กลไกการเร่งปฏิกิริยาของเอนไซม์

เอนไซม์เร่งปฏิกิริยาโดยการรวมกลยุทธ์ทางเคมีจำนวนหนึ่งเข้าด้วยกัน ณ ตำแหน่งเร่งปฏิกิริยาที่จัดระเบียบอย่างแม่นยำ ซึ่งช่วยลดพลังงานกระตุ้นโดยการทำให้สถานะเปลี่ยนผ่านของปฏิกิริยามีความเสถียร

Definition

กลไกการเร่งปฏิกิริยาคือเส้นทางเคมีแบบเป็นขั้นตอนที่เอนไซม์ใช้ในการเปลี่ยนสารตั้งต้นให้เป็นผลิตภัณฑ์ ณ ตำแหน่งเร่งปฏิกิริยา ซึ่งรวมถึงหมู่ฟังก์ชันจำเพาะ, โคแฟกเตอร์, และสถานะกลางที่ช่วยลดพลังงานอิสระของการกระตุ้น

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมกลยุทธ์ทางเคมีของการเร่งปฏิกิริยา ได้แก่ การเร่งปฏิกิริยาด้วยกรด-เบส, การเร่งปฏิกิริยาแบบโควาเลนต์, การเร่งปฏิกิริยาด้วยไอออนโลหะ, และการเร่งปฏิกิริยาด้วยไฟฟ้าสถิต รวมถึงผลกระทบจากความใกล้ชิดและการวางแนว และการทำให้สถานะเปลี่ยนผ่านมีความเสถียร โดยมีตัวอย่างจากกลไกคลาสสิก เช่น ไตรแอดเร่งปฏิกิริยาของเซอรีนโปรตีเอส และบทบาทของโคแฟกเตอร์และโคเอนไซม์

Core questions

• เอนไซม์ใช้กลยุทธ์ทางเคมีใดบ้างในการเร่งปฏิกิริยา?
• การทำให้สถานะเปลี่ยนผ่านมีความเสถียรสามารถอธิบายการเพิ่มอัตราการเกิดปฏิกิริยาของเอนไซม์ได้อย่างไร?
• ไตรแอดเร่งปฏิกิริยาของเซอรีนโปรตีเอสแสดงให้เห็นถึงการเร่งปฏิกิริยาแบบโควาเลนต์และกรด-เบสทั่วไปได้อย่างไร?
• เหตุใดเอนไซม์หลายชนิดจึงต้องการโคแฟกเตอร์หรือโคเอนไซม์?

Key theories

Induced fit

Koshland เสนอว่าการจับกับสารตั้งต้นทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของเอนไซม์ ซึ่งนำหมู่เร่งปฏิกิริยามาจัดเรียงตัวอย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งเป็นการปรับปรุงภาพแบบ lock-and-key ที่คงที่ และอธิบายได้ทั้งความจำเพาะและการหลีกเลี่ยงการเร่งปฏิกิริยาที่ไม่มีประสิทธิภาพ

Transition-state stabilization

เอนไซม์จับกับสถานะเปลี่ยนผ่านได้แน่นกว่าสารตั้งต้น; พลังงานการจับที่แตกต่างกันนี้จะถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานกระตุ้นที่ต่ำลง ซึ่งเป็นคำอธิบายหลักที่เป็นหนึ่งเดียวของพลังการเร่งปฏิกิริยา

Mechanisms

ในเซอรีนโปรตีเอส ไตรแอดเร่งปฏิกิริยา Ser–His–Asp ช่วยให้เกิดการเร่งปฏิกิริยาแบบโควาเลนต์: ฮิสติดีนทำหน้าที่เป็นเบสทั่วไปเพื่อดึงโปรตอนออกจากหมู่ไฮดรอกซิลของเซอรีน ซึ่งจะเข้าโจมตีหมู่คาร์บอนิลของสารตั้งต้นเพื่อสร้างสารประกอบกลาง acyl-enzyme แบบโควาเลนต์ที่ถูกทำให้เสถียรโดย oxyanion hole ในขณะที่แอสปาร์เตตจะจัดวางและทำให้ฮิสติดีนมีขั้ว ตัวอย่างเดียวนี้รวมเอาการเร่งปฏิกิริยาแบบโควาเลนต์, กรด-เบสทั่วไป, และไฟฟ้าสถิตเข้าไว้ด้วยกัน ซึ่งเป็นชุดเครื่องมือเดียวกันที่เอนไซม์นำมาใช้ในรูปแบบผสมผสานที่หลากหลาย

Clinical relevance

ความเข้าใจเชิงกลไกเป็นแนวทางในการออกแบบสารยับยั้งที่เลียนแบบสถานะเปลี่ยนผ่านและตัวเร่งปฏิกิริยาที่ได้รับการดัดแปลงทางวิศวกรรมซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในวิชาเคมี เนื้อหาในที่นี้อธิบายถึงกลไกและไม่ได้มีลักษณะเป็นการสั่งยาหรือแนะนำการรักษา

History

ข้อเสนอของ Pauling ในช่วงกลางศตวรรษที่ว่าเอนไซม์มีความเสริมกันกับสถานะเปลี่ยนผ่านได้วางกรอบความคิดสมัยใหม่; ทฤษฎี induced-fit ของ Koshland ในปี 1958 ได้กล่าวถึงความจำเพาะ; และงานผลึกศาสตร์เกี่ยวกับไคโมทริปซินในช่วงปลายทศวรรษ 1960 ได้ให้ภาพอะตอมโดยละเอียดครั้งแรกของไตรแอดเร่งปฏิกิริยาที่กำลังทำงาน

Key figures

• Daniel Koshland
• Linus Pauling
• David Blow
• William Lipscomb

Seminal works

• koshland1958
• blow1969
• nelson2021

Frequently asked questions

โคเอนไซม์คืออะไร?

โคเอนไซม์คือโมเลกุลอินทรีย์ขนาดเล็ก ซึ่งมักได้มาจากวิตามิน ที่เอนไซม์ต้องการเพื่อดำเนินกระบวนการเร่งปฏิกิริยา โดยบ่อยครั้งทำหน้าที่ขนส่งหมู่เคมีหรืออิเล็กตรอนในระหว่างปฏิกิริยา

เอนไซม์เปลี่ยนแปลงสมดุลของปฏิกิริยาหรือไม่?

ไม่ เอนไซม์เร่งการเข้าสู่สมดุลโดยการลดพลังงานกระตุ้นในทั้งสองทิศทางเท่ากัน แต่ไม่เปลี่ยนแปลงตำแหน่งของสมดุลหรือการเปลี่ยนแปลงพลังงานอิสระโดยรวม