溶菌酶的作用機制.ppt

1、Determing the Mechanism of Lysozyme Action,溶菌酶的作用機制 制作: 靳晶,溶菌酶是如何被發(fā)現(xiàn)的？,亞歷山大弗萊明(Alexander Fleming)，1881年8月6日出生于蘇格蘭艾爾郡洛奇菲爾德。他是蘇格蘭低地農(nóng)民的后裔，家境貧寒。 因發(fā)現(xiàn)了青霉素以及它對多種傳染性疾病的治療作用，榮獲1945年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。,1922年的一天，正在感冒的英國細(xì)菌學(xué)家Alexander Fleming發(fā)現(xiàn)，把一些鼻粘液加入細(xì)菌的培養(yǎng)基后會引起細(xì)胞的溶解。而這種存在于鼻粘液中的能殺死細(xì)菌的重要物質(zhì)被認(rèn)為是一種酶， Fleming命名其為溶菌酶（ Lysozy

2、me ）。,起初， Fleming對這種有殺死細(xì)菌活性的物質(zhì)的實驗不過是出于一種興趣。但在目睹了一戰(zhàn)中大量的士兵死于外傷感染之后， Fleming開始試圖傾其畢生來尋找一種能夠有效殺死細(xì)菌，同時又能對人類保持相對的無毒性的藥劑。不象Fleming在1928年發(fā)現(xiàn)的青霉素(penicillin)，溶菌酶不能證明有臨床價值。但是在酶機制的研究學(xué)習(xí)方面，溶菌酶扮演了一個很重要的角色。,在1965年,David Phillips和他在牛津的同事以0.2nm分辨率的X射線晶體（X-ray crystallography）結(jié)構(gòu)分析法闡明了溶菌酶的三維結(jié)構(gòu)(tertiary structure)。,溶菌酶是

3、從雞蛋清中提煉的，蛋清里的溶菌酶可以保護胚胎在發(fā)育過程中免受細(xì)菌的感染。溶菌酶溶解細(xì)菌是通過水解細(xì)菌細(xì)胞壁多糖(the polysaccharide of the bacterial cell wall)的糖苷鍵(glycosidic bonds)。,而敏感細(xì)菌革蘭氏陽性細(xì)菌(gram-positive bacteria)的細(xì)胞壁多糖是N-乙酰氨基葡糖（N-acetylglucosamine, NAG）-N-乙酰氨基葡糖乳酸（N-acetylmuramic acid, NAM）的共聚物，其中的NAG及NAM通過-1，4糖苷鍵而交替排列。,溶菌酶相對分子質(zhì)量為14.6X103，由129個氨基酸組

4、成的單肽鏈蛋白質(zhì)，含有4對二硫鍵。 溶菌酶分子近橢圓形，大小為4.5nmX3.0nmX3.0nm。它的構(gòu)象比較復(fù)雜，螺旋僅占25%，在分子的一些區(qū)域有伸展著的片層構(gòu)象。,溶菌酶是一種葡糖苷酶，能催化水解NAM的C1和NAG的C4之間的糖苷鍵，但不能水解NAG C1和NAM C4之間的（1-4）糖苷鍵。幾丁質(zhì)是甲殼類動物甲殼中所含的多糖，僅由NAG殘基通過（1-4）糖苷鍵連接而成，幾丁質(zhì)也是溶菌酶的底物。,溶菌酶的內(nèi)部幾乎全部是非極性的(nonpolar) 。疏水的相互作用在溶菌酶的折疊構(gòu)象中起重要作用。在溶菌酶分子的表面，有一個比較深的裂縫，其大小恰好能容納多糖底物的6個單糖，這是溶菌酶的活性

5、部位。,底物與酶結(jié)合后， 酶催化哪一個鍵水解呢？,用大小不同的NAG寡聚體作底物測定被溶菌酶水解的相對速率，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，少于4個糖的寡聚體水解速率甚小，當(dāng)由四聚體增加到五聚體時，水解速率猛增500倍，五聚體增加到六聚體，速率增加近8倍，六聚體增加到八聚體，速率不再變化。這種情況與X射線晶體結(jié)構(gòu)分析結(jié)果一致，活性部位所在的裂縫(cleft)正好被6個糖殘基所裝滿。,（NAG）3是溶菌酶的競爭抑制劑，因此A-B，B-C糖苷鍵均不可能是被水解的鍵。C環(huán)的空間對NAM來說體積太大，只能是NAG。C-D也不可能成為裂解的部位，而NAM不能適合到部位C中，進一步排除了另外一個裂解部位：E-F鍵。胞壁多糖是一

