Energy and Enzymes

Metabolism 是指細胞中一連串的 chemical reaction，它們可以用來儲存、釋放、轉換 energy，並且可以建構和破壞複雜的 molecules，例如 sugar, proteins, DNA 等等。這些 chemical reaction 都需要一種 protein 稱作 enzyme 來 facilitate 和 catalyze，以便正確的發生這些 reaction。例如，cellular respiration 使用 enzyme 來將 glucose 分解成 ATP，而 photosynthesis 則是把太陽的能量轉換成 glucose。

Overview of metabolism

• 細胞正無時無刻的運作上千種 chemical reaction 來讓身體保持正常
• 這些一連串的 chemical reaction 又稱為 cell's metabolism
• 例如下圖是一個 eukaryotic cell 的 metabolic pathways
  • 每條線是一個 reaction
  • 每個點是 reactant 或 product

Metabolism

• 在 cell 中的 metabolic web 的 chemical reaction 會釋放能量而且可能會自發性的發生
• 但有的需要外部的 energy 來讓 reaction 發生
  • 事實上，我們吃的食物就是用來產生 reaction 的 energy
• 在來要介紹兩個非常重要的 metabolic processes
  • build & break down sugars

Breaking down glucose: Cellular respiration

• 這是一個 energy-releasing pathway 的範例
  • 將吃的點心中的 sugar molecules 分解來使用
• 我們身體大多數的 cell 都是用 glucose $(\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6)$ 來獲得能量
  • 這個過程稱為 cellular respiration
  • 這個過程細分成非常多小步驟，但可以用底下的化學式統整 $\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 6\text{O}_2 \rightarrow 6\text{CO}_2 + 6\text{H}_2\text{O} + \text{ energy}$
• 分解 glucose 產生的 energy，會被細胞以 ATP 的形式捕捉起來
  • ATP 分子的全名為 adenosine triphosphate
  • ATP 是一個小分子用來讓 cell 可以更方便儲存能量
  • 可以將 ATP 想像成 cell 的 energy 貨幣 (energy currency of the cell)
• 有了 ATP，其他需要 energy 的 reaction 就可以使用他

Building up glucose: Photosynthesis

• 我們已經知道 sugar 可以分解成 ATP，那 sugar 是如何組成的呢
  • sugar (e.g., glucose) 主要由植物執行 photosynthesis 來生成
  • 植物使用太陽的能量，一樣一步步的將 carbon dioxide gas 轉換成 sugar molecules
  • 一樣非常多步驟，但可以用一個化學式統整 (其實就是 cellular respiration 的相反) $6\text{CO}_2 + 6\text{H}_2\text{O} + \text{ energy} \rightarrow \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 6\text{O}_2$
• 植物除了本身需要 energy (sugar) 來執行自己的 cellular processes
  • 但植物也提供了 food source 給動物們
  • 這些食物就會透過 cellular respiration 從 glucose 分解成 ATP 供細胞運作

Anabolic and catabolic pathways

• 不管是組合或拆解 glucose 都是 metabolic pathway 的一種
  • metabolic pathway 就是一連串的 chemical reaction 互相照顧彼此
• Metabolic pathways 又可以依照 effects 被分為兩大類
  • Anabolic (anabolism) 指的是 building up
  • Catabolic (catabolism) 指的是 breaking down

Anabolic and catabolic pathways

• Metabolic pathways 中的 chemical reactions 不是自動自發、毫無頭緒的在運作
  • 通常由一種 protein 稱作 enzyme 來 facilitate, catalyze 這些 reaction

Anabolic pathways

• 將簡單的 molecules 組裝成複雜的 molecules，通常需要 energy inputs
  • Carbon dioxide 組裝成 glucose
  • Amino acids 組裝成 proteins
  • nucleotides 組裝成 DNA strands
• 這些 "biosynthetic process" 所用的 energy 通常為 ATP 或其他 short-term energy storage molecules

Catabolic pathways

• 將複雜的 molecules 分解成簡單的 molecules，通常也會釋放 energy
  • 例如釋放儲存在 glucose, fats 的 energy
• 得到這些 energy 就可以轉換成適合使用的格式，例如 ATP

