结构生物化学/酶

酶是生物系统中帮助加速（催化）化学反应的大分子。这通常是通过降低过渡态或降低活化能来加速反应。

酶降低活化能

在没有酶的情况下，一些生物反应的速度可能慢一百万倍。几乎所有的酶都是蛋白质，但反之则不然，其他分子如 RNA 也可以催化反应。酶最显著的特征是它们加速化学反应的能力和它们对特定底物的特异性。酶利用各种分子间作用力（范德华相互作用、极性相互作用、疏水相互作用和氢键）使底物以最优的取向结合在一起，从而发生反应。此外，酶可以通过称为竞争性、非竞争性和反竞争性抑制剂的特定分子抑制。

催化发生在酶的活性位点。它包含直接参与键形成和断裂的残基。这些残基被称为催化基团。虽然酶在结构、特异性和催化方式上差异很大，但关于它们的活性位点可以做出一些概括性描述。

1. 活性位点是由来自酶不同部分的基团形成的三维裂缝或凹陷 - 在氨基酸序列中相隔很远的残基可能比序列中相邻的残基相互作用更强烈。

2. 活性位点只占酶总体积的相对较小的一部分。酶中的大多数氨基酸残基不与底物接触，这就引出了一个问题：为什么酶如此之大？几乎所有的酶都由 100 多个氨基酸残基组成。这些“额外的”氨基酸充当支架，从在初级结构中相隔很远的氨基酸中创建三维活性位点。在许多蛋白质中，剩余的氨基酸也构成调节位点、与其他蛋白质相互作用的位点或将底物带到活性位点的通道。

3. 活性位点是独特的微环境。在所有已知结构的酶中，底物分子都结合到裂缝或凹陷中。水通常被排除在外，除非它是反应物。裂缝的非极性微环境增强了底物的结合以及催化作用。然而，裂缝中也可能包含极性残基。其中一些极性残基获得对底物结合或催化至关重要的特殊性质。

4. 底物通过多个弱相互作用结合到酶上。如上所述

5. 结合的特异性取决于活性位点中原子精确定义的排列。由于酶和底物通过需要紧密接触的短程力相互作用，底物必须具有匹配的形状才能进入该位点。然而，一些酶的活性位点只在底物结合后才呈现出与底物互补的形状。这种动态识别过程称为诱导契合。

酶具有高度特异性，并且可能需要辅助因子才能进行催化。辅助因子是一种与蛋白质结合的非蛋白质化学化合物；辅助因子有两种类型：金属和有机/金属有机（来源于维生素）。金属辅因子的例子是锌和酶碳酸酐酶，它们在活性位点紧密结合锌。该过程涉及将水结合到二氧化碳并将其去质子化为碳酸。然后，碳酸由于水的置换而成为碳酸氢根离子。

催化剂可以通过降低过程的活化能（不是过渡态）来加快反应速度。活性位点是酶上的一个位置，其形状与底物互补。它也是氨基酸与配体具有互补电荷、极性和形状的位置。

酶的功能和催化作用源于稳定化学反应中过渡态的能力。过渡态是反应中能量最高的物质。它是一种瞬态分子结构，不再是底物，但还没有成为产物。它是反应路径中最少被占据的物质。过渡态与底物之间的自由能差称为吉布斯自由能活化能，或简称为活化能。

因此，我们可以看到酶如何运作的关键：酶通过降低活化能来加速反应。底物和酶的结合创造了一条反应路径，其过渡态低于在没有酶的情况下反应的过渡态。由于活化能较低，更多的底物分子具有达到过渡态所需的能量。

重要的是要注意，酶已经进化到专门识别化学反应的过渡态。因此，酶不会在物质真正开始反应之前与任何反应性物质结合；酶只识别并结合此类物质的过渡态。事实上，如果酶能够“当场”或立即结合反应物，这将导致比以前更高的活化能！出于这个原因，酶只识别过渡态，并且只在达到这种高能态时才与反应性物质结合。酶能够识别像过渡态这样特定且短暂的结构，证明了它们令人难以置信的特异性和效率。

