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酵素動力學
一、酵素活化中心(The active center of an enzyme) 二、活化位置的化學變型(Chemical modification of the active site) 三、活化位置指引試劑(Active-site-directed reagents) 四、水解酶的活化位置胺基酸(Active-site residues of hydrolytic enzymes) 六、對酶的構造與功能的註解(Comments on enzyme structure and function)
一、酵素活化中心(The active center of an enzyme)
每一個酵素催化反應，基質（不管是大分子或小分子）會與酵素的特別位置結合，形成酵素-基質錯化物(ES錯化物)。以ES錯化物的形式，基質分子就可進行空間構造的改變，產生鍵的斷裂與形成過渡狀態，使基質轉變成產物。因為基質多為小分子，因此，對酵素的特異結合(ES錯化物)只是在酵素構造的一小區域。參與基質反應的酵素區域叫活化中心(active center)。活化位置(active site)則是與催化有關的活化中心部分。特化位置(specificity site)是接近活化位置的酵素區域，與基質結合並適當地把基質導入活化位置。
二、活化位置的化學變型(Chemical modification of the active site)
利用化學試劑造成酵素活性的喪失，可鑑定活化位置的胺基酸。為了要確定inactivation是在活化位置的胺基酸，而非在遠離活化位置的某些決定性構造元素上，因此，以化學試劑進行inactivation，必須受基質或基質類似物的抑制。因為基質或競爭性抑制劑與活化位置區域結合，空間的阻礙可以阻止化學試劑的接近。活化位置的化學變型，以化學衍生物的形式”標定”了決定性的胺基酸。酵素的胺基酸分析，直接鑑定參與反應的胺基酸，並且在酵素衍生物的順序分析中，出現化學衍生物者，便是特殊胺基酸的位置。
以下以乳凝蛋白酶為例，說明酵素的作用。乳凝蛋白酶和許多其他的酶，與二異丙氟磷酸(di-isopropylphosphofluoridate)作用時，便被inactived，這是一種極強的神經毒劑，能抑制中樞神經系統的酶-乙醯膽脂鹼酶(acetylcholoinesterase)。該試劑與酶的反應會形成穩定的二異丙基磷酸的衍生物。
變型的位置是在乳凝乳蛋白酶27個serine中的一個，位於195號（指牛的乳凝蛋白酶原A的胺基酸編碼）。因為inactivation只能使用酶的活化型，而不能用變型蛋白質分子或無活性的酶原，serine 195可認為是活化位置的部分。對於這種指認，有進一步的證據：當乳凝蛋白酶的基質與二異丙氟磷酸競爭活化位置時，滅化的速率就減低了。
每一分子的乳凝乳蛋白酶結合一個甲苯磺酸基，且化學分析得知只有一個serine被甲苯磺酸化。甲苯磺酸化的乳凝乳蛋白酶，在0o、0.1M的氫氧化鈉下，進行鹼-消去反應，並形成祛水乳凝乳蛋白酶(anhydrochymotrypsin)。反應的狀況要很緩和，以保持它的原本構造；唯一的改變是serine 195轉變成dehydroalanine。祛水乳凝乳蛋白酶性質穩定，沒有酵素催化的活性，但能結合基質(形成ES錯化物)和抑制劑。催化活性的喪失，顯示serine 195在酶的催化作用上所擔任的角色，是它為活化位置的一部份，而非特化位置的一部份。祛水乳凝乳蛋白酶少許的改變，消除了活化區域可能的空間阻礙。
三、活化位置指引試劑(Active-site-directed reagents)
乳凝乳蛋白酶活化位置的化學變型，可使用”活化位置指引劑”做進一步的證明；這種試劑的反應受酶的特異性指引，而與酶形成共價鍵。此酶的典型基質是N-甲苯磺酸酚丙胺酸乙酯(N-tosylphenyalanine ethyl ester)，但Schoellmann和Shaw卻製備了N-甲苯磺酸酚丙胺酸氯化甲酮(N-tosylphenylalanine chloromethyl ketone)，TPCK作為活化位置的抑制劑。這種基質類似物符合酶對酚丙胺基(phenylalayl group)的特異性要求，但是缺少了可水解的肽鍵（peptide bond）。
