酶的活性部位柔性學(xué)說

1、LOGO 酶的活性部位柔性的假說酶的活性部位柔性的假說 鄒承魯簡(jiǎn)介鄒承魯簡(jiǎn)介 中文名中文名 鄒承魯 國(guó)國(guó) 籍籍 中國(guó) 民民 族族 漢族 出生地出生地 山東省青島市 出生日期出生日期 1923年 逝世日期逝世日期 2006年11月23日 職職 業(yè)業(yè) 生物化學(xué)家 畢業(yè)院校畢業(yè)院校 西南聯(lián)合大學(xué)，劍橋大學(xué) 主要成就主要成就 領(lǐng)導(dǎo)合成人工牛胰島素 祖祖 籍籍 江蘇無錫 鄒承魯主要研究鄒承魯主要研究 一、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系 二、細(xì)胞色素與呼吸鏈酶系 三、胰島素分子A鏈和B鏈的拆合 四、酶活性不可逆抑制動(dòng)力學(xué) 五、酶活性部位的柔性五、酶活性部位的柔性 六、新生肽鏈的折疊與分子伴侶 酶的活性部位柔性的假

2、說 酶分子可維持特定三級(jí)結(jié)構(gòu)，其二級(jí)結(jié)構(gòu)更是有 相當(dāng)大剛性。但活性部位在底物結(jié)合中會(huì)發(fā)生構(gòu) 象變化則是活性所需要的，表現(xiàn)出局部的柔性。 在實(shí)驗(yàn)結(jié)果的支持下，鄒承魯提出酶活性部位柔 性的假說，是近年酶學(xué)的重要進(jìn)展，現(xiàn)已逐漸被 國(guó)際學(xué)術(shù)界接受。實(shí)際上活性部位柔性正是誘導(dǎo) 契合模型得以成立的基礎(chǔ)。 該學(xué)說發(fā)表在國(guó)際最高的學(xué)術(shù)刊物Science上， 并獲得了國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)。 研究過程 1.提出假設(shè) 2.實(shí)驗(yàn)探究 3.進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 4. 結(jié)論 提出假設(shè) 活性部位的構(gòu)象變化先于分子整體構(gòu)象變化, 并與活性喪失同步。 根據(jù)催化過程中活性部位構(gòu)象變化, 以及限制活性部位構(gòu)象變化對(duì) 酶活性的影響, 提出了酶活

3、性部位柔性為酶充分表現(xiàn)其催化活性所 必需的設(shè)想 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 肌酸激酶在胍、脲變性初期，或低濃度胍、脲變性時(shí)，未檢 測(cè)出可察覺的整體構(gòu)象變化，但活性已喪失。動(dòng)力學(xué)研究表 明酶失活速度大大快于整體構(gòu)象變化速度。 在甘油醛-3-磷酸脫氫酶，核糖核酸酶，乳酸脫氫酸，血管 緊張素轉(zhuǎn)換酶，凝乳蛋白酶，脂肪酸合成酶等研究中都有類 似結(jié)果。 在甘油醛-3-磷酸脫氫酶活性部位引入了一個(gè)NAD+的熒光衍 生物，它的熒光變化和活性變化平行，在變性過程中其熒光 變化速度遠(yuǎn)快于整體構(gòu)象變化速度，證明了活性部位的較小 構(gòu)象變化先于整體構(gòu)象變化。（化學(xué)修飾：側(cè)鏈基團(tuán)的修飾 初步實(shí)驗(yàn)結(jié)論 用不同變性劑或變性條件, 對(duì)十余種酶進(jìn)

4、行變性動(dòng)力學(xué)研究， 建立的不可逆抑制動(dòng)力學(xué)的理論和方法，結(jié)果都表明酶失活 速度遠(yuǎn)大于構(gòu)象變化速度。在低變性劑濃度下失活和構(gòu)象變、 反應(yīng)速度常數(shù)相差可達(dá)三個(gè)數(shù)量級(jí)以上 實(shí)例 金黃色葡萄球菌核酸酶在 0.6mol/Lde1的鹽酸胍時(shí)活 性幾乎喪失，可在此濃度 時(shí)酶蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)沒有 明顯變化。 排除其他因素排除其他因素 一、構(gòu)象變化而發(fā)生的活力下降是否由于變性劑抑制的可 能性 ( 1) 酶與小分子抑制劑的可逆結(jié)合速度極快, 通常在微秒 時(shí)間內(nèi)即已完成, 而酶在變性過程中活性喪失的反應(yīng)通常 在毫秒范圍內(nèi)發(fā)生, 相差3個(gè)數(shù)量級(jí)以上。 ( 2) 酶與小分子可逆抑制復(fù)合物的解離也是微秒數(shù)量級(jí)的 反應(yīng), 用

5、核糖核酸酶測(cè)定的結(jié)果, 其復(fù)活的時(shí)間在幾秒到幾 十秒以上。肌酸激酶, 甘油醛-3-磷酸脫氫酶等變性后的復(fù) 活所需時(shí)間更長(zhǎng)。如果一種可逆抑制劑與酶的結(jié)合極快但 從酶分子上解離又較慢, 其解離常數(shù)必然極小, 因而必然是 極強(qiáng)的抑制劑, 而脲和鹽酸胍都是只在較高濃度下才引起 酶活力的下降, 不可能是結(jié)合極快但解離極慢的強(qiáng)抑制劑。 二、物理因素引起變性的研究 對(duì)肌酸激酶和腺苷酸激酶熱變性研究, 以及最近對(duì) 于肌酸激酶在強(qiáng)壓力下變性。用光散射方法測(cè)定 的甘油醛-3-磷酸脫氫酶在低鹽酸胍濃度中的解聚 速度, 也遠(yuǎn)低于其快相失活速度 三、結(jié)晶對(duì)酶分子的柔性結(jié)構(gòu)和活性的影響 X-射線晶體衍射及核磁方法測(cè)定一些

