酶的活性部位柔性学说

1、LOGO 酶的活性部位柔性的假说酶的活性部位柔性的假说 邹承鲁简介邹承鲁简介 中文名中文名 邹承鲁 国国 籍籍 中国 民民 族族 汉族 出生地出生地 山东省青岛市 出生日期出生日期 1923年 逝世日期逝世日期 2006年11月23日 职职 业业 生物化学家 毕业院校毕业院校 西南联合大学，剑桥大学 主要成就主要成就 领导合成人工牛胰岛素 祖祖 籍籍 江苏无锡 邹承鲁主要研究邹承鲁主要研究 一、蛋白质结构与功能的关系 二、细胞色素与呼吸链酶系 三、胰岛素分子A链和B链的拆合 四、酶活性不可逆抑制动力学 五、酶活性部位的柔性五、酶活性部位的柔性 六、新生肽链的折叠与分子伴侣 酶的活性部位柔性的假

2、说 酶分子可维持特定三级结构，其二级结构更是有 相当大刚性。但活性部位在底物结合中会发生构 象变化则是活性所需要的，表现出局部的柔性。 在实验结果的支持下，邹承鲁提出酶活性部位柔 性的假说，是近年酶学的重要进展，现已逐渐被 国际学术界接受。实际上活性部位柔性正是诱导 契合模型得以成立的基础。 该学说发表在国际最高的学术刊物Science上， 并获得了国家自然科学奖。 研究过程 1.提出假设 2.实验探究 3.进一步实验验证 4. 结论 提出假设 活性部位的构象变化先于分子整体构象变化, 并与活性丧失同步。 根据催化过程中活性部位构象变化, 以及限制活性部位构象变化对 酶活性的影响, 提出了酶活

3、性部位柔性为酶充分表现其催化活性所 必需的设想 实验验证 肌酸激酶在胍、脲变性初期，或低浓度胍、脲变性时，未检 测出可察觉的整体构象变化，但活性已丧失。动力学研究表 明酶失活速度大大快于整体构象变化速度。 在甘油醛-3-磷酸脱氢酶，核糖核酸酶，乳酸脱氢酸，血管 紧张素转换酶，凝乳蛋白酶，脂肪酸合成酶等研究中都有类 似结果。 在甘油醛-3-磷酸脱氢酶活性部位引入了一个NAD+的荧光衍 生物，它的荧光变化和活性变化平行，在变性过程中其荧光 变化速度远快于整体构象变化速度，证明了活性部位的较小 构象变化先于整体构象变化。（化学修饰：侧链基团的修饰 初步实验结论 用不同变性剂或变性条件, 对十余种酶进

4、行变性动力学研究， 建立的不可逆抑制动力学的理论和方法，结果都表明酶失活 速度远大于构象变化速度。在低变性剂浓度下失活和构象变、 反应速度常数相差可达三个数量级以上 实例 金黄色葡萄球菌核酸酶在 0.6mol/Lde1的盐酸胍时活 性几乎丧失，可在此浓度 时酶蛋白的二级结构没有 明显变化。 排除其他因素排除其他因素 一、构象变化而发生的活力下降是否由于变性剂抑制的可 能性 ( 1) 酶与小分子抑制剂的可逆结合速度极快, 通常在微秒 时间内即已完成, 而酶在变性过程中活性丧失的反应通常 在毫秒范围内发生, 相差3个数量级以上。 ( 2) 酶与小分子可逆抑制复合物的解离也是微秒数量级的 反应, 用

5、核糖核酸酶测定的结果, 其复活的时间在几秒到几 十秒以上。肌酸激酶, 甘油醛-3-磷酸脱氢酶等变性后的复 活所需时间更长。如果一种可逆抑制剂与酶的结合极快但 从酶分子上解离又较慢, 其解离常数必然极小, 因而必然是 极强的抑制剂, 而脲和盐酸胍都是只在较高浓度下才引起 酶活力的下降, 不可能是结合极快但解离极慢的强抑制剂。 二、物理因素引起变性的研究 对肌酸激酶和腺苷酸激酶热变性研究, 以及最近对 于肌酸激酶在强压力下变性。用光散射方法测定 的甘油醛-3-磷酸脱氢酶在低盐酸胍浓度中的解聚 速度, 也远低于其快相失活速度 三、结晶对酶分子的柔性结构和活性的影响 X-射线晶体衍射及核磁方法测定一些

6、蛋白质结构 酶在晶体状态下kcat 的降低很可能恰恰反映了晶 体状态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显差异的结构。这就是说, 在溶液中蛋白分子的结构可以在不同构象状态间 相互转换, 这正反映出分子具有一定程度的柔性。 总的说来, 结晶对酶分子的柔性结构和活性都有明 显影响, 但二者之间的关系还有待于进一步的研究。 结论：酶变性过程中活力下降先于分子整体构象伸 展的原因, 是由于处于分子局部的活性部位空间结 构变化所造成。酶活性部位空间结构是由较少或 较弱的次级键所维系, 因此较易受到破坏, 在较弱 的变性条件下即已遭到微扰, 造成酶活性的降低或 丧失。因构象伸展轻微,

7、 又仅发生在分子局部, 因 而用常规物理化学方法无法察觉。由于维系活性 部位空间结构的力量较弱, 才造成了活性部位的柔 性或可运动性较分子整体为高 酶分子柔性的结构基础 构成蛋白质的二级结构单位，如构成蛋白质的二级结构单位，如-螺旋，螺旋，-折叠和折叠和 转角等是相对刚性的，它们是稳定蛋白质空间结构的转角等是相对刚性的，它们是稳定蛋白质空间结构的 基础；而蛋白质中由环（基础；而蛋白质中由环（loop）和无规卷曲（）和无规卷曲（random coil）构成的局部区域相对比较柔性。某些较长的氨）构成的局部区域相对比较柔性。某些较长的氨 基酸侧链，如基酸侧链，如Lys也有一定的也有一定的 柔性，能不

8、断进行分子内运动。柔性，能不断进行分子内运动。 因此，从结构学和动态学角度分析，可以认为因此，从结构学和动态学角度分析，可以认为 酶分子具有刚柔相间的空间结构。酶分子具有刚柔相间的空间结构。 活性部位的柔性与酶催化活性的关系活性部位的柔性与酶催化活性的关系 实验验证： 1、高浓度硫酸铵或用戊二醛交联都可以稳定乳酸 脱氢酶的空间结构, 2、盐酸胍还可以在低温下使二氢叶酸还原酶和淀 粉麦芽四糖水解酶活力明显提高 3、硫酸铵、戊二醛交联和低温都可以在提高分子 稳定性的同时降低分子的柔性 活性部位的柔性与酶催化活性的关系活性部位的柔性与酶催化活性的关系 酶活性部位的柔性是酶充分表现其活性所必需的。 首

9、先是满足底物结合诱导的构象调整（诱导契 合），再是酶活性基团在活性部位必须具有一定 的空间取向，以保持一个适应催化反应的空间微 环境。还有，残基侧链活性基团的运动更有利于 催化的高效性。另外一个比较重要的因素是某些 酶的活性是可调节的，它的催化效率和底物专一 性受到其他因素的调节。要求没得活性部位保持 一定的柔性，其局部环境受到这些调节五或者别 构物的影响而发生细微的构象变化，从而调节酶 的活性和底物的专一性。 结论结论 有关酶催化机制的一些问题： 酶催化过程是一个复杂的过程, 过去曾经认为其中 至少包括两个步骤, 即酶( E ) 与底物( S) 的结合, 催化和产物( P) 的分离: E + S- ES- E + P 1 随后, 关于