Types of Energy

• 這邊指的 energy 不是起床很有精神那種 energy
• 這邊指的 energy 是定義為 ability to do work
  • 例如 light, heat, electrical energy
• 我們來詳細了解一下 biological system 中幾個重要的 energy
  • kinetic energy (motion)
  • potential energy (position, structure)
  • chemical energy (chemical bonds 的 potential energy)
• 要注意的是 energy 永遠不會消失，只會從一種型態轉換成另一種

Kinetic energy

• 物體移動產生的能量就稱為 kinetic energy (動能)
  • speeding bullet, walking person, electromagnetic radiation (light) 都有
• Thermal energy 也是一種 kinetic energy
  • 來自 atoms 或 molecules 隨機跳動時產生
  • 一群 molecules 的 average thermal energy 就是 temperature
  • 而當 thermal energy 在兩個物體轉移時，就是 heat

Potential energy

• 跟物體本身的架構或位置有關的則稱為 potential energy (位能、勢能)
  • 水庫的水、跳傘的人、拆房子的鐵球
• Chemical energy 也是一種 potential energy
  • 指的是存在 chemical bonds 的 energy
• 位能表示了物體在特定位置上所儲存的能量，在適當情況下，位能可以轉換為動能

Energy conversions

• 當鐵球被起重機拉到高空停止時
  • 這時鐵球的 kinetic energy 不存在
  • 但鐵球的 potential energy 非常大
• 這時鐵球被釋放，因為重力的關係高速的向下掉
  • 下降時 kinetic energy 越來越來越大
  • 但 potential energy 則是減少到幾乎不存在

Energy in car

• Chemical energy (potential) 的 conversions 在日常中也可以看到
  • 例如 gasoline 中的 octane (hydrocarbon) 含有 chemical energy
  • 汽車引擎中的 gasoline combust 將會釋放這些 energy
  • 產生的 high-temperature gases 將會推動 pistons 然後讓車前進 (kinetic energy)
  • 所以一些 chemical energy 轉換成 kinetic energy
  • 而一些 chemical energy 則會轉換成 thermal energy (heat emitted from engine)

Energy in life

• Energy 會儲存在 ATP 的 bonds 當中 (potential energy)
• 這些 energy 可以轉換成 kinetic energy
  • 例如移動 motor protein
  • 收縮 muscle cells 來移動四肢

The Laws of Thermodynamics

• 人是一個 open system (幾乎所有生物都不是 closed system)
  • 意思是我們總會和周遭環境交換 matter, energy
    • 例如從食物獲得 chemical energy
    • 然後透過 moving, talking, walking, breathing 對周遭 do work (做功)
• 所有 energy 的交換 (體內外) 都可以被定義為 laws of physics
  • 例如在 hot, cold, gas molecules 等情況下的 energy 交換
• 所以接下來先來看兩個 laws - first and second laws of thermodynamics

Systems and surroundings

• Biology 的 thermodynamics 指的是一個或一群 molecules 的 energy transfer
  • 這時我們關心的那群東西 (小到 molecules 大到 ecosystem) 都稱為 system
  • 其他不在 system 的東西就稱為 surroundings
  • 兩者相加就是 universe

Thermodynamics System

• Thermodynamics 有三種 system

  • Open system
    • 可以和 surroundings 交換 energy 和 matter
  • Closed system
    • 只能和 surroundings 交換 energy，不能交換 matter
  • Isolated system
    • 什麼都不能和 surroundings 交換
    • 只有和內部的 items 交換

• 所以人是 open system，吃和做任何事都是在跟 surroundings 交換 energy, matter

  • 這些交換都是要遵守 laws of physics 的
  • 可以說人和周遭進行的 energy 交換，就跟 circuit 中電流交換一模一樣
  • Laws of thermodynamics 就是 energy transfer 的 physical rules

The First Law of Thermodynamics

第一個法則的範圍超級大，探討的是整個宇宙的 energy

• 整個宇宙的 energy total amount 是不變的
• 所以 energy 不能被 created 或 destroyed
• energy 只能轉換其形式，或是只能從一個 object 傳遞到另一個

舉幾個日常生活中的例子 :