6、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu) 酶在晶體狀態(tài)下kcat 的降低很可能恰恰反映了晶 體狀態(tài)下活性部位柔性的降低。不同晶型的蛋白 具有大致相同但又有明顯差異的結(jié)構(gòu)。這就是說, 在溶液中蛋白分子的結(jié)構(gòu)可以在不同構(gòu)象狀態(tài)間 相互轉(zhuǎn)換, 這正反映出分子具有一定程度的柔性。 總的說來, 結(jié)晶對(duì)酶分子的柔性結(jié)構(gòu)和活性都有明 顯影響, 但二者之間的關(guān)系還有待于進(jìn)一步的研究。 結(jié)論：酶變性過程中活力下降先于分子整體構(gòu)象伸 展的原因, 是由于處于分子局部的活性部位空間結(jié) 構(gòu)變化所造成。酶活性部位空間結(jié)構(gòu)是由較少或 較弱的次級(jí)鍵所維系, 因此較易受到破壞, 在較弱 的變性條件下即已遭到微擾, 造成酶活性的降低或 喪失。因構(gòu)象伸展輕微,

7、 又僅發(fā)生在分子局部, 因 而用常規(guī)物理化學(xué)方法無法察覺。由于維系活性 部位空間結(jié)構(gòu)的力量較弱, 才造成了活性部位的柔 性或可運(yùn)動(dòng)性較分子整體為高 酶分子柔性的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) 構(gòu)成蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)單位，如構(gòu)成蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)單位，如-螺旋，螺旋，-折疊和折疊和 轉(zhuǎn)角等是相對(duì)剛性的，它們是穩(wěn)定蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)角等是相對(duì)剛性的，它們是穩(wěn)定蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的 基礎(chǔ)；而蛋白質(zhì)中由環(huán)（基礎(chǔ)；而蛋白質(zhì)中由環(huán)（loop）和無規(guī)卷曲（）和無規(guī)卷曲（random coil）構(gòu)成的局部區(qū)域相對(duì)比較柔性。某些較長(zhǎng)的氨）構(gòu)成的局部區(qū)域相對(duì)比較柔性。某些較長(zhǎng)的氨 基酸側(cè)鏈，如基酸側(cè)鏈，如Lys也有一定的也有一定的 柔性，能不

8、斷進(jìn)行分子內(nèi)運(yùn)動(dòng)。柔性，能不斷進(jìn)行分子內(nèi)運(yùn)動(dòng)。 因此，從結(jié)構(gòu)學(xué)和動(dòng)態(tài)學(xué)角度分析，可以認(rèn)為因此，從結(jié)構(gòu)學(xué)和動(dòng)態(tài)學(xué)角度分析，可以認(rèn)為 酶分子具有剛?cè)嵯嚅g的空間結(jié)構(gòu)。酶分子具有剛?cè)嵯嚅g的空間結(jié)構(gòu)。 活性部位的柔性與酶催化活性的關(guān)系活性部位的柔性與酶催化活性的關(guān)系 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證： 1、高濃度硫酸銨或用戊二醛交聯(lián)都可以穩(wěn)定乳酸 脫氫酶的空間結(jié)構(gòu), 2、鹽酸胍還可以在低溫下使二氫葉酸還原酶和淀 粉麥芽四糖水解酶活力明顯提高 3、硫酸銨、戊二醛交聯(lián)和低溫都可以在提高分子 穩(wěn)定性的同時(shí)降低分子的柔性 活性部位的柔性與酶催化活性的關(guān)系活性部位的柔性與酶催化活性的關(guān)系 酶活性部位的柔性是酶充分表現(xiàn)其活性所必需的。 首

9、先是滿足底物結(jié)合誘導(dǎo)的構(gòu)象調(diào)整（誘導(dǎo)契 合），再是酶活性基團(tuán)在活性部位必須具有一定 的空間取向，以保持一個(gè)適應(yīng)催化反應(yīng)的空間微 環(huán)境。還有，殘基側(cè)鏈活性基團(tuán)的運(yùn)動(dòng)更有利于 催化的高效性。另外一個(gè)比較重要的因素是某些 酶的活性是可調(diào)節(jié)的，它的催化效率和底物專一 性受到其他因素的調(diào)節(jié)。要求沒得活性部位保持 一定的柔性，其局部環(huán)境受到這些調(diào)節(jié)五或者別 構(gòu)物的影響而發(fā)生細(xì)微的構(gòu)象變化，從而調(diào)節(jié)酶 的活性和底物的專一性。 結(jié)論結(jié)論 有關(guān)酶催化機(jī)制的一些問題： 酶催化過程是一個(gè)復(fù)雜的過程, 過去曾經(jīng)認(rèn)為其中 至少包括兩個(gè)步驟, 即酶( E ) 與底物( S) 的結(jié)合, 催化和產(chǎn)物( P) 的分離: E + S- ES- E + P 1 隨后, 關(guān)于