IUBMB 系統);例如 histidine carboxylase 為 EC 4.1.1.22  

Main Class:

4

Lyases

分裂 C-C, C-O, C-N 鍵

Subclass:

4.1

C-C lyase

分裂 C-C 鍵

Sub-subclass

4.1.1

Carboxylase

分裂 C-COO 鍵

序列號碼:

22

第 22 個 4.1.1

分裂組胺酸的 C-COO 鍵

 c. IUBMB 系統所分列的六Main Classes:

(1) Oxidoreductase

氧化還原脢

電子或質子轉移

(2) Transferase

轉移脢

官能基團的轉移

(3) Hydrolase

水解脢

加水或脫水分子

(4) Lyase

裂解脢

共價鍵生成或裂解

(5) Isomerase

異構脢

同一分子內基團之轉移

(6) Ligase

連接脢

消耗 ATP 生成分子間新鍵

 

 

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2  酵素的構成:

酵素主要由蛋白質所構成,不過許多酵素還需加上其它物質;有些 RNA 也具有催化的能力,在分子演化上可能是最早出現在地球上的巨分子。

2.1 全脢:

全脢是具有完整分子構造及催化能力的酵素。

 a. 一般酵素由蛋白質構成,但某些酵素為醣蛋白或脂蛋白,有些還要加上輔助因子 (cofactor, coenzyme),才成為功能完全的酵素 (全脢 holoenzyme);若全脢失去了輔助因子,剩下的部份稱為 apoenzyme:

Holoenzyme = Apoenzyme + Cofactor/Coenzyme

 b. 全脢分子可能只含一條多肽,也可能含有數條多肽,並以雙硫鍵連接在一起 (如 chymotrypsin);有的可由數個相同或不同的次體 (subunit) 組成。肝糖磷解脢為同質二元體 (dimer);而血紅蛋白 (hemoglobin) 是 a2b2 的 四元體形式,但並非酵素。多元體蛋白質可能具有異位調節功能 (allosteric effect),即任何一個次體改變,會影響其它各個次體的活性。原核細胞的代表大腸菌 (E. coli),構造較為簡單,是分子生物學的主要研究對象。

2.2 輔脢:

一些非蛋白質的小分子會加入酵素構造中,以幫助催化反應進行。因為二十種胺基酸的官能基中,具有強荷電性者不到五個,而酵素活性區經常需要更強的官能基來引發催化反應,部份酵素因此納入非蛋白質的輔助因子參與其構造,作為催化的重要反應基團。

2.2.1 輔助因子:

包含金屬離子以及小分子的有機物質 (輔脢)。

 a. 金屬離子:如 Zn2+, Mg2+, Mn2+, Fe2+, Cu2+, K+,以離子鍵結合在 His, Cys, Glu 等胺基酸;細胞多使用較輕的金屬,重金屬多有害處。

 b. 有機小分子:分子構造較複雜而多樣,通稱為輔脢 (coenzyme),在哺乳類中多由 維生素 代謝而來,而哺乳類無法自行合成 其維生素。如維生素 B 群、葉酸 (folic acid)、菸鹼酸 (niacin)。

2.2.2 輔脢的作用:

輔脢的構造與其功能極為重要,請注意每一種輔脢的特定作用機制。

 a. 加入酵素分子,誘使 改變其立體構形,而使得酵素與基質的結合更有利反應。

 b. 輔脢可作為另一基質來參與反應,但反應後輔脢構造不變。通常輔脢作為某特定基團的轉移,可供給或接受基團 (如 -CH3, -CO2, -NH2) 或者電子,這類輔脢最為常見。

 c. 提供一個強力的反應基團,吸引基質快速參加反應;例如維生素 B1 (thiamine),有許多維生素都是輔脢。

2.2.3 輔助因子範例:

