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3. 新陈代谢催化剂酶化学
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酶分子本质多是蛋白质，但蛋白质分子都不具有催化功能。一个蛋白质分子的表面具有可以可逆地结合小的溶质分子或离子的区域，借用有机金属化学的概念，这些溶质分子被称为配体(Ligand)，包括酶的底物、辅酶或辅基，以及各种调节因子等，都可以成为配体，所以每一个酶蛋白通常有一个或多个配体结合部位，这是酶分子本身的结构决定的。
3.2酶的化学本质及结构功能特点
第3章 新陈代谢催化剂酶化学
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3.2.1酶的一级结构与催化功能的关系
1.必需基团-酶分子中只有少数几个氨基酸侧链基团与活性直接相关
酶分子中有各种功能基团，如—NH2、—COOH、—SH、—OH等，但并不是酶分子中所有的这些基团都与酶活性直接相关，而只是酶蛋白一定部位的若干功能基团才与催化作用有关。
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第3章 新陈代谢催化剂酶化学
2.酶原激活-切去部分片段是酶原激活的共性
有的酶，当其肽链在细胞内合成之后，即可自发盘曲折叠成一定的三维结构，一旦形成了一定的构象，酶就立即表现出全部酶活性，例如溶菌酶。然而有些酶（大多为水解酶）在生物体内首先合成出来的只是它的无活性的前体，即酶原（Zymogen ）。常见的几种酶原激活情况见表3-3。
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酶原的激活过程是通过去掉分子中的部分肽段，引起酶分子空间结构的变化，从而形成或暴露出活性中心，转变成为具活性的酶。不同的酶原在激活过程中去掉的肽段数目及大小不同。使酶原激活的物质称为激活剂（Activator）。虽然不同酶原的激活剂不完全相同，但有的激活剂可激活多种酶原，例如胰蛋白酶可以激活动物消化系统的多种酶原。
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3.共价修饰——改变一定基团可使酶活性改变
应用一些化学试剂可与某些氨基酸侧链基团发生结合、氧化或还原等反应，生成一共价修饰物，使酶分子的一些基团可用几种修饰剂修饰。
常用于修饰氨基的修饰剂有顺丁烯二酸酐、乙酸酐、二硝基氟苯等；用于修饰组氨酸咪唑基的有溴丙酮、 二乙基焦磷酸盐以及光氧化；修饰精氨酸的胍基常用丙二醛、2，3-丁二酮或环己二酮；修饰半胱氨酸巯基用碘乙酸、对氯汞苯甲酸、磷碘苯甲酸等；修饰丝氨酸羟基常用二异丙基氟磷酸（DFP）。
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酶共价修饰的基本要求
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（1）修饰剂的要求：
具有较小的相对分子质量，对蛋白质的吸附有良好的生物相容性和水溶性，修饰剂分子表面有较多的反应活性基团，考虑修饰剂上反应基团的活化方法和活化条件，以及修饰后酶科学研究的半衰期越长越好。
（2）酶的要求：
要熟悉酶反应的最适宜条件和稳定性条件，酶的活性部位的情况以及酶分子侧链基的化学型性质以及反应的活泼性等。
（3）反应条件的确定：
修饰反应一般要选择在酶稳定的条件下进行，尽可能少破坏酶活性必需基团，反应得最后结果得到酶的修饰剂的结合率和酶活回收率都较高的反应条件。
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酶的一级结构是酶的基本化学结构，是催化功能的基础。一级结构的改变使酶的催化功能发生相应的改变。肽键是酶蛋白的主键，不同的酶蛋白，不同氨基酸数目，催化功能就不同。
许多酶都存在着二硫键。一般二硫键的断裂将使酶变性而丧失其催化功能，但是某些情况下，二硫键断开，而酶的空间构象不受破坏时，酶的活性并不完全丧失，如果使二硫键复原，酶又重新恢复其原有的生物活性。
在细胞内有一些酶存在天然的共价修饰，从而实现酶的活性态与非活性态的互相转变。这种酶大多与调节代谢的速度有关，称为调节酶。细胞内酶的共价修饰包括磷酸化、乙酰化与去乙酰化、甲基化与去甲基化等。不同的调节酶其修饰情况不一样，有的酶接上一个基团后有活性，去掉这个基团后失去活性；另外的酶则刚好相反。
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3.2.2酶的活性与其高级结构的关系
1.活性中心—酶分子中只有很小的结构区域与活性直接相关
