Enzymology 0.pdf

古
埃
及
人
用
麥
粉
醱
酵
製
造
啤
酒
磨 粉 去 糠 打 碎
麥 芽 萌 發 浸 潤
成 酒 醱 酵 裝 瓶
Basic Enzymology
壹 、 基 本 酵 素 學 原 理
貳 、 酵 素 催 化 的 化 學 本 質
參 、 酵 素 反 應 的 化 學 機 制
I 酵 素 印 象
II 酵 素 的 構 成
III 酵 素 活 性 區
1~10 酵 素 催 化 原 理 十 則
I 基 礎 化 學 反 應
II 酵 素 催 化 機 制
III 確 認 酵 素 催 化 區
Discovering Enzyme (1991) p.22

酵 素 很 早 就 為 人 類 所 利 用
埃 及 壁 畫
收 穀
磨 粉
浸 泡
醱 酵
啤 酒
神 奇 轉 化 力 量 ?
醣 解 作 用 產 生 酒 精
■ 1926 Sumner 結 晶 出 urease 可 分 解 尿 素
酵 素 是 一 種 蛋 白 質
Juang RH (2007) BCbasics

Discovering Enzyme (1991) p.82
Sumner 對 酵 素 的 發 現 有 重 大 貢 獻
進 行 酵 素 反 應 的 試 管
Sumner
溫 度
Urease crystal
時 間

I 酵 素 印 象
催 化 專 一 性 反 應
增 加 反 應 速 率
降 低 活 化 能
反 應 可 調 節 控 制
大 多 為 蛋 白 質
Juang RH (2007) BCbasics

酵 素 的 催 化 效 果
2H 2 O 2 2H 2 O + O 2
1
雙 氧 水 裂 解
FeCl 3
Hemoglobin
Catalase
1,000
1,000,000
1,000,000,000
S
E
P
反 應 速 率
Juang RH (2007) BCbasics

酵 素 參 與 細 胞 所 有 代 謝 路 徑
A
B
Alberts et al (2002) Molecular Biology of the Cell (4e) p.107

Adapted from Buchanan et al. (2000) Biochemistry & Molecular Biology of Plants p.661
酵 素 活 性 可 調 節 控 制
Animals Plants
上 游 反 應 物
+
F6P
F6P
A B C
F1,6bP
ATP-dependent
phosphofructokinase
F1,6bP
X
Y
-
Glycolysis
Z
下 游 生 成 物
PEP
PEP
Pyruvate kinase
Pyruvate Pyruvate

蛋 白 質 四 級 構 造 的 意 義
一 級 構 造 ( 胺 基 酸 序 列 )
↓
有 形 体 ?
序 列
↓
二 級 構 造 (α helix, β sheet)
構 形
↓
Domain ( 區 塊 ααββ)
↓
三 級 構 造 (monomer)
↓
四 級 構 造 (dimer)
構 形
有 生 命 ?
有 智 慧 ?
活 性
↓
調 節
Juang RH (2007) BCbasics

Ribozyme - 具 有 催 化 能 力 的 核 酸
Altman, Cech (1989)
有 些 RNA 具 有 催 化 能 力
Tetrahymena (ciliated protozoan) 四 膜 虫 rRNA 含 有 intron
其 intron 可 自 行 催 化 切 除 (no protein !)
→ 切 下 來 的 intron 可 再 進 行 催 化 反 應 ( 要 認 定 專 一 性 序 列 )
??? WHY ???
● 因 為 RNA 分 子 也 可 能 有 特 定 構 形 ( 為 何 DNA 不 能 ?)
● 以 WC pair 以 外 的 鍵 結 ( 何 種 鍵 結 ?) 幫 助 塑 成 特 定 構 形
Juang RH (2007) BCbasics; Wikipedia (Tetrahymena)

Ribozyme 會 辨 識 專 一 性 序 列
辨 認 專 一 性 鹼 基 對
Alberts et al (2002) Molecular Biology of the Cell (4e) p.369

Alberts et al (2002) Molecular Biology of the Cell (4e) p.304, 347
tRNA
攜 帶 正 確 胺 基 酸 並 辨 認 密 碼
rRNA
RNA 具
有
固
定
構
形
核
糖
體
催
化
蛋
白
質
合
成

酵 素 的 命 名
Trypsin Pepsin Renin Lysozyme
催 化 反 應 -ase
EC 4.1.1.22 4 Main Class Lyase
Enzyme Commission
Histidine 基 質
carboxylase 反 應
1 Subclass C-C lyase
1 Sub-subclass carboxylase
22 Series number 第 22 個
Juang RH (2007) BCbasics

II 酵 素 的 構 成
Holoenzyme
全 脢
輔 脢
多
元
體
Apoenzyme
輔
Cofactor
Coenzyme
金 屬
維 生 素
Juang RH (2007) BCbasics

許 多 酵 素 要 先 經 裂 解 後 才 有 活 性
Chymotrypsinogen (inactive)
245
π-Chymotrypsin (active)
R15-I16
S14-R15
L13 I16
α-Chymotrypsin (active)
Trypsin
π-Chymotrypsin
T147-N148
Y146 A149
Disulfide bonds
Adapted from Campbell (1999) Biochemistry (3d) p.179

肝 糖 磷 解 脢 是 同 質 二 元 體
Glycogenbinding
site
AMP site
Phosphorylation site
4 nm
Active site
A
P
Pyridoxal
phosphate
site
A
P
Glycogen phosphorylase
各 種 對 稱 形 態
Adapted from Stryer (1995) Biochemistry (4e) p.592

有 大 有 小
有 正 有 負
形
形
色
色
的
胺
基
酸
側
基
Bio-Lab 廣 告 Cell 83 (4), 1995
S
S
都
沒
有
強
烈
的
反
應
基
團
+
+
-
-
+
有 極 性
非 極 性

