結構生物化學/酶催化機制/結合
蛋白質的結合功能非常特異。結合能力取決於蛋白質的三級結構，也稱為蛋白質的三維結構。蛋白質中與另一個分子（如配體）結合的區域稱為結合位點。結合位點通常是蛋白質表面上的一個裂隙。與蛋白質結合的分子會改變蛋白質的化學構象。
•活性位點也是酶抑制的位點
•酶的活性位點包含催化位點和結合位點
•活性位點的結構和化學性質允許識別和結合底物
•蛋白質功能，如分子識別和催化，取決於互補性
•分子識別取決於蛋白質三級結構產生的特殊微環境
•結合位點的特殊微環境有助於催化
蛋白質結合的一個例子是血紅蛋白的配體結合蛋白，它將氧氣從肺部運輸到人體內的其他重要器官和組織。
酶對其結合的底物具有特異性。它取決於底物的結構和位置以及氨基酸序列。如果序列互補，則確保兩個組分的結合。在蛋白酶的情況下，不負責催化的殘基可能負責分子的識別和對齊，將其設定好以便它可以被酶水解其中一個鍵。
特別是蛋白酶傾向於識別它打算切割的氨基酸的側鏈。通常是羰基碳 - 醯胺基團接在識別的側鏈之後。
注意：影像是 HIV-1 的蛋白酶
可以透過誘導對目標氨基酸的定點誘變來判斷一個氨基酸殘基是否在蛋白酶的酶活性中起作用。如果目標氨基酸確實在特異性或催化中起作用，則突變後酶的酶活性會降低。
互補性的概念可以透過蛋白質結合的鎖和鑰匙模型來理解（如下面的圖所示）。本質上，參與結合的蛋白質表面呈現出與結合配體互補的形狀。這使得蛋白質識別、結合特異性和親和性成為可能。蛋白質結合可以透過誘導契合模型進一步解釋。在這個模型中，蛋白質的結合位點也表現出互補性，但程度低於鎖和鑰匙模型。一旦配體已經位於結合位點，蛋白質就可以調整其結合位點的形狀以更好地契合和結合配體。蛋白質靈活性的這一概念將在下一節中更詳細地解釋。
結合通常發生在蛋白質的表面。有關詳細資訊，請參閱下面的結合位點性質。下面的影像顯示了蛋白質表面識別分子的一個例子。這是性激素和球蛋白之間的結合。
配體與蛋白質的結合通常透過非共價力發生。非共價力的弱相互作用允許分子之間輕鬆交換。例如，血紅蛋白在肺部將其結合位點捕獲氧氣，並將其釋放到組織中。它能夠非常有效地執行這項任務，因為結合足夠強，能夠在氧氣飽和的肺部牢牢地抓住氧氣，但又足夠弱，能夠輕鬆地將氧氣釋放到缺氧的組織中。
靈活性可以透過誘導契合的概念來證明。最初與底物不互補的酶位點，在底物結合後可能會變得互補。結合位點會改變形狀，接受底物。這表明酶確實很靈活，構象可以被底物的影響改變。
誘導契合模型斷言，酶的結合位點是針對底物的過渡態最佳化，而不是正常的態。這樣它就可以在與酶結合後輕鬆穩定過渡態，從而降低反應的活化能，並使反應更快地達到平衡。
酶的結合位點具有幾個共同特徵。活性位點是由連線到蛋白質不同部位的氨基酸形成的位點。氨基酸的特定排列共同形成三維裂縫或凹槽。酶的活性位點佔酶總體積的非常小的一部分。不參與酶活性的氨基酸存在是為了彌補結構。許多氨基酸形成分子的三維結構，使活性位點的相互作用以及與其他分子的反應成為可能。活性位點還具有獨特的微環境。這些獨特的環境可能包含極性或非極性殘基，它們各自具有與附近底物相互作用的方式。此外，底物透過許多弱力與酶結合，包括範德華力、氫鍵和疏水相互作用。儘管這些力在單獨作用時可能很弱，但大量力共同作用有助於酶-底物複合物結合位點的穩定性。最後，酶的特定結合位點取決於分子的特定排列。這是一個結構導致特定功能的例子。
