胰凝乳蛋白酶的作用機制涉及絲胺酸殘基的醯化作用

Presentation on theme: "胰凝乳蛋白酶的作用機制涉及絲胺酸殘基的醯化作用"— Presentation transcript:

1 胰凝乳蛋白酶的作用機制涉及絲胺酸殘基的醯化作用
胰凝乳蛋白酶的 3D 立體結構如圖 6-18 所示，其強調的重點在於活性部位的官能基。此酵素的催化反應闡述了如何穩定過渡態的原理，並提供了對於一般酸-鹼催化及共價催化一個經典的例子。 p.218

2 圖 6-18(a) 圖6-18　胰凝乳蛋白酶的結構（PDB ID 7GCH）。 (a) 一級結構的圖示標出雙硫鍵及對催化力具決定性的胺基酸殘基。此蛋白質是由三條以雙硫鍵相連結的多肽鏈所組成（圖中編號 14、15、147 及 148 殘基缺口的部分會在圖 6-38 說明）。活性部位的胺基酸在三級結構中是聚在一起的。 p.219

3 圖 6-18(b) 圖6-18　胰凝乳蛋白酶的結構（PDB ID 7GCH）。(b) 強調此酵素表面的圖示，與受質的芳香族胺基酸支鏈結合的口袋狀位置以綠色表示。而主要的活性部位殘基包括 Ser195、His57 及 Asp102 是以紅色表示，這些殘基對於催化反應的角色在圖 6-21 有作說明。 p.219

4 圖 6-18(c) 圖6-18　胰凝乳蛋白酶的結構（PDB ID 7GCH）。(c)多肽鏈骨架以帶狀結構表示，雙硫鍵為黃色圖示，而 A、B、C 鏈與(a) 圖用相同的顏色顯示。 p.219

5 圖 6-18(d) 受質 p.219

6 圖6-18　胰凝乳蛋白酶的結構（PDB ID 7GCH）。(d) 受質（綠色）與活性部位結合情形的近觀。從圖中可看見活性部位內其中兩個殘基 Ser195 及 His57（皆為紅色）。Ser195 的羥基會攻擊受質的羰基（紫色為氧原子）；如圖 6-21 所示，氧分子上的負電荷會被氧負離子洞（oxyanion hole）（醯胺氮，其中之一來自 Ser195，橘紅色）所穩定，而受質的芳香族胺基酸支鏈和其（即將）被切斷的胜肽鍵醯胺氮（圖中的朝外突起，並顯出受質其餘被切開的多肽鏈的投影走向）以藍色表示。 p.219

7 圖 6 – 19 p.219

8 圖 6 – 19 (續) p.219

9 圖6-19　醯基-酵素中間物的前穩態動力學證據。藉由對位-硝基苯酚（有色的產物）的釋放來觀察胰凝乳蛋白酶水解對位-硝基苯醋酸鹽的情形。剛開始時，對位-硝基苯酚是以非常快的速度被釋放出來，快速釋出的量與使用酵素的量差不多相等，這反映出反應中快速醯化的階段。接著反應速率變得較慢，是因為酵素的轉換受限於較慢的去醯化反應階段之故。 p.219

10 胰凝乳蛋白酶的作用機制另一特徵是反應時的pH 值決定其催化能力。
藉由動力學及酵素結構的分析顯示，kcat 數值的改變曲線反映了 His57 離子化的狀態。在 pH 值低時，kcat 值下降是因 His57 的質子化（因此在反應第 ① 步驟時，它無法從 Ser195 獲得質子；見圖 6-21）。此時反應速率降低顯示出一般酸催化及一般鹼催化對於胰凝乳蛋白酶作用機制的重要性。 p.220

