Enz(1) 2007B.pdf

Enzyme
基
礎
動
力
機
制
酵 素
● 1 酵 素 的 命 名 E1
● 2 酵 素 的 構 成 E2
● 3 酵 素 動 力 學 E3
● 4 酵 素 的 抑 制 E4
● 5 酵 素 的 催 化 機 制 E5
εν ζυημ
調
節
應
用
● 6 酵 素 活 性 的 調 節 E6
● 7 細 胞 代 謝 與 酵 素 調 控 E7
● 8 酵 素 在 生 物 技 術 上 的 應 用
清 楚 瞭 解 蛋 白 質 構 造 , 對 學 習 酵 素 非 常 重 要 。 我 假 設 同 學 對 蛋 白 質 的 構 造 與 性 質 , 都 有 很 好
的 基 礎 , 因 此 除 非 必 要 , 將 不 會 再 複 習 蛋 白 質 的 結 構 與 性 質 。
上 課 的 進 度 將 以 講 義 為 主 , 其 中 各 章 節 的 編 排 方 式 , 與 所 用 的 課 本 不 太 一 樣 , 但 可 找 出 互 相
對 應 的 部 份 , 請 詳 細 閱 讀 課 本 文 字 。 酵 素 部 份 也 是 全 程 以 幻 燈 片 講 解 , 幻 燈 片 的 內 容 來 自 十
多 本 教 科 書 , 收 集 最 優 質 、 最 清 楚 、 容 易 瞭 解 的 圖 片 , 來 說 明 生 物 化 學 中 有 關 酵 素 的 種 種 有
趣 現 象 。 第 八 章 生 物 技 術 部 份 獨 立 出 來 , 概 括 介 紹 最 近 生 物 技 術 發 展 的 一 些 範 疇 與 成 果 , 雖
然 還 是 以 基 因 操 作 為 主 要 工 具 , 但 這 些 基 因 大 多 必 須 表 現 出 蛋 白 質 或 酵 素 , 才 能 有 生 技 產 業
上 的 價 值 。
E1-1

中
古
歐
洲
相
信
人
類
有
四
種
體
液
Phlegm
虛 弱
Yellow
Bile
暴 躁
Blood
熱 情
Black
Bile
憂 鬱
Milestones of Science (2000) p.36, National Geographic Society; photo from The Granger Collection, NY
中 古 歐 洲 認 為 人 類 的 生 理 與 情 緒 是 由 四 種 體 液 控 制 .. 黏 液 造 成 虛 弱 、 血 液 造 成 熱 情 、 黃 膽
汁 使 人 暴 躁 、 黑 膽 汁 使 人 憂 鬱 。 後 來 大 家 當 然 明 白 並 非 如 此 , 所 有 這 些 外 表 所 呈 現 出 來 的 反
應 , 發 現 都 與 酵 素 有 關 。
種 種 生 活 中 的 現 象 , 也 經 常 與 酵 素 有 密 切 關 係 , 例 如 貓 狗 的 殺 蚤 劑 含 有 酵 素 抑 制 劑 , 因 此 有
些 貓 因 為 舔 了 殺 蚤 劑 , 抑 制 神 經 傳 導 中 的 關 鍵 酵 素 (acetylcholinesterase), 使 得 性 情 變 得 暴 躁
乖 謔 , 這 是 酵 素 影 響 情 緒 的 一 個 例 子 。
最 近 分 子 遺 傳 學 極 進 步 , 漸 漸 發 現 許 多 生 物 或 人 類 的 特 質 , 事 實 上 最 後 都 與 酵 素 有 關 。 例
如 , 動 物 的 記 憶 力 , 與 其 神 經 細 胞 內 的 某 激 脢 或 磷 酸 脢 有 關 ; 這 些 酵 素 所 造 成 的 影 響 , 最 後
可 能 表 現 成 為 一 個 人 智 力 的 高 低 。
1
2 3
小 鼠 記 憶 力 測 驗
E1-2

