酶是大分子,其分子量一般在一萬以上,由數百個氨基酸組成。而酶的底物一般很小,直接與底物接觸並起催化作用的只是酶分子中的一小部分。即使有些酶的底物較大,但與酶接觸的也只是一個很小的區域。所以,我們把酶分子中與底物結合併催化反應的場所稱為酶的活性中心。

乳酸脫氫酶和底物

活性中心是由酶分子中少數幾個殘基構成的,它們在一級結構上可能相距很遠,甚至位於不同的肽鏈上,由於肽鏈的盤曲摺疊而互相接近,構成一個特定的活性結構。因此活性中心不是一個點或面,而是一個小的空間區域。

酶的活性中心,引自百度百科

活性中心的氨基酸按功能可分為底物結合部位和催化部位。前者負責識別特定的底物並與之結合。它們決定了酶的底物專一性。後者是起催化作用的,底物的敏感鍵在此被切斷或形成新鍵,從而生成產物。二者的分別並不是絕對的,有些基團既有底物結合功能又有催化功能。

Koshland將酶分子中的殘基分為四類:接觸殘基負責底物的結合與催化,輔助殘基起協助作用,結構殘基維持酶的構象,非貢獻殘基的替換對活性無影響,但對酶的免疫、運輸、調控與壽命等有作用。前二者構成活性中心,前三者稱為酶的必須基團。

糜蛋白酶與TCK

活性中心以外的部分並不是無用的,它們能夠維持酶的空間結構,使活性中心保持完整。在酶與底物結合後,整個酶分子的構象發生變化,這種扭動的張力使底物化學鍵容易斷裂。這種變化也要依靠非活性中心的協同作用。

一般單體酶只有一個活性中心,但有些多功能酶具有多個活性中心。大腸桿菌DNA聚合酶I是一條109 kd的肽鏈,既有聚合酶活性,又有外切酶活性。下圖是一種芽孢桿菌的DNA聚合酶I,聚合酶活性中心位於左側與DNA結合的結構域,外切酶活性中心位於右側結構域。

芽孢桿菌DNA聚合酶I

活性中心的基團反應性常與其他基團不同,所以一些試劑可以專一性地與活性中心中的某種殘基反應,而不與活性中心外的殘基作用。如DFP(二異丙基氟磷酸)只能與活性中心中的絲氨酸反應。而TPCK(N-對甲苯磺醯苯丙氨醯氯甲基酮)的專一性更強,只能與糜蛋白酶活性中心的His-57結合,稱為親和標記。

糜蛋白酶與TCK的相互作用

當沒有專一性試劑時,可用差示標記法:先用底物類似物保護活性中心,再加入修飾劑,與活性中心以外的基團反應,然後除去底物類似物,再加入同位素或熒游標記的試劑,此時試劑只能與活性中心的基團反應,所以被標記的就是活性中心。

紫外、熒光、園二色光譜等方法也可用與活性中心的研究。在酶與底物結合時,位於底物結合部位的生色團必然會發生某種變化,從而導致其光譜的變化。這些生色團可以是酶本身帶有的,也可以人工引入。這種方法可以用來判斷活性中心的構成,也可以研究催化的反應過程。

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