结构生物化学/酶调节

引言

稳态是生物体维持其身体处于动态平衡的机制。生物体内液体浓度的微小变化可能会导致其体内发生重大变化。在活细胞中，有不同种类的酶协同工作。活细胞合成或分解分子以进行正常的代谢和生长。酶调节就是一个例子。酶用于催化（加速）体内反应。酶的调节有助于维持身体的平衡。酶可以处于两种状态之一：开或关。即控制酶的合成和控制酶的活性（反馈抑制）。基本上酶调节利用了这两种模式。当一种产物的浓度过高时，就会发生负反馈回路，并停止催化该特定产物的酶。从而降低反应速率并随着时间的推移降低浓度。

酶的活性受五种基本技术调节。

1. 别构调节。 别构蛋白具有不同的调节和催化结合位点。别构蛋白是协同蛋白，其中一个活性位点上的底物结合会影响其余结合位点的活性。一些底物结合将有利于该蛋白处于非活性 T（紧张）状态，而其他底物结合将有利于该蛋白处于活性 R（松弛）状态，具体取决于生物学需求。然而，别构调节的酶不遵循米氏动力学，而是遵循 S 形动力学。

别构的例子：[[1]]

2. 同工酶。同工酶具有不同的氨基酸序列，但催化与酶相同的反应。它们通常具有不同的 K_m 和 V_max 值，以及不同的调节技术。同工酶的优势在于它可以在不同细胞器内的不同环境下催化相同的反应。同工酶是代谢中为特定组织或发育序列提供服务的重要实体。例如，乳酸脱氢酶 (LDH) 有两种同工酶，它们的氨基酸序列相似度为 75%。H 同工酶存在于心肌中，M 同工酶在骨骼肌中表达。

同工酶及其结构的例子：[[2]]

3. 可逆共价修饰。通过将不同的基团共价连接到酶的活性位点，可以改变酶的活性。它阻止天然底物与活性位点结合。最常见的共价修饰形式是磷酸化和去磷酸化，以及乙酰化和去乙酰化。并非所有共价修饰形式都易于逆转。例如，脂类基团的连接将抑制某些蛋白质的信号转导途径。

去磷酸化的例子：[[3]]

4. 蛋白水解激活。 体内许多酶以其非活性形式存在，称为酶原或前酶。它们只有在消化酶将其切割后才会被激活。切割改变了酶的三维形状，在正确的方向形成活性位点。酶原在不可逆反应中变成活性酶，通常是酶原中键的水解。

酶原结构的例子：[[4]]

5. 通过限制酶量进行控制。酶的产生量可以在转录水平上进行控制。

在双位移（乒乓反应）中，两种化合物互换位置形成新的化合物。两个反应物产生两个产物。

乒乓机制

在乒乓机制中，底物 S 与酶结合，将化学成分转移到活性位点，从而形成修饰的酶。一旦底物 S 离开活性位点，底物 T 就可以结合并与新修饰的活性位点反应。一旦新形成的产物离开酶，酶就会恢复到原始状态，准备接受底物 S。

表现出这种机制的酶包括硫氧还蛋白过氧化物酶、胞苷酰转移酶和胰凝乳蛋白酶。切割多肽键的丝氨酸蛋白酶是这种机制的一个例子，其中酶接受氨基酸并通过乙酰化修饰丝氨酸残基。修饰后的酶接受水，从而释放产物并释放原始酶。

在乒乓反应中，在所有底物与酶结合之前，会释放一个或多个产物。双位移反应的决定性特征是存在取代酶中间体，其中酶被暂时修饰。在氨基酸和 α-酮酸之间穿梭氨基的反应是双位移机制的典型例子。天冬氨酸氨基转移酶催化氨基从天冬氨酸转移到 α-酮戊二酸。

天冬氨酸与酶结合后，酶接受天冬氨酸的氨基以形成取代酶中间体。第一个产物，草酰乙酸随后离开。第二个底物，α-酮戊二酸，与酶结合，从修饰后的酶中接受氨基，然后作为最终产物谷氨酸释放。在克莱兰符号中，底物似乎像乒乓球在桌子上弹跳一样，在酶上弹跳。

潜在威胁

正如科学研究人员已经证明酶是生物体代谢途径的核心，他们也指出这些酶本身可能也可能威胁到生物体的生存。例如，在 DNA 转录中，如果执行工作的酶发生故障，它会导致错误的基因，这些基因编码有缺陷的蛋白质或根本没有蛋白质（这些现象被称为突变）。因此，这些蛋白质会导致细胞分裂失控，这可能导致严重的后果，这些后果大多数与癌症有关。

结论

酶在生物体生存能力中起着至关重要的作用。它们创造了运动、思考、感知等能力。此外，酶几乎是任何生物体中任何代谢反应的核心：它们可以催化一系列延长实验室进行的化学反应，并在几秒钟内以高水平的复杂性和精度完成，因此被称为“天然催化剂”。生物化学家的目标是努力研究和理解机制，只有这些酶才能为生物体的生存发挥神奇的作用。