合酶(synthase)与合成酶(synthetase)是生化教学中经常提到的,同时也是比较容易混淆的两个概念。
例如,对于三羧酸循环中催化乙酰CoA与草酰乙酸反应生成柠檬酸的酶,国内教科书就出现了命名的混乱,有的书称为柠檬酸合酶,更多的书称为柠檬酸合成酶。此外,不少教科书把脂肪酸合酶、HMG-CoA合酶、ALA合酶及前列腺内过氧化物合酶,误译成脂肪酸合成酶、HMG-CoA合成酶、ALA合成酶及前列腺内过氧化物合成酶等。可见,合酶与合成酶误用,存在一定的普遍性。这种状况不仅使青年教师茫然,更使学生无所适从,实在有必要澄清。
出现这种错误的可能原因,一是名词的错译,二是合酶与合成酶概念的混淆。现以柠檬酸合酶为例,对合酶与合成酶加以辨析。
合酶与合成酶虽然在名称上只有一字之差,但并不是一种酶的两种称呼,而是两类不同的酶。
根据国际生化学会对酶的命名原则,合酶属于裂合酶类,而合成酶属于连接酶类。裂合酶类催化非水解方式断裂作用,于其分子或原子团上留下双键;或者相反,在双键处加入某基团。当裂合酶类进行加成反应时,也可称为“合酶”。
连接酶类水解ATP或其他高能三磷酸化合物的焦磷酸键时,偶联两个底物,新合成的化合物往往具有基团转移势能,只有这种酶,才能称为“合成酶”。
在乙酰CoA和草酰乙酸的缩合反应中,乙酰CoA的甲基脱掉一个H,与草酰乙酸的羰基碳相连,形成一个碳-碳单键,甲基脱下的H与羰基氧形成羟基,生成柠檬酰CoA,后者不稳定,迅速水解出辅酶A,柠檬酸的生成,应属于裂合酶类催化的加成反应。因此,催化此反应的酶应为柠檬酸合酶(citrate
synthase, E.C.4.1.3. 7),而不是柠檬酸合成酶(citrate synthetase)。
解决合酶与合成酶误用和错译问题的途径,除在阅读和翻译英文教材时,予以特别注意外,根本的办法还是明确合酶与合成酶催化反应的异同。因为少数英文教材也有synthase与synthetase误用的情况,如在Harpers'
Biochemistry中(R. K. Marray等编著,23版,1993,by Appleton &
Lange),同一作者对催化反应的酶就有乙酰乙酸CoA合酶(266页)和乙酰乙酸CoA合成酶(227页)两种命名,而显然前者是错误的。
由于对合酶与合成酶的误用和错译情况的普遍性,因此有关教师在编译和讲授合酶与合成酶时,给予一定的特别关注是必要的。
合酶不耗能,合成酶耗能。合酶催化反应时不需要ATP,而合成酶需要ATP参与。
合酶属于裂合酶(EC4),合成酶是连接酶(EC6),不同的类别合酶是synthase;合成酶是synthetase。合酶涉及双键,合酶是一种裂解酶,可将一种底物加合到另一种底物的双键上。合成酶需要ATP。不过,现在至少有一部分合酶被转移到EC2,比如柠檬酸合酶,现在是EC2.3.3.1。合成酶现在也都叫ligase了。
裂合酶类(或称裂解酶类
lyases),催化从底物上移去一个基团而形成双键的反应或其逆反应。这类酶包括醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。
ATP合酶,同时有ATPase的功能,称为F型ATPase。ATP合酶可以催化逆反应,即ATP的水解。因此,从某种意义上来说,ATP合酶也是一类ATP酶。
F型ATPase, 也稱為“Phosphorylation Factor”存在在各種生物中,利用電化學勢進行ATP的合成。
P型ATPase,也稱為 E1-E2 ATPase ,
存在在細菌和真核細胞中,消費ATP進行離子運輸。
V型ATPase,存在于液泡(Vesicle)膜,以及高爾基體,溶酶體上,消費ATP進行離子運輸
A型ATPase,存在在古細菌(Archaea)中,雖然有F型ATPase
的功能--ATP合成,但是在結構上其更接近與V型ATPase, 反映了古細菌為適應極端條件的進化。
ATP酶与ATP水解反应耦合的转运是一个严格的化学反应,即每分子ATP水解能够使一定数量的溶液分子被转运。例如,对於钠钾ATP酶,每分子ATP水解能够使3个钠离子被运出细胞,同时2个钾离子被运入。
跨膜ATP酶需要ATP水解所产生的能量,因为这些酶需要做功:它们逆著热力学上更容易发生的方向来进行物质运输,换句话说,以膜为参照,它们可以将物质从低浓度的一边运送到高浓度的一边。这一过程被称为主动运输。
1、P型离子泵(P-type ion
pump),或称P型ATPase。此类运输泵进行离子运输时,需要磷酸化(P是phosphorylation的缩写),包括Na+-K+泵、Ca2+离子泵。
2、V型泵(V-type pump),或称V型ATPase,主要位于小泡的膜上(
V代表vacuole或vesicle),如溶酶体膜中的H+泵,运输时需要ATP供能,但不需要磷酸化。
3、F型泵(F-type
pump),或称F型ATPase。这种泵主要存在于细菌质膜、线粒体内膜和叶绿体的类囊体膜中,它们在能量转换中起重要作用,是氧化磷酸化或光合磷酸化偶联因子(F即factor的
缩写)。
4、ABC运输蛋白(ATP-binding cassettle
transportor),这是一大类以ATP供能的运输蛋白,已发现了100多种,存在范围很广,包括细菌和人。
前3种泵只转运离子,后一种泵主要是转运小分子。
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