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
Discovering Enzyme (1991) p.22
埃 及 人 很 早 就 知 道 利 用 醱 酵 來 製 造 酒 類 。 造 酒 的 原 理 是 利 用 穀 類 或 水 果 中 的 糖 分 , 在 缺 氧 環
境 下 培 養 酵 母 菌 , 醱 酵 所 產 生 的 代 謝 物 中 , 有 一 部 份 是 酒 精 , 另 有 部 份 芳 香 物 質 , 共 同 形 成
了 吸 引 人 的 酒 類 風 味 。
E1-3

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
古 人 並 不 知 酵 母 菌 的 作 用 原 理 , 因 此 覺 得 造 酒 過 程 中 有 種 神 奇 的 轉 換 力 量 , 可 以 把 穀 類 或 水
果 變 成 好 喝 的 酒 。 但 現 在 我 們 知 道 , 酵 母 菌 是 以 糖 類 為 起 始 基 質 , 經 由 糖 解 作 用 (glycolysis)
產 生 副 產 物 乙 醇 。 而 此 糖 解 過 程 中 , 都 是 由 酵 素 進 行 催 化 , 一 步 一 步 把 糖 類 催 化 轉 成 乙 醇 。
這 糖 解 作 用 是 代 謝 的 第 一 條 主 要 大 道 , 將 會 在 後 面 的 課 程 中 介 紹 。
時 空 轉 換 到 二 十 世 紀 初 , 還 不 清 楚 這 種 自 然 轉 換 力 量 是 什 麼 ; 當 有 機 化 學 開 始 發 展 後 , 才 漸
得 知 是 酵 母 菌 中 的 某 類 物 質 , 在 進 行 著 糖 類 的 轉 換 反 應 , 後 來 分 析 得 到 是 一 種 蛋 白 質 。
E1-4

Sumner 對 酵 素 的 發 現 有 重 大 貢 獻
進 行 酵 素 反 應 的 試 管
Sumner
Urease crystal
時 間
溫 度
Discovering Enzyme (1991) p.82
1930 年 代 Sumner 首 度 將 一 種 酵 素 urease 結 晶 出 來 , 是 生 物 化 學 上 的 一 個 重 大 里 程 碑 ; 因 為
具 有 神 奇 催 化 能 力 的 酵 素 , 居 然 也 可 以 像 一 般 有 機 化 合 物 一 樣 , 在 試 管 或 燒 杯 中 結 晶 出 來 。
從 此 開 啟 了 數 十 年 的 蓬 勃 酵 素 化 學 研 究 , 發 現 細 胞 內 大 部 分 的 代 謝 途 徑 , 而 每 一 步 代 謝 反
應 , 都 有 一 個 對 應 的 專 用 酵 素 來 負 責 催 化 。
在 Sumner 的 時 代 , 對 酵 素 的 認 知 相 當 模 糊 , 當 時 的 大 師 Willstätter 認 為 酵 素 是 一 種 小 分 子 ,
包 埋 在 一 種 膠 狀 物 體 裡 面 , 而 且 其 活 性 是 無 法 用 化 學 方 法 來 界 定 的 。 但 是 Sumner 有 不 同 看
法 , 直 接 從 具 有 高 urease 活 性 的 植 物 中 , 抽 取 出 具 活 性 成 份 , 並 以 丙 酮 溶 液 誘 導 出 結 晶 。 當
然 這 種 做 法 也 可 能 得 到 其 它 物 質 的 結 晶 , 但 很 幸 運 地 urease 是 主 要 的 結 晶 成 份 , 此 結 晶 並 具
有 高 度 urease 活 性 。 檢 定 結 晶 的 成 份 , 發 現 都 是 胺 基 酸 , 因 此 確 定 urease 是 一 種 蛋 白 質 。 結
果 剛 發 表 時 , 引 來 極 大 的 批 評 , 好 像 這 是 一 些 突 破 性 發 現 的 共 同 命 運 。
Urease 催 化 的 反 應 是 : NH 2 -CO-NH 2
得 氮 源 。
+ H 2 O → 2NH 3 + CO 2 因 此 植 物 可 以 把 尿 素 分 解 , 以 便 取
E1-5

