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誘導(dǎo)契合

酶反應(yīng)誘導(dǎo)契合學(xué)說的圖解。

最受歡迎的酶-底物反應(yīng)模型是誘導(dǎo)契合模型 。該模型提出了：酶和底物之間的最初反應(yīng)是相對較弱的，但這些弱反應(yīng)迅速引導(dǎo)酶中的構(gòu)象改變以使結(jié)合變得更加緊密。

誘導(dǎo)契合催化

因為酶緊密結(jié)合的穩(wěn)定效應(yīng)，誘導(dǎo)契合機制的優(yōu)勢就體現(xiàn)了出來。底物結(jié)合有兩種不同的機制：①、一致結(jié)合，酶與底物結(jié)合很緊密；②、差別結(jié)合，酶與過渡態(tài)結(jié)合很緊密。一致結(jié)合的穩(wěn)定結(jié)果是同時增加了底物和過渡態(tài)的結(jié)合親和力，然而差別結(jié)合只增加過渡態(tài)的結(jié)合親和力。這兩者都在進化中被酶所采用并用以將反應(yīng)激活能降到最低。被飽和狀態(tài)的酶，即與底物有高度結(jié)合親和力的狀態(tài)時就需要差別結(jié)合以減少激活能，然而未與酶結(jié)合的小底物可采用一致結(jié)合或是差別結(jié)合兩者中的一種。

這些效應(yīng)引導(dǎo)大多數(shù)蛋白質(zhì)采用差別結(jié)合機制以減少激活能，因此大多數(shù)蛋白質(zhì)具有酶與過渡態(tài)的高度親和力。差別結(jié)合是由誘導(dǎo)契合機制所實行起來的——底物首先與之相弱結(jié)合，然后酶改變其構(gòu)象，增加了與過渡態(tài)的親和力并穩(wěn)定這個過渡態(tài)，因此減少了達到過渡態(tài)所需的激活能。

需要澄清的是：誘導(dǎo)契合的概念并不能對催化加以科學(xué)的說明。即，化學(xué)催化被定義為在水中（沒有酶）非酶促情況下Ea （當(dāng)系統(tǒng)處于ES 的狀態(tài)）相對于Ea 發(fā)生降低。而誘導(dǎo)契合僅意味著在結(jié)合酶形態(tài)下壁壘會降低，但并沒有告訴我們使得反應(yīng)壁壘降低的原因是什么。

誘導(dǎo)契合可能有利于解釋：當(dāng)競爭和干擾存在時可通過構(gòu)象校對機制保證分子識別的精確性 。

過渡態(tài)的穩(wěn)定機制

這些構(gòu)象改變也可以用于使活性位點中的催化殘基靠近那些在反應(yīng)中會被改變的底物中的化學(xué)鍵。在結(jié)合發(fā)生后，通過提供反應(yīng)替代化學(xué)路徑的方法，一種或多種催化機制使得反應(yīng)過渡態(tài)的能量降低。有六種可能的“越過壁壘”或“通過壁壘”的催化機制：

鍵扭曲催化

這種作用對誘導(dǎo)契合結(jié)合有著主要影響，在該情況下酶對過渡態(tài)的結(jié)合力比對底物本身的結(jié)合力要強。這種作用誘導(dǎo)了結(jié)構(gòu)重排，即將底物的鍵扭曲成一種接近過渡態(tài)的構(gòu)象，因此降低了底物與過渡態(tài)之間的能量差距以幫助催化此反應(yīng)。

然而，事實上，稱這種扭曲為“基態(tài)失穩(wěn)效應(yīng)”比“過渡態(tài)穩(wěn)定效應(yīng)”更貼切 。此外，酶是非常靈活的并且自己不會有較大的形變效應(yīng) 。

除了底物中的鍵扭曲外，鍵扭曲同時可以被酶本身所采用以激活活性位點的殘基。

臨近效應(yīng)與定向效應(yīng)