11 圖 6 – 20 p.220

12 圖6-20　胰凝乳蛋白酶的催化反應與 pH 值的關係。(a) 胰凝乳蛋白酶催化水解受質的速率對 pH 值作圖得到鐘型的 pH-速率圖，最高的反應速率是在 pH 8.0 時。繪製所使用的速率（v）是在低受質濃度的情況下所測得的，因此此反應速率 v 代表 kcat/Km。利用動力學的方法，此圖可被分解成它的組成（kcat 和 Km）。在每一個 pH 值之下分別測定 kcat 和 Km 值。完成後結果如（b 和 c），可以很清楚的看出在 pH 7 左右的轉變是由於 kcat 的改變，而在 pH 8.5 左右的轉變則是因為 1/Km 的改變。由動力學以及結構上的研究顯示 (b) 和 (c) 圖解的轉變分別取決於 His57 支鏈離子化的狀態（當沒有鍵結受質時），以及 Ile16 的 α-胺基離子化的狀態（在 B 鏈的 N 端）。此酵素要得到最高的反應活性，His57 必須未質子化且 Ile16 必須質子化。 p.220

13 在胰凝乳蛋白酶中，Ser195 會與 His57 和 Asp102 形 成氫鍵網絡，此稱為催化三角（catalytic triad） 。

14 BOX 酵素與過渡狀態互補的證明 BOX 1-2 FIGURE 1 p.221

15 BOX 6-3 (續) 酵素與過渡狀態互補的證明 BOX 1-2 FIGURE 1 p.223

16 圖 6 – 21 (續) p.224

17 圖 6 – 21 (續) p.224

18 圖 6 – 21 (續) p.225

19 圖 6 – 21 (續) p.225

20 圖 6 – 21 (續) p.225

21 圖 6 – 21 (續) p.225

22 圖 6 – 21 (續) p.224

23 圖 6 – 21 (續) p.224

24 機制圖6-21　胰凝乳蛋白酶催化胜肽鍵水解。反應分為兩個時期，在醯化階段時（步驟 到 ），胜肽鍵斷裂同時生成共價之具酯化酵素形態之中間物。在去醯化階段（步驟到 ），去醯化再產生游離酵素，基本上是醯化階段之反應的逆反應，只是由水分子以相反方向的方式，取代受質胺基的角色。 p.224

25 目前各種不同的疾病，小至頭痛大至愛滋病，大部分 治療的藥物都是酵素的抑制劑。
了解酵素機制促進醫學重大的進步 目前各種不同的疾病，小至頭痛大至愛滋病，大部分 治療的藥物都是酵素的抑制劑。 其中有兩個重要的例子：抗生素藥物盤尼西林（與其 衍生物），及用來治療愛滋病的蛋白酶抑制劑，它們 都是不可逆性抑制劑。 p.229

26 圖 6 – 26 p.230

27 圖6-26　轉胜肽酶反應。這反應靠著轉胜肽酶活性區域上的一個 Ser，經由與胰凝乳蛋白酶相似的共價催化機制的幫助下，把兩個肽聚糖前驅物連結成一個較大的聚合物。注意肽聚糖是在自然環境中少數可發現 D-胺基酸的地方。活性區域上的 Ser 會攻擊兩個 D-Ala 之間的胜肽鍵上的羰基，受質與酵素之間形成一個共價酯鍵，並釋放出一個尾端的 D-Ala 殘基。接著，第二個肽聚糖前驅物上的胺基會攻擊這酯鍵，把酵素置換掉，並使兩個前驅物連結起來。 p.230

28 圖 6 – 27(a) p.231

29 圖 6 – 27(b) p.231

30 圖6-27　β-內醯胺環抗生素對轉胜肽酶的抑制作用。(a) β-內醯胺環抗生素的特色是它有一個五元的四氫噻唑環（fivemembered thiazolidine ring）及一個四元 β-內醯胺環。β-內醯胺環是被拉緊的並屬於醯胺基的一部分，後者在抑制肽聚糖的合生上扮演著關鍵的角色。不同的盤尼西林其取代基（R）都不一樣。第一個分離出的盤尼西林 G 是目前最有效的盤尼西林之一，但它會被胃酸分解，因此必須使用注射的方法。盤尼西林 V 則有效又能耐酸，所以可以口服使用。安蒙西林的有效性非常廣，而且可以口服，是最普遍處方用的 β-內醯胺環抗生素。(b) 轉胜肽酶活性區域上的 Ser 攻擊 β-內醯胺環上的氨基部分後，會產生一個共價醯基產物。這產物的水解反應很慢（可視為不可逆），因此抑制轉胜肽酶的活性。 p.231