為 何 需 要 用 輔 脢
胺 基 酸 官 能 基 的 強 度 不 足 酵 素 反 應 所 需 !
1. 改 變 蛋 白 質 構 形 : Coenzyme↓ [Cofactor]
Carboxypeptidase
Zn
Hexokinase
2. 基 團 轉 移 暫 存 區 :
Dehydrogenase
→ 找 幫 手
ATP
NADH
3. 提 供 強 力 反 應 基 團 :
Pyruvate Vit. B1 Zn
decarboxylase (thiamine)
Juang RH (2007) BCbasics

輔
脢
可
提
供
強
力
反
應
基
團
O
–NH2
N
C C
N C
C
–
=
H 3 C–
=
–
=
–
CH 2
–
–
N +
=
H 3 C–C
C
C
S
-
–
–
–
=
–
O
=
O -
–
- O–P–O–P–O–CH 2 –CH 2
O -
–
=
酵 素
輔 脢
Thiazolium ring
–
N +
=
H 3 C–C
C
C
–
–
S
OH
–C–CH 3
H
–
–
–
=
醛 基 轉 移
–
Adapted from Alberts et al (1994) Molecular Biology of the Cell (3e) p.130

Stryer (1995) Biochemistry (4e) p.592
Juang RH (2007) BCbasics
金 屬 離 子 可 維 持 蛋 白 質 分 子 構 形
Carboxypeptidase A
金 屬 離 子
鋅 銅 鐵
錳 鈷 鎳
鉬 釩 硒
Glu
2+
His
Cys
那 些 胺 基 酸 可 與
金 屬 離 子 結 合 ?
部 份 蛋 白 質 結 構 要 再 加 上 某 些 金 屬 離 子

維 生 素 含 有 輔 脢 具 重 要 生 理 功 能
Todd (1957)
B2 Riboflavin (FADH)
氧 化 還 原 反 應 H -
B3 Niacin (NADH, NADPH)
氧 化 還 原 反 應 H -
B1
B5
B6
B12
Thiamine (thiamine pyrophosphate)
Pantothenic acid (coenzyme A)
Pyridoxine (pyridoxal phosphate)
Biotin
Lipoic acid (lipoamine)
Folic acid (tetrahydrofolate)
Cobalamin
醛 基 活 化 及 轉 移
乙 醯 基 活 化 及 轉 移
胺 基 酸 活 化
CO 2 活 化 及 轉 移
醯 基 活 化 氧 化 還 原
單 碳 的 活 化 及 轉 移
異 構 化 及 甲 基 轉 移
其 他 .. ATP 轉 移 磷 酸 根 ; UDP-Glc 轉 移 葡 萄 糖
Adapted from Alberts et al (2002) Molecular Biology of the Cell (4e) p.170

許 多 酵 素 要 加 上 輔 脢 才 有 活 性
NADH
binding
domain
NADH
See also:
Lehninger
Principles of
Biochemistry (4e)
p.514, F13-16
Gly-3-P
Substrate
binding
domain
Glyceraldehyde-3-phosphate
dehydrogenase
Kleinsmith & Kish (1995) Principles of Cell and Molecular Biology (2e) p.25

Adapted from Alberts et al (2002) Molecular Biology of the Cell (4e) p.86
Nicotinamide Adenine Dinucleotide (Phosphate)
NADP + 氧 化 型 NADPH 還 原 型
H
H
H
P O
Ribose
+
N
CONH 2
Nicotinamide
H
P O
Ribose
N
CONH 2
Adenine
Adenine
P O
Ribose
P O
Ribose
O
O
P
P

氫 離 子 hydride → 氫 原 子 hydrogen → 質 子 proton
hydride
-
1s
- -
質 子
+
+
+
-
-
1
氫 離 子
氫 原 子
H1.008
Juang RH (2007) BCbasics

III 酵 素 活 性 區
棒 棒 脢 Stickase
基 質
中 間 過 渡 狀 態
生 成 物
X
若 只 是 與 基 質 互 補 結 合 則 無 催 化 反 應
T
酵 素 不 但 能 基 質 結 合 還 會 誘 導 過 渡 狀 態 生 成
Adapted from Nelson & Cox (2000) Lehninger Principles of Biochemistry (3e) p.252

酵 素 的 催 化 反 應
● 酵 素 分 子 提 供 一 個 空 間 或 表 面
● 此 空 間 可 穩 定 過 渡 狀 態 的 生 成
● 過 渡 狀 態 可 很 快 轉 變 成 生 成 物
A
B
A
B
酵 素 活 性 區 表 面
Juang RH (2007) BCbasics

酵 素 可 降 低 所 催 化 反 應 的 活 化 能
反 應 能 量 變 化
無
酵
素
時
所
需
能
量
S
ES
S T
ES T
EP
P
有
酵
素
時
所
需
能
量
較
低
T = Transition state
反 應 進 行 方 向
差 別 在 那 裡 ?
Adapted from Alberts et al (2002) Molecular Biology of the Cell (4e) p.166

酵 素 活 性 區 是 一 個 凹 陷 的 口 袋
酵 素 活 性 區 為 何 可 降 低 活 化 能 ?
是 一 個 魔 術 口 袋
輔
(4)
-
(3)
+
(1)
(2)
(1) 可 穩 定 過 渡 狀 態
(2) 防 止 水 分 子 干 擾
(3) 具 高 反 應 性 基 團
(4) 有 輔 脢 幫 助 反 應
Juang RH (2007) BCbasics

Hexokinase 的 兩 個 功 能 區 塊 形 成 結 合 區
Alberts et al (1994) Molecular Biology of the Cell (3e) p.196