Белки и ферменты

Белки — это химически универсальные макромолекулы клетки, а ферменты — это белковые (и иногда РНК) катализаторы, которые обеспечивают протекание жизненно важных реакций с биологически полезными скоростями.

Definition

Белок — это линейный полимер аминокислот, соединенных пептидными связями, который сворачивается в определенную трехмерную структуру; фермент — это биологический катализатор, почти всегда белок, который снижает энергию активации специфической реакции, не расходуясь при этом.

Scope

Эта область охватывает химию полипептидов — аминокислотные строительные блоки, уровни структурной организации от последовательности до сборки, энергетику сворачивания — и каталитическое поведение ферментов, включая кинетику стационарного состояния, механизмы увеличения скорости и физическую химию связывания субстрата. Она рассматривает белки как молекулярные объекты, функция которых вытекает из структуры, в рамках химической науки, а не клинической практики.

Sub-topics

• Enzyme Catalysis Mechanisms
• Enzyme Kinetics
• Protein Folding
• Protein Structure

Core questions

• Как одномерная аминокислотная последовательность определяет уникальную трехмерную структуру?
• Какие физические силы стабилизируют свернутые белки и почему они вообще сворачиваются?
• Как ферменты достигают ускорения реакции на многие порядки величины с высокой специфичностью?
• Как можно количественно оценить и сравнить каталитическое поведение с помощью кинетических параметров?

Key theories

Модели специфичности «ключ-замок» и «индуцированного соответствия»

Модель «ключ-замок» Фишера постулировала геометрическую комплементарность между ферментом и субстратом; уточнение Кошланда «индуцированное соответствие» утверждает, что связывание субстрата вызывает конформационные изменения, которые выравнивают каталитические группы, более полно объясняя специфичность.

Стабилизация переходного состояния

Ферменты ускоряют реакции главным образом за счет более прочного связывания переходного состояния, чем субстрата в основном состоянии, снижая свободную энергию активации; эта концепция, сформулированная Полингом и развитая впоследствии, объединяет большинство каталитических стратегий.

Mechanisms

Каталитическая сила возникает из комбинации стратегий: близость и ориентация реагентов, общий кислотно-основной катализ, ковалентный катализ, катализ ионами металлов и электростатическая стабилизация заряженных промежуточных продуктов. Они действуют на субстраты, связанные в активном центре — кармане, остатки которого расположены в результате сворачивания белка таким образом, чтобы дополнять переходное состояние реакции, а не ее субстрат.

Clinical relevance

Понимание механизма и кинетики ферментов лежит в основе применений во всех химических науках: рациональное конструирование ингибиторов, инженерия биокатализаторов для зеленого синтеза и интерпретация того, как регулируются метаболические пути. Представленное здесь рассмотрение является механистическим и не предписывающим.

History

Наука о белках и ферментах развивалась от исследований ферментации в девятнадцатом веке и стереохимических прозрений Фишера, через кинетический формализм Михаэлиса и Ментен (1913), до определения первых белковых структур с помощью рентгеновской кристаллографии в середине двадцатого века (миоглобин и гемоглобин), установив парадигму «структура определяет функцию».

Key figures

• Emil Fischer
• Linus Pauling
• Daniel Koshland
• Leonor Michaelis
• Maud Menten

Seminal works

• nelson2021
• berg2019
• fischer1894

Frequently asked questions

Все ли ферменты являются белками?

Большинство из них являются, но некоторые каталитические молекулы РНК (рибозимы) также действуют как ферменты, показывая, что белковая структура не является строго обязательной для биологического катализа.

Что отличает катализатор от реагента?

Катализатор, включая фермент, ускоряет реакцию, снижая ее энергию активации, и регенерируется неизменным в конце, поэтому он не фигурирует в общей стехиометрии.