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
P
大 多 為 蛋 白 質
Juang RH (2007) BCbasics
上 面 圖 表 摘 要 酵 素 的 共 同 性 質 及 特 性 :
高 效 率 、 專 一 性 、 可 調 節 、 蛋 白 質
當 後 面 課 程 在 解 釋 酵 素 的 行 為 時 , 幾 乎 都 離 不 開 這 幾 個 主 題 , 請 把 這 些 印 象 深 植 入 你 的 腦 海
中 。 以 上 這 四 個 酵 素 性 質 , 還 是 歸 源 到 酵 素 的 蛋 白 質 構 形 , 都 可 以 用 分 子 構 形 來 解 釋 。
E1-6

酵 素 的 催 化 效 果
2H 2 O 2 2H 2 O + O 2
1
雙 氧 水 裂 解
S E
P
FeCl 3
Hemoglobin
Catalase
1,000
1,000,000
1,000,000,000
反 應 速 率
Juang RH (2007) BCbasics
酵 素 可 以 加 快 某 一 反 應 的 速 率 , 因 為 酵 素 可 降 低 此 反 應 的 活 化 能 。
以 雙 氧 水 為 例 , 雙 氧 水 在 室 溫 下 , 會 慢 慢 降 解 成 水 及 氧 分 子 , 但 速 率 很 慢 ( 上 圖 以 1 表 示 其 速
率 )。 若 在 雙 氧 水 中 加 入 氯 化 鐵 , 則 降 解 速 率 可 增 加 一 千 倍 ; 若 加 入 血 紅 蛋 白 , 則 可 增 加 一 百
萬 倍 。 這 都 是 因 為 鐵 原 子 可 以 吸 附 掉 產 物 之 一 的 氧 分 子 , 使 反 應 向 右 進 行 ; 但 比 起 catalase
來 , 這 兩 者 都 是 業 餘 的 , 因 為 酵 素 catalase 可 以 使 上 述 反 應 增 加 十 億 倍 。Catalase 是 真 正 推 動
了 雙 氧 水 的 降 解 反 應 , 使 其 降 解 速 率 加 快 , 而 非 僅 僅 利 用 勒 沙 特 列 原 理 而 已 ;Catalase 提 供 了
一 個 催 化 表 面 , 吸 附 雙 氧 水 分 子 , 並 誘 使 產 生 氧 分 子 。
E1-7

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
細 胞 內 的 所 有 代 謝 路 徑 , 每 一 步 驟 都 有 酵 素 參 與 催 化 反 應 。 上 左 圖 把 部 份 的 代 謝 路 徑 列 出 ,
並 且 把 最 中 心 、 最 重 要 的 基 本 代 謝 路 徑 『 醣 解 作 用 』 標 出 來 。 這 有 點 像 市 街 圖 , 錯 縱 複 雜 ,
住 久 了 又 覺 得 四 通 八 達 ; 而 每 一 個 城 市 , 都 有 一 條 主 要 的 大 街 , 上 述 的 糖 解 作 用 就 是 細 胞 代
謝 的 主 要 大 街 。 有 人 把 細 胞 代 謝 圖 以 立 體 方 式 來 表 示 ( 右 圖 ), 也 相 當 有 趣 。
酵 素 除 了 在 代 謝 地 圖 上 的 角 色 外 , 也 組 成 另 一 類 細 胞 內 的 網 狀 路 徑 , 就 是 信 息 傳 導 流 程 。 信
息 傳 導 鏈 上 面 的 各 個 節 點 , 許 多 都 是 具 有 酵 素 功 能 的 蛋 白 質 , 其 中 有 一 大 部 份 就 是 蛋 白 質 基
脢 及 磷 酸 脢 。 細 胞 內 的 信 息 傳 導 網 路 , 相 當 倚 賴 分 子 之 間 的 交 互 作 用 (protein-protein
interaction), 好 像 分 子 間 以 對 話 (cross-talk) 來 傳 導 信 息 一 般 。
E1-8

