Cấu trúc protein và trung tâm hoạt động của enzyme

Khả năng xúc tác của enzyme đến từ cấu trúc ba chiều của nó: chuỗi polypeptide gấp khúc định vị một tập hợp nhỏ các gốc amino acid trong không gian để tạo thành một trung tâm hoạt động, một túi hoặc khe nơi cơ chất liên kết và phản ứng hóa học được tăng tốc. Chủ đề này mô tả cách các cấp độ cấu trúc protein tạo nên trung tâm hoạt động và cách trung tâm đó đạt được tính đặc hiệu.

Definition

Trung tâm hoạt động của enzyme là vùng của một protein gấp khúc, được hình thành bởi các gốc amino acid được tập hợp lại bởi cấu trúc bậc ba (và thường là bậc bốn), nơi cơ chất liên kết và quá trình xúc tác diễn ra.

Scope

Mục này bao gồm bốn cấp độ cấu trúc protein liên quan đến xúc tác, kiến trúc của trung tâm hoạt động (vị trí liên kết phụ và các gốc xúc tác), các mô hình nhận diện cơ chất "ổ khóa và chìa khóa" và "khớp cảm ứng", và cách phân loại cấu trúc sắp xếp các nếp gấp của enzyme. Đây là một tài liệu tham khảo về kiến trúc enzyme, không phải hướng dẫn lâm sàng.

Core questions

• Cấu trúc bậc một, bậc hai, bậc ba và bậc bốn kết hợp với nhau như thế nào để xây dựng một trung tâm hoạt động?
• Những gốc amino acid nào liên kết cơ chất và những gốc nào thực hiện xúc tác?
• Trung tâm hoạt động đạt được tính đặc hiệu cơ chất như thế nào?
• Cấu trúc và nếp gấp của enzyme được phân loại như thế nào?

Key concepts

• Cấu trúc bậc một, bậc hai, bậc ba và bậc bốn
• Trung tâm hoạt động (vị trí liên kết và vị trí xúc tác phụ)
• Các gốc xúc tác
• Tính đặc hiệu cơ chất
• Thay đổi cấu hình
• Các miền và nếp gấp cấu trúc

Key theories

Mô hình ổ khóa và chìa khóa

Trung tâm hoạt động có hình dạng cứng nhắc, bổ sung chỉ chấp nhận các cơ chất phù hợp, một giải thích ban đầu về tính đặc hiệu của enzyme sau đó được tinh chỉnh bằng các mô hình động.

Khớp cảm ứng

Sự liên kết cơ chất kích hoạt một sự thay đổi cấu hình điều chỉnh trung tâm hoạt động xung quanh cơ chất, giải thích cho tính đặc hiệu và cho vị trí xúc tác mà một mô hình cứng nhắc không thể.

Mechanisms

Trình tự axit amin (cấu trúc bậc một) gấp khúc thành các xoắn và tấm cục bộ (cấu trúc bậc hai) sau đó đóng gói thành một hình dạng ba chiều nhỏ gọn (cấu trúc bậc ba); ở nhiều enzyme, một số chuỗi sau đó tập hợp lại (cấu trúc bậc bốn). Sự gấp khúc này tập hợp các gốc amino acid cách xa nhau trong trình tự để tạo thành trung tâm hoạt động, nơi các gốc liên kết giữ cơ chất ở một định hướng xác định và các gốc xúc tác ổn định trạng thái chuyển tiếp. Sự nhận diện cơ chất được mô tả bằng hình dạng bổ sung (ổ khóa và chìa khóa) và, chính xác hơn, bằng khớp cảm ứng, trong đó sự liên kết làm thay đổi hình dạng của trung tâm. Các sơ đồ phân loại cấu trúc nhóm các enzyme theo các nếp gấp chung, cho thấy cách các kiến trúc lặp lại hỗ trợ các chức năng xúc tác liên quan.

Clinical relevance

Trung tâm hoạt động là đặc điểm cấu trúc mà các chất ức chế enzyme và nhiều loại thuốc được thiết kế để nhắm mục tiêu, vì vậy kiến trúc của nó là nền tảng cơ bản cho dược lý học và sinh học cấu trúc. Mục này giải thích cách cấu trúc tạo ra tính đặc hiệu xúc tác và không phải là cơ sở cho các quyết định chẩn đoán hoặc điều trị cá nhân.

History

Ý tưởng rằng tính đặc hiệu của enzyme phản ánh sự phù hợp bổ sung có từ phép loại suy "ổ khóa và chìa khóa" của Emil Fischer vào cuối thế kỷ XIX. Việc xác định các cấu trúc enzyme đầu tiên bằng tinh thể học tia X vào những năm 1960 đã giúp nhìn thấy các trung tâm hoạt động, trong khi đề xuất "khớp cảm ứng" của Koshland (1958) đã đưa ra quan điểm động hiện là trung tâm của enzym học. Các nỗ lực phân loại cấu trúc như SCOP (Murzin và cộng sự, 1995) sau đó đã sắp xếp danh mục ngày càng tăng của các nếp gấp protein, bao gồm cả của enzyme.

Key figures

• Daniel E. Koshland
• Christian B. Anfinsen
• Cyrus Chothia

Seminal works

• koshland-1958
• murzin-1995
• anfinsen-1973

Frequently asked questions

Sự khác biệt giữa vị trí liên kết và vị trí xúc tác là gì?

Trong trung tâm hoạt động, các gốc liên kết (nhận diện cơ chất) giữ cơ chất tại chỗ, trong khi các gốc xúc tác thực hiện phản ứng hóa học; hai chức năng này chồng chéo trong cùng một túi nhưng về mặt khái niệm là khác biệt.

Tại sao khớp cảm ứng lại quan trọng đối với tính đặc hiệu?

Bởi vì trung tâm hoạt động tự thay đổi hình dạng khi liên kết, nó có thể định vị chính xác các nhóm xúc tác và phân biệt với các phân tử liên kết nhưng không kích hoạt sự thay đổi cấu hình hiệu quả.