這個效應(yīng)以使酶-底物相互作用的反應(yīng)化學(xué)基團對齊并將它們靠在一起的方式加快了反應(yīng)速率。這減少了反應(yīng)物的熵，這使得連接反應(yīng)或加成反應(yīng)反應(yīng)地更順利，當(dāng)兩個反應(yīng)物變?yōu)閱蝹€產(chǎn)物時，全部熵?fù)p失就會減少。

這個效應(yīng)可以類比為增加了反應(yīng)物濃度的效應(yīng)。這種底物與反應(yīng)物的結(jié)合賦予了這種反應(yīng)分子內(nèi)進行的特性，激增了反應(yīng)速率。

然而，這種情況可能會變得更加復(fù)雜，因為現(xiàn)代計算研究已公認(rèn)傳統(tǒng)的臨近效應(yīng)例子并不與酶的熵效應(yīng)直接掛鉤 。并且，已發(fā)現(xiàn)最初的熵理論 對催化定向效應(yīng)熵的貢獻是被大大高估了的 。

涉及質(zhì)子供體與受體的催化（酸堿催化）

質(zhì)子供體與受體，如酸或堿，可以供出或接受質(zhì)子，以使過渡態(tài)發(fā)展中電荷達到穩(wěn)定。這是典型的激活親核與親電基團或是穩(wěn)定離開基團的效應(yīng)。組氨酸是常見的涉及到酸/堿反應(yīng)的殘基，因為其酸度系數(shù)接近于中性且因此可以既可作為質(zhì)子的受體又可作為質(zhì)子的供體。

許多涉及到酸/堿催化的反應(yīng)機制會采取基本上變動的酸度系數(shù)。這個酸度系數(shù)的變動可以通過殘基的局部微環(huán)境來實現(xiàn)。

酸度系數(shù)可被環(huán)境明顯地改變，在一定程度上在溶液中是堿性的殘基也可能作為質(zhì)子供體，并且反之亦然。

有必要澄清的是：酸度系數(shù)的改變完全是靜電機制的一部分 。此外，上述例子中的催化效應(yīng)主要與氧陰離子酸度系數(shù)的減少以及組氨酸酸度系數(shù)的增加有關(guān)，而質(zhì)子自絲氨酸轉(zhuǎn)移到組氨酸上的作用并不是顯著的催化作用，因為它不是決定屏障的速率 。

靜電催化

帶電過渡態(tài)的穩(wěn)定亦可以通過使活性位點中的殘基與中間產(chǎn)物之間形成離子鍵（或局部離子電荷相互作用）而達到。這些鍵來自于例如賴氨酸、精氨酸、天冬氨酸或谷氨酸等氨基酸上面的酸或堿側(cè)鏈，或是來自于如鋅一類的金屬輔因子。金屬離子是特別有效的，并且可以將水的酸度系數(shù)減到足夠低以使其變?yōu)橐粋€有效的親核試劑。

系統(tǒng)計算機模擬研究確定了靜電效應(yīng)到目前為止是對催化作用貢獻最大的效應(yīng) 。尤其是實踐已證明酶可以提供比水極性更大的環(huán)境，并且離子態(tài)過渡態(tài)是被固定偶極子所穩(wěn)定的。這與水中過渡態(tài)的穩(wěn)定情況很不相同，在后者的情況下水分子必須付出“重組能” ，才得以使離子態(tài)和過渡態(tài)達到穩(wěn)定。因此，催化作用是與酶預(yù)組織起來的極性基團相關(guān)的 。

共價催化

共價催化涉及到底物與活性位點殘基或是輔酶之間形成一個短暫存在的共價鍵。這使得在反應(yīng)中多了一個額外的共價中間體，這有助于降低后面反應(yīng)過渡態(tài)的能量。在反應(yīng)之后的階段，共價鍵必須必須被打斷以使酶再生。在如胰凝乳蛋白酶和胰蛋白酶等的蛋白酶中發(fā)現(xiàn)了這一機制，在反應(yīng)中形成了?；钢虚g產(chǎn)物。使用來自賴氨酸殘基的自由胺形成施夫堿的過程則是另外一種機制，就像在糖酵解過程中的醛縮酶一樣。

