1. The Chemical Nature of Enzyme Catalysis
Acidic
Neutral
Basic
Asp
Glu
Gln
Cys
Asn
Ser*
Thr*
Lys
Arg
POLAR
Tyr*
His
Gly
Ala
Val
Ile
Leu
Met
Phe
Trp
Pro
NON-
POLAR
胺基酸 的構造與功能性質，有兩個重點：(1) 兩個胺基酸如何脫水產生胜鍵，以及胜鍵的特性、(2) 二十種胺基酸有不同的側鏈基團，各有獨特的化學性質。因為胺基酸是組成蛋白質的單位，因此二十種側鏈基團的性質，當然對整體蛋白質的最終特性，有著根本的影響。例如，基團的極性或非極性，以及其在蛋白質中的排列位置，就會影響最後整個蛋白質構形的穩定性，以及這個蛋白質的功能與活性。
胺基酸可大致分成極性及非極性兩大類，極性又有正電、負電及不帶電，每一大類中有各種不同長短的側鏈，共同組成形形色色的積木套組，期以堆疊出各種繽紛的蛋白質分子。整個宇宙看來是一個『組合式』的編織世界，基本粒子組合成質子、中子，再組成原子，原子先組合成各種小分子，其中的單位小分子組合成巨分子，再共同組成細胞，細胞組成組織、器官，然後成為生物個體。經過如此多層次的組合，每一階層的組合結果，都會衍生出新的功能與效應，並且進行下一層次的進一步組合。
回到胺基酸。你有沒有發現，二十種胺基酸的側鏈基團，其反應性都不是很強，最強的只有酸基、胺基等，連稍具強一點反應能力的醛基都沒有。為什麼演化選擇如此？
*OH
CN 09

2. Amino acids
胺基酸 的構造與功能性質，有兩個重點：(1) 兩個胺基酸如何脫水產生胜鍵，以及胜鍵的特性、(2) 二十種胺基酸有不同的側鏈基團，各有獨特的化學性質。因為胺基酸是組成蛋白質的單位，因此二十種側鏈基團的性質，當然對整體蛋白質的最終特性，有著根本的影響。例如，基團的極性或非極性，以及其在蛋白質中的排列位置，就會影響最後整個蛋白質構形的穩定性，以及這個蛋白質的功能與活性。
胺基酸可大致分成極性及非極性兩大類，極性又有正電、負電及不帶電，每一大類中有各種不同長短的側鏈，共同組成形形色色的積木套組，期以堆疊出各種繽紛的蛋白質分子。整個宇宙看來是一個『組合式』的編織世界，基本粒子組合成質子、中子，再組成原子，原子先組合成各種小分子，其中的單位小分子組合成巨分子，再共同組成細胞，細胞組成組織、器官，然後成為生物個體。經過如此多層次的組合，每一階層的組合結果，都會衍生出新的功能與效應，並且進行下一層次的進一步組合。
回到胺基酸。你有沒有發現，二十種胺基酸的側鏈基團，其反應性都不是很強，最強的只有酸基、胺基等，連稍具強一點反應能力的醛基都沒有。為什麼演化選擇如此？
CN 09

3. Enzyme Catalysis Acid-Base Catalysis
Covalent catalysis: Nucleophilic catalysis
Metal ion catalysis
Electrostatic catalysis
Transition state binding
Proximity-Orientation effect

4. An acid is a "proton donor" and a base is a "proton acceptor”
Acid-Base Catalysis
An acid is a "proton donor" and a base is a "proton acceptor”
In acid catalysis and base catalysis a chemical reaction is catalyzed by an acid or a base.
棒棒脢 的催化動作，可分成數個步驟，催化機制就是一步一步地探討這些步驟。活性區首先獲得基質，並以正確方向結合之，然後以吸引力誘導棒棒的扭曲，造成折斷後完成催化反應。此一模型正確顯現催化機制的構形扭曲，以及調整空間方向的貢獻，但是對吸引力的作用，則較看不出來。
事實上在酵素活性區中，有許多酸鹼性的催化協助機制，可以幫助酵素或基質，產生更強的反應基團，而達快速反應。 以本頁下半圖為例，酸或鹼可分別對兩種基團進行強化反應性的修飾 (中間 Fast 兩圖)； 但是只有在酵素的活性區中，利用預先安排好的基團，同時對攻擊與被攻擊的基團進行強化修飾，才會得到最大的催化反應速率。
E5-2

