How Enzymes Work (from PDB-101)

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20 Apr 201704:52

Summary

TLDR酶是生命过程中不可或缺的生物催化剂，它们在每个活细胞内每秒催化成千上万的化学反应。酶是一种蛋白质，能够加速化学反应的进程，并确保反应结果的一致性。它们通常协同工作，形成如柠檬酸循环这样的长反应路径，为细胞从碳水化合物中产生能量。酶在调节生命的关键任务，如新陈代谢、蛋白质合成、细胞更新和生长中起着核心作用。酶的生命力在于它们能在温和的pH值、温度和大气压条件下催化反应，使反应速率比非催化反应快数百万到数万亿倍。例如，柠檬酸循环中的一个关键反应由酶aconitase催化，它通过去除一个羟基和一个氢原子，将柠檬酸转化为中间产物顺式aconitate，然后重新添加氢原子形成最终产物异柠檬酸。酶的活性位点具有柔性，能够围绕底物闭合，形成完美的反应环境。酶是地球上生命活动的基础，每分每秒都在维持每个细胞和生物体内生命过程的正常运作。

Takeaways

🧬 细胞内每秒钟都发生着成千上万的化学反应，这些反应由酶来执行。
🔄 酶是一种蛋白质，能够催化化学反应，加速反应进程，并确保结果一致。
🛤️ 酶常常协同工作，形成如柠檬酸循环这样的较长途径，细胞通过这些途径从碳水化合物中生成能量。
🌱 生命的基本任务，如新陈代谢、蛋白质合成、细胞更新和生长，都由酶来调节。
🔑 酶的生命维持能力在于它们能在温和的pH值、温度和大气压条件下催化反应。
⚡ 酶催化的反应速率比未催化的相同反应快数百万到数万亿倍。
🔥 在没有酶的情况下加快反应需要提供额外的能量，通常是通过加热来实现。
🔬 酶作为反应的模板，能够结合其底物并将其固定在适当的位置以形成产物。
🍋 以柠檬酸循环中的一个反应为例，由酶aconitase催化，它结合底物柠檬酸并移除羟基和氢原子形成中间产物顺乌头酸。
🔍 aconitase的活性位点中一些氨基酸完美地定位以识别底物并将其固定在反应开始的最佳位置。
🤝 组氨酸101作为酸通过捐赠其质子，而丝氨酸642得益于其化学环境，可以作为碱通过接受底物的质子。
🔄 酶本身在反应中不会被改变，它提取羟基和氢原子然后再放回，开始和结束时都处于相同的状态，这是催化剂的标志。
🌐 酶是地球上生命活动的基础，每分每秒都在维持每个细胞和每个生物体内生命过程的正常运行。