31 HIV 病毒後來很快就被發現並確定是一種反轉錄病毒 （retrovirus）。
人類大量使用盤尼西林及其衍生物，導致其演化出表 現 β-內醯胺酶（β-lactamases）（圖 6-28a）的 致病性細菌株。β-內醯胺酶可以切割 β-內醯胺環 抗生素而使它們失活。因此，細菌會對抗生素產生抗 藥性。 HIV 病毒後來很快就被發現並確定是一種反轉錄病毒 （retrovirus）。 p.229

32 圖 6 – 28(a) 圖6-28 β-內醯胺酶的作用及其如何被抑制。(a) β-內醯胺酶可以切割 β-內醯胺環
抗生素中的 β-內醯胺環，而使它們失活。 p.231

33 圖 6 – 28(b) 圖6-28　β-內醯胺酶的作用及其如何被抑制。 (b) 棒酸是一種自殺性失活劑，利用 β-內醯胺酶正常的化學機制把一個活化物黏附在活性區域中。這活化物會被活性區域中的功能基攻擊並且不可逆地將酵素醯化。 p.231

34 圖 6 – 29 圖6-29　HIV 蛋白酶的作用機制。活性區域中（來自不同次單元）的兩個 Asp 殘基作為一般酸-鹼催化劑，幫助水分子去攻擊胜肽鍵。反應路徑中的粉紅色標示為不穩定的四面體中間產物。 p.232

35 圖 6 – 30 圖6-30　HIV 蛋白酶抑制劑。羥基（紅色的部分）是一個過渡狀態的類似物，模擬了四面體中間產物中的氧。而其旁邊的苯環（藍色的部分）則會幫助藥物正確地座落在活性區域的位置。 p.232

36 總結 6.4 胰凝乳蛋白酶是一絲胺酸蛋白酶，其反應機制被了解 最清楚，其催化反應的特徵為一般酸－鹼催化、共價 性催化，及過渡狀態的穩定作用。
己醣激酶是一很好的例子，可以用來說明酵素利用與 受質的結合力，進行誘導配合。 烯醇酶反應是經由金屬離子的催化作用。 溶菌酶利用共價催化及一般酸催化以促進其兩連續的 親核性取代反應。 了解酵素作用的機制有助於發展具有抑制酵素功能的 藥物。 p.233

37 6.5 調節酵素 調節酵素（regulatory enzymes）的催化活性會隨著某些 訊息增加或減少。 調節酵素的活性有許多方式。
6.5 調節酵素 調節酵素（regulatory enzymes）的催化活性會隨著某些 訊息增加或減少。 調節酵素的活性有許多方式。 在新陳代謝的途徑中主要有兩大類調節酵素，異位酵 素（allosteric enzymes）透過與調節物質的可逆、非共 價鍵結來調節其功能，這些調節物通常是小代謝物或 輔因子，稱為異位調節物（allosteric modulators），或 異位作用物（allosteric effectors）。 其他酵素則是靠可逆的共價修飾（covalent modification) 作調控。 p.233

38 與調節物結合會改變異位酵素的構形 除了活性部位外，異位酵素通常都有一個或多個調節 部位或異位部位可與調節物結合（圖 6-31）。如同 酵素活性部位對受質具有的特異性一樣，每個調節部 位對調節物也具有特異性。 p.234

