族谱网 头条 人物百科

酶促反应

2020-10-16
出处:族谱网
作者:阿族小谱
浏览:383
转发:0
评论:0
诱导契合酶反应诱导契合学说的图解。最受欢迎的酶-底物反应模型是诱导契合模型。该模型提出了:酶和底物之间的最初反应是相对较弱的,但这些弱反应迅速引导酶中的构象改变以使结合变得更加紧密。诱导契合催化因为酶紧密结合的稳定效应,诱导契合机制的优势就体现了出来。底物结合有两种不同的机制:①、一致结合,酶与底物结合很紧密;②、差别结合,酶与过渡态结合很紧密。一致结合的稳定结果是同时增加了底物和过渡态的结合亲和力,然而差别结合只增加过渡态的结合亲和力。这两者都在进化中被酶所采用并用以将反应激活能降到最低。被饱和状态的酶,即与底物有高度结合亲和力的状态时就需要差别结合以减少激活能,然而未与酶结合的小底物可采用一致结合或是差别结合两者中的一种。这些效应引导大多数蛋白质采用差别结合机制以减少激活能,因此大多数蛋白质具有酶与过渡态的高度亲和力。差别结合是由诱导契合机制所实行起来的——底物首先与之相弱结合,然后酶...

诱导契合

酶促反应

酶反应诱导契合学说的图解。

最受欢迎的酶-底物反应模型是诱导契合模型 。该模型提出了:酶和底物之间的最初反应是相对较弱的,但这些弱反应迅速引导酶中的构象改变以使结合变得更加紧密。

诱导契合催化

因为酶紧密结合的稳定效应,诱导契合机制的优势就体现了出来。底物结合有两种不同的机制:①、一致结合,酶与底物结合很紧密;②、差别结合,酶与过渡态结合很紧密。一致结合的稳定结果是同时增加了底物和过渡态的结合亲和力,然而差别结合只增加过渡态的结合亲和力。这两者都在进化中被酶所采用并用以将反应激活能降到最低。被饱和状态的酶,即与底物有高度结合亲和力的状态时就需要差别结合以减少激活能,然而未与酶结合的小底物可采用一致结合或是差别结合两者中的一种。

这些效应引导大多数蛋白质采用差别结合机制以减少激活能,因此大多数蛋白质具有酶与过渡态的高度亲和力。差别结合是由诱导契合机制所实行起来的——底物首先与之相弱结合,然后酶改变其构象,增加了与过渡态的亲和力并稳定这个过渡态,因此减少了达到过渡态所需的激活能。

需要澄清的是:诱导契合的概念并不能对催化加以科学的说明。即,化学催化被定义为在水中(没有酶)非酶促情况下Ea (当系统处于ES 的状态)相对于Ea 发生降低。而诱导契合仅意味着在结合酶形态下壁垒会降低,但并没有告诉我们使得反应壁垒降低的原因是什么。

诱导契合可能有利于解释:当竞争和干扰存在时可通过构象校对机制保证分子识别的精确性 。

过渡态的稳定机制

这些构象改变也可以用于使活性位点中的催化残基靠近那些在反应中会被改变的底物中的化学键。在结合发生后,通过提供反应替代化学路径的方法,一种或多种催化机制使得反应过渡态的能量降低。有六种可能的“越过壁垒”或“通过壁垒”的催化机制:

键扭曲催化

这种作用对诱导契合结合有着主要影响,在该情况下酶对过渡态的结合力比对底物本身的结合力要强。这种作用诱导了结构重排,即将底物的键扭曲成一种接近过渡态的构象,因此降低了底物与过渡态之间的能量差距以帮助催化此反应。

然而,事实上,称这种扭曲为“基态失稳效应”比“过渡态稳定效应”更贴切 。此外,酶是非常灵活的并且自己不会有较大的形变效应 。

除了底物中的键扭曲外,键扭曲同时可以被酶本身所采用以激活活性位点的残基。

临近效应与定向效应

这个效应以使酶-底物相互作用的反应化学基团对齐并将它们靠在一起的方式加快了反应速率。这减少了反应物的熵,这使得连接反应或加成反应反应地更顺利,当两个反应物变为单个产物时,全部熵损失就会减少。

这个效应可以类比为增加了反应物浓度的效应。这种底物与反应物的结合赋予了这种反应分子内进行的特性,激增了反应速率。

然而,这种情况可能会变得更加复杂,因为现代计算研究已公认传统的临近效应例子并不与酶的熵效应直接挂钩 。并且,已发现最初的熵理论 对催化定向效应熵的贡献是被大大高估了的 。

涉及质子供体与受体的催化(酸碱催化)

质子供体与受体,如酸或碱,可以供出或接受质子,以使过渡态发展中电荷达到稳定。这是典型的激活亲核与亲电基团或是稳定离开基团的效应。组氨酸是常见的涉及到酸/碱反应的残基,因为其酸度系数接近于中性且因此可以既可作为质子的受体又可作为质子的供体。