一些酶利用如磷酸吡哆醛（PLP）或硫胺素焦磷酸（TPP）之類的非氨基酸輔因子與反應(yīng)物分子間反應(yīng)形成共價中間產(chǎn)物 。這樣為降低后面反應(yīng)過渡態(tài)能量而形成的共價中間產(chǎn)物在功能上與反應(yīng)物與活性位點中的氨基酸殘基形成共價中間產(chǎn)物是一樣的，都是為了達到穩(wěn)定；而所不同的是輔因子有著允許帶著產(chǎn)物離開酶之功能然而氨基酸側(cè)鏈則不行。酶利用這樣輔因子的例子包括：依賴磷酸吡哆醛的酶天冬氨酸轉(zhuǎn)氨酶和依賴硫胺素焦磷酸的酶丙酮酸脫氫酶 。

有必要澄清的是：共價催化有時僅相當(dāng)于是利用一種特殊的機制，而不是真正的催化 。例如，胰凝乳蛋白酶中連接到活潑絲氨酸分子上的共價鍵應(yīng)被類比為已被充分理解的非催化溶液反應(yīng)中連到親核試劑上的共價鍵。真正共價催化（在這種情況下能量壁壘比在相應(yīng)非酶促溶液中的要低）理論是需要，例如，一個由酶基團連接到過渡態(tài)的局部共價鍵（例如一個非常強的氫鍵），并且這種效應(yīng)對催化來說并貢獻并不明顯。

量子隧穿效應(yīng)

由于“通過壁壘”機制（量子隧穿效應(yīng)）模型和觀察資料的出現(xiàn)，這些傳統(tǒng)的“越過壁壘”機制在某些情況下受到挑戰(zhàn)。一些酶運轉(zhuǎn)地比經(jīng)典的ΔG 所預(yù)測的動力學(xué)參數(shù)還要快。在“通過壁壘”模型中，一個質(zhì)子或電子可以隧穿過激活能壁壘 。質(zhì)子的量子隧穿效應(yīng)已經(jīng)在氧化色胺的芳香胺脫氫酶中被觀察到 。

有趣的是，量子隧穿效應(yīng)似乎沒有對酶促反應(yīng)有很大的幫助，因為隧穿效應(yīng)對酶促反應(yīng)與溶液中的非酶促反應(yīng)同時做著貢獻 。然而，隧穿貢獻（通常相較于經(jīng)典的“越過壁壘”途徑的反應(yīng)速率來說增加為原來的1000倍 ）對于生物有機體生存能力來說可能是關(guān)鍵因素。這強調(diào)了隧穿作用對生物的特別重要性。

在1971年－1972年間，首個酶促反應(yīng)的量子力學(xué)模型被系統(tǒng)地闡述出來 。

催化機制的例子

在實踐中，大多數(shù)酶機理涉及到不同類型催化相結(jié)合在一起。

磷酸丙糖異構(gòu)酶

磷酸丙糖異構(gòu)酶（EC5.3.1.1）催化兩種丙糖磷酸異構(gòu)體——磷酸二羥丙酮與D-3-磷酸甘油醛之間的可逆轉(zhuǎn)換。

胰蛋白酶

胰蛋白酶（EC3.4.21.4）是一種可以斷開蛋白質(zhì)底物賴氨酸與精氨酸氨基酸殘基之間鍵的絲氨酸蛋白酶。

醛縮酶

醛縮酶（EC4.1.2.13）催化果糖-1,6-二磷酸分解成甘油醛-3-磷酸與磷酸二羥丙酮。

參見

酶活性測定

酶動力學(xué)

蛋白質(zhì)動力學(xué) （ 英語 ： Protein dynamics ）

量子隧穿效應(yīng)

蛋白質(zhì)水解地圖

時間分辨晶體學(xué)

深入閱讀

Alan Fersht, Structure and Mechanism in Protein Science : A Guide to Enzyme Catalysis and Protein Folding. W. H. Freeman, 1998. ISBN 978-0-7167-3268-6

Dedicated issue of Philosophical Transactions B on Quantum catalysis in enzymes freely available.

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