Q & A

什么是酶，它在细胞中的作用是什么？
-酶是一种蛋白质，能够催化化学反应。在每个活细胞中，酶负责成千上万的化学反应，它们启动反应，加速反应进程，并确保结果总是相同的。
酶如何帮助细胞生成能量？
-酶通过形成如柠檬酸循环这样的更长途径来工作，柠檬酸循环是细胞用来从碳水化合物中生成能量的一系列化学反应。
为什么说酶是生命维持的关键？
-酶在温和的pH值、温度和大气压条件下催化反应，是生命过程如新陈代谢、蛋白质合成以及细胞更新和生长的调节者。
酶催化的反应速率比未催化的反应快多少？
-酶催化的反应速率比未催化的相同反应快数百万到数万亿倍。
在没有酶的情况下，如何加快反应速率？
-在没有酶的情况下，需要提供额外的能量，通常是以热的形式，来搅动底物并偶尔提供足够的能量来触发反应。
酶如何作为反应的模板？
-酶作为反应的模板，通过与其底物结合并将其固定在适当的位置以形成产物。同时，酶还用活性基团包围底物，稳定过渡态，使反应更容易发生。
在柠檬酸循环中，aconitase酶催化的反应是什么？
-Aconitase酶催化的反应涉及其底物柠檬酸，它移除一个羟基团和一个氢原子形成中间产物顺乌头酸，然后以略微不同的方式将氢原子放回羟基团，形成产物异柠檬酸。
酶的活性位点中哪些氨基酸直接参与催化？
-活性位点中的一些氨基酸完美地定位以识别底物并将其固定在反应开始的最佳位置。组氨酸101作为酸通过捐赠其质子，而由于丝氨酸642的化学环境，它可以作为碱通过接受底物的质子。
酶的活性位点是如何帮助稳定底物的？
-酶的活性位点含有铁硫簇，它可以通过静电作用稳定底物，并帮助将其相对于催化残基定位。
在aconitase酶催化的反应中，第一步脱水反应是如何进行的？
-在脱水反应中，组氨酸作为酸，质子化底物上的羟基，使其作为水分子离开。然后丝氨酸作为碱，从底物的对面提取一个氢原子，形成中间产物顺乌头酸。
酶在催化反应后的状态如何？
-酶在催化反应后本身不会发生变化。它提取羟基团和氢原子，然后再放回它们，从开始到结束都处于相同的状态。这是催化剂的标志，当它完成一个反应后，它已经准备好进行下一个反应，因此可以连续进行数千次反应。
酶的活性位点的形状特性是什么？
-酶的活性位点的形状通常是灵活的。许多酶围绕它们的底物，闭合在它们周围以形成反应的完美环境。
酶对地球上的生命有何重要性？
-酶对地球上的生命至关重要，它们每时每刻都在工作，以维持地球上每个细胞和每个生物体内生命过程的进行。

Outlines

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🧬 酶在细胞中的作用

酶是催化化学反应的蛋白质，它们在细胞内每秒钟进行成千上万的化学反应。酶不仅启动反应，加速反应进程，还确保反应结果的一致性。酶通过形成如柠檬酸循环这样的长反应路径来协同工作，柠檬酸循环是细胞用来从碳水化合物中产生能量的一系列化学反应。酶调节生命维持活动，如新陈代谢、蛋白质合成、细胞更新和生长。酶的生命力在于它们能在温和的pH值、温度和大气压条件下催化反应。与未催化的反应相比，催化反应的速率快数百万到数万亿倍。在没有酶的情况下，要加速反应需要额外提供能量，通常是通过加热来实现。在大多数反应过程中，会形成不稳定且高能量的过渡态，而酶作为反应的模板，与底物结合并将其固定在适当的位置以形成产物。酶还通过活性基团包围底物，稳定过渡态，使反应更容易发生。

Mindmap

Keywords

💡酶

酶是一种蛋白质，它能够催化化学反应，加速反应的进行，并确保反应结果的一致性。在视频中，酶是维持生命过程中不可或缺的角色，它们在温和的pH值、温度和大气压力下催化反应，使生命得以持续。例如，视频中提到的柠檬酸循环就是由一系列酶催化的反应组成，用于细胞从碳水化合物中生成能量。

💡柠檬酸循环

柠檬酸循环，也称为三羧酸循环或克雷布斯循环，是一系列由细胞利用来从碳水化合物中生成能量的化学反应。在视频中，柠檬酸循环是酶催化反应的一个例子，展示了酶如何在细胞中协同工作，形成较长的代谢途径。

💡代谢

代谢是生物体内进行的维持生命所需的化学过程的总称，包括能量的产生和物质的合成与分解。在视频中，代谢作为生命维持的关键任务之一，由酶来调节，说明了酶在维持生物体正常功能中的重要性。

💡蛋白质合成

蛋白质合成是细胞内根据遗传信息合成蛋白质的过程。在视频中，蛋白质合成作为生命维持的另一项关键任务，同样受到酶的调控，突显了酶在细胞功能和生物体健康中的核心作用。

💡细胞更新与生长

细胞更新与生长是生物体发展和维持其结构完整性的基本过程。视频中提到，这些生命维持的过程也是由酶来调节的，进一步强调了酶在细胞生命活动中的中心地位。

💡活性位点

活性位点是酶分子上能够与底物结合并催化化学反应发生的部位。在视频中，活性位点的结构和功能对于理解酶如何工作至关重要，例如在柠檬酸循环中，aconitase酶的活性位点含有能够识别并稳定底物的氨基酸残基。