• 燈泡將 electrical energy 轉換成 light energy (radiant energy)
• 撞球撞到下一顆球，傳遞 kinetic energy
• 植物將陽光 (radiant energy) 轉換成 chemical energy 並儲存起來
• 你將吃的東西 (chemical energy) 轉換成你的任何動作、呼吸 (kinetic energy)

這些 energy 的轉換並不是非常的有效率

• 一開始的 energy 可能在途中被釋放出一些 thermal energy，也就是 HEAT
  • 在燈泡上顯而易見，因為除了產生光以外燈泡也會產生熱
  • 撞球摩擦撞球桌 (friction)，也會產生熱
• 這些 heat generation 也非常重要，跟第二個法則有關

The Second Law of Thermodynamics

所以根據第一個法則，能量可以無限循環利用對嗎 ? (嗯... 對但不對)

• Energy 雖然不能被 created 或 destroyed
• 但 energy 可以從 more-useful form 轉換成 less-useful form
  • 事實上，目前知道的所有 energy transfer 都是這種模式
  • 轉換成的 less-useful 根本是 unusable energy
  • 而這些 unusable energy 通常就是以 heat 形式出現

Heat 在正確的環境下使用不是可以做功嗎 ?

• 是的，但 heat 永遠無法 100% 轉換成其他 useful energy
  • 所以每當 energy transfer 發生
  • 一些 useful energy 就會被永遠轉換成 useless energy

Heat and Universe

這些沒用的 heat 最終會增加宇宙的 randomness (disorder) !

• 舉例來說，你有兩個不同溫度的 metal 放在一起
  • 在冷金屬的 molecules 會移動較慢，另一邊熱金屬的移動較快 (ordered)
  • 當 heat 自動要從熱傳遞到冷的一方時
  • 熱金屬的 molecules 移動變慢，相反的冷金屬的 molecules 則移動變快
  • 這個情況會持續到兩邊的 molecules 移動的平均速度都差不多 (disordered)
• 所有的 system 都會趨向從 ordered 狀態一路變成 disordered
  • 因為 disordered 提供較多的新狀態可以選擇

Entropy

System 的 degree of randomness (或 disordered) 會以 entropy 來表示 !

Second Law of Thermodynamics

現在我們已經知道 energy 一定會從 useful 轉換到 unusable form (e.g., heat)， 我們可以定義 biology-relevant 的 second law of thermodynamics

• 每個 energy transfer 會增加宇宙的 entropy (減少可以做功的 energy)
• 更精確地講，任何 chemical reaction 或一組 connected reactions 都會增加宇宙整體的 entropy

總結一下 :

• First Law 告訴我們 processes 中 energy 的 conservation
• Second Law 告訴我們 processes 的 directionality
  • from lower to higher entropy (in overall universe)

Biological System

Second law of thermodynamics 告訴我們任何的 process 都會增加宇宙的 entropy，所以我們來實際看看一個人的活動影響了那些事

Human Entropy Example

• 走路時肌肉收縮，讓腳可以移動身體前進
  • 這是用了大量 molecules 中的 chemical energy (e.g., glucose) 來產生 kinetic energy
  • 這個行為其實非常 low efficiency，也就是會產生非常多的 unusable energy (heat)
    • 一些 heat 會讓身體暖起來，但很多 heat 會消散在周圍環境
    • Heat 消散在周圍環境，代表讓周圍的 entropy 增加
• 呼吸時將很多簡單的 molecules (e.g., carbon dioxide, water) 透過 metabolize 吸收成走路的燃料
  • 這些分解 molecules 的動作一樣釋放了 heat，一樣增加了 surroundings 的 entropy
• 雖然有一些 processes 能 locally decrease entropy
  • 例如 build, maintain 較高等級的身體元件
  • 但它們需要花費更多的 energy，這些 energy 也會消散成 unusable form
• 總體而言，local decrease entropy process 和 energy transfer 兩者 Overall 是增加了宇宙的 entropy

Free Energy

• 這邊的 free energy 指的不是免費的能源
• free energy 是用來測量 chemical reaction 造成多少 usable energy 的釋放 (消耗)
• 一個 process 若要自發性的發生
  • 那一定是沒有 input 任何 energy
  • 就讓 universe 的 entropy 增加