每种酶都针对特定的反应过渡态进行了优化。这确保了酶不会相互竞争，从而阻碍细胞反应，而不是帮助它们。酶抑制是指以某种方式破坏或中断给定酶的活性的过程。抑制剂可以是形状、结构或电荷与底物相似的分子，因此酶的活性位点会将抑制剂“误认为”底物。这会影响酶对底物的亲和力，以及整个反应的速度。细胞中可能发生几种类型的抑制；关于这些抑制的更详细解释可以在相应的章节中找到。

由于活性位点，酶是高度特异性的催化剂。这些催化剂受降低自由能克服过渡态的能力支配。米氏常数模型描述了许多酶的动力学性质。

底物与酶之间的相互作用有助于加速反应，酶的特异性导致副反应最小。

需要注意的是，酶无法改变热力学定律，因此也无法改变反应的平衡。使用酶进行反应生成的产物量始终等于在相同反应混合物中没有酶的情况下发生的相同反应生成的产物量。酶只是使反应更快地达到平衡。平衡位置仅取决于反应物和产物之间的自由能差。

6. 酶只改变反应速率，不改变反应平衡。酶不能改变热力学定律；因此，它不能改变化学反应的平衡。有酶存在时，与没有酶存在时相比，产物形成更快。酶只加速反应速率，不改变平衡位置（自由能，delta G）。

锁钥模型

"锁钥" 模型最早由有机化学家埃米尔·费歇尔于 1894 年提出。在这个模型中，"锁" 指的是酶，"钥匙" 指的是其互补的底物。每种酶都具有与底物互补的高度特异的几何形状。为了激活酶，其底物必须首先与酶上的活性位点结合。只有这样，催化反应才会发生。但是，就像锁和钥匙一样，酶和底物的形状必须互补并且完美匹配。由进化设计，酶的活性位点通常在其底物识别方面具有高度特异性，并且能够区分立体异构体。

诱导契合

根据锁钥模型，酶和底物的几何形状都无法改变，因为它们都是预先确定的。因此，底物与酶活性位点的结合不会改变酶的形状。虽然这个理论有助于解释酶的特异性，但它不能解释过渡态的稳定性，因为它需要更多的能量才能达到过渡态复合物。因此提出了诱导契合模型，在这个模型中，像蛋白质一样的酶是灵活的。诱导契合的概念是，当底物与酶的活性位点结合时，会发生构象改变和结构适应，使该结合位点更具互补性和更紧密。本质上，底物并非简单地与刚性活性位点结合，而是酶表面的大分子、弱相互作用力和疏水特性会塑造成一个精确的结构，从而实现诱导契合，使酶能够发挥最大的催化功能。

过渡态理论

酶对过渡态的稳定作用。

过渡态理论指出，在酶催化中，酶与其"过渡态复合物"的结合比与其基态反应物的结合更强。本质上，过渡态更稳定。过渡态的稳定降低了反应物和产物之间的活化能垒，从而提高了反应速率或酶活性，因为这将有利于过渡态复合物形成的增加。

在过渡态理论中，反应物的相互作用机制无关紧要。但是，参与反应的碰撞分子必须具有足够的动能才能克服活化能垒才能发生反应。在许多情况下，温度、pH 或酶可以改变以促进过渡态的稳定，以及在统计上增加分子碰撞并形成过渡态复合物的可能性。对于像 Sn2 这样的双分子反应，当两个分子的旧键减弱而新键开始形成或旧键先断裂形成过渡态，然后新键形成之后，就会形成过渡态。该理论表明，当反应分子相互靠近时，它们会暂时处于比反应物或产物都不稳定的状态。

方法

1. 一些催化剂为分子提供电荷，使其对其他反应物更具吸引力。酸就是这种催化剂的例子。它们赋予反应物种正电荷以吸引负电荷或部分负电荷的反应物，从而增加两种物种碰撞和反应的机会。
2. 一些催化剂会增加反应物的局部浓度，使它们更有可能发生碰撞。
3. 一些催化剂可能会改变一个反应物的形状，使其更容易受到其他分子的影响。

酶促策略及实例

1. 共价催化 - 在催化过程中，一个强大的亲核试剂暂时附着在底物的一部分上。亲核试剂包含在活性位点中。蛋白水解酶胰凝乳蛋白酶是这种策略的一个很好的例子。它是一种底物，与活性位点中的残基或与辅助因子形成短暂的共价键，这增加了额外的中间体并降低了后续过渡的能量。