◆ 請自行參考課本,研習以下各類酵素及輔脢的作用及構造。

 a. 各種去氫脢 (dehydrogenase) 以輔脢 NAD+/NADH 轉運氫負離子 (hydride, H-);要研究 alcohol dehydrogenase 以及 glyceraldehyde-3-P dehydrogenase 的作用模式,同時也請瞭解 NAD+/NADH 及氫負離子的構造。

 b. Carboxypeptidase 分子需要一個鋅離子維持分子構形 (induced fit),同時也參與催化反應,可以抓住基質胜肽,並活化水分子。

 c. Glutamate transaminase 使用輔脢 pyridoxal phosphate 轉運胺基。

 d. Catalase 分子上有一 Fe2+ 作為電子暫存區,可以把 H2O2 還原成水分子;而血紅蛋白也有 Fe2+,因此可有類似的催化作用,但效率低很多,因為其鐵離子氧化成 Fe3+ 後無法很快轉變回來。

2.2.4 輔脢與 ribozyme:

 a. 輔脢的構造透露了遠古 RNA 分子的催化秘密:許多輔脢的構造中都有核苷酸參與,可能是用來與遠古催化性 RNA 分子結合,以幫助 RNA 的催化反應。因為 ribozyme 雖然有分子構形,但缺乏催化所需的強烈官能基團,有如今日的蛋白質酵素與其輔脢一般。

 b. 因為 ribozyme 具有催化能力,本身又帶有遺傳訊息,加上輔脢的幫助,相信地球上最早出現的巨分子,可能是 RNA;這些事實也暗示,最早的催化性蛋白質是如何產生的。

 RNA is the First Genetic Molecule  (CSHL 教學網頁DNA from the Beginning  中文版)

 

 

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問題集   以下題目不一定有標準答案,甚至會引起很大的爭議,但這就是問題集之目的。

 1. 請判斷下列各題的真偽: (並說明原因)

 a) 酵素都是由蛋白質所構成的。

 b) 金屬離子在酵素分子中,只有幫助維持構形,不直接參與催化反應。

 c) 酵素只能增加其催化反應的反應速率。

 d) 所有具有完整功能的酵素都是由一條完整蛋白質長鏈所構成的。

 e) RNA 可形成分子構形,而 DNA 則無;這是因為 DNA 為雙股螺旋所致。

 f) RNA 可形成分子構形,而 DNA 則無;是因為 RNA 可形成 非 Watson-Crick 配對。

 g) 尿素 (urea) 可導致酵素變性的原因是破壞 a 螺旋的氫鍵。

 2. 為何 RNA 可能具有催化的能力?

 3. IUBMB 系統命名為 1.1.1.1 的酵素是那一個?

 4. 寫出下列各輔脢所能轉移的基團: ATP, Coenzyme A, NADPH, Thiamine

 5. Glyceraldeyhyde-3-P dehydrogenase 含有兩個 domains,請說明它們各有何種作用?

 6. 為何輔脢多屬維生素?

 7. 是非選擇題 (答案寫在內,是→○、非→╳)

 a) 酵素催化反應具有那些特性?  □ 可降低反應的活化能  可以改變反應的平衡方向  反應前後酵素之化性沒有改變  其催化速率是可以被改變的

 b) RNA為何會有特定構形?  RNA 為單股長鏈分子  RNA 有 Watson-Crick pairing  RNA 有非 W-C 的 pairing  氫鍵是主要貢獻力量  RNA 分子中有核糖的 2'-OH

 c) 以下分子何者不是酵素? Insulin  Thrombin  Fibrin  Hemoglobin  Calmodulin

 d) 有額外反應性基團的胺基酸:  Val  His  Glu  Pro

 e) NADH 分子中含有那些構造?  去氧核糖  磷酸  Adenine  Hydride  Nicotinamide

 f) 輔脢的作用或性質為: 穩定酵素構形  參與反應基團的轉移  很多含有去氧核糖核苷部份  可提供一強力反應基團

 

 

 

 

本網頁最近修訂日期: 2008/02/09