许多涉及到酸/碱催化的反应机制会采取基本上变动的酸度系数。这个酸度系数的变动可以通过残基的局部微环境来实现。

酸度系数可被环境明显地改变,在一定程度上在溶液中是碱性的残基也可能作为质子供体,并且反之亦然。

有必要澄清的是:酸度系数的改变完全是静电机制的一部分 。此外,上述例子中的催化效应主要与氧阴离子酸度系数的减少以及组氨酸酸度系数的增加有关,而质子自丝氨酸转移到组氨酸上的作用并不是显著的催化作用,因为它不是决定屏障的速率 。

静电催化

带电过渡态的稳定亦可以通过使活性位点中的残基与中间产物之间形成离子键(或局部离子电荷相互作用)而达到。这些键来自于例如赖氨酸、精氨酸、天冬氨酸或谷氨酸等氨基酸上面的酸或碱侧链,或是来自于如锌一类的金属辅因子。金属离子是特别有效的,并且可以将水的酸度系数减到足够低以使其变为一个有效的亲核试剂。

系统计算机模拟研究确定了静电效应到目前为止是对催化作用贡献最大的效应 。尤其是实践已证明酶可以提供比水极性更大的环境,并且离子态过渡态是被固定偶极子所稳定的。这与水中过渡态的稳定情况很不相同,在后者的情况下水分子必须付出“重组能” ,才得以使离子态和过渡态达到稳定。因此,催化作用是与酶预组织起来的极性基团相关的 。

共价催化

共价催化涉及到底物与活性位点残基或是辅酶之间形成一个短暂存在的共价键。这使得在反应中多了一个额外的共价中间体,这有助于降低后面反应过渡态的能量。在反应之后的阶段,共价键必须必须被打断以使酶再生。在如胰凝乳蛋白酶和胰蛋白酶等的蛋白酶中发现了这一机制,在反应中形成了酰基酶中间产物。使用来自赖氨酸残基的自由胺形成施夫碱的过程则是另外一种机制,就像在糖酵解过程中的醛缩酶一样。

一些酶利用如磷酸吡哆醛(PLP)或硫胺素焦磷酸(TPP)之类的非氨基酸辅因子与反应物分子间反应形成共价中间产物 。这样为降低后面反应过渡态能量而形成的共价中间产物在功能上与反应物与活性位点中的氨基酸残基形成共价中间产物是一样的,都是为了达到稳定;而所不同的是辅因子有着允许带着产物离开酶之功能然而氨基酸侧链则不行。酶利用这样辅因子的例子包括:依赖磷酸吡哆醛的酶天冬氨酸转氨酶和依赖硫胺素焦磷酸的酶丙酮酸脱氢酶 。

有必要澄清的是:共价催化有时仅相当于是利用一种特殊的机制,而不是真正的催化 。例如,胰凝乳蛋白酶中连接到活泼丝氨酸分子上的共价键应被类比为已被充分理解的非催化溶液反应中连到亲核试剂上的共价键。真正共价催化(在这种情况下能量壁垒比在相应非酶促溶液中的要低)理论是需要,例如,一个由酶基团连接到过渡态的局部共价键(例如一个非常强的氢键),并且这种效应对催化来说并贡献并不明显。

量子隧穿效应

由于“通过壁垒”机制(量子隧穿效应)模型和观察资料的出现,这些传统的“越过壁垒”机制在某些情况下受到挑战。一些酶运转地比经典的ΔG 所预测的动力学参数还要快。在“通过壁垒”模型中,一个质子或电子可以隧穿过激活能壁垒 。质子的量子隧穿效应已经在氧化色胺的芳香胺脱氢酶中被观察到 。

有趣的是,量子隧穿效应似乎没有对酶促反应有很大的帮助,因为隧穿效应对酶促反应与溶液中的非酶促反应同时做着贡献 。然而,隧穿贡献(通常相较于经典的“越过壁垒”途径的反应速率来说增加为原来的1000倍 )对于生物有机体生存能力来说可能是关键因素。这强调了隧穿作用对生物的特别重要性。

在1971年-1972年间,首个酶促反应的量子力学模型被系统地阐述出来 。

催化机制的例子

在实践中,大多数酶机理涉及到不同类型催化相结合在一起。

磷酸丙糖异构酶

磷酸丙糖异构酶(EC5.3.1.1)催化两种丙糖磷酸异构体——磷酸二羟丙酮与D-3-磷酸甘油醛之间的可逆转换。

胰蛋白酶

胰蛋白酶(EC3.4.21.4)是一种可以断开蛋白质底物赖氨酸与精氨酸氨基酸残基之间键的丝氨酸蛋白酶。

醛缩酶

醛缩酶(EC4.1.2.13)催化果糖-1,6-二磷酸分解成甘油醛-3-磷酸与磷酸二羟丙酮。

参见

酶活性测定

酶动力学

蛋白质动力学 ( 英语 : Protein dynamics )

量子隧穿效应

蛋白质水解地图

时间分辨晶体学

深入阅读

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.


