E5-2 Acid-Base Catalysis - - Acid-base Catalysis + + C O = C O = C O = Specific Induced to transition state Acid-base Catalysis N H + Acid catalysis N H + C O = N H Adapted from Nelson & Cox (2000) Lehninger Principles of Biochemistry (3e) p.252 C O = N H C O = N H C O = N H Adapted from Alberts et al (2002) Molecular Biology of the Cell (4e) p.167 +d Both H O H O -d H O 棒棒脢 的催化動作，可分成數個步驟，催化機制就是一步一步地探討這些步驟。活性區首先獲得基質，並以正確方向結合之，然後以吸引力誘導棒棒的扭曲，造成折斷後完成催化反應。此一模型正確顯現催化機制的構形扭曲，以及調整空間方向的貢獻，但是對吸引力的作用，則較看不出來。 事實上在酵素活性區中，有許多酸鹼性的催化協助機制，可以幫助酵素或基質，產生更強的反應基團，而達快速反應。 以本頁下半圖為例，酸或鹼可分別對兩種基團進行強化反應性的修飾 (中間 Fast 兩圖)； 但是只有在酵素的活性區中，利用預先安排好的基團，同時對攻擊與被攻擊的基團進行強化修飾，才會得到最大的催化反應速率。 H O C - O C - O Base catalysis Slow Fast Fast Very Fast E5-2
Basic Mechanism of Catalysis 1) Bond Strain 2) Acid-base transfer 3) Orientation Conformational change Chemical reaction Space arrangement 3 basic types Concert Carboxypeptidase A Carboxypeptidase B Carboxypeptidase Y non-polar RK non-specific Metal protease Exopeptidase Chymotrypsin Trypsin Elastase YFW RK GA Ser-protease Endopeptidase Sequential 通常 酵素的催化反應是要經過數個步驟來完成的，歸納酵素的各種反應，可以整理出以上三種基本動作；由這三個基本動作，可以組合成各種不同酵素的反應來。而這些選取的動作，可以是同時發生的 (協同式)，也可以是一個一個接續發生的 (順序式)。 協同式催化的代表酵素是 carboxypeptidase (CP) 家族，而順序式的代表是 chymotrypsin (或 trypsin) 家族；剛好全都是蛋白脢。 因為是協同發生的，因此 CP 的催化機制只要用一張圖片就可以完全說明，但是 chymotrypsin 則像連環圖畫一樣，要用六張圖片說明它的連續性反應步驟。我們也舉例協同式為反應較為單純的外切脢，由蛋白質的一端開始，一個一個切下胺基酸；而順序式則屬較為複雜的內切脢，才能把蛋白質從中間切開來。 生物化學基礎網站中，有以上兩種酵素催化機制的動畫。 Juang RH (2004) BCbasics E5-3
Concerted Mechanism of Catalysis Carboxypeptidase A (248) Tyr O - H Active site pocket COO - (270) Glu 3 4 ACTIVE SITE Site for specificity O - H + H R N C COO - O - 5 2 Substrate peptide chain + Zn 1 +Arg (145) 協同式 的 carboxypeptidase 作用機制，請參考網頁上面的動畫，及講義上的文字說明。 (1) Zn2+ 離子乃重要輔助因子，可吸住基質胜肽鍵上的 carbonyl 基，增強其極性，使 (2) 碳帶正電。 (3) Glu 270 吸住水分子，放出 OH- 攻擊 C+ (2)，產生新的 C-OH 鍵。 (4) Tyr 248-OH 上的質子，與氮 lone pair 電子產生新鍵，原來的胜鍵斷裂。 (5) 附近的胺基酸與基質 C-端的 R 基團，有專一性的結合，以辨別基質的極性；同時 Arg 145 與基質 C-端的 -COOH 結合，確定基質蛋白質是以 C-端進入活性區。 His (196) Glu (72) C-terminus Juang RH (2004) BCbasics Check for C-terminal His (69) E5-4