结构生物化学/酶催化机制/结合
蛋白质的结合功能非常特异。结合能力取决于蛋白质的三级结构，也称为蛋白质的三维结构。蛋白质中与另一个分子（如配体）结合的区域称为结合位点。结合位点通常是蛋白质表面上的一个裂隙。与蛋白质结合的分子会改变蛋白质的化学构象。
•活性位点也是酶抑制的位点
•酶的活性位点包含催化位点和结合位点
•活性位点的结构和化学性质允许识别和结合底物
•蛋白质功能，如分子识别和催化，取决于互补性
•分子识别取决于蛋白质三级结构产生的特殊微环境
•结合位点的特殊微环境有助于催化
蛋白质结合的一个例子是血红蛋白的配体结合蛋白，它将氧气从肺部运输到人体内的其他重要器官和组织。
酶对其结合的底物具有特异性。它取决于底物的结构和位置以及氨基酸序列。如果序列互补，则确保两个组分的结合。在蛋白酶的情况下，不负责催化的残基可能负责分子的识别和对齐，将其设置好以便它可以被酶水解其中一个键。
特别是蛋白酶倾向于识别它打算切割的氨基酸的侧链。通常是羰基碳 - 酰胺基团接在识别的侧链之后。
注意：图像是 HIV-1 的蛋白酶
可以通过诱导对目标氨基酸的定点诱变来判断一个氨基酸残基是否在蛋白酶的酶活性中起作用。如果目标氨基酸确实在特异性或催化中起作用，则突变后酶的酶活性会降低。
互补性的概念可以通过蛋白质结合的锁和钥匙模型来理解（如下面的图所示）。本质上，参与结合的蛋白质表面呈现出与结合配体互补的形状。这使得蛋白质识别、结合特异性和亲和性成为可能。蛋白质结合可以通过诱导契合模型进一步解释。在这个模型中，蛋白质的结合位点也表现出互补性，但程度低于锁和钥匙模型。一旦配体已经位于结合位点，蛋白质就可以调整其结合位点的形状以更好地契合和结合配体。蛋白质灵活性的这一概念将在下一节中更详细地解释。
结合通常发生在蛋白质的表面。有关详细信息，请参阅下面的结合位点性质。下面的图像显示了蛋白质表面识别分子的一个例子。这是性激素和球蛋白之间的结合。
配体与蛋白质的结合通常通过非共价力发生。非共价力的弱相互作用允许分子之间轻松交换。例如，血红蛋白在肺部将其结合位点捕获氧气，并将其释放到组织中。它能够非常有效地执行这项任务，因为结合足够强，能够在氧气饱和的肺部牢牢地抓住氧气，但又足够弱，能够轻松地将氧气释放到缺氧的组织中。
灵活性可以通过诱导契合的概念来证明。最初与底物不互补的酶位点，在底物结合后可能会变得互补。结合位点会改变形状，接受底物。这表明酶确实很灵活，构象可以被底物的影响改变。
诱导契合模型断言，酶的结合位点是针对底物的过渡态优化，而不是正常的态。这样它就可以在与酶结合后轻松稳定过渡态，从而降低反应的活化能，并使反应更快地达到平衡。
酶的结合位点具有几个共同特征。活性位点是由连接到蛋白质不同部位的氨基酸形成的位点。氨基酸的特定排列共同形成三维裂缝或凹槽。酶的活性位点占酶总体积的非常小的一部分。不参与酶活性的氨基酸存在是为了弥补结构。许多氨基酸形成分子的三维结构，使活性位点的相互作用以及与其他分子的反应成为可能。活性位点还具有独特的微环境。这些独特的环境可能包含极性或非极性残基，它们各自具有与附近底物相互作用的方式。此外，底物通过许多弱力与酶结合，包括范德华力、氢键和疏水相互作用。尽管这些力在单独作用时可能很弱，但大量力共同作用有助于酶-底物复合物结合位点的稳定性。最后，酶的特定结合位点取决于分子的特定排列。这是一个结构导致特定功能的例子。
大型配体的结合位点可以是平坦的、凸起的或凹陷的，而小型配体的结合位点往往是完全凹陷的。结合位点的一个特征是，与其他部位相比，它包含更多的暴露的疏水表面。此外，结合位点还必须能够牢固地结合配体，但不要太牢固，以至于配体难以释放。因此，结合位点以较弱的非共价相互作用为特征，因为它允许轻松交换。这个概念对于血红蛋白尤其重要，因为它的主要功能是将氧气从肺部运输到组织。为了有效地完成其工作，它对氧气的结合亲和力必须足够强，但同时又不能太强，否则血红蛋白一旦进入组织就无法释放结合的氧气。除了结合亲和力，结合特异性也非常重要。结合位点处的特殊和特定的微环境对于有效的结合是必要的。最后，水的置换通常是结合位点的典型特征，因为它能够促进结合过程。
药物与酶的运作方式相同。它们都与特定的结合位点结合，从而抑制或激活特定的生物学作用。例如，咖啡因是一种人们每天都会接触到的常见分子，通过饮用咖啡或茶来保持清醒。咖啡因与警觉和清醒之间关系的原因在于咖啡因分子、腺苷和环状腺苷单磷酸之间的结构相似性。结构上的相似性使咖啡因分子能够与与腺苷衍生物反应的受体或酶的相同结合位点结合。腺苷在调节大脑活动中起着至关重要的作用。人脑在白天会积累腺苷分子。当人脑中积累的腺苷水平升高时，腺苷开始与人脑中其结合位点（受体）结合，从而激活导致嗜睡和睡眠的机制。由于咖啡因具有相同的结构分子，因此它会与腺苷结合的相同受体结合，从而阻止腺苷与人脑中该特定受体结合，延缓睡眠和嗜睡过程。
药物的作用与之类似。它们与蛋白质、酶或受体结合，阻止人体中特定的分子与该特定受体结合，从而抑制特定的机制。如前所述，特定的药物或分子可以与多个结合位点结合，例如咖啡因。这意味着同一药物可以通过与两个不同的结合位点结合，同时抑制多种生物学机制。与多个结合位点结合可以解释特定处方药物的副作用。此外，制药和药物研发科学家目前正试图将现有药物及其副作用、结合位点、结构和作用建立关联并构建一个庞大的网络。在该领域进行如此多研究的原因是，科学家们强烈认为，由于存在各种各样的药物，发现现有的能够治愈其他疾病的药物的可能性很高。在这些项目上投入足够的资金可以节省大量用于药物发现的资金。发现一种药物的成本可能高达 8 亿美元，这还不包括在药物上市前进行测试所花费的巨大时间和精力。例如，他莫昔芬在人体中被发现有 36 个结合位点。他莫昔芬分子与雌激素结构相似，但缺少激活乳腺癌细胞产生的部分。他莫昔芬的二级结合位点表明该药物可以用于治疗其他疾病。通过生物信息学，研究人员正在努力开发网站和数据库，帮助简化药物发现过程，使其更加有效和经济。Promiscuous([1]) 数据库是一个包含大量有关药物、其结构、结合位点（靶标）和特定药物所经历的代谢途径的信息的工具。该工具非常有用，它包含了从 PubChem、蛋白质数据库和 Uniprot 等其他重要网站和数据库中收集的所有必要信息。它是一个很棒的工具，可以帮助研究人员在一个地方更快地找到有关药物的更多信息，并简化未来的药物发现过程。
Jeremy Berg, Biochemistry 6ed.