大型配體的結合位點可以是平坦的、凸起的或凹陷的，而小型配體的結合位點往往是完全凹陷的。結合位點的一個特徵是，與其他部位相比，它包含更多的暴露的疏水錶面。此外，結合位點還必須能夠牢固地結合配體，但不要太牢固，以至於配體難以釋放。因此，結合位點以較弱的非共價相互作用為特徵，因為它允許輕鬆交換。這個概念對於血紅蛋白尤其重要，因為它的主要功能是將氧氣從肺部運輸到組織。為了有效地完成其工作，它對氧氣的結合親和力必須足夠強，但同時又不能太強，否則血紅蛋白一旦進入組織就無法釋放結合的氧氣。除了結合親和力，結合特異性也非常重要。結合位點處的特殊和特定的微環境對於有效的結合是必要的。最後，水的置換通常是結合位點的典型特徵，因為它能夠促進結合過程。
藥物與酶的運作方式相同。它們都與特定的結合位點結合，從而抑制或啟用特定的生物學作用。例如，咖啡因是一種人們每天都會接觸到的常見分子，透過飲用咖啡或茶來保持清醒。咖啡因與警覺和清醒之間關係的原因在於咖啡因分子、腺苷和環狀腺苷單磷酸之間的結構相似性。結構上的相似性使咖啡因分子能夠與與腺苷衍生物反應的受體或酶的相同結合位點結合。腺苷在調節大腦活動中起著至關重要的作用。人腦在白天會積累腺苷分子。當人腦中積累的腺苷水平升高時，腺苷開始與人腦中其結合位點（受體）結合，從而啟用導致嗜睡和睡眠的機制。由於咖啡因具有相同的結構分子，因此它會與腺苷結合的相同受體結合，從而阻止腺苷與人腦中該特定受體結合，延緩睡眠和嗜睡過程。
藥物的作用與之類似。它們與蛋白質、酶或受體結合，阻止人體中特定的分子與該特定受體結合，從而抑制特定的機制。如前所述，特定的藥物或分子可以與多個結合位點結合，例如咖啡因。這意味著同一藥物可以透過與兩個不同的結合位點結合，同時抑制多種生物學機制。與多個結合位點結合可以解釋特定處方藥物的副作用。此外，製藥和藥物研發科學家目前正試圖將現有藥物及其副作用、結合位點、結構和作用建立關聯並構建一個龐大的網路。在該領域進行如此多研究的原因是，科學家們強烈認為，由於存在各種各樣的藥物，發現現有的能夠治癒其他疾病的藥物的可能性很高。在這些專案上投入足夠的資金可以節省大量用於藥物發現的資金。發現一種藥物的成本可能高達 8 億美元，這還不包括在藥物上市前進行測試所花費的巨大時間和精力。例如，他莫昔芬在人體中被發現有 36 個結合位點。他莫昔芬分子與雌激素結構相似，但缺少啟用乳腺癌細胞產生的部分。他莫昔芬的二級結合位點表明該藥物可以用於治療其他疾病。透過生物資訊學，研究人員正在努力開發網站和資料庫，幫助簡化藥物發現過程，使其更加有效和經濟。Promiscuous([1]) 資料庫是一個包含大量有關藥物、其結構、結合位點（靶標）和特定藥物所經歷的代謝途徑的資訊的工具。該工具非常有用，它包含了從 PubChem、蛋白質資料庫和 Uniprot 等其他重要網站和資料庫中收集的所有必要資訊。它是一個很棒的工具，可以幫助研究人員在一個地方更快地找到有關藥物的更多資訊，並簡化未來的藥物發現過程。
Jeremy Berg, Biochemistry 6ed.