生物化學基礎 Biochemistry Basics 2008

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E3-1

酵素 的主要作用是催化基質的轉換，因此若我們改變基質的濃度，再來觀察酵素活性的變化情形，則可得知酵素與基質間的一些關係，並了解酵素催化的基本行為，此即酵素動力學 (第三章)。 此種觀察也可以加入抑制劑，看抑制劑如何影響酵素與基質間的作用關係 (第四章)。接著，我們解釋酵素對基質的催化機制是如何進行的，可以完全以有機化學的反應機制來說明 (第五章)。

若把酵素看成一部汽車，我們先命名以稱呼汽車 (酵素的命名)，再大體看這部車子的組成 (酵素的構成)，知道其馬力等動力學配備 (酵素動力學)，並檢查煞車情形 (酵素抑制)，更仔細了解引擎的運作機制 (酵素催化機制)，以及駕駛或控制此汽車的方法 (酵素活性調節)。 一切都完成之後，汽車就可上路，在代謝的大道馳騁 (細胞代謝與酵素調控)，並且發現此汽車可以幫助我們完成很多應用 (生物技術)。

3.1 先介紹酵素催化反應的基本觀念，最重要的是酵素 [E] 如何與其基質 [S] 結合，結合之後 [ES] 如何被促進催化反應，這是往後所有酵素性質行為的基礎。3.2 緊接圍繞著 [ES] 推導出酵素動力學，以 Michaelis-Menten 公式說明酵素的催化特性與行為，並求得該酵素最重要的兩個參數：Vmax 及 Km。接著 3.3 簡要說明多基質、多生成物的催化形式，發現可以套用前面的單基質、單生成物之反應機制。

E3-2

Lehninger 課本的 Stickase 假想酵素，是一個不錯的例子，請多琢磨。

注意 Stickase 與基質結合區的外型，並非直接與基質成互補關係，而是與其『中間過渡』狀態有較佳的構形互補 (下排中圖，T 代表過渡狀態)。另外，酵素與基質的結合區大多深陷入分子裡面，是促進酵素反應的一大優勢。

E3-3

一般 化學催化劑的主要功能是提供一個表面，讓反應物在上面進行反應，而此表面可以提供一種空間上的便利，使得反應物更容易轉變成生成物。在反應物轉變成生成物的過程，會有一個介於兩者的中間過渡狀態，是整個催化反應最難達致的步驟；通常此一催化表面可以使得過渡狀態更為穩定，更容易形成。

酵素也是一樣，酵素的活性區提供一個催化口袋，此口袋可以穩定中間過渡狀態的形成。也就是說，酵素可以促進此過渡狀態之形成，所需要的能量 (活化能) 比較低。

但請注意，單是有一個與基質結合表面是不夠的，催化性抗體 (abzyme) 的例子可以說明此一問題所在。

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有無 使用酵素催化的最大差別，在於跨越過渡狀態的能量不同。由上圖可以看出在酵素催化下，到達過渡狀態的能量較低；也就是說有酵素存在時，其過渡狀態比較容易形成。為什麼？最直接的原因，是因為酵素可以穩定過渡狀態，因此反應物一下子就可跳到過渡狀態，然後轉變成生成物。

問題：為什麼酵素可以穩定過渡狀態？

E3-5

抗體構造 相當奇特，有兩個與抗原結合的區域，可以專一地與其抗原分子結合，這點和酵素與基質的結合很相像。但是，酵素會把基質轉換成生成物，但抗體卻沒有進一步的催化動作。這兩者的差別何在？

問題：請利用 E3-2 Stickase 的圖解來回答上面問題。

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抗體 可以專一性地與其抗原結合，這種方式很像酵素與基質的結合：而酵素可以催化生成物的生成，抗體可否也用來模擬酵素的催化作用？ 如此，就可以設計自己所要的反應，誘生催化性抗體 abzyme 來進行指定的酵素反應。這是所有酵素學者的美麗夢想。

■ 可參考 Sci Am March: 43, 1988 原文。

E3-7

回顧 一下胜肽鍵的構造，並且設計如何分解一個胜肽鍵，注意其過渡狀態 (T) 的分子構造，有那幾個原子比較不穩定？

問題：若想製造出可以催化上述水解反應的抗體，應當如何進行？

E3-8

因為 酵素是穩定催化反應中的『過渡狀態』，因此若要誘導催化性抗體的產生，就應該使用該反應的過渡狀態為抗原，來進行免疫反應。以水解胜肽鍵的反應為例，peptide bond 平面上的 -C-N- 碳原子，本來是以 sp2 電子軌道與氮原子鍵結的；當 peptide bond 水解時，此 sp2 碳先受到水分子的攻擊，多了一個 C-OH 新鍵，變成 sp3 的中間過渡狀態，因此就應該以類似此 sp3 過渡狀態的類似物做為免疫抗原。