Gibbs free energy (G) 可以測量 process 是否自發性發生 :

$$\Delta G = \Delta H - (T\times\Delta S)$$

• 測量時必須在一定的 temperature, pressure，而生物的系統正好符合

• ΔG 是 gibbs free energy 的變化

  • 若是大於 0，代表 process 非自發性發生
  • 若是小於 0，代表 process 是自發性發生

• ΔH 是 enthalpy 的變化

  • 在 biology 中 enthalpy 代表儲存在 bonds 的 energy
  • 所以 change of enthalpy 代表最終 products 和最初 reactants 的 bond energy 差異
    • 若是大於 0，代表 reactants 到 products 的途中沒有 heat 被釋放 (因為能量變多)
    • 若是小於 0，代表 reactants 到 products 的途中有 heat 被釋放 (因為能量變少)

• ΔS 是 entropy 的變化

  • 若是大於 0，代表 system 在 reaction 後變得更加 disordered
    • 例如 large molecules 被拆成更多 small molecules
  • 若是小於 0，代表 system 在 reaction 後變得更加 ordered
  • ΔS 必須再和溫度 (T) 相乘，得到實際 ∆S 的影響

• ΔG 是負的，代表不需要 input energy 就可以進行

  • Spontaneous

• 相反的話，就需要 input energy 才能進行

  • Non-spontaneous

• 以下整理了 ΔS 和 ΔH 的所有可能性

Gibbs free energy table

• 總結，若 reaction 釋放 heat (ΔH < 0) 且增加 entropy (ΔS > 0)
  • 那 reaction 不管什麼溫度，都會是 spontaneous
• 若 reaction 沒有釋放 heat，又沒有增加 entropy
  • 那 reaction 不管什麼溫度，都會是 non-spontaneous
• 其他的 reaction 則要依照溫度來判斷

Endergonic and exergonic reactions

• exergonic reactions (spontaneous)

  • 指的是 ΔG 為負的，釋放 free energy 的 reactions
  • Reactants (initial state) 比 products (final) 還要更多 free energy

• endergonic reactions (non-spontaneous)

  • 指的是 ΔG 為正的，需要 input energy 的 reactions
  • Product 反而比 reactants 的 free energy 還要多
  • 所以一定需要外部提供 energy 才能進行反應

Endergonic and exergonic reactions

ATP and reaction coupling

• 細胞中那些 endergonic reactions 需要 input energy
  • 這些 energetically unfavorable reactions 跟 energetically favorable reactions "購買"其所釋放的 energy
  • 購買的 energy 會是一種小分子，稱作 adenosine triphosphate, ATP

ATP structure and hydrolysis

• Adenosine triphosphate, ATP 可以視為 cells 的 energy currency
  • energy 將會儲存在 ATP 中
  • 需要使用時，透過 hydrolysis 將 ATP 分解成需要的 energy
  • 下圖是一個 ATP 的完整架構

atp_structure

• ATP 就是 RNA 中 adenine based 的 nucleotide
  • 而從 ribose 近到遠的三個 phosphate group 分別為 alpha, beta, gamma
  • ATP 就是因為這三個 group 中含有負電的 phosphate tail 所以 unstable
    • 意思是這三個 phosphate 都彼此想要和對方分開
    • 這三個 phosphate 的 bonds 又稱作 phosphoanhydride bonds

Hydrolysis

• 因為 phosphoanhydride bonds 透過 hydrolysis 斷開時會釋放大量的 energy
  • 所以又稱作 high-energy bonds
• 以下是 ATP 透過 hydrolyze 變成 ADP 的模樣

$$\text{ATP} + \text{H}_2\text{O} \leftrightharpoons \text{ADP} + \text{P}_i + \text{energy}$$

備註

其中的 P 指的是被分開的那個 inorganic phosphate group $(\text{PO}_4^{3-})$

• ATP 到 ADP 的反應是可逆的，需要加入新的 energy 才可以進行逆反應
  • 重新生成 ATP 對細胞來說是相當重要的
  • 因為細胞會很快的分解完所有 ATP 拿到 energy，所以要馬上再組合回 ATP
• 你可以想像拿著 ATP 的細胞就是充飽電的情況
  • 當電池沒電，就要分解成 ADP 充電

