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第二章 細胞

(酵素)

一、 細胞內的化學反應

1.1  代謝作用

?        代謝作用:生物體內所有化學反應的總和。

?        它涉及兩類反應:組成代謝分解代謝

?        一項代謝活動是由一連串的化學反應所組成,整個化學反應過程稱為代謝途徑

?        代謝作用以一連串反應結合的好處:

1.      巨大反應往往釋出大量能量,對細胞構成傷害。

2.      一連串的反應產生各類中間物,讓細胞能充分運用。

?        連串反應過程涉及高度的結構性和功能性組織才能更有系統地進行,過程以酶來控制。

?        從能量角度而言,任何化學反應都受到一些定律所限制,如能量守恆定律(Laws of Conservation of Energy)、熱力學定律(Laws of Thermodynamics)。

?        能量守恆定律:能量以不同形式存在,如熱、光、化學能、動能等。能量不能被產生或消滅,但能從一種形式轉化為另一種形式。

?        熱力學第一定律:當能量從一種形態轉化為另一種形態,能量不會有加增或減少。

?        熱力學第二定律:當能量從一種形態轉化為另一種形態,部分能量轉化為熱。

 

1.2  各類細胞內的化學反應

(A)  組成代謝

?        涉及所有合成的反應,分子連結而形成更複雜的化合物。

A + B ────→ AB

?        組成代謝需要額外提供能量

?        組成代謝的功用:建立複雜的分子作建構性物質貯存,如自養生物把無機物質合成作澱粉質;異養生物把簡單有機物合成作複雜有機物,如糖原、脂類;並建立細胞的構造如粒線體、微質管等。

?        例子: 二氧化碳 + 水 ──→ 糖

?        涉及一個向上的能線圖energy profile):受質(二氧化碳和水)有較低的位能。當提供相當的活化能時,能夠克服能障energy barrier),開始反應,把受質的化學鍵分開形成產物。產物有較高的位能貯存於化學鍵內。

?        活化能可來自化學物質的化學能(化合反應)或光能(光合反應)。

 

(B)  分解代謝

?        把物質分解成簡單分子的反應:  AB ────→ A + B

?        分解代謝通常會放出能量。

?        功能:把食物消化以便進行吸收,如脂類────→脂肪酸和甘油;釋放能量以推動細胞的組成代謝,維持生物的正常運作(如肌肉收縮),和維持穩定的內在環境(體內平衡)。

?        例子: 糖 ──→ 二氧化碳 + 水

?        涉及一個向下的能線圖:靜止時,糖有較高的位能儲存於化學鍵內。提供活化能使反應開始,形成產物。受質內的位能轉化為化學能(ATP內)和熱,兩種產物(二氧化碳和水)的位能較糖低。

 

二、 酶的作用

2.1  與活化能

?        雖然大部分反應中受質的能階energy level)比產物高,然而反應不會進行,除非克服了能障(即所提供能量高於活化能)。在同一溫度下,某反應的活化能越高,其反應速率越慢。

?        透過減低活化能以加快代謝反應。這容許反應以供應較低能量而進行。

?        熱能通常是作為活化能的一個來源,但高溫會殺死細胞。透過降低活化能,使化學反應於較低的溫度下進行,對細胞有利。

 

2.2  的特性

?        是一些蛋白催化劑,能催化一些化學反應的速度,過程中它們不會改變。

?        都是蛋白質(球狀蛋白)。

?        改變平衡位置的反應率,而不改變平衡位置。

?        反應中與受質形成短暫的受質複合物

?        小量的已經足夠改變大量的受質。

?        的作用是專一的。

?        的反應受到一些因素影響,包括溫度、pH的濃度、受質濃度等。

 

三、 酶運作的機理

3.1  鎖鑰假說Lock and key hypothesis)(Emil Fischer, 1890

?        分子的表面有特殊的構造(活性部位),能夠與受質結合。

?        只有獨特形狀的受質才能與的活性部位結合,導致反應的專一性。

?        活性部位內約有312個氨基酸與受質直接結合,短暫地形成受質複合物。

?        透過形成受質複合物後,產物便能產生,而沒有任何改變。

?        的活性部位再次空出以連結更多受質分子。

 

3.2  誘導配合模型Induced fit model)(Daniel Koshland, 1973

?        受質與結合時誘發一種或其他蛋白質的活性部位的構象變化,為受質和提供兩好的配合。

 

四、 影響酶反應的因素

4.1  溫度

?       都是蛋白質,而蛋白質的三維結構受溫度影響(氫鍵被破壞),所以的反應受溫度影響甚大。

?       通常而言,在5oC以下,反應率非常低。因為酶和受質分子不活躍,所以碰撞機會減少,反應率很低。

?       介乎5oC - 37oC,隨著溫度上升,反應率亦上升(每增加10oC約使反應率增加一倍)。因為上升的溫度使酶和受質分子的動能增加,所以兩者因碰撞而產生反應的機會亦增加。