酵 素 活 性 可 調 節 控 制
上 游 反 應 物
A B C
X
Y
Z
+
下 游 生 成 物
-
Animals
F6P
F1,6bP
PEP
Pyruvate
ATP-dependent
phosphofructokinase
Glycolysis
Pyruvate kinase
Plants
F6P
F1,6bP
PEP
Pyruvate
Adapted from Buchanan et al. (2000) Biochemistry & Molecular Biology of Plants p.661
上 述 代 謝 路 徑 事 實 上 並 非 一 昧 地 催 化 , 不 停 地 工 作 著 ; 代 謝 路 徑 會 感 受 到 整 個 細 胞 的 需 要 程
度 , 而 進 行 調 節 。 通 常 是 下 游 的 產 物 ( 左 圖 Z) 會 回 來 抑 制 上 游 的 酵 素 , 以 免 產 生 過 多 Z; 而 上
游 的 原 料 , 可 能 促 進 下 游 酵 素 的 活 性 ( 左 圖 A)。 這 種 迴 饋 控 制 編 織 成 網 , 並 且 互 通 有 無 , 形 成
一 種 動 態 平 衡 , 使 整 個 代 謝 順 暢 地 符 合 細 胞 所 需 。 除 了 這 種 對 整 體 代 謝 路 徑 的 調 節 之 外 , 酵
素 會 進 行 分 子 層 次 的 調 節 機 制 , 直 接 對 單 一 酵 素 分 子 作 用 , 以 便 活 化 或 去 活 化 , 將 在 第 六 章
說 明 。 右 圖 是 醣 解 作 用 的 例 子 , 動 物 與 植 物 之 調 控 點 不 同 , 剛 好 各 有 不 同 的 正 、 負 調 控 。
上 一 頁 所 提 及 的 信 息 傳 導 流 程 , 有 更 嚴 密 且 複 雜 的 調 節 控 制 , 不 亞 於 代 謝 途 徑 的 調 控 , 將 在
酵 素 活 性 的 調 節 中 簡 要 說 明 , 課 本 也 有 專 門 一 章 (12 Biosignaling) 介 紹 之 。
E1-9

蛋 白 質 四 級 構 造 的 意 義
一 級 構 造 ( 胺 基 酸 序 列 )
↓
二 級 構 造 (α helix, β sheet)
↓
三 級 構 造 (monomer)
↓
四 級 構 造 (dimer)
Domain ( 區 塊 ααββ)
構 形
有 形 体 ?
有 生 命 ?
有 智 慧 ?
序 列
↓
構 形
↓
活 性
↓
調 節
Juang RH (2007) BCbasics
蛋 白 質 的 四 級 構 造 區 分 , 似 乎 不 只 是 構 造 上 的 組 織 單 位 , 更 有 其 生 理 功 能 的 重 大 意 義 。 很 多
酵 素 都 有 四 級 構 造 , 因 此 也 都 有 調 控 機 制 , 以 便 控 制 整 條 代 謝 路 徑 。
酵 素 分 子 可 說 是 智 慧 型 的 奈 米 機 器 。
E1-10

Ribozyme - 具 有 催 化 能 力 的 核 酸
Altman, Cech (1989)
RNA 具 有 催 化 能 力
有 些 RNA
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)
RNA 分 子 因 為 是 單 股 核 酸 , 且 其 分 子 通 常 不 很 長 , 因 此 可 捲 繞 成 一 定 的 分 子 構 形 , 可 能 因 而
具 有 催 化 的 能 力 。 此 種 具 有 催 化 力 的 RNA, 統 稱 之 為 ribozyme。
原 蟲 之 一 的 四 膜 蟲 , 其 核 糖 體 rRNA 含 有 intron, 此 rRNA 可 以 催 化 自 身 intron 的 切 除 ; 而 這
段 被 切 出 來 的 intron 分 子 可 以 繼 續 催 化 如 此 的 切 除 動 作 , 非 常 類 似 酵 素 的 催 化 行 為 。 在 進 行
上 述 催 化 反 應 時 , 須 外 加 一 個 guanosine 核 苷 輔 助 ; 這 又 可 能 是 輔 脢 的 始 祖 。
為 何 RNA 有 這 種 功 能 ? 不 要 忘 記 , 凡 是 具 有 催 化 功 能 的 分 子 , 大 多 與 其 構 形 有 關 。
E1-11