ATP usage flow

• ATP 透過 hydrolysis 分解後到底能拿到多少 energy 呢
  • 在一般情況下 ATP to ADP 產生的 ∆G 為 $-30.5 \text{ kJ/mol}$
  • 而在細胞中可以達到兩倍 : $-57 \text{ kJ/mol}$

Reaction coupling

• ATP 轉 ADP 被釋放的能量細胞將透過 reaction coupling 來使用
  • ATP hydrolysis 這個 exergonic reaction 將會連結到 endergonic reaction
  • 兩個 reaction 的 link 稱作 shared intermediate
    • 第一個 reaction 的 product 會作為第二個 reaction 的 reactant

這樣把兩個 reaction 合起來有什麼好處嗎 ?

• 若 exergonic 的 ΔG 比 endergonic 的 ΔG 還要負更多的話
  • 這兩個反應合起來就會是一個 ΔG 為負的 exergonic reaction
  • 也就是讓 endergonic 也變得能夠自發性發生了 !
• 實際上 shared intermediate 可以看成以下的簡單加法

$$\begin{aligned} & A\leftrightharpoons B & \Delta G = X \\ +& B\leftrightharpoons C+D & \Delta G = Y \\ \hline & A\leftrightharpoons C+D & \Delta G = X+Y \end{aligned}$$

• B 看起來消失了，但這其實表示著他成為兩個式子的 product 和 reactant
  • 所以兩個 B 彼此被 cancel out

ATP in reaction coupling

若 reaction coupling 包含 ATP 的時候， shared intermediate 通常會是 phosphorylated molecule， 以下用合成 sucrose 作為範例 :

• 要合成 sucrose 需要 energy，所以是 endergonic reaction (不是自發性的)
  • ΔG 是 +27 kJ/mol
• 我們可以將 ATP hydrolysis 這個 exergonic 加入進來幫忙"支付" energy
  • ΔG 是 -30 kJ/mol

$$\begin{aligned} \text{glucose} + \text{fructose} \leftrightharpoons \text{sucrose} && \Delta G = +27 k \\ \text{ATP} + \text{H}\_2\text{O} \leftrightharpoons \text{ADP} + \text{P}\_i && \Delta G = -30k \\ \hline \text{glucose} + \text{fructose} +\text{ATP} \leftrightharpoons \text{sucrose} +\text{ADP}+\text{P}\_i && \Delta G = -3k \end{aligned}$$

• ATP hydrolysis 所產生的 energy 是怎麼幫助 sucrose 合成的，其實不只一個 reaction 就解決
  • 第一個 reaction 中，ATP 的 phosphate group 跑到 glucose
    • phosphate 跟 glucose 在一起變成 phosphorylated glucose (glucose-P)
    • 這個 reaction 就是一個 energetically favorable 的 reaction
    • 因為 ATP 是 unstable 的，非常想要把他的 phosphate group 給別人
  • 第二個 reaction 中，glucose-P 就會跟 fructose 一起合成 sucrose
    • 因為 glucose 現在有 phosphate，所以他也變成 unstable
    • 所以這個 reaction 一樣會釋放 energy，然後也是 spontaneous

ATP in sucrose synthesis

以上這個方法，大量使用在細胞中的 metabolic pathways， 利用 ATP to ADP 產生的 energy 來推動各種 reactions

Activation energy

你今天有非常多的事情要做，你感到很有幹勁，但你必須要先起床，而起床又是一個難關 (hump)

• Reaction 在進行前也需要先經過一道 energy hump
  • 這個 hump 稱作 activation energy
  • 連 exergonic reaction 一樣需要先突破 activation energy 才能開始
  • activation energy 的簡寫是 $E_A$

為什麼連 exergonic (energy-releasing) reaction 這種負 ∆G 的反應都需要先有 energy 才能執行呢 ?

