โปรตีนและเอนไซม์

โปรตีนเป็นโมเลกุลขนาดใหญ่ที่มีความหลากหลายทางเคมีในเซลล์ และเอนไซม์เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นโปรตีน (และบางครั้งเป็น RNA) ซึ่งทำให้ปฏิกิริยาของสิ่งมีชีวิตเกิดขึ้นในอัตราที่เป็นประโยชน์ทางชีวภาพ

Definition

โปรตีนคือพอลิเมอร์เชิงเส้นของกรดอะมิโนที่เชื่อมกันด้วยพันธะเพปไทด์ซึ่งพับตัวเป็นโครงสร้างสามมิติที่กำหนดไว้; เอนไซม์คือตัวเร่งปฏิกิริยาทางชีวภาพ ซึ่งเกือบทั้งหมดเป็นโปรตีน ที่ลดพลังงานกระตุ้นของปฏิกิริยาจำเพาะโดยไม่ถูกใช้ไป

Scope

ขอบเขตนี้ครอบคลุมเคมีของพอลิเปปไทด์—หน่วยย่อยของกรดอะมิโน, ระดับของโครงสร้างองค์กรตั้งแต่ลำดับไปจนถึงการประกอบ, พลังงานของการพับตัว—และพฤติกรรมการเร่งปฏิกิริยาของเอนไซม์ รวมถึงจลนพลศาสตร์สภาวะคงตัว, กลไกการเพิ่มอัตราการเกิดปฏิกิริยา, และเคมีเชิงฟิสิกส์ของการจับกับสารตั้งต้น โดยถือว่าโปรตีนเป็นวัตถุโมเลกุลที่การทำงานเป็นผลมาจากโครงสร้าง ซึ่งจัดทำขึ้นสำหรับวิทยาศาสตร์เคมีมากกว่าการปฏิบัติทางคลินิก

Sub-topics

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

Core questions

• ลำดับกรดอะมิโนแบบหนึ่งมิติสามารถกำหนดโครงสร้างสามมิติที่เป็นเอกลักษณ์ได้อย่างไร?
• แรงทางกายภาพใดที่ทำให้โปรตีนที่พับตัวมีความเสถียร และเหตุใดโปรตีนจึงพับตัว?
• เอนไซม์สามารถเร่งอัตราการเกิดปฏิกิริยาได้หลายอันดับความแตกต่างด้วยความจำเพาะสูงได้อย่างไร?
• พฤติกรรมการเร่งปฏิกิริยาสามารถวัดปริมาณและเปรียบเทียบผ่านพารามิเตอร์จลนพลศาสตร์ได้อย่างไร?

Key theories

แบบจำลองกุญแจและแม่กุญแจ และแบบจำลองการเหนี่ยวนำให้เข้ากันของความจำเพาะ

แนวคิดกุญแจและแม่กุญแจของฟิสเชอร์เสนอความเข้ากันได้ทางเรขาคณิตระหว่างเอนไซม์และสารตั้งต้น; การปรับปรุงแบบจำลองการเหนี่ยวนำให้เข้ากันของคอชแลนด์ระบุว่าการจับกับสารตั้งต้นจะกระตุ้นให้เกิดการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างที่จัดเรียงหมู่เร่งปฏิกิริยา ซึ่งอธิบายความจำเพาะได้อย่างสมบูรณ์ยิ่งขึ้น

การทำให้สถานะเปลี่ยนผ่านมีความเสถียร

เอนไซม์เร่งปฏิกิริยาหลักๆ โดยการจับกับสถานะเปลี่ยนผ่านได้แน่นกว่าสารตั้งต้นในสถานะพื้น ซึ่งช่วยลดพลังงานอิสระของการกระตุ้น; กรอบแนวคิดนี้ซึ่งอธิบายโดยพอลลิงและพัฒนาต่อมา ได้รวมกลยุทธ์การเร่งปฏิกิริยาส่วนใหญ่เข้าไว้ด้วยกัน

Mechanisms

พลังการเร่งปฏิกิริยาเกิดจากการรวมกันของกลยุทธ์ต่างๆ ได้แก่ การจัดตำแหน่งและการวางตัวของสารตั้งต้น, การเร่งปฏิกิริยาด้วยกรด-เบสทั่วไป, การเร่งปฏิกิริยาแบบโคเวเลนต์, การเร่งปฏิกิริยาด้วยไอออนโลหะ, และการทำให้เกิดความเสถียรทางไฟฟ้าสถิตของสารมัธยันต์ที่มีประจุ กลไกเหล่านี้จะออกฤทธิ์ต่อสารตั้งต้นที่จับอยู่ที่ตำแหน่งเร่งปฏิกิริยา ซึ่งเป็นช่องที่มีหมู่ข้างเคียงจัดเรียงตัวโดยการพับตัวของโปรตีนเพื่อให้เข้ากันกับสถานะเปลี่ยนผ่านของปฏิกิริยามากกว่าสารตั้งต้น

Clinical relevance

ความเข้าใจกลไกและจลนพลศาสตร์ของเอนไซม์เป็นพื้นฐานของการประยุกต์ใช้ในสาขาวิทยาศาสตร์เคมีต่างๆ เช่น การออกแบบสารยับยั้งอย่างมีเหตุผล, วิศวกรรมชีวตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับการสังเคราะห์ที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม, และการตีความว่าวิถีเมแทบอลิซึมถูกควบคุมอย่างไร การนำเสนอในที่นี้เป็นเชิงกลไกและไม่เป็นการสั่งยา

History

วิทยาศาสตร์โปรตีนและเอนไซม์เติบโตจากการศึกษาการหมักในศตวรรษที่สิบเก้าและข้อมูลเชิงลึกทางสเตอริโอเคมีของฟิสเชอร์ ผ่านรูปแบบจลนพลศาสตร์ของมิคาเอลิสและเมนเทน (ค.ศ. 1913) ไปจนถึงการกำหนดโครงสร้างโปรตีนแรกด้วยการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ในช่วงกลางศตวรรษที่ยี่สิบ (ไมโอโกลบินและฮีโมโกลบิน) ซึ่งเป็นการวางรากฐานของกระบวนทัศน์ที่ว่าโครงสร้างกำหนดหน้าที่

Key figures

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

Seminal works

• nelson2021
• berg2019
• fischer1894

Frequently asked questions

เอนไซม์ทั้งหมดเป็นโปรตีนหรือไม่?

ส่วนใหญ่เป็นเช่นนั้น แต่โมเลกุล RNA ที่มีฤทธิ์เร่งปฏิกิริยาบางชนิด (ไรโบไซม์) ก็ทำหน้าที่เป็นเอนไซม์ได้เช่นกัน ซึ่งแสดงให้เห็นว่าโครงสร้างโปรตีนไม่จำเป็นต้องเป็นข้อกำหนดที่เข้มงวดสำหรับการเร่งปฏิกิริยาทางชีวภาพ

อะไรคือสิ่งที่แยกแยะตัวเร่งปฏิกิริยาออกจากสารตั้งต้น?

ตัวเร่งปฏิกิริยา รวมถึงเอนไซม์ จะเร่งปฏิกิริยาโดยการลดพลังงานกระตุ้นและจะถูกสร้างขึ้นใหม่โดยไม่เปลี่ยนแปลงเมื่อสิ้นสุดปฏิกิริยา ดังนั้นจึงไม่ปรากฏในปริมาณสัมพันธ์โดยรวม