5. E5-2 Acid-Base Catalysis - - Acid-base Catalysis + + C O = C O = C O =
Keto
enol
Acid-base
Catalysis N H +
Acid
catalysis N H + C O = N H C O = N H C O = N H C O = N H +d
Both H O H O -d H O
棒棒脢 的催化動作，可分成數個步驟，催化機制就是一步一步地探討這些步驟。活性區首先獲得基質，並以正確方向結合之，然後以吸引力誘導棒棒的扭曲，造成折斷後完成催化反應。此一模型正確顯現催化機制的構形扭曲，以及調整空間方向的貢獻，但是對吸引力的作用，則較看不出來。
事實上在酵素活性區中，有許多酸鹼性的催化協助機制，可以幫助酵素或基質，產生更強的反應基團，而達快速反應。 以本頁下半圖為例，酸或鹼可分別對兩種基團進行強化反應性的修飾 (中間 Fast 兩圖)； 但是只有在酵素的活性區中，利用預先安排好的基團，同時對攻擊與被攻擊的基團進行強化修飾，才會得到最大的催化反應速率。 H O C - O C - O
Base
catalysis
Slow
Fast
Fast
Very Fast
E5-2

6. Acid-Base Catalysis
Hydrolases: Hydrolysis of esters, peptides, phosphate
Isomerases: Tautomesism (keto enol; amino:imino) Side chains of Asp/Glu/ His/Cys/Tyr/Lys act as general acid/base

7. Covalent catalysis: Nucleophilic catalysis
Decarboxylation of acetoacetate in to acetone
肝糖磷解脢 的重要性可由其複雜的調控機制得證，幾乎囊括所有重要的調節方式。因此異位脢這種細膩的蛋白質調控方法，當然在肝糖磷解脢也有，而且效應物種類繁多。
肝糖磷解脢的各種調控機制可以整理成為兩大類，其一為共價性修飾，就是 Ser 14 的磷酸化反應；另一則為非共價性的修飾，正向的活化物只有 AMP 一種，要特別注意並不是 cAMP；而負面的抑制劑則有許多，例如葡萄糖、Glc-6-P、ATP 與咖啡因。這兩大類效應物真是壁壘分明，例如 AMP 與 ATP 的能量狀況恰好相反，血中的 AMP 濃度高了，表示需要能量，因此活化了肝糖磷解脢以便進行磷解反應，取得能量；反之，若血中充滿了 ATP，則關掉肝糖磷解脢活性，不須再降解肝糖。
上圖的右半部需加說明，在磷酸化之後，肝糖磷解脢很快由 T 轉換成 R，因此往下的箭頭較粗。但是即使有磷酸化，當加入負效應物時，也會由 R 轉回 T 而失去活性。

8. Covalent catalysis: Nucleophilic catalysis
The enzyme forms a covalent bond to the substrate at some point during reaction
Lysine in the active site forms a Schiff base with the acetoacetate. (amine nucleophilically attack carboxyl group)
The positive charge of the Schiff base then facilitates decarboxylation (new electrophilic group withdraw electron from reaction centre)
肝糖磷解脢 的重要性可由其複雜的調控機制得證，幾乎囊括所有重要的調節方式。因此異位脢這種細膩的蛋白質調控方法，當然在肝糖磷解脢也有，而且效應物種類繁多。
肝糖磷解脢的各種調控機制可以整理成為兩大類，其一為共價性修飾，就是 Ser 14 的磷酸化反應；另一則為非共價性的修飾，正向的活化物只有 AMP 一種，要特別注意並不是 cAMP；而負面的抑制劑則有許多，例如葡萄糖、Glc-6-P、ATP 與咖啡因。這兩大類效應物真是壁壘分明，例如 AMP 與 ATP 的能量狀況恰好相反，血中的 AMP 濃度高了，表示需要能量，因此活化了肝糖磷解脢以便進行磷解反應，取得能量；反之，若血中充滿了 ATP，則關掉肝糖磷解脢活性，不須再降解肝糖。
上圖的右半部需加說明，在磷酸化之後，肝糖磷解脢很快由 T 轉換成 R，因此往下的箭頭較粗。但是即使有磷酸化，當加入負效應物時，也會由 R 轉回 T 而失去活性。