?       到達37oC最適溫度,反應率最高。溫度高於37oC反應率下降,直至60oC反應停止。

?       因為熱能增加了分子內粒子的振動,改變了它們之間的連結鍵,使的形狀出現改變,失去了活性部位的催化能力(稱為變性),不能與受質結合。

?       「最適溫度」是溫度對分子活躍度的影響和對分子變性影響兩者的結合。

 

4.2  pH

?       pH = - log [H+(aq)];它顯示了某液體系統的酸鹼度。

?       pH的改變影響了離子鍵的穩定性,因而影響了分子的三維結構。極端的pH值會破壞的鍵,導致變性。

?       每一種有其最適pH

?       除導致變性外,pH的變化亦會影響分子的自由氨基和羧基的離子化,因而影響反應率。

 

4.3  受質濃度

?       在固定份量下,受質濃度增加使反應率增加,直至達致反應最高速率

?       低受質濃度時,的活性部位未被充分運用,即很多的活性部分都是空置的。

?       受質濃度上升,增加了受質與的活性部位結合而形成受質複合物的機會,加快了反應率。

?       當同時所有活性部位被佔據而形成受質複合物時,受質的增加再不能影響反應率,因為的數量成了一個限制性因素

?       只有透過增加的含量才能使反應率再次增加。

 

4.4  的濃度

?       若所有條件維持於最適狀態,而受質數量過剩,反應速率與的含量成正比。因為的含量上升增加了系統內可參與反應的活性部位,增加形成受質複合物的機會。

?        若受質數量有限,則的含量增加會最終達致飽和,曲線趨於平緩。

 

4.5  抑制物

?        抑制物是停止的催化反應的物質。

?        其抑制作用可以基於三方面:

i.            改變的構造,使分子不能與受質分子結合;

ii.          受質複合物結合,使其不活躍;

iii.         的活性部位永久性結合,排除受質與結合的可能。

?        分為兩大類:

A.   逆轉性抑制物(Reversible inhibitor

B.   非逆轉性抑制物(Non-reversible inhibitor

 

(A)  逆轉性抑制物

?        使不能與受質結合的抑制物。

?        其影響是暫時性的,不會對造成永久性改變。

?        包括競爭性抑制物和非競爭性抑制物兩種。

 

i.     競爭性抑制物Competitive inhibitor

?        抑制物的分子架構與受質分子相似,兩者同時競爭分子的活性部位

?        競爭性抑制物會延長所催化反應的所需時間。

?        例子:在克雷伯氏循環內,琥珀酸鹽脫氫把琥珀酸鹽(succinate)轉化為富馬酸鹽(fumerate)。丙二酸根(melonate)是一種競爭性抑制物,它的構造與琥珀酸鹽相似,競爭的活性部位。

?        競爭性抑制物的抑制程度與受質濃度和抑制物濃度有關。若受質濃度提高,其抑制能力會減弱。因為受質濃度提高增加其與結合形成受質複合物的機會。

 

ii.   非競爭性抑制物Non-competitive inhibitor

?        分子活性部位以外的位置結合,因而改變的結構,不能容納受質。

?        由於它不是與受質競爭相同的位置,所以增加受質的濃度不會影響其抑制能力。

?        例子:氰化物結合於細胞色素鐵輔基上,抑制呼吸作用的進行。

 

(B)  非逆轉性抑制物

?        永久結合,使永久性破壞,不能再進行任何催化反應。

?        例如重金屬Hg2+)和Ag+)能破壞二硫鍵,使分子形狀完全改變。

 

五、 輔因子

?        輔因子是一些能使有效地進行反應的非蛋白分子。

?        輔因子有三種:激活物activators)、coenzymes)和輔基(prosthetic groups

?        激活物是一些無機離子,它們有助某些與受質結合而形成受質複合物的速率,從而能增加反應率。例如唾液澱粉需要氯離子以有效地與澱粉質結合,分解而形成麥芽糖。

?        是複雜的非蛋白有機物質,鬆散地甚至不會連結,但有助的反應。如NAD是脫氫的輔酶,作為一個氫受體。

?        輔基是一些連結分子上的非蛋白的有機基團,如血紅素haem)是細胞色素氧化上的輔基,是含有鐵的有機基團。

 

六、 代謝途徑的控制

?        某些細胞器的內膜上有不同的有系統地排列在一起形成代謝途徑,以增加與切合受質碰撞的機會。

?        某些反應中的最終產物會抑制反應的進行,稱為產物的抑制作用end product inhibition)。如下圖所示,產物PE1的抑制物(非競爭性抑制物)。若P含量下降,抑制力下降,有更多A會形成B,如此類推,產生更多P。相反,當P過量時會影響E1的反應。這是一種負反饋的抑制,即高濃度的P會壓抑自己的生產量。

資料來源:以撒之家