酶学【参考】.doc

酶 学 酶是一种具有催化活性的蛋白质，即使在发现具有催化活性的核酶后，这一酶的定义依然为一般生化学家所接受。酶和一般蛋白质的不同之处在于它能催化各类热力学上可能进行的化学反应，使反应速度增加千倍甚至亿万倍。并且，酶的催化作用又有一定的规律性，同时，酶学又是生物化学和分子生物学的基础，没有酶学的研究成果就不可能发展成现代的他子生物学，如没有核酸内切酶就不可能有基因工程就是一个明显的例子。介绍酶的结构和功能，下面主要介绍酶的结构与功能： 酶结构和功能的关系实际上就是蛋白质结构和功能的关系。过去在这方面的研究往往局限于酶结构和催化功能的关系，因而对酶分子结构的研究大多集中在分子中与催化相关的部位。这些体外研究虽已获得了很多酶作用机制的知识，但尚无法解释酶的很多细胞生物学现象，如酶在细胞内的转运和定位等，近年来由于很多酶（特别是膜结合酶）已被克隆测序，对它们的结构域作了解析，因而对酶非催化部位的功能有了较多的了解。本章将从酶分子解剖学和细胞生物学的角度，层次介绍酶分子结构域、模体和活性中心的功能，叙述酶在细胞中的分拣和投送。随之介绍各个层次和酶催化功能的关系。再从同工酶角度阐明酶结构和功能的关系，最后介绍酶学领域的几个概念。 第一节 酶的分子解剖学 分子解剖学也可理解成结构生物学(structure biology)，是近年来蛋白质和酶学的一大发展。这里着重介绍分子各组元件的结构和功能。 酶分子的结构域 结构域：多肽链往往由两个或两个以上相对独立的三维实体缔和而成三级结构。这种相对独立的三维实体就称结构域。 结构域：作为结构单位进行相对独立运动，水解后仍能够保持一定结构，甚至保留某些活性。但它又不等同于蛋白质的功能域，有时一个功能域由几个结构域组成。 （一）膜结合酶 很多蛋白质定位于细胞的膜质结构上。忆发现有6型膜蛋白（图1），以不同的方式镶嵌或挂靠在膜结构的脂质中，其中不少属于酶蛋白或具有酶活力，它们大多数包含4个结构域（或区），即膜外结构域、跨膜结构域、茎区和催化结构域。 1. I型膜蛋白 如存在于细胞表面的很多激素或生长因子的受体、抗原识别分子和粘附分子等，其N端在膜外，接着是一段疏水的跨膜结构域，由20~30所氨基酸组成的α螺旋10余个氨基酸组成的β折叠，肽链进入胞内后，有一段茎区连接着分子较大的C端催化结构域。以生长因子受体为例，胞外部分是带有糖链的受体，能与生长因子结合，而胞内的催化结构域具有酪酸蛋白激酶的活性，故生长因子受体也就是受体的酪氨酸蛋白激酶。 2. Ⅱ型膜蛋白 一种情况是细胞质膜上的酶，它和I型的区别主要是C端在膜外，而N端在膜内胞质中。。如质膜上Na+，K+-ATP酶（钠泵）的β亚基和二肽酶等。另一情况是和细胞内膜质结构相结合的酶，其N端虽也在胞质中，但C端则伸入膜结构的管腔中。如存在于高尔基体的糖基转移酶，其较短的催化结构域则在高尔基体的腔道中。 3. Ⅲ型膜蛋白 是一类多次跨膜蛋白（不论N端或C端在膜外），包括视紫红质等和G蛋白偶联的细胞膜受体和细胞色素P450及大肠杆菌中的某种肽酶等。 4. Ⅳ型膜蛋白 主要是一些跨膜的离子通道或小分子亲水物质的通道，由数个跨膜的亚基组成。亚基间并无肽链或其他共价连接。如神经系统中的乙酰胆碱受体和甘氨酸受体，细菌膜上的组氨酸转运系统等。 5. Ⅴ型膜蛋白 膜蛋白并非嵌入膜中，而是通过糖基化的磷脂肌醇（GPI）将蛋白质锚定于脂质组成的膜中，如细胞表面的一些水解酶，包括乙酰胆碱酯酶，碱性磷酸酶和猪肾二肽酶等。这些酶的C末端（常是小侧链残基，如Gly、Ser、Asp、Asn、Cys）羧基和磷糖的另一端则连于磷酯肌醇（PI）的肌醇-6位羟基上。PI实际上是膜质的一部分，其长链脂酰或脂烃则牢固嵌入膜中。 6. Ⅵ型膜蛋白 1996年发现了一种新型的既有多次跨膜，其以端连接GPI糖基磷酯酰肌醇的膜蛋白，目前仅发现膜桥蛋白(ponticulin)一种。 （二）非膜结合酶 这类酶存在于胞液、线粒体基质或核液等可溶性细胞成分中。没有穿膜结构域，也不存在N端或C端的定位问题。其主要部分是催化结构域，也可另有一个调节结构域。前者和底物结合并起催化作用，后者则与酶的调节物（抑制剂或激活剂）结合。对一些多亚基的酶来说，调节域和催化域可以不在同一条肽链上，而分别存在于两类不同的亚基上，称为调节亚基和催化亚基。 大多数可溶性酶也可有一个以上类似或不同的结构域，如弹性蛋白酶和硫氰酸酶（肝中催化CN-和S32-形成SCN-和SO32-的解毒酶）都含有两个十分类似的结构域，而木瓜蛋白酶则有两个很不一样的结构域。结构域在蛋白质肽链的折叠、变构和调节等现象中具有重要作用。不同的结构域也有不同的功能。如在各种蛋白激酶中，除cAMP依赖的蛋白激酶A（PKA