2. 通用酸碱催化 - 水通常充当供体或受体，但在酸碱催化中，提供或接受质子的分子不是水。这种策略结合了碱催化和酸催化，以缩短反应时间。在胰凝乳蛋白酶的情况下，该酶使用组氨酸残基作为碱催化剂来增强丝氨酸的亲核性，类似于碳酸酐酶中组氨酸残基如何促进从锌结合水分子中去除质子以产生氢氧根的方式。

3. 近似催化 - 在这种方法中，反应有利于将两种底物带到酶上的单个结合表面。两种底物被带到一个区域，这增加了反应速率。例如，NMP 激酶将两个核苷酸结合在一起，以改善磷酰基的转移。

4. 金属离子催化 - 金属离子可以以多种方式参与催化。锌可以帮助形成亲核试剂。它使水的 pka 从大约 14 改变到 7，这使得它可以在中性 pH 下被质子化。它还可以通过在复合物中充当亲电子试剂来稳定负电荷。金属离子还用于增加底物的结合能，将它们保持在一起。金属离子还可以充当酶和底物之间的桥梁，在 NMP 激酶的情况下充当辅因子。

催化机制

1. 蛋白酶（胰凝乳蛋白酶和胰蛋白酶）：任何通过水解连接多肽链中氨基酸的肽键进行蛋白水解（蛋白质分解代谢）的酶。

示例实验：定点诱变应用聚合酶链反应 (PCR) 及含有所需突变的寡核苷酸引物，在新建链中进行工程化错配，在第一个循环 DNA 中开发突变。

2. 碳酸酐酶（金属酶）这些酶催化二氧化碳和水快速相互转化为碳酸氢根和质子，这是一个在没有催化剂的情况下发生得相当缓慢的可逆反应。

3. 限制性内切酶 (BamHI) 它是一种限制性酶，它在特定的识别核苷酸序列（限制性位点）处切割双链 DNA。

4. 核苷单磷酸激酶 (NMP 激酶) 这些酶将磷酸基团从高能供体分子 (ATP) 转移到特定的底物（磷酸化）。

酶的活性辅因子

琥珀酸脱氢酶复合物显示了几个辅因子，包括黄素、铁硫中心和血红素。

酶的催化活性取决于称为辅因子的少量分子的存在。催化活性的作用随酶及其辅因子而异。一般来说，这些辅因子可以执行标准 20 种氨基酸无法执行的化学反应。没有辅因子的酶称为脱辅酶，而具有完全催化活性的酶称为全酶。

辅因子可分为两类：金属和辅酶。金属对于酶很重要，因为它们是分子辅助物质，在维持机体代谢的一些酶促反应中起着至关重要的作用。它们还有助于稳定酶的形状。例如，铁有助于蛋白质血红蛋白将氧气输送到体内的器官，而铜有助于超氧化物歧化酶清除细胞内积累的有害自由基。辅酶是小的有机分子，通常来自维生素。辅酶可以与酶紧密或松散结合。紧密结合的称为辅基，而松散结合的辅酶就像底物和产物一样，与酶结合并从酶中释放出来。使用相同辅酶的酶通常通过类似的机制进行催化。

酶分类

类别	还原类型	示例
水解酶	催化水解反应	酯酶消化酶
异构酶	催化异构化（将分子改变为其异构体）	磷酸己糖异构酶，延胡索酸酶
连接酶	催化与 ATP 水解偶联的键形成。	柠檬酸合成酶
裂解酶	催化基团消除以形成双键（或环状结构）。	脱羧酶 醛缩酶
氧化还原酶	催化氧化还原反应	脱氢酶 氧化酶
转移酶	催化官能团在分子间的转移。	转氨酶 激酶