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把酶分子上必需基团比较集中并构成一定空间构象、与酶的活性直接相关的结构区域称为酶的活性中心（active center）或称活性部位（active site），图３-２ 所示为酶的活性中心模式。
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活性中心是直接将底物转化为产物的部位，它通常包括两个部分：与底物结合的部分称为结合中心（Binding center）；促进底物发生化学变化的部分称为催化中心（Catalytic center）。前者决定酶的专一性，后者决定酶所催化反应的性质；有些酶的结合中心和催化中心是同一部位。
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不同的酶构成活性中心的基团和构象均不同，对不需要辅酶的酶（单纯酶）来说，活性中心就是酶分子在三维结构中比较靠近的少数几个氨基酸残基或是这些残基上的某些基团，它们在一级结构上可能相距甚远，甚至位于不同肽链，通过肽链的折叠盘绕而在空间构象上相互靠近；对需要辅酶的酶（结合酶）来说，活性中心主要就是辅酶分子，或辅酶分子上的某一部分结构，以及与辅酶分子在结构上紧密偶联的蛋白的结构区域。
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酶分子的活性中心一般只有一个，有的有数个，催化中心常常只有一个，包括2、3个氨基酸残基。结合中心则随酶而异，有的仅有一个，有的有数个。每个结合中心的氨基酸数目也很不一致。
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2.牛胰核糖核酸酶折合实验-二、三级结构与酶活性的关系
酶的二、三级结构是所有酶都必须具备的空间结构，是维持酶的活性部位所必须的构象。当酶蛋白的二级和三级结构彻底改变后，就可使酶的空间结构遭受破坏从而使其丧失催化功能，这是以蛋白质变性理论为依据的。另一方面，有时使酶的二级和三级结构发生改变，能使酶形成正确的催化部位从而发挥其催化功能。由于底物的诱导而引起酶蛋白空间结构发生某些精细的改变，与适应的底物相互作用，从而形成正确的催化部位，使酶发挥其催化功能，这就是诱导契合学说的基础。
牛核糖核酸酶（RNaseI）的活性中心主要由第12位和第119位两个组氨酸残基构成，这两个残基在一级结构上相隔107个氨基酸残基，但是它们在高级结构中相距得很近，两个咪唑基之间约0.5nm，这两个氨基酸就构成了酶的活性中心。这一结果是由RNaseI的片段重组得出的。
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用枯草杆菌蛋白酶（Subtilisin）水解RNase分子中的丙20—丝21间的肽键，其产物仍具有活性，称为RNaseS。产物中含有两个片段：一个小片段，含有20个氨基酸残基（1~20），称为S肽；一个大片段，含有104个氨基酸残基（21~124），称为S蛋白。S肽具有组12，S蛋白含有组119。肽与S蛋白单独存在时，均无活性，但若将二者按1：1的比例混合，则恢复酶活性，虽然此时第20与21之间的肽键并为恢复。这是因为S肽通过氢键及疏水作用与S蛋白结合，使组12和组119在空间位置上相互靠近而重新形成了活性中心。可见，只要酶分子保持一定的空间构象，使活性中心必需基团的相对位置保持恒定，一级结构中个别肽键的断裂，乃至某些区域的小片段的去除，并不影响酶的活性。
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3.聚合与解聚——四级结构与酶活性的关系
具有四级结构的酶， 按其功能可分为两类：一类与催化作用有关，另一类与代谢调节关系密切。
只有与催化作用有关的具有四级结构的酶，由几个相同或不同的亚基组成，每个亚基都有一个活性中心。四级结构完整时，酶的催化功能才会充分发挥出来，当四级结构被破坏时，亚基被分离，若采用的分离方法适当，被分离的亚基仍保留着各自的催化功能。
在一些调节酶中，其分子结构常常是寡聚蛋白，酶的活性通过亚基的聚合与解聚来调节。有的酶呈聚合态时是有活性的，解聚成亚基后为非活性态。
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在一些调节酶中，其分子结构常常是寡聚蛋白，酶的活性通过亚基的聚合与解聚来调节。有的酶呈聚合态时是有活性的，解聚成亚基后为非活性态,如图３-３ 所示:
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