很不幸的，這樣得到的催化性抗體，其催化能力都不是很高，其催化只能提高一千倍的水解能力，不太像是酵素的催化動作。有一個實驗，利用白蛋白 albumin 的表面，即可模擬上述催化性抗體的水解作用，可知道事實上這種催化性抗體的作用並不太大。

■ 可參考 Nature 383: 23 (1996) 原文 Antibody catalysis. The key is in the pocket。

原因在哪裡？ 主要是因為抗原-抗體間的結合，是相當表淺的接觸；雖然這樣已經足夠作為免疫的確認之用，但在酵素催化上卻有所不足。 酵素的催化反應，事實上比單純的抗原-抗體結合要複雜得多，牽涉到許多電子的轉移與空間的扭動。因此，酵素活性區大多深埋在分子裡面，並形成一個口袋式的結合區，以避開環境中水分子的干擾，並且使得基質或過渡狀態能與活性區有更密切的結合，而不只是表淺的接觸。

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催化性抗體 結合區的設計，其表面夠行應該要與所催化反應的『過渡狀態』互補，因此當抗體與基質結合後，才可誘導基質轉成過渡狀態，然後變成生成物。

通常過渡狀態都很不穩定，也因此無法用作為抗原，來免疫動物。但上述過渡狀態的分子外形，可以用其類似物 (右下圖) 來模擬，雖然內部以一個磷原子取代碳，但整體外形有如過渡狀態的 sp3 軌道。

■ 這個催化性抗體的研究進行了幾十年，還在努力中，請去追蹤最近的進度。

E3-10

酵素 與抗體的最大不同點，在於兩者對目標的結合區構形不一樣。抗體只是很專一性遞與抗原結合了 (結合區較淺)，再來就沒有進一步動作。酵素則不但與其基質結合，活化區口袋會誘導基質變成中間過渡狀態 (因此結合區較深)，然後很快轉成生成物。

問題：你覺得催化性抗體 abzyme 有無可能達到與自然酵素相當的催化能力？

E3-11

深邃 的酵素活性區，可說是維持生命的根本源頭。

活性區大多深埋在酵素分子內部，避免水分子及環境的干擾因子，同時也可以做出過渡狀態的互補構形，以便穩定過渡狀態。這是自然界的 peptidase，其活性比上述的 abzyme 要強上數百萬倍，原因就在活性區的構形。

問題：其實構形的互補，只是酵素催化活性的主要貢獻力量之一，另有其他因素，將在後面催化機制中說明 (可先看 E5-27)。你能否先想像一下，可能還有什麼影響因子？

E3-12

酵素 活性區像一個魔術口袋，把反應物放進去後，就可以變成生成物出來。當然我們已經知道，這個口袋可以降低反應中間物的活化能，但它是如何做到的呢？本圖提出四個可能的機制。

(1) 過渡狀態的分子構造，經常有很高的局部電荷，而催化口袋內的某個適當位置上，剛好佈置有可以中和掉此局部電荷的基團，因而得以穩定過渡狀態。

(2) 在水溶液中，許多離子間的鍵結或反應都會被水分子干擾，因此凹陷的催化口袋可以隔離大多數水分子，使得離子間的反應順利進行。

(3) 在活性區內的胺基酸基團，有些可以因為特別的空間排列，而使得原本反應性較低的基團 (例如 Ser-OH)，因為附近其他基團的影響 (如 His 可奪取其 H+)，而變成具有高反應性的基團 (如 Ser-O-)。 也因為活性區構形的關係，才有可能在同一 pH 的環境下，同時把正、負兩種反應性基團安排在鄰近的位置，能夠一推一拉以促進反應的進行 (可先看 E5-2)。

(4) 活性區通常也是輔脢的結合區，輔脢分子都帶有強大的電荷基團，可以直接參與反應或者輔助反應進行。

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Hexokinase 是一個鮮明的例子，可說明活化區與基質結合的情形，同時酵素本身的構形也不是固定的，會像一個嘴巴一樣，咬入基質並且關起來咀嚼，然後吐出生成物。

蛋白質三級構造中的『功能區塊 domain』對活性區的形成，可能有非常重要的貢獻。很多酵素的活性區，是夾在兩個 domains 之間，很容易可以生成深邃的凹谷。有些酵素，則會利用兩個次體間所形成的狹縫，作為催化區。都是很聰明的做法。

E3-14

活性區 深埋在內部的一個重要原因是，催化反應必須避開水分子，以免反應受到水合的干擾，產生適當的鍵結與質子或電子轉移 (水分子實在太厲害了)。

下接 E3-15

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本網頁最近修訂日期： 2008/02/08