结构生物化学/酶催化机制
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酶是能够加速生化反应的蛋白质。它们可以传递能量形式。它们的催化功能具有特异性，并且它们只催化某些反应，并且只有在存在某些底物的情况下才进行催化。它们通常没有副产物。酶只提高反应速率，而不会改变反应平衡。换句话说，在酶存在的情况下，反应进行的速度快了几千倍，但最终产物的量与没有酶存在时相同。
催化活性通常取决于非蛋白质辅因子的存在。如果没有结合辅因子，酶被称为脱辅酶；如果与辅因子结合，酶被称为全酶。辅因子分为两类：金属和辅酶。金属辅因子可以通过多种方式催化。它们可以促进亲核试剂的形成、稳定中间体以及连接酶和底物。辅酶是有机小分子。它们可以与酶紧密或松散地结合。如果它们与酶紧密结合，则被称为辅基。酶使用几种策略来催化特定的反应。
1. 共价催化 涉及具有反应性基团（底物）的活性位点。活性位点包含一个反应性亲核基团，通过共价力攻击底物。虽然共价相互作用是暂时的，但在催化过程中底物与酶结合。例如，见蛋白水解酶胰凝乳蛋白酶机制，它解释了这种策略的例子。
2. 一般酸碱催化 涉及不与水发生反应的酸碱反应。其他分子进行质子供体或受体反应。
3. 近似催化 涉及将两种不同的底物靠近，这可以显着提高反应速率。见核苷单磷酸激酶。
4. 金属离子催化 涉及金属离子，这些金属离子允许形成亲核试剂或亲电试剂，从而有助于反应以更快的速度发生。
==酶催化的本质
1. 特异性酸或碱催化 酶能够通过使用氢离子或氢氧根离子来使底物去质子化或质子化。
2. 一般酸或碱催化 与特异性酸或碱催化类似，通过添加或去除质子可以提高反应速率。
3. 电荷中和 当底物与酶结合时带电荷时，酶周围的相反电荷的其他残基可以帮助维持结合。
4. 亲核催化 许多酶通过共价键与底物结合。酶总是亲核的。底物是亲电的。因此，酶攻击底物的亲电中心。这种反应非常快。
5. 亲电催化 酶反应可以通过去除电子来催化。
6. 键应力 在酶催化反应中存在不同类型的结合，如氢键、疏水相互作用和静电相互作用。当底物结合到酶的活性位点时，它们的结构可能与位点不完全互补。这些不同类型的结合能有助于结合。此外，它有助于底物更紧密地结合酶。
7. 环境效应 当底物结合酶时，其他溶剂或分子会影响结合反应。反应可以加速或减速。
过渡态理论用于了解结构与相关的反应性之间的关系。为了简化，反应物碰撞不包括在分析中，而是过渡态理论处理的唯一反应物是位于基态的反应物。此外，过渡态理论包括反应中不稳定的成分。在过渡态，化学键形成和断裂。因此，计算反应速率的一个简单方法是假设基态的反应物与过渡态处于平衡状态，因此可以使用平衡常数 (K) 轻松确定过渡态的浓度。一旦你获得了过渡态的浓度，将其乘以反应的组成，你将获得反应速率。在计算底物的反应性时，找到反应速率极其重要。
为了理解酶是如何工作的，我们可以从自由能 (G) 开始。底物和产物之间的自由能差称为自由能差 (∆G)。如果 ∆G 为负，则反应为放热反应，并且自发发生。如果 ∆G 为正，则反应为吸热反应，并且需要额外的能量才能使它发生。它对反应速率没有影响，但对于酶催化反应，我们可以从 ∆G 的值来判断它是否是自发的还是需要额外的能量。
在酶催化反应的过程中，在产物形成之前存在一个过渡态。底物和过渡态之间的差异称为活化能。使用酶是为了降低活化能，以便更容易地形成产物。
