結構生物化學/酶催化機制
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酶是能夠加速生化反應的蛋白質。它們可以傳遞能量形式。它們的催化功能具有特異性，並且它們只催化某些反應，並且只有在存在某些底物的情況下才進行催化。它們通常沒有副產物。酶只提高反應速率，而不會改變反應平衡。換句話說，在酶存在的情況下，反應進行的速度快了幾千倍，但最終產物的量與沒有酶存在時相同。
催化活性通常取決於非蛋白質輔因子的存在。如果沒有結合輔因子，酶被稱為脫輔酶；如果與輔因子結合，酶被稱為全酶。輔因子分為兩類：金屬和輔酶。金屬輔因子可以透過多種方式催化。它們可以促進親核試劑的形成、穩定中間體以及連線酶和底物。輔酶是有機小分子。它們可以與酶緊密或鬆散地結合。如果它們與酶緊密結合，則被稱為輔基。酶使用幾種策略來催化特定的反應。
1. 共價催化 涉及具有反應性基團（底物）的活性位點。活性位點包含一個反應性親核基團，透過共價力攻擊底物。雖然共價相互作用是暫時的，但在催化過程中底物與酶結合。例如，見蛋白水解酶胰凝乳蛋白酶機制，它解釋了這種策略的例子。
2. 一般酸鹼催化 涉及不與水發生反應的酸鹼反應。其他分子進行質子供體或受體反應。
3. 近似催化 涉及將兩種不同的底物靠近，這可以顯著提高反應速率。見核苷單磷酸激酶。
4. 金屬離子催化 涉及金屬離子，這些金屬離子允許形成親核試劑或親電試劑，從而有助於反應以更快的速度發生。
==酶催化的本質
1. 特異性酸或鹼催化 酶能夠透過使用氫離子或氫氧根離子來使底物去質子化或質子化。
2. 一般酸或鹼催化 與特異性酸或鹼催化類似，透過新增或去除質子可以提高反應速率。
3. 電荷中和 當底物與酶結合時帶電荷時，酶周圍的相反電荷的其他殘基可以幫助維持結合。
4. 親核催化 許多酶透過共價鍵與底物結合。酶總是親核的。底物是親電的。因此，酶攻擊底物的親電中心。這種反應非常快。
5. 親電催化 酶反應可以透過去除電子來催化。
6. 鍵應力 在酶催化反應中存在不同型別的結合，如氫鍵、疏水相互作用和靜電相互作用。當底物結合到酶的活性位點時，它們的結構可能與位點不完全互補。這些不同型別的結合能有助於結合。此外，它有助於底物更緊密地結合酶。
7. 環境效應 當底物結合酶時，其他溶劑或分子會影響結合反應。反應可以加速或減速。
過渡態理論用於瞭解結構與相關的反應性之間的關係。為了簡化，反應物碰撞不包括在分析中，而是過渡態理論處理的唯一反應物是位於基態的反應物。此外，過渡態理論包括反應中不穩定的成分。在過渡態，化學鍵形成和斷裂。因此，計算反應速率的一個簡單方法是假設基態的反應物與過渡態處於平衡狀態，因此可以使用平衡常數 (K) 輕鬆確定過渡態的濃度。一旦你獲得了過渡態的濃度，將其乘以反應的組成，你將獲得反應速率。在計算底物的反應性時，找到反應速率極其重要。
為了理解酶是如何工作的，我們可以從自由能 (G) 開始。底物和產物之間的自由能差稱為自由能差 (∆G)。如果 ∆G 為負，則反應為放熱反應，並且自發發生。如果 ∆G 為正，則反應為吸熱反應，並且需要額外的能量才能使它發生。它對反應速率沒有影響，但對於酶催化反應，我們可以從 ∆G 的值來判斷它是否是自發的還是需要額外的能量。
在酶催化反應的過程中，在產物形成之前存在一個過渡態。底物和過渡態之間的差異稱為活化能。使用酶是為了降低活化能，以便更容易地形成產物。