• Reactants 要變成 products 之前，需要先把 bonds 都先打掉重用
• 為了把 bond 都打掉，molecules 必須先變成 unstable state
  • 也就是 molecules 必須把自己 contort (deform, bent) 起來
  • 這個 state 稱為 transition state
• 因為 transition state 是一個非常高 energy 的 state
  • 所以必須有 activation energy 的加入才能達到

Activation energy

• Activation energy 的來源通常是 heat
  • 這些 heat 由 reactant molecules 從周遭吸收而來

Reaction Rate

• Activation energy 的量會和 reaction 的速率呈現對比
  • energy 的需求越高，那麼 reaction 就會越慢
  • 在有些情況下是好事 (e.g., propane)，但有些情況需要加速，該怎麼加速
• 幫助減少 activation energy 加速 reaction 的動作稱為 catalysis
  • 實際影響這件事的 factor 稱為 catalyst
  • 而在生物界的 catalyst 就是 enzymes

Enzymes

• Enzymes 通常為 proteins，有一些 RNA molecules 也會進行 enzyme 的行為
  • 跟前一章節講得一樣，enzymes 會幫助降低 activation energy
  • 加速 chemical bond-breaking & bond-forming processes

例如下圖紫線是 enzymes 尚未幫忙的狀況，綠線就是 enzymes 加入後的狀況

Enzymes help to lower activation energy

• 注意的是，enzymes 只會幫助降低 transition state 的 energy
  • Enzymes 並不會改變 ∆G，也就是不會改變 reaction 的本質 (exergonic or endergonic)

Active sites and substrate specificity

• 在 catalyze 時，Enzyme 會抓取需要被幫助的 reactant molecules (1 or more)

  • 這些被幫忙的 molecules 稱為 substrates
    • 有的單個 substrate 可以被拆分成多個 products
    • 有的兩個 substrates 合併成一大個 products 或是被互換一些東西
    • 幾乎所有的 biological reaction 都有 enzymes 在加速

• Enzyme 和這些 substrates 互相 bind 在一起的地方稱為 active site

  • 還記得 protein 是由 amino acids 組合而成的
  • 所以 active site 擁有各種 amino acids 獨一無二的 properties
  • 這讓不同 enzyme 的 active site 能夠獨特的和一些 substrate 一起運作

Enzyme action

• 另外，除了 amino acids 的特徵會改變 active site 以外，環境也是很重要的因素
  • Temperature
    • 不管升高 temperature 或降低 temperature 都可能造成 enzyme 暫停或中止
  • pH
    • 過高或過低的 pH 跟溫度一樣，最極端會造成 enzyme 被 denature

Induced fit

• Enzyme's active site 和 substrate 並非像拼圖一樣 (lock-and-key model)
• Enzyme 會在 bind substrate 的時候些微的改變自己形狀
  • 這個行為稱為 induced fit

Enzyme induced fit

對了，enzymes 到底怎麼樣讓 activation energy 降低的 ?

• 這其實是根據 enzyme 不同有不同的做法
  • 有的將 substrates 以正確的 orientation 合併
  • 有的將 active site 布置成適合 reaction 的環境 (acidic, nonpolar)
  • 有的將 substrate 的架構弄得更容易分解，更容易達到 transition state

有一點重要的事是 enzyme 不會受到 reaction 影響

• Enzyme 最終會回歸原本的狀態
• Enzyme 釋放 product 後可以馬上進行下一個 catalysis

Enzyme regulation

Enzymes 為了協助細胞的 metabolism，必須要被更小心的控制，以下是幾個常見會影響 enzyme activity 的因子

• Regulatory molecules
  • bind 在 enzyme 上的 activator, inhibitor molecules 有時會控制 enzyme activity
• Cofactors
  • 有時 enzyme 還需要額外的 non-protein helper molecules 來幫忙運作
• Compartmentalization
  • 儲存時正確的分隔 enzymes 能有效避免造成傷害或提供正確環境來運作
• Feedback inhibition
  • 關鍵的 metabolic enzymes 往往會被最終 product 限制住

Regulatory molecules

• Enzymes 會受到其他 molecules 影響，增加或減少 activity
  • 讓 activity 增加的 molecules 稱為 activators
  • 讓 activity 減少的 molecules 稱為 inhibitors

多數的 activator, inhibitor 都是 reversible 的， 不會永遠和 enzyme 互動

• 例如一些重要的藥就是 reversible inhibitors
  • tipranivir (treat HIV)
  • 防止 viral enzyme 幫助 virus 複製