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
類 病 毒 viroid 乃 一 種 無 外 殼 病 毒 , 含 有 可 感 染 植 物 的 巨 大 RNA, 其 部 份 RNA 序 列 , 居 然 可
催 化 其 遠 端 RNA 的 裂 解 , 是 典 型 的 ribozyme。 上 圖 的 ribozyme 會 摺 疊 成 一 定 構 型 , 並 可 辨
識 其 所 要 切 開 的 序 列 , 其 反 應 也 需 要 鎂 離 子 協 助 , 都 很 像 是 酵 素 的 行 為 。
E1-12

RNA 具
有
固
定
構
形
核
糖
體
催
化
蛋
白
質
合
成
rRNA
tRNA
攜 帶 正 確 胺 基 酸 並 辨 認 密 碼
Alberts et al (2002) Molecular Biology of the Cell (4e) p.304, 347
DNA 是 雙 股 核 酸 , 而 且 其 分 子 量 非 常 巨 大 , 因 此 無 法 自 由 捲 繞 成 特 定 構 形 , 都 只 是 形 成 長 長
的 雙 螺 旋 構 造 。 RNA 分 子 內 的 鹼 基 , 除 了 有 正 常 的 Watson-Crick 配 對 以 外 , 還 有 非 W-C 配
對 的 鍵 結 , 使 得 RNA 得 以 形 成 各 種 不 同 構 形 , 以 配 合 某 種 特 定 的 催 化 反 應 。 核 醣 體 由 RNA
及 蛋 白 質 組 成 , 這 些 RNA 都 是 ribozyme, 協 助 蛋 白 質 轉 譯 。
Ribozyme 的 發 現 , 使 我 們 更 肯 定 地 球 上 最 早 形 成 的 巨 分 子 , 可 能 是 RNA, 因 為 RNA 兼 具 貯
藏 信 息 及 固 定 構 形 , 相 當 不 尋 常 。
E1-13

1 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
我 們 在 描 述 了 酵 素 的 大 體 印 象 後 ( 概 論 ), 將 由 酵 素 的 命 名 法 則 ( 第 一 章 ) 開 始 ; 因 為 千 萬 種 酵
素 , 各 有 不 同 名 稱 與 性 質 , 如 何 釐 清 其 命 名 規 則 , 是 重 要 的 起 步 。 然 後 將 剖 析 酵 素 的 分 子 組
成 ( 第 二 章 ), 除 了 蛋 白 質 外 , 還 可 能 含 有 許 多 非 蛋 白 質 的 輔 助 因 子 ( 輔 脢 ), 使 得 酵 素 成 為 更 具
威 力 的 催 化 工 具 。 在 探 索 輔 脢 演 化 早 期 的 角 色 時 , 把 我 們 帶 進 了 生 命 源 起 之 前 的 RNA 世 界 ,
並 且 很 快 地 複 習 想 像 中 地 球 早 期 的 分 子 演 化 過 程 , 同 時 也 瞥 見 可 能 的 酵 素 以 及 輔 脢 的 始 祖 。
請 注 意 有 -in 或 –zyme 字 尾 的 名 詞 , 可 能 是 某 種 較 老 的 酵 素 名 稱 。 目 前 新 發 現 的 酵 素 都 使 用
系 統 命 名 法 , 可 以 很 清 楚 地 表 達 該 酵 素 的 功 能 。 國 際 生 化 聯 盟 (IUBMB) 的 酵 素 委 員 會
(Enzyme Commission, EC) 所 訂 定 的 一 套 數 字 式 系 統 命 名 法 , 像 是 身 分 證 字 號 一 樣 , 給 每 一 種
酵 素 一 個 系 統 編 號 。
E1-14