💡底物

底物是酶催化反应中的反应物，它与酶的活性位点结合并被转化为产物。视频中提到，酶作为模板，将底物固定在适当的位置以形成产物，说明了底物在酶催化反应中的关键作用。

💡过渡态

过渡态是化学反应中，反应物转变为产物过程中形成的一个不稳定的、高能量的状态。在视频中，酶通过稳定过渡态来降低反应所需的能量，从而加快反应速率，这是酶催化效率的关键所在。

💡催化

催化是指加速化学反应速率的过程，而不影响反应的平衡位置。在视频中，酶作为催化剂，能够在温和的条件下催化反应，使得生命过程中的化学反应能够在生物体的生理条件下进行。

💡aconitase

Aconitase是一种在柠檬酸循环中催化特定反应的酶，它将柠檬酸转化为顺式-aconitate，然后进一步转化为异柠檬酸。在视频中，aconitase作为例子，展示了酶如何通过其活性位点中的特定氨基酸残基来识别和催化底物。

💡铁硫簇

铁硫簇是一种金属簇，常见于某些酶中，它通过静电作用稳定底物并帮助定位。在视频中，aconitase酶的活性位点含有铁硫簇，这有助于稳定底物并促进催化反应的进行。

💡脱水反应

脱水反应是一种有机化学反应，其中一个分子失去一个或多个水分子，形成双键。在视频中，aconitase催化的第一步脱水反应中，组氨酸作为酸，将质子捐赠给底物上的羟基，使其以水分子的形式离开。

Highlights

每个活细胞内的每一秒都有数千个化学反应在进行。

这些反应是由酶来完成的。

酶是一种催化化学反应的蛋白质。

酶启动反应，加速反应进程，并确保结果始终相同。

酶通常协同工作，形成如柠檬酸循环这样的更长途径。

柠檬酸循环是细胞利用碳水化合物产生能量的一系列化学反应。

生命所必需的任务，如代谢、蛋白质合成、细胞更新和生长，都由酶调节。

酶的生命维持能力在于它们能在温和的pH值、温度和大气压力下催化反应。

催化反应的速率比未催化的同一反应快百万到千万倍。

在没有酶的情况下加快反应需要提供额外的能量作为热量。

在大多数反应过程中，会形成一个不稳定的高能过渡态。

酶作为反应的模板，结合底物并将其固定在正确的位置以形成产物。

酶还用活性基团包围底物，稳定过渡态，使反应更容易发生。

通过研究柠檬酸循环中由aconitase催化的反应来理解酶的工作方式。

aconitase的活性位点中的一些氨基酸能够完美地识别底物并将其固定在最佳反应位置。

组氨酸101通过捐赠其质子作为酸。

丝氨酸642得益于其化学环境，能够作为碱通过接受底物的质子。

aconitase的活性位点还含有一个铁硫簇，它能够静电稳定底物并帮助定位。

反应的第一步是脱水。

组氨酸作为酸，质子化底物上的羟基，使其作为水分子离开。

丝氨酸作为碱，从底物的另一侧提取氢原子，形成中间产物顺酸。

顺酸翻转并进行补充的水合反应。

组氨酸从经过的水分子中抓取一个氢原子，将生成的羟基放回到底物上。

丝氨酸归还其氢原子，最终产物异柠檬酸被释放。

注意酶本身并没有被反应改变。

这是催化剂的标志，当反应结束时，它准备好进行下一个反应，因此可以连续进行数千次反应。

还要注意活性位点的形状通常是灵活的。

许多酶围绕它们的底物，闭合以形成反应的理想环境。

酶是地球上生命的根本，每天都在工作，维持每个细胞和地球上每个生物的生命过程。