39 圖 6 – 31 圖6-31　發生在異位酵素中次單元間的相互作用，及抑制劑與活化物的交互作用。許多異位酵素的受質結合部位與調節物結合部位是在不同的次單元。分別稱為催化性次單元（C）與調節性次單元（R）。正向（刺激性）調節物（M）結合至調節性次單元上的特定位置所發生的訊息會透過構形改變，傳遞到催化性次單元。這種改變使催化性次單元活化且能夠與受質（S）表現出高度親和力的結合。調節物一旦離開調節性次單元，酵素會回復到非活化態或低活化態。 p.232

40 圖 6 – 32 圖6-32　調節酵素天冬胺酸轉胺甲醯苷的立體結構圖（衍生自 PDB ID 2AT2）。此異位調節酵素有兩組催化群落。每組催化群落是由三條催化性多肽鏈（藍色與紫色）組成，以及三組（各含有二條多肽鏈）（紅色與黃色）的調節群落。調節組群落圍繞著催化性次單元的三角形之頂端。異位調節物的結合區位於調節性次單元。調節物結合使酵素的構形與活性都產生很大的變化。此酵素在核苷酸合成所扮演的角色及調控的細節，將在第 22 章討論。 p.234

41 許多系統路徑之調節步驟是由異位酵素所催化
回饋抑制（feedback inhibition）：也就是終產物 的累積會回向抑制減緩整個路徑的反應速率。 第一個被發現的異位回饋抑制案例是一組細菌酵素系 統，其包含由 L-酥胺酸（L-Thr）轉變為 L-異白胺 酸（L-Ile）的五步驟催化路徑（圖 6-33）。 p.235

42 圖 6 – 233 圖6-33 回饋抑制。L-酥胺酸 到 L-異白胺酸的轉換過程是 由五個酵素（E1 到 E5）依序
催化完成的。酥胺酸脫水酶 （E1）只會被反應的終產物 L- 異白胺酸異位抑制，而不會被 其他四個中間物（A 到 D）所 抑制。回饋抑制以虛線及出現 在酥胺酸脫水酶反應箭頭上的 符號表示，本書使用同樣的 標記。 p.235

43 異位酵素表現出來的 V0 與 [S] 之間的關係不同於 Michaelis-Menten 動力學。
異位酵素的動力學特性背馳 異位酵素表現出來的 V0 與 [S] 之間的關係不同於 Michaelis-Menten 動力學。 S 型動力學的一個特色就是，當受質濃度小量變化時 ，酵素的活性會大幅度地改變。 p.235

44 圖 6 – 34(a) 圖6-34　典型異位酵素的受質－活性曲線。異位酵素與其調節物複雜反應的三種例子。(a) 同型酵素的 S 型曲線，受質亦當為正向（刺激性）調節物或活化物。注意此圖形類似血紅蛋白與氧分子－飽和曲線（見圖 5-12）。 p.236

45 圖 6 – 34(b) 圖6-34　典型異位酵素的受質－活性曲線。異位酵素與其調節物複雜反應的三種例子。 (b) 正向調節物 (＋) 與負向調節物 (－) 在改變 K0.5 而不改變 Vmax 的情況下，對異位酵素的影響。中間的曲線表示在無調節物的情況下，受質－活性的關係。 p.236

46 圖 6 – 34(c) 圖6-34　典型異位酵素的受質－活性曲線。異位酵素與其調節物複雜反應的三種例子。(c) Vmax 改變但 K0.5 幾乎不變，這是一類較少見的調節類型。 p.236

47 在調節酵素的另一個重要類型中，其活性會經由酵素 本身受到一個或多個胺基酸殘基共價修飾的調控。
有些酵素可被可逆的共價修飾所調控 在調節酵素的另一個重要類型中，其活性會經由酵素 本身受到一個或多個胺基酸殘基共價修飾的調控。 磷酸化是一種最常見的調節修飾作用類型。 p.236