TCPK與乳凝乳蛋白酶在通常狀況下，與酶的催化位置以一比一的化學計量反應。只有原酶(native enzyme)參與反應，至於乳凝乳蛋白酶原、變性的乳凝乳蛋白酶、二異丙磷酸的衍生物和祛水乳凝乳蛋白酶皆不反應。乳凝乳蛋白酶活化基為兩個histidine中的一個嘧唑(imidazole)，胺基酸順序的號碼為57。從乳凝乳蛋白酶的化學變型研究，得知serine與histidine都參與催化作用，因此，二者都是活化位置的成分。而且，serine 195的衍生物會阻止histidine 57的化學變型，histidine的衍生物也保護serine。因此，有這樣的假設：serine 195與histidine 57的活化和其催化的角色，導因於serine的醇基與histidine的嘧唑間的某種反應形式，這兩個胺基酸都是氫鍵系統的一部份。
四、水解酶的活化位置胺基酸(Active-site residues of hydrolytic enzymes)
以化學變型技術鑑定水解酶的活化位置胺基酸，得知活化位置的胺基酸，只有一小部分不相同。除了serine蛋白酶的serine-histidine外，其他家族的活化位置還有cysteine-histidine，histidine-histidine，和glutamic acid-aspartic acid。該表還可加上已被認定的酶活化位置而擴大。
b: 胺基酸號碼是參照牛的乳凝乳蛋白酶原A的順序。
雖然serine 195與histidine 57在乳凝乳蛋白酶的胺基酸順序上。相隔甚遠，但是在三度空間構造上卻彼此接近。作為活化位置的成分，serine 195和histidine 57的支鏈接近基質的肽鍵，並參與鍵的切割，這是酵素催化作用的一部份。
由於Blow對乳凝乳蛋白酶的X射線晶體圖的成就，和Hartley對此酶的胺基酸順序的建立，使我們能瞭解此酶完整的三度空間構造。為了更明瞭活化中心的反應機構，三度空間構造的考慮是必須的。
X-射線也可給乳凝乳蛋白酶的特化位置，提供了確定的情報。由電子密度圖可以看出，這個區域與甲苯磺酸基結合，這是根據酶對芳香族構造的已知特異性而提出的合理假設。甲苯磺酸位於酶表面的洞內，稱為”甲苯磺酸洞”，在此洞上，芳香族基與排列在洞上的疏水基作用。洞口的大小可容納一般基質的支鏈取代物，被結合的基質正確地指向酶並水解肽鏈。
N-formyl tryptophan結合到乳凝乳蛋白酶，再作X-射線繞射圖的研究，也可證明此看法。N-formyl tryptophan是實質上的基質，這是N-formyl tryptophan相對應的酯類或醯類的水解產物，他結合到酶的模式就如同一般進行水解的基質。”甲苯磺酸洞”實際上是基質的結合位置，它可容納引朵基。
六、對酶的構造與功能的註解(Comments on enzyme structure and function)
生物活性與酶的完整構造有關，這種構造使分子保持了特別的三度空間排列。蛋白質的構造，使此巨分子以特別的模式與基質分子結合-這一特性說明了適當基質分子的選擇，以及酶參與催化作用時，基質的適當方向。催化活性是由活化位置的一些胺基酸誘導出來的，這一區域位於酶的表面，極接近結合的基質分子。活化位置的官能基參與基質轉變為產物的化學反應，因此，活化位置的排列，位於使胺基酸參與親質、親電和一般酸鹼的催化。
活化中心在酶的構造區域中，是絕對需要的，而且其構造特徵也說明了使酶的行為具專一特性和催化效果。但是，只有一小部分的酵素構造，對活化中心的形成有所貢獻，分子的其餘部分只是必須的支架，這種構造支持物使活化中心的胺基酸，保持適當的三度空間排列。
※ 參考資料: 王立禾, 阮立昂譯 蛋白質構造與功能 P133~148 復漢出版社 (1977)
整理: 黃信明
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