9. Covalent catalysis: Nucleophilic catalysis
肝糖磷解脢 的重要性可由其複雜的調控機制得證，幾乎囊括所有重要的調節方式。因此異位脢這種細膩的蛋白質調控方法，當然在肝糖磷解脢也有，而且效應物種類繁多。
肝糖磷解脢的各種調控機制可以整理成為兩大類，其一為共價性修飾，就是 Ser 14 的磷酸化反應；另一則為非共價性的修飾，正向的活化物只有 AMP 一種，要特別注意並不是 cAMP；而負面的抑制劑則有許多，例如葡萄糖、Glc-6-P、ATP 與咖啡因。這兩大類效應物真是壁壘分明，例如 AMP 與 ATP 的能量狀況恰好相反，血中的 AMP 濃度高了，表示需要能量，因此活化了肝糖磷解脢以便進行磷解反應，取得能量；反之，若血中充滿了 ATP，則關掉肝糖磷解脢活性，不須再降解肝糖。
上圖的右半部需加說明，在磷酸化之後，肝糖磷解脢很快由 T 轉換成 R，因此往下的箭頭較粗。但是即使有磷酸化，當加入負效應物時，也會由 R 轉回 T 而失去活性。

10. Covalent catalysis: Nucleophilic catalysis
肝糖磷解脢 的重要性可由其複雜的調控機制得證，幾乎囊括所有重要的調節方式。因此異位脢這種細膩的蛋白質調控方法，當然在肝糖磷解脢也有，而且效應物種類繁多。
肝糖磷解脢的各種調控機制可以整理成為兩大類，其一為共價性修飾，就是 Ser 14 的磷酸化反應；另一則為非共價性的修飾，正向的活化物只有 AMP 一種，要特別注意並不是 cAMP；而負面的抑制劑則有許多，例如葡萄糖、Glc-6-P、ATP 與咖啡因。這兩大類效應物真是壁壘分明，例如 AMP 與 ATP 的能量狀況恰好相反，血中的 AMP 濃度高了，表示需要能量，因此活化了肝糖磷解脢以便進行磷解反應，取得能量；反之，若血中充滿了 ATP，則關掉肝糖磷解脢活性，不須再降解肝糖。
上圖的右半部需加說明，在磷酸化之後，肝糖磷解脢很快由 T 轉換成 R，因此往下的箭頭較粗。但是即使有磷酸化，當加入負效應物時，也會由 R 轉回 T 而失去活性。

11. Activity Regulation: Metal ion catalysis
肝糖磷解脢 的重要性可由其複雜的調控機制得證，幾乎囊括所有重要的調節方式。因此異位脢這種細膩的蛋白質調控方法，當然在肝糖磷解脢也有，而且效應物種類繁多。
肝糖磷解脢的各種調控機制可以整理成為兩大類，其一為共價性修飾，就是 Ser 14 的磷酸化反應；另一則為非共價性的修飾，正向的活化物只有 AMP 一種，要特別注意並不是 cAMP；而負面的抑制劑則有許多，例如葡萄糖、Glc-6-P、ATP 與咖啡因。這兩大類效應物真是壁壘分明，例如 AMP 與 ATP 的能量狀況恰好相反，血中的 AMP 濃度高了，表示需要能量，因此活化了肝糖磷解脢以便進行磷解反應，取得能量；反之，若血中充滿了 ATP，則關掉肝糖磷解脢活性，不須再降解肝糖。
上圖的右半部需加說明，在磷酸化之後，肝糖磷解脢很快由 T 轉換成 R，因此往下的箭頭較粗。但是即使有磷酸化，當加入負效應物時，也會由 R 轉回 T 而失去活性。

12. Bind to substrate for proper orientation
Metal ion catalysis
Bind to substrate for proper orientation
Mediate oxidation reduction reaction
Metal-Electrostatic catalysis
Metal-Electrostatic catalysis
Charge stablization (similar to or better than Proton (pH not altered & >1charge
Promote nucleophilic cartalysis
Promote reaction through charge shielding
肝糖磷解脢 的重要性可由其複雜的調控機制得證，幾乎囊括所有重要的調節方式。因此異位脢這種細膩的蛋白質調控方法，當然在肝糖磷解脢也有，而且效應物種類繁多。
肝糖磷解脢的各種調控機制可以整理成為兩大類，其一為共價性修飾，就是 Ser 14 的磷酸化反應；另一則為非共價性的修飾，正向的活化物只有 AMP 一種，要特別注意並不是 cAMP；而負面的抑制劑則有許多，例如葡萄糖、Glc-6-P、ATP 與咖啡因。這兩大類效應物真是壁壘分明，例如 AMP 與 ATP 的能量狀況恰好相反，血中的 AMP 濃度高了，表示需要能量，因此活化了肝糖磷解脢以便進行磷解反應，取得能量；反之，若血中充滿了 ATP，則關掉肝糖磷解脢活性，不須再降解肝糖。
上圖的右半部需加說明，在磷酸化之後，肝糖磷解脢很快由 T 轉換成 R，因此往下的箭頭較粗。但是即使有磷酸化，當加入負效應物時，也會由 R 轉回 T 而失去活性。