酶中有一个结合区域。它被称为活性位点。酶将底物带入酶-底物复合物中。底物与活性位点结合。这种结合有两种模型。它们是锁钥模型和诱导契合模型。在锁钥模型中，底物就像一把钥匙，酶就像一把锁。由于它们具有高度特异性，因此它们彼此具有完美的互补形状。在诱导契合模型中，酶是柔性的。换句话说，它可以改变形状以匹配底物的形状。
一般酸碱催化是一种将质子转移到另一个分子或从另一个分子转移质子的反应。在结构生物化学中，可以携带质子的组分是底物、辅因子和氨基酸。这种特定催化中的反应速率取决于质子载体的浓度。在特异性酸碱催化中，反应速率与催化剂的浓度无关。
一般酸碱催化的一个例子是酯的水解。为了催化这种反应，必须提高速率常数，以及通过保持恒定的 pH 值和催化剂的酸：碱形式的恒定比率来提高酸或碱的浓度。为了找出催化剂是酸还是碱，提高反应速率。在酯水解的情况下，反应速率的提高与碱性催化剂的量成正比，因此在这个反应中使用碱性催化剂。反应速率也与催化剂的强度成正比。酸碱催化有助于稳定过渡态。例如，水对酯的水解，过渡态通过一般的碱或酸稳定。它可以通过作为酯羰基氧的部分质子供体的酸性基团来稳定。反过来，碱性基团充当质子受体，稳定过渡态。
示例：蛋白水解酶如胰凝乳蛋白酶
金属离子催化涉及金属离子，这些金属离子通过活化结合的水分子在中性 pH 值下形成亲核性氢氧根离子，因此稳定形成的负电荷。在 pKa 为 7 时，金属结合水极易受到亲核攻击。金属离子催化的一个例子是碳酸酐酶机制，其中碳酸酐酶催化 CO2 的水合反应。
另一个例子：限制性内切酶，如 BamHI 和 EcoRV
通常形成共价中间体的酶类型是丝氨酸蛋白酶、半胱氨酸蛋白酶、蛋白激酶和磷酸酶以及使用磷酸吡哆醛的酶。共价催化中的一个重要步骤是创建共价中间体。共价中间体促使反应沿着过渡态进行，进而有助于加速反应。共价中间体的形成会引发反应速率的爆发，然后在中间体分解并进入稳态时下降。共价催化的一个例子是席夫碱的形成。席夫碱通过将羰基化合物与胺缩合而形成。
酶-底物结合有两个特征可以提高反应速率。第一个是结合将底物和酶活性位点的反应基团聚集在一起。第二个因素是酶活性位点对它将结合的底物具有极高的特异性，因此使反应尽可能高效。邻近效应描述了底物分子在结合酶活性位点时的方向和运动。轨道转向假说指出，仅仅因为底物和酶活性位点彼此靠近并不意味着会发生催化反应。这是因为酶必须以特定方向引导或“转向”底物进入活性位点，以便实际发生反应。随着时间的推移，“转向”已经进化并变得更加高效。
发生这种反应的其他要求是它需要溶剂化变化，它需要克服范德华力以及电子重叠的变化。为了满足这些要求，需要方向效应和应变诱导。
例如：NMP 激酶
异构酶是一种催化异构体结构重排的酶。当异构体的键能相等或大致相等时，异构酶催化单个分子内的异构化变化，因此它们可以相对自由地相互转化。根据分子结构的变化，有许多种异构酶。例如，磷酸丙糖异构酶是一种催化醛糖 - 二羟丙酮磷酸 - 转换为酮糖 - 甘油醛 3-磷酸的酶，通过分子内氧化还原反应。首先，谷氨酸 165 对碳 1 的氢进行质子化，而组氨酸 95 将质子捐赠给与碳 2 键合的氧原子。此过程形成了烯二醇中间体。随后，谷氨酸将氢捐赠回来，但针对碳 2，而组氨酸 95 现在从与碳 1 键合的 O-H 键中移除氢。此步骤形成了产物 - 甘油醛 3-磷酸。
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