Protein và Enzyme
Protein là các đại phân tử đa năng về mặt hóa học của tế bào, và enzyme là các chất xúc tác protein (và đôi khi là RNA) giúp các phản ứng của sự sống diễn ra với tốc độ hữu ích về mặt sinh học.
Definition
Protein là một polymer tuyến tính của các axit amin được nối với nhau bằng liên kết peptide, gấp cuộn thành một cấu trúc ba chiều xác định; enzyme là một chất xúc tác sinh học, hầu như luôn là protein, làm giảm năng lượng hoạt hóa của một phản ứng cụ thể mà không bị tiêu thụ.
Scope
Lĩnh vực này bao gồm hóa học của các polypeptide—các khối cấu tạo axit amin, các cấp độ tổ chức cấu trúc từ trình tự đến lắp ráp, năng lượng của quá trình gấp cuộn—và hành vi xúc tác của enzyme, bao gồm động học trạng thái ổn định, cơ chế tăng cường tốc độ và hóa lý của sự gắn kết cơ chất. Nó xem xét protein như các đối tượng phân tử có chức năng bắt nguồn từ cấu trúc, được định hình cho khoa học hóa học hơn là thực hành lâm sàng.
Sub-topics
Core questions
- Làm thế nào một trình tự axit amin một chiều xác định một cấu trúc ba chiều duy nhất?
- Những lực vật lý nào ổn định các protein đã gấp cuộn, và tại sao chúng lại gấp cuộn?
- Làm thế nào các enzyme đạt được sự tăng tốc độ lên nhiều bậc độ lớn với độ đặc hiệu cao?
- Làm thế nào hành vi xúc tác có thể được định lượng và so sánh thông qua các thông số động học?
Key theories
- Mô hình ổ khóa-chìa khóa và mô hình khớp cảm ứng về tính đặc hiệu
- Hình ảnh ổ khóa-chìa khóa của Fischer giả định sự bổ sung hình học giữa enzyme và cơ chất; sự tinh chỉnh khớp cảm ứng của Koshland cho rằng sự gắn kết cơ chất kích hoạt sự thay đổi cấu hình giúp sắp xếp các nhóm xúc tác, giải thích tính đặc hiệu một cách đầy đủ hơn.
- Ổn định trạng thái chuyển tiếp
- Enzyme chủ yếu tăng tốc phản ứng bằng cách gắn kết trạng thái chuyển tiếp chặt chẽ hơn so với cơ chất trạng thái cơ bản, làm giảm năng lượng tự do hoạt hóa; khuôn khổ này, được Pauling trình bày và phát triển sau đó, thống nhất hầu hết các chiến lược xúc tác.
Mechanisms
Khả năng xúc tác phát sinh từ sự kết hợp của nhiều chiến lược: sự gần gũi và định hướng của các chất phản ứng, xúc tác axit-bazơ tổng quát, xúc tác cộng hóa trị, xúc tác ion kim loại và ổn định tĩnh điện của các chất trung gian tích điện. Chúng tác động lên các cơ chất được gắn tại một vị trí hoạt động, một túi có các gốc được định vị bởi sự gấp cuộn của protein để bổ sung cho trạng thái chuyển tiếp của phản ứng hơn là cơ chất của nó.
Clinical relevance
Việc hiểu cơ chế và động học của enzyme là nền tảng cho các ứng dụng trong khoa học hóa học: thiết kế hợp lý các chất ức chế, kỹ thuật xúc tác sinh học cho tổng hợp xanh và giải thích cách các con đường trao đổi chất được điều hòa. Cách tiếp cận ở đây mang tính cơ chế và không mang tính kê đơn.
History
Khoa học về protein và enzyme phát triển từ các nghiên cứu về quá trình lên men vào thế kỷ XIX và những hiểu biết về hóa học lập thể của Fischer, thông qua hình thức động học của Michaelis và Menten (1913), đến việc xác định cấu trúc protein đầu tiên bằng tinh thể học tia X vào giữa thế kỷ XX (myoglobin và hemoglobin), thiết lập mô hình cấu trúc quyết định chức năng.
Key figures
- Emil Fischer
- Linus Pauling
- Daniel Koshland
- Leonor Michaelis
- Maud Menten
Related topics
Seminal works
- nelson2021
- berg2019
- fischer1894
Frequently asked questions
- Tất cả các enzyme có phải là protein không?
- Hầu hết là protein, nhưng một số phân tử RNA xúc tác (ribozyme) cũng hoạt động như enzyme, cho thấy cấu trúc protein không phải là yêu cầu bắt buộc đối với quá trình xúc tác sinh học.
- Điều gì phân biệt chất xúc tác với chất phản ứng?
- Chất xúc tác, bao gồm enzyme, tăng tốc phản ứng bằng cách làm giảm năng lượng hoạt hóa của nó và được tái tạo không thay đổi ở cuối, do đó nó không xuất hiện trong phương trình hóa học tổng thể.