48 圖 6 – 35 圖6-35　酵素修飾作用之範例。 p.237

49 磷酸化調節作用（第 15 章）一個很重要的例子是肌 肉與肝臟的肝醣磷酸化酶（分子量 94,500），此酵素 催化的反應為
磷酸基影響酵素的結構與催化活性 蛋白激酶（protein kinases）催化磷酸基連接到蛋白質 結構上特定胺基酸殘基上的作用；蛋白質磷酸酶（ protein phosphatases）則催化磷酸基的移除。 磷酸化調節作用（第 15 章）一個很重要的例子是肌 肉與肝臟的肝醣磷酸化酶（分子量 94,500），此酵素 催化的反應為 p.237

50 圖6-36　(續) 升糖素的角色亦十分相似，不過則會結合在肝臟上的接受器。這導致合成出大量的環磷酸腺苷（cyclic AMP；cAMP），進一步再活化 cAMP-依賴性蛋白激酶（cAMP-dependent protein kinase）（亦稱蛋白激酶 A 或 PKA）。PKA 會磷酸化幾個目標蛋白質，如磷酸化酶激酶（phosphorylase kinase）及磷蛋白磷酸酶抑制劑 1 phosphoprotein phosphatase inhibitor 1；PP1）。磷酸化態的磷酸化酶激酶會被活化並進行磷酸化作用，最後活化肝醣磷酸化酶。在同一時間，磷酸化態的 PPI-1 會與 PP1 結合並抑制它的作用。PP1 亦會抑制磷蛋白磷酸酶 2B（PP2B）（PP2B 可去磷酸化 PP1 使之失活），使其本身維持在活化（磷酸化）態。在這情況下，肝醣磷酸化酶 a 與 b 之間的平衡會明確地轉變，得到更多活化的肝醣磷酸化酶 a。要注意這兩類的肝醣磷酸化酶，有某種程度均會被鈣離子活化（圖中沒有說明）。這路徑細節會在第 14、15 及 23 章做更深入的討論。 p.238

51 某些酵素和蛋白質的調控是經由將酵素前驅物的蛋白水 解切割
對某些酵素而言，切割之前稱為酶原（zymogen）的 非活化前驅物，切割後才成為活化的酵素。 蛋白酶並非唯一藉由蛋白水解而活化的蛋白質。然而 ，在其他例子中的前驅物並不稱為酶原，更常見的適 當稱呼為前驅蛋白質（proproteins）或原酶（ proenzymes）。 p.240

52 圖 6 – 38 p.241

53 圖6-38　經由蛋白水解切割活化酶原。此圖顯示由酶原變成胰凝乳蛋白酶與胰蛋白酶的過程。條狀物表示多肽鏈的一級序列，胺基酸殘基的編號代表其在酶原（胰凝乳蛋白酶原與胰蛋白酶原）之一級序列上的位置（胺基端殘基的編號為 1）。經由切割產生多片段之末端的胺基酸殘基則標示在條狀物的下方。因此，在最後活化的形式中，有些有編號的殘基在活化過程被移除。胰凝乳蛋白酶的三條多肽鏈（A、B、C）是以雙硫鍵相連接的（見圖 6-18）。 p.241

54 總結 6.5 細胞中代謝路徑的活絡程度是藉由調控一些特定酵素活性來作調節的。 在回饋抑制中，一個路徑的最終產物會抑制同一路徑的第一個酵素。
異位酵素的活性，受到特定調控因子結合到調節區的可逆結合來調控，這些物質可能是抑制物或刺激物，也可能是受質本身或某些新陳代謝物。異位酵素的動力學受酵素次單元間的協同作用的影響。 p.242

55 總結 6.5 (續) 其他調節酵素則是透過特殊官能基之共價修飾來調控，利用特定胺基酸殘基的磷酸化來調控酵素活性，就是一種很常見的方式。
許多蛋白水解酵素合成時是不具活性的前驅物，稱為酶原；酶原經由被切斷小胜肽片段形成具有活性的蛋白酶。 代謝作用重要樞紐的酵素可藉由各種複雜的影響因子的共同組合來調控，因此可以協調一些有相關性的代謝路徑。 p.242