酶中有一個結合區域。它被稱為活性位點。酶將底物帶入酶-底物複合物中。底物與活性位點結合。這種結合有兩種模型。它們是鎖鑰模型和誘導契合模型。在鎖鑰模型中，底物就像一把鑰匙，酶就像一把鎖。由於它們具有高度特異性，因此它們彼此具有完美的互補形狀。在誘導契合模型中，酶是柔性的。換句話說，它可以改變形狀以匹配底物的形狀。
一般酸鹼催化是一種將質子轉移到另一個分子或從另一個分子轉移質子的反應。在結構生物化學中，可以攜帶質子的組分是底物、輔因子和氨基酸。這種特定催化中的反應速率取決於質子載體的濃度。在特異性酸鹼催化中，反應速率與催化劑的濃度無關。
一般酸鹼催化的一個例子是酯的水解。為了催化這種反應，必須提高速率常數，以及透過保持恆定的 pH 值和催化劑的酸：鹼形式的恆定比率來提高酸或鹼的濃度。為了找出催化劑是酸還是鹼，提高反應速率。在酯水解的情況下，反應速率的提高與鹼性催化劑的量成正比，因此在這個反應中使用鹼性催化劑。反應速率也與催化劑的強度成正比。酸鹼催化有助於穩定過渡態。例如，水對酯的水解，過渡態透過一般的鹼或酸穩定。它可以透過作為酯羰基氧的部分質子供體的酸性基團來穩定。反過來，鹼性基團充當質子受體，穩定過渡態。
示例：蛋白水解酶如胰凝乳蛋白酶
金屬離子催化涉及金屬離子，這些金屬離子透過活化結合的水分子在中性 pH 值下形成親核性氫氧根離子，因此穩定形成的負電荷。在 pKa 為 7 時，金屬結合水極易受到親核攻擊。金屬離子催化的一個例子是碳酸酐酶機制，其中碳酸酐酶催化 CO2 的水合反應。
另一個例子：限制性內切酶，如 BamHI 和 EcoRV
通常形成共價中間體的酶型別是絲氨酸蛋白酶、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。共價催化中的一個重要步驟是建立共價中間體。共價中間體促使反應沿著過渡態進行，進而有助於加速反應。共價中間體的形成會引發反應速率的爆發，然後在中間體分解並進入穩態時下降。共價催化的一個例子是席夫鹼的形成。席夫鹼透過將羰基化合物與胺縮合而形成。
酶-底物結合有兩個特徵可以提高反應速率。第一個是結合將底物和酶活性位點的反應基團聚集在一起。第二個因素是酶活性位點對它將結合的底物具有極高的特異性，因此使反應儘可能高效。鄰近效應描述了底物分子在結合酶活性位點時的方向和運動。軌道轉向假說指出，僅僅因為底物和酶活性位點彼此靠近並不意味著會發生催化反應。這是因為酶必須以特定方向引導或“轉向”底物進入活性位點，以便實際發生反應。隨著時間的推移，“轉向”已經進化並變得更加高效。
發生這種反應的其他要求是它需要溶劑化變化，它需要克服範德華力以及電子重疊的變化。為了滿足這些要求，需要方向效應和應變誘導。
例如：NMP 激酶
異構酶是一種催化異構體結構重排的酶。當異構體的鍵能相等或大致相等時，異構酶催化單個分子內的異構化變化，因此它們可以相對自由地相互轉化。根據分子結構的變化，有許多種異構酶。例如，磷酸丙糖異構酶是一種催化醛糖 - 二羥丙酮磷酸 - 轉換為酮糖 - 甘油醛 3-磷酸的酶，透過分子內氧化還原反應。首先，穀氨酸 165 對碳 1 的氫進行質子化，而組氨酸 95 將質子捐贈給與碳 2 鍵合的氧原子。此過程形成了烯二醇中間體。隨後，穀氨酸將氫捐贈回來，但針對碳 2，而組氨酸 95 現在從與碳 1 鍵合的 O-H 鍵中移除氫。此步驟形成了產物 - 甘油醛 3-磷酸。
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