6、個NAM和NAG交替的高聚物，從而NAM不能占據(jù)部位C時也就不能占據(jù)部位E。細(xì)菌的細(xì)胞壁多糖恰好具有NAM-NAG鍵，所以水解部位只能發(fā)生在D-E之間。,用X射線晶體結(jié)構(gòu)分析法研究了競爭性抑制劑（NAG）3僅僅占據(jù)了大約半個裂縫。從活性部位的幾何大小看出酶的最小底物應(yīng)該是（NAG）6。實驗中用（NAG）6為底物，確實能被酶迅速水解。酶活性部位剛好能容納一個六糖分子，A、B、C、D、E、F表示6個糖殘基的位置，只是第4個糖殘基D環(huán)因空間的原因必須由正常的椅式變形為能量較高的半椅式或“沙發(fā)”構(gòu)造。因此糖苷鍵的穩(wěn)定性減低，鍵就容易從這里斷裂。,進一步的問題是酶的催化作用，究竟鍵是在糖苷鍵原子的哪一側(cè)

7、被裂解的？,回答這個問題可以在H218O溶液中酶促水解底物（NAG）6，發(fā)現(xiàn)只有D糖C1上含有18O，而E糖的C4羥基只含普通的O，由此可知這個鍵斷裂在D糖基的C1和E殘基的糖苷鍵的O之間。分析D-E鍵周圍的微環(huán)境，最活潑的基團顯然是Asp52和Glu35，它們分別位于糖苷鍵兩側(cè)。Asp52位于糖苷鍵的一側(cè)，而Glu35在另一側(cè)。,這兩個酸性側(cè)鏈具有明顯不同的微環(huán)境。Asp52是在一個明顯的極性環(huán)境中，在那里它在一個復(fù)雜的氫鍵網(wǎng)絡(luò)中起著氫鍵受體的作用。相反，Glu35位于非極性區(qū)。這樣，在pH5下，這是溶菌酶水解幾丁質(zhì)的最適pH，即溶菌酶活性最大。Asp52側(cè)鏈羧基為解離的COO-形式，而Gl

8、u35則為質(zhì)子化未電離的COOH形式。側(cè)鏈基團的氧原子與這個糖苷鍵的距離大約是0.3nm。,Phillips等人根據(jù)上述研究資料提出溶菌酶的催化作用機制，要點如下： （1） Glu35的COOH提供一個H+到D環(huán)和E環(huán)間的糖苷鍵O原子上。H+的轉(zhuǎn)移使D環(huán)的C1鍵與糖苷鍵O原子間的鍵斷開，并形成正C離子過渡態(tài)中間產(chǎn)物。,（2） 含有E及F殘基的NAG二聚體離開酶分子。 （3） 正碳離子中間產(chǎn)物進一步與來自溶劑的OH-發(fā)生反應(yīng)。Glu35質(zhì)子化，由A、B、C和D殘基組成的NAG四聚體通過擴散離開酶分子，然后溶菌酶為新一輪催化過程做好了準(zhǔn)備。,上述的催化機制中，關(guān)鍵要素為： （1） 廣義的酸催化，G

9、lu35以酸的形式提供質(zhì)子，他的糖苷鍵氧原子的距離為0.3nm，正式合適的作用距離。,（2） 正碳離子中間產(chǎn)物的形成與穩(wěn)定，一方面由于Asp52帶有負(fù)電荷的羧酸基通過靜電相互作用穩(wěn)定D環(huán)中C1的正電荷；另一方面由于D環(huán)的形變，由椅式構(gòu)象變?yōu)榘胍问?，使D環(huán)上C1、C2、C5和O都在一個平面上，氧原子的負(fù)電性可以使正碳離子穩(wěn)定。因此可以說，在結(jié)合底物時，酶迫使底物采取了接近于過渡態(tài)的構(gòu)象。,隨著DNA技術(shù)的新技術(shù)的發(fā)展，使以前被分解的基因的任何多肽的中間缺失、添加或替換成為了可能。通過定點誘變技術(shù)的使用，DNA的核苷酸序列可以特殊地變更以至多肽的氨基酸可以被任何調(diào)查者選擇的氨基酸代替。蛋白質(zhì)中的任何氨基酸可以被替代，并且調(diào)查者能確定所有蛋白質(zhì)分子產(chǎn)生的持續(xù)的變更。,最早把定點誘變使用到溶菌酶研究的在1989年被發(fā)表。在論文中，Asp52和Glu35都被作為對象研究，研究是測試那些氨基酸殘余被代替的突變蛋白質(zhì)