免责声明:以上内容版权归原作者所有,如有侵犯您的原创版权请告知,我们将尽快删除相关内容。感谢每一位辛勤著写的作者,感谢每一位的分享。

——— 没有了 ———
编辑:阿族小谱
发表评论
写好了,提交
{{item.label}}
{{commentTotal}}条评论
{{item.userName}}
发布时间:{{item.time}}
{{item.content}}
回复
举报
点击加载更多
打赏作者
“感谢您的打赏,我会更努力的创作”
— 请选择您要打赏的金额 —
{{item.label}}
{{item.label}}
打赏成功!
“感谢您的打赏,我会更努力的创作”
返回

更多文章

更多精彩文章
打赏
私信

推荐阅读

· 聚合酶链式反应
历史最早的PCR机器BabyBlue1986Thermocycler能协同操作的两组式机器8块加热板的循环机型聚合酶链式反应技术是由凯利·穆利斯发明,因此在7年之后的1993年10月,获得了诺贝尔化学奖。穆利斯的想法是,利用一种人工方法,和反复相同程序的方法,并利用一种特殊的酶——即DNA聚合酶来扩增特定的DNA片段。DNA聚合酶天然存在于生物体内,在细胞分裂前进行DNA的复制。当DNA开始复制时,解旋酶将双股的DNA分开成两个单股。DNA聚合酶便结合在两DNA单股链上,生成互补链。在穆利斯最初的聚合酶链式反应中,将DNA聚合酶用于体外试验。但是,没有采用正常细胞常温解旋的方法,而是把双链DNA加热到96℃,使得双链分离成为两条单链。但是在这个温度下,DNA聚合酶被破坏,因此在每个循环的加热步骤后必须补充新的聚合酶。穆利斯的原始聚合酶链式反应效率极低,需要大量时间和DNA聚合酶,并且在整个...
· 逆转录聚合酶链式反应
外部链接RT-PCRprotocolsfromPennstateUniversityDatabaseofvalidatedPCRprimersets(websitecritique)AnimationtoillustrateRT-PCRprocedure,fromColdSpringHarborLaboratoryTheReferenceinqPCR--anAcademic&IndustrialInformationPlatform--AmplifyyourknowledgeinqPCR,dPCRandNGS!
· 酶
发现及研究史法国科学家路易·巴斯德酶的发现来源于人们对发酵机理的逐渐了解。早在18世纪末和19世纪初,人们就认识到食物在胃中被消化,用植物的提取液可以将淀粉转化为糖,但对于其对应的机理则并不了解。到了19世纪中叶,法国科学家路易·巴斯德对蔗糖转化为酒精的发酵过程进行了研究,认为在酵母细胞中存在一种活力物质,命名为“酵素”(ferment)。他提出发酵是这种活力物质催化的结果,并认为活力物质只存在于生命体中,细胞破裂就会失去发酵作用。1878年,德国生理学家威廉·屈内首次提出了酶(enzyme)这一概念。随后,酶被用于专指胃蛋白酶等一类非活体物质,而酵素(ferment)则被用于指由活体细胞产生的催化活性。德国科学家爱德华·比希纳这种对酶的错误认识很快得到纠正。1897年,德国科学家爱德华·比希纳开始对不含细胞的酵母提取液进行发酵研究,通过在柏林洪堡大学所做的一系列实验最终证明发酵过程并不需...
· ATP酶
功能钠钾ATP酶的功能图示跨膜ATP酶可以为细胞输入许多新陈代谢所需的物质并输出毒物、代谢废物以及其他可能阻碍细胞进程的物质。例如,钠钾ATP酶(又称为钠/钾离子ATP酶)能够调节细胞内钠/钾离子的浓度,从而保持细胞的静息电位;氢钾ATP酶(又称为氢/钾离子ATP酶或胃质子泵)可以使胃内保持酸化环境。除了作为离子交换器,跨膜ATP酶还有其他类别,包括共转运蛋白(co-transporter)和“泵”(也有部分“离子交换器”也被称为“泵”)。这些跨膜ATP酶中,有一些可以造成膜内外电荷的流动,其他的则不行,因此又可以将这些转运蛋白分为生电型(electrogenic)和非生电型。反应机制与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,对于钠钾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AT...
· 酶底物
参考文献参见酶产物酶动力学酶活性测定酶促反应假底物蛋白质水解图

关于我们

关注族谱网 微信公众号,每日及时查看相关推荐,订阅互动等。

APP下载

下载族谱APP 微信公众号,每日及时查看
扫一扫添加客服微信