結構生物化學/酶調節

引言

穩態是生物體維持其身體處於動態平衡的機制。生物體內液體濃度的微小變化可能會導致其體內發生重大變化。在活細胞中，有不同種類的酶協同工作。活細胞合成或分解分子以進行正常的代謝和生長。酶調節就是一個例子。酶用於催化（加速）體內反應。酶的調節有助於維持身體的平衡。酶可以處於兩種狀態之一：開或關。即控制酶的合成和控制酶的活性（反饋抑制）。基本上酶調節利用了這兩種模式。當一種產物的濃度過高時，就會發生負反饋迴路，並停止催化該特定產物的酶。從而降低反應速率並隨著時間的推移降低濃度。

酶的活性受五種基本技術調節。

1. 別構調節。 別構蛋白具有不同的調節和催化結合位點。別構蛋白是協同蛋白，其中一個活性位點上的底物結合會影響其餘結合位點的活性。一些底物結合將有利於該蛋白處於非活性 T（緊張）狀態，而其他底物結合將有利於該蛋白處於活性 R（鬆弛）狀態，具體取決於生物學需求。然而，別構調節的酶不遵循米氏動力學，而是遵循 S 形動力學。

別構的例子：[[1]]

2. 同工酶。同工酶具有不同的氨基酸序列，但催化與酶相同的反應。它們通常具有不同的 K_m 和 V_max 值，以及不同的調節技術。同工酶的優勢在於它可以在不同細胞器內的不同環境下催化相同的反應。同工酶是代謝中為特定組織或發育序列提供服務的重要實體。例如，乳酸脫氫酶 (LDH) 有兩種同工酶，它們的氨基酸序列相似度為 75%。H 同工酶存在於心肌中，M 同工酶在骨骼肌中表達。

同工酶及其結構的例子：[[2]]

3. 可逆共價修飾。透過將不同的基團共價連線到酶的活性位點，可以改變酶的活性。它阻止天然底物與活性位點結合。最常見的共價修飾形式是磷酸化和去磷酸化，以及乙醯化和去乙醯化。並非所有共價修飾形式都易於逆轉。例如，脂類基團的連線將抑制某些蛋白質的訊號轉導途徑。

去磷酸化的例子：[[3]]

4. 蛋白水解啟用。 體內許多酶以其非活性形式存在，稱為酶原或前酶。它們只有在消化酶將其切割後才會被啟用。切割改變了酶的三維形狀，在正確的方向形成活性位點。酶原在不可逆反應中變成活性酶，通常是酶原中鍵的水解。

酶原結構的例子：[[4]]

5. 透過限制酶量進行控制。酶的產生量可以在轉錄水平上進行控制。

在雙位移（乒乓反應）中，兩種化合物互換位置形成新的化合物。兩個反應物產生兩個產物。

乒乓機制

在乒乓機制中，底物 S 與酶結合，將化學成分轉移到活性位點，從而形成修飾的酶。一旦底物 S 離開活性位點，底物 T 就可以結合並與新修飾的活性位點反應。一旦新形成的產物離開酶，酶就會恢復到原始狀態，準備接受底物 S。

表現出這種機制的酶包括硫氧還蛋白過氧化物酶、胞苷醯轉移酶和胰凝乳蛋白酶。切割多肽鍵的絲氨酸蛋白酶是這種機制的一個例子，其中酶接受氨基酸並透過乙醯化修飾絲氨酸殘基。修飾後的酶接受水，從而釋放產物並釋放原始酶。

在乒乓反應中，在所有底物與酶結合之前，會釋放一個或多個產物。雙位移反應的決定性特徵是存在取代酶中間體，其中酶被暫時修飾。在氨基酸和 α-酮酸之間穿梭氨基的反應是雙位移機制的典型例子。天冬氨酸氨基轉移酶催化氨基從天冬氨酸轉移到 α-酮戊二酸。

天冬氨酸與酶結合後，酶接受天冬氨酸的氨基以形成取代酶中間體。第一個產物，草醯乙酸隨後離開。第二個底物，α-酮戊二酸，與酶結合，從修飾後的酶中接受氨基，然後作為最終產物穀氨酸釋放。在克萊蘭符號中，底物似乎像乒乓球在桌子上彈跳一樣，在酶上彈跳。

潛在威脅

正如科學研究人員已經證明酶是生物體代謝途徑的核心，他們也指出這些酶本身可能也可能威脅到生物體的生存。例如，在 DNA 轉錄中，如果執行工作的酶發生故障，它會導致錯誤的基因，這些基因編碼有缺陷的蛋白質或根本沒有蛋白質（這些現象被稱為突變）。因此，這些蛋白質會導致細胞分裂失控，這可能導致嚴重的後果，這些後果大多數與癌症有關。

結論

酶在生物體生存能力中起著至關重要的作用。它們創造了運動、思考、感知等能力。此外，酶幾乎是任何生物體中任何代謝反應的核心：它們可以催化一系列延長實驗室進行的化學反應，並在幾秒鐘內以高水平的複雜性和精度完成，因此被稱為“天然催化劑”。生物化學家的目標是努力研究和理解機制，只有這些酶才能為生物體的生存發揮神奇的作用。