13. Metal ion catalysis: Charge stablization
肝糖磷解脢 的重要性可由其複雜的調控機制得證，幾乎囊括所有重要的調節方式。因此異位脢這種細膩的蛋白質調控方法，當然在肝糖磷解脢也有，而且效應物種類繁多。
肝糖磷解脢的各種調控機制可以整理成為兩大類，其一為共價性修飾，就是 Ser 14 的磷酸化反應；另一則為非共價性的修飾，正向的活化物只有 AMP 一種，要特別注意並不是 cAMP；而負面的抑制劑則有許多，例如葡萄糖、Glc-6-P、ATP 與咖啡因。這兩大類效應物真是壁壘分明，例如 AMP 與 ATP 的能量狀況恰好相反，血中的 AMP 濃度高了，表示需要能量，因此活化了肝糖磷解脢以便進行磷解反應，取得能量；反之，若血中充滿了 ATP，則關掉肝糖磷解脢活性，不須再降解肝糖。
上圖的右半部需加說明，在磷酸化之後，肝糖磷解脢很快由 T 轉換成 R，因此往下的箭頭較粗。但是即使有磷酸化，當加入負效應物時，也會由 R 轉回 T 而失去活性。

14. Metal ion catalysis: nucleophilic cartalysis
肝糖磷解脢 的重要性可由其複雜的調控機制得證，幾乎囊括所有重要的調節方式。因此異位脢這種細膩的蛋白質調控方法，當然在肝糖磷解脢也有，而且效應物種類繁多。
肝糖磷解脢的各種調控機制可以整理成為兩大類，其一為共價性修飾，就是 Ser 14 的磷酸化反應；另一則為非共價性的修飾，正向的活化物只有 AMP 一種，要特別注意並不是 cAMP；而負面的抑制劑則有許多，例如葡萄糖、Glc-6-P、ATP 與咖啡因。這兩大類效應物真是壁壘分明，例如 AMP 與 ATP 的能量狀況恰好相反，血中的 AMP 濃度高了，表示需要能量，因此活化了肝糖磷解脢以便進行磷解反應，取得能量；反之，若血中充滿了 ATP，則關掉肝糖磷解脢活性，不須再降解肝糖。
上圖的右半部需加說明，在磷酸化之後，肝糖磷解脢很快由 T 轉換成 R，因此往下的箭頭較粗。但是即使有磷酸化，當加入負效應物時，也會由 R 轉回 T 而失去活性。
OH- is a weak nucleophilic agent but in presence of Zn it becomes a good nucleophilic

15. Nucleophilic cartalysis: carboxypeptidase
肝糖磷解脢 的重要性可由其複雜的調控機制得證，幾乎囊括所有重要的調節方式。因此異位脢這種細膩的蛋白質調控方法，當然在肝糖磷解脢也有，而且效應物種類繁多。
肝糖磷解脢的各種調控機制可以整理成為兩大類，其一為共價性修飾，就是 Ser 14 的磷酸化反應；另一則為非共價性的修飾，正向的活化物只有 AMP 一種，要特別注意並不是 cAMP；而負面的抑制劑則有許多，例如葡萄糖、Glc-6-P、ATP 與咖啡因。這兩大類效應物真是壁壘分明，例如 AMP 與 ATP 的能量狀況恰好相反，血中的 AMP 濃度高了，表示需要能量，因此活化了肝糖磷解脢以便進行磷解反應，取得能量；反之，若血中充滿了 ATP，則關掉肝糖磷解脢活性，不須再降解肝糖。
上圖的右半部需加說明，在磷酸化之後，肝糖磷解脢很快由 T 轉換成 R，因此往下的箭頭較粗。但是即使有磷酸化，當加入負效應物時，也會由 R 轉回 T 而失去活性。