酶的分类在表格中显示为其类别和酶所经历的还原类型。例如，葡萄糖磷酸转移酶。在这个反应中，ATP 将其一个磷酸基团转移到葡萄糖：ATP + D-葡萄糖 -> ADP + D-葡萄糖 6-磷酸。由于此过程将磷酸基团“转移”到葡萄糖，因此它属于转移酶分类，因此得名“葡萄糖磷酸转移酶”。由于许多酶具有不与其功能或催化的反应类型相关的通用名称，因此建立了酶分类系统。为了便于命名酶，创建了六类酶，并根据其催化的物质细分为子类。根据催化的反应类型，酶可以有不同的名称。这些类别是氧化还原酶、转移酶、水解酶、裂合酶、异构酶和连接酶。这是用于酶的国际分类。例如，常见的氧化还原酶是脱氢酶。脱氢酶被称为一种氧化底物并转移质子的酶。酶通常用于催化官能团、电子或原子的转移。由于这种情况，它们根据催化的反应类型进行命名。这允许添加一个四位数，它将位于 EC（酶委员会）之前，并且每种酶都可以被识别。必须知道酶催化的反应才能对其进行分类。

氧化还原酶催化氧化还原反应，其中电子被转移。这些电子通常以氢化物离子或氢原子的形式存在。当底物被氧化时，它是氢供体。最常用的名称是脱氢酶，有时也会使用还原酶。当氧原子是受体时，称为氧化酶。

转移酶催化基团转移反应。转移发生在一个将成为供体的分子到另一个将成为受体的分子之间。大多数情况下，供体是一个辅因子，它带有一个即将被转移的基团。

水解酶催化涉及水解的反应。这种情况通常涉及将官能团转移到水。当水解酶作用于酰胺、糖苷、肽、酯或其他键时，它们不仅催化从底物上水解去除基团，而且还催化将基团转移到受体化合物。这些酶也可以归类为转移酶，因为水解可以被视为将官能团转移到水作为受体。然而，由于受体与水的反应很早就被发现，因此它被认为是酶的主要功能，这使得它能够归入此分类。

裂合酶催化反应，其中官能团被添加到分子中的双键以断裂双键，或者相反地，通过去除官能团形成双键。

异构酶催化将官能团在分子内转移的反应，从而产生异构体形式。这些酶允许化合物内的结构或几何变化。有时，相互转化是通过分子内氧化还原反应进行的。在这种情况下，一个分子既是氢受体又是氢供体，因此没有氧化产物。缺少氧化产物是这种酶属于此分类的原因。子类别是在此类别下根据异构体的类型创建的。

连接酶用于催化两个底物连接，以及由于缩合反应而形成碳-碳、碳-硫、碳-氮和碳-氧键。这些反应与 ATP 的裂解相偶联。

动力学

化学反应速率的研究称为动力学，酶催化反应速率的研究称为酶动力学。酶活性的动力学描述将有助于我们了解酶的功能。例如，速率 V 是在指定时间内消失的 A 的数量。它等于 P 出现的速率，或是在指定时间内出现的 P 的数量。

A -----> P

速率 V 是在指定时间内消失的 A 的数量。它等于 P 出现的速率，或是在指定时间内出现的 P 的数量。

V = ∆A/∆T = ∆P/∆T

如果 A 是黄色的，而 P 是无色的，我们可以通过测量黄色强度随时间的降低来跟踪 A 浓度的降低。现在只考虑 A 浓度的变化。反应速率与 A 的浓度成正比，比例常数为 k，称为速率常数。

V = k[A]

米氏模型

米氏模型用于描述许多酶的动力学特性。在这个模型中，酶 (E) 与底物 (S) 结合形成酶-底物 (ES) 复合物，然后继续形成产物 (P) 或解离成 E 和 S。

产物形成速率 V₀ 可以通过米氏方程计算

${\frac {1}{v_{0}}}={\frac {K_{M}+[S]}{V_{\max[}S]}}={\frac {K_{M}}{V_{\max }}}\cdot {\frac {1}{[S]}}+{\frac {1}{V_{\max }}}.$

V_max 是当酶完全被底物饱和时的反应速率。K_M 是米氏常数，它是最大反应速率一半时的底物浓度。动力学常数 k_cat 称为周转数，它是当酶被底物饱和时，单个催化位点每单位时间转化为产物的底物分子数量。它通常占大多数酶的 1 到 10⁴ 秒^-1 之间。