Reversible inhibitors 可以有非常多種類，下面講兩個重要的 group

• competitive inhibitors
• noncompetitive inhibitors

Competitive vs. noncompetitive

• Competitive inhibition
  • inhibitor 會跟 substrate 搶奪 enzyme 的 active site
  • 先到先贏，後到就不能和 active site 綁定起來
• Noncompetitive inhibition
  • inhibitor 會到別的地方 (another site) 和 enzyme 綁定
  • substrate 也可到 active site 綁定
  • 但 inhibitor 的綁定會讓整個 enzyme 無法正常運作

Enzyme inhibitors

• 當 inhibitor 是 competitive 的時候
  • 若 substrate 數量很少
    • Reaction rate 會降低
  • 若 substrate 數量很多
    • 幾乎所有的 enzymes 的 reaction rate 一樣可以達到 maximum
    • 因為 inhibitor 搶不贏阿
• 當 inhibitor 是 noncompetitive 的時候
  • 不管 substrate 的數量多寡
    • 所有的 reaction rate 都會降低
    • 因為 inhibitor 就像"毒"一樣防止 enzyme 運作

Enzyme inhibitor comparison

Allosteric regulation

• 上面說的 noncompetitive inhibitor 會到不是 active site 的別的地方跟 enzyme 綁定
  • 這些 activator, inhibitor 綁定的"別的地方"稱為 allosteric site

Allosteric site

有些特別能夠接受 allosterically regulated 的 enzymes 會有特別的 properties

• 能夠 allosterically regulated 的稱為 allosteric enzymes
  • 他們會有多個 active sites 分布在不同的 protein subunits 上
  • 當 allosteric inhibitor 綁定在該 enzyme 時
    • 所有的 active sites 都會變化，使得工作無法順利進行
  • 當 allosteric activator 綁定在該 enzyme 時
    • 所有的 active sites 的效能都可以變好

另外再 allosteric enzymes 上還會有 cooperativity 的行為出現

• 某些 substrate 可以作為 allosteric activator 的角色
  • 當該 substrate 綁定到某個 active site 時
  • 其他的 active sites 的效能也都會變好

Cofactors and coenzymes

有些 enzyme 無法自己就做到最好，需要其他 non-protein molecules 的幫忙

• 這些 non-protein molecules 稱做 cofactors
  • 可能透過 ionic, hydrogen bonds 暫時綁定在 enzyme 上
  • 可能透過強力的 covalent bonds 永遠綁定在 enzyme 上
• 舉幾個常見的 inorganic ions 的 cofactors
  • iron $(\text{Fe}^{2+})$
  • magnesium $(\text{Mg}^{2+})$
    • 一些幫助建立 DNA 的 enzyme 就需要 magnesium ions 的幫助

Cofactor 還有一些子集合是 organic molecules (carbon-based)

• 這些 organic molecules 稱做 coenzymes
  • 最常見的 coenzymes 是 dietary vitamins
    • 有的 vitamins 是 coenzymes 的 precursor
    • 有的 vitamins 本身就是 coenzymes

例如 vitamin C 是非常多 enzymes 的 coenzyme

• 幫助建立 protein collagen
• Connective tissue 的重要元件

Vitamin C structure

Enzyme compartmentalization

Enzymes 會被 compartmentalize，也就是儲存在 cell 的不同 part，執行各自的工作

• 例如在 organelle (細胞器官) 中

  • enzymes 根據特定工作被分配在不同的位置
  • 如此一下 enzymes 可以更快找到跟他相應的 substrates
  • 也可以防止 enzyme 傷害到 cell

• 例如 lysosome 中的 digestive enzymes (lysosomal enzymes)

  • 需要在 pH 為 5.0 的環境下才能工作
  • 所以通常只能在 lysosome 的 acidic interior 才能找到他們
  • 而不會在一般的 cytosol (pH 7.2) 看到他們
  • 他們就像 cell 的 "insurance" 一樣
  • 就算 lysosome 爆裂，這些 enzymes 也不會去傷害 cell (因為不能在 7.2 環境下運作)

Feedback inhibition of metabolic pathways

生成的 product 防止更多 product 被產出的 regulation 稱為 feedback inhibition

• 這是一個很好的方法讓 cell 產出剛好數量的 product

Feedback inhibition