How Enzymes Work (from PDB-101)

Summary

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。