16. Activity Regulation: Electrostatic catalysis
肝糖磷解脢 的重要性可由其複雜的調控機制得證，幾乎囊括所有重要的調節方式。因此異位脢這種細膩的蛋白質調控方法，當然在肝糖磷解脢也有，而且效應物種類繁多。
肝糖磷解脢的各種調控機制可以整理成為兩大類，其一為共價性修飾，就是 Ser 14 的磷酸化反應；另一則為非共價性的修飾，正向的活化物只有 AMP 一種，要特別注意並不是 cAMP；而負面的抑制劑則有許多，例如葡萄糖、Glc-6-P、ATP 與咖啡因。這兩大類效應物真是壁壘分明，例如 AMP 與 ATP 的能量狀況恰好相反，血中的 AMP 濃度高了，表示需要能量，因此活化了肝糖磷解脢以便進行磷解反應，取得能量；反之，若血中充滿了 ATP，則關掉肝糖磷解脢活性，不須再降解肝糖。
上圖的右半部需加說明，在磷酸化之後，肝糖磷解脢很快由 T 轉換成 R，因此往下的箭頭較粗。但是即使有磷酸化，當加入負效應物時，也會由 R 轉回 T 而失去活性。

17. Electrostatic catalysis: serine protease
H–N N C H
CH2 O
C–O - =
Ser
195
H–O–CH2
Asp 102
His 57
Ser
195
His 57
Asp 102
- O–CH2 O
C–O–H = N
N–H C H
CH2
Active Ser
Chymotrypsin 活性區上面有三個極為重要的胺基酸，雖然原來在蛋白質長鏈上並沒連在一起 (57, 102, 195)，但經蛋白質摺疊後，卻湊在一起成為一直線。然後發生一件非常重要的事，就是 Asp 102 搶走中間 His 57 的氫，然後 His 57 去搶 Ser 195 的氫，最後 Ser 195 留下一個光禿禿的氧原子，而此氧原子因失去氫而變得極為活躍 (因為有多餘的負電荷)；這就是著名的催化鐵三角 (catalytic triad) 的形成。
E5-10

18. Activity Regulation: transition state binding
Substrate
Transition state
Product
If enzyme just binds substrate
then there will be no further reaction X
Lehninger 課本上面 Stickase 的假想酵素，是一個極佳的例子，請多琢磨。
注意 Stickase 與基質結合區的外型，並非直接與基質成互補關係，而是與其『中間過渡』狀態有較佳的構形互補。另外，酵素與基質的結合區大多深陷入分子裡面，是酵素作用的一大優勢與特點。
Enzyme not only recognizes substrate,
but also induces the formation of transition state

19. Activity Regulation: transition state binding
肝糖磷解脢 的重要性可由其複雜的調控機制得證，幾乎囊括所有重要的調節方式。因此異位脢這種細膩的蛋白質調控方法，當然在肝糖磷解脢也有，而且效應物種類繁多。
肝糖磷解脢的各種調控機制可以整理成為兩大類，其一為共價性修飾，就是 Ser 14 的磷酸化反應；另一則為非共價性的修飾，正向的活化物只有 AMP 一種，要特別注意並不是 cAMP；而負面的抑制劑則有許多，例如葡萄糖、Glc-6-P、ATP 與咖啡因。這兩大類效應物真是壁壘分明，例如 AMP 與 ATP 的能量狀況恰好相反，血中的 AMP 濃度高了，表示需要能量，因此活化了肝糖磷解脢以便進行磷解反應，取得能量；反之，若血中充滿了 ATP，則關掉肝糖磷解脢活性，不須再降解肝糖。
上圖的右半部需加說明，在磷酸化之後，肝糖磷解脢很快由 T 轉換成 R，因此往下的箭頭較粗。但是即使有磷酸化，當加入負效應物時，也會由 R 轉回 T 而失去活性。

20. Preferred binding of the transition state complex
Transition state analogues are competitive inhibitors

21. Activity Regulation: Proximity-Orientation effect
肝糖磷解脢 的重要性可由其複雜的調控機制得證，幾乎囊括所有重要的調節方式。因此異位脢這種細膩的蛋白質調控方法，當然在肝糖磷解脢也有，而且效應物種類繁多。
肝糖磷解脢的各種調控機制可以整理成為兩大類，其一為共價性修飾，就是 Ser 14 的磷酸化反應；另一則為非共價性的修飾，正向的活化物只有 AMP 一種，要特別注意並不是 cAMP；而負面的抑制劑則有許多，例如葡萄糖、Glc-6-P、ATP 與咖啡因。這兩大類效應物真是壁壘分明，例如 AMP 與 ATP 的能量狀況恰好相反，血中的 AMP 濃度高了，表示需要能量，因此活化了肝糖磷解脢以便進行磷解反應，取得能量；反之，若血中充滿了 ATP，則關掉肝糖磷解脢活性，不須再降解肝糖。
上圖的右半部需加說明，在磷酸化之後，肝糖磷解脢很快由 T 轉換成 R，因此往下的箭頭較粗。但是即使有磷酸化，當加入負效應物時，也會由 R 轉回 T 而失去活性。