别构酶是一类重要的酶。它的催化活性可以被调节。它具有多个活性位点，这些活性位点表现出协同性，正如反应速度对底物浓度的 S 形依赖性所证明的那样。我们还发现，K max 是底物浓度，在该浓度下，特定时间内的总体反应速率是 V max 的一半。另一方面，V max 是最大反应速率，在该速率下，活性位点完全被底物饱和。由于这种物理特性，我们看到，无论随后添加多少底物，反应的相对速率都不会改变，因为额外的底物不会对与结合活性位点的任何动力学相互作用做出贡献。随着底物的增加和反应达到平衡，亲和力也不会发生变化。

复制型 DNA 聚合酶

已经对细胞核中的三种多亚基 DNA 聚合酶进行了研究。这为深入了解真核细胞中复制机制提供了见解。第一个通过晶体学解决的 DNA 聚合酶结构是大肠杆菌 DNA 聚合酶 I 的克莱诺片段。这种结晶揭示了一种类似于右手的手掌、手指和拇指的结构。对克莱诺片段的研究表明，DNA 结合在裂隙内，并且手指和拇指结构在许多聚合酶家族中是保守的。聚合酶活性位点残基位于手掌域。手指对于核苷酸结合很重要，而拇指域结合 DNA。

DNA 聚合酶将核苷酸添加到 DNA 链的 5' 端 <Allison, Lizabeth A.> <Allison, Lizabeth A. Fundamental Molecular Biology. Blackwell Publishing. 2007. p.112>。如果意外地掺入了错配，则聚合酶将被抑制进一步延伸。校对会去除错配的核苷酸，并继续延伸。

结论 酶能够加速反应。它们可以将反应速率提高 10^6 倍或更多。一些酶需要辅因子才能发挥作用。辅因子包括维生素衍生的有机分子（辅酶）和金属离子。酶的其他作用包括降低化学反应的活化能。催化的第一步是形成酶底物复合物。此外，酶识别底物伴随着活性位点的构象变化。

温度对酶催化活性的影响

一般来说，随着温度的升高，酶的催化活性会增加，这是关于温度对催化活性影响的经典模型和理解。然而，经典模型被发现可能不能准确地描述温度对酶催化活性的真实影响。Roy M. Daniel 和 Michael J. Danson 研究了新的模型——平衡模型，它为我们提供了关于温度如何影响酶催化活性的新理解。
经典模型
经典模型描述了温度对酶的影响。主要描述的是，随着温度的升高，催化速率呈指数增长，而由于变性，活性酶的量会下降。经典模型没有显示出是否存在一个最佳温度，在这个温度下，催化活性达到最大值。
表示经典模型的方程：Vmax= kcat[E0]e-kinact􏰀t
平衡模型
在平衡模型中，它引入了酶的非活性形式，这种形式可逆地变为活性形式。酶的活性形式和非活性形式之间的可逆性是一个温度依赖的因素，其中酶的量是决定因素。描述任何时间点活性酶量的方程为：[Eact] = ([E0]-[X])/( 1+ Keq) 在这种情况下，非活性酶并不意味着酶变性了，它只是意味着活性位点发生了足够的改变，使得酶无法与底物结合，因此它是可逆的。
该模型显示出一个最佳温度，在该温度下酶活性最大，这与经典模型不同。它考虑了 Vmax 随时间和温度的变化，还包括四个参数：G*cat、G*inact、Heq 和 Teq。该模型目前被用来最好地描述由于温度而发生的酶活性位点的进化，并且也最好地解释了温度对酶的影响。
两种模型之间的主要区别
经典模型是温度依赖的，并且没有描述出催化活性的最佳温度。

文件：平衡模型与经典模型.jpg

此图描述了两种模型之间的区别。经典模型（绿色）显示随着温度的升高，催化活性呈指数增长，而平衡模型（紫色）则描述了一个最佳温度，在这个温度下催化活性最大，以及一个催化活性非常低的温度。

参考资料

http://www.tutorvista.com/content/biology/biology-iii/cellular-macromolecules/enzymes-classification.php

Jeremy M. Berg、John L. Tymoczko 和 Lubert Stryer 著，《生物化学》第 7 版。2007 年。

Berg, Jeremy M., Tymoczko, John L., Stryer, Lubert. 生物化学。第七版。
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/20554446
http://ars.els-cdn.com/content/image/1-s2.0-S0968000410000897-gr1.jpg