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生物化學基礎 Biochemistry Basics 2008 酵素 Enzyme (1, 2) |
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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 |
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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：
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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
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