結構生物化學/酶調控/別構控制
如果一個細胞要利用一種酶，它的化學活性必須嚴格控制，這樣才能節省大量的能量，而不是浪費。因此，就像一個開關一樣，必須有一種方法可以根據需要反應的時間來開啟或關閉酶。別構控制是調節的一種方法。
別構控制是指一種酶調控型別，它涉及非底物分子（稱為別構效應物）在酶的活性位點以外的位置結合。名稱“allo”表示其他，“steric”表示一定空間中的位置。換句話說，別構意味著“在另一個地方”。別構位點是一個小調節分子與酶相互作用以抑制或啟用該特定酶的位點；這不同於催化活性發生的活性位點。別構效應物的結合通常是非共價且可逆的。因此，這種相互作用會改變酶的形狀，進而改變活性位點的形狀。這種構象變化將抑制或增強反應的催化作用。因此，別構控制允許細胞透過抑制或增強來快速調節所需的物質。
天冬氨酸轉氨甲醯酶（ATCase）是一種別構酶，它催化嘧啶合成的第一步。
ATCase 由六個調節亞基和六個催化亞基組成。3 個調節亞基 (r) 是由 2 條 17 kd 鏈組成的二聚體。兩個中較小的，調節亞基可以與 CTP 結合，因此沒有催化活性。2 個催化亞基 (c) 是由 3 條鏈組成的三聚體，每條鏈為 34 kd。催化亞基對 CTP 無反應，因此不遵循 S 形行為。
- ATCase 的四級結構由兩個催化三聚體堆疊而成，一個在另一個之上。CTP 的抑制作用、ATP 的刺激作用以及底物的協同結合都伴隨著 ATCase 四級結構的巨大變化。
- 每個調節亞基的每個 r 鏈都與催化三聚體的 c 鏈結合。r 鏈和 c 鏈之間的接觸區域由與 r 鏈中的組氨酸殘基結合的鋅域穩定。所有 c 鏈都與調節亞基有接觸。
催化亞基和調節亞基可以透過首先新增汞化合物，然後透過超速離心分離。汞化合物打破連線，因為它會置換鋅離子，從而使 r 亞基域不穩定。反應不遵循米氏行為，而是由於其他分子調節而對底物濃度變化的響應變化，以及結合機率的變化而產生 S 形曲線。新增更多底物對增加酶結合多個底物分子的機率有兩種影響，同時增加每個酶結合的底物平均數量。更多的底物最終有利於 ATCase 的 R 狀態，因為平衡取決於被底物佔據的活性位點的數量，這與米氏行為完全相反。
別構酶表現出 S 形動力學，而不是米氏動力學。這是因為酶在兩種不同的構象狀態之間振盪，非常類似於血紅蛋白。
- T 狀態的特點是底物親和力低，催化活性低。
- 在 R 狀態構象中，兩個催化三聚體之間有 12Å 的間距，並且圍繞中心軸旋轉約 10°。調節亞基也旋轉約 15°。R 狀態構象的特點是底物濃度增加的同時增加了 ATCase 的反應性，為產生 CTP 的酶促途徑做準備。
當底物結合到位於三聚體 c 鏈之間的口袋處的活性位點時，ATCase 更有可能轉變為 R 狀態，因為底物結合穩定了 R 狀態。底物的結合透過增加機率將平衡更多地轉移到 R 狀態
每個酶都會結合，並增加結合的底物平均數量（協同性）。
ATP 也可以與 ATCase 的調節位點結合，但 ATP 並不會抑制 ATCase 的活性，實際上 ATP 會增加 ATCase 的活性。因此，在 ATP 濃度較高時，ATP 可以作為與 CTP 相競爭的調節位點的競爭者。因此，ATCase 的活性會隨著 ATP 濃度的增加而增加。這種活性的增加可能具有潛在的生理學解釋。ATP 濃度高意味著嘌呤核苷酸濃度高，因此 ATCase 活性增加將增加嘧啶的濃度。因此，嘌呤和嘧啶的濃度將更加平衡。此外，細胞中 ATP 的含量高意味著有能量用於 mRNA 合成和 DNA 複製等過程，因此 ATCase 可以增加嘧啶的含量，然後可以用於這些過程。
在 N-(磷醯乙醯)-L-天冬氨酸 (PALA) 存在的情況下，PALA 是一種雙底物類似物，它類似於酶促途徑中的底物中間體，PALA 會抑制 ATCase，後者與活性位點結合。然而，這種抑制作用揭示了 PALA 結合後四級結構的變化。兩個催化三聚體被分離到它們各自的 T 狀態和 R 狀態。這種抑制不是別構的，而是引入了催化亞基，這些亞基負責這種完整的反饋抑制途徑的別構抑制。
T 狀態與 R 狀態 T 狀態已知會使分子繃緊，從而提高需要與酶結合的底物量才能達到 1/2 Vmax (Km)。T 狀態活性較低，並受 CTP 結合的青睞。CTP 的作用是 T 狀態變得穩定。這意味著更難將酶轉化為 R 狀態。另一方面，R 狀態已知更鬆弛，並降低了 Km。隨著底物濃度的增加，平衡將從 T 狀態轉移到 R 狀態。在 R 狀態下，分子更活躍，這意味著底物結合更受青睞。ATP 對 R 狀態的影響是它被穩定了，這使得底物更容易結合。
同促效應 --- 底物對別構酶的影響。
異促效應 --- 非底物分子對別構酶的影響，例如 CTP 和 ATP 對 ATCase 的影響
胞嘧啶三磷酸（CTP）是ATCase的最終產物，它充當別構調節劑。氨基甲醯磷酸和天冬氨酸縮合成N-氨基甲醯天冬氨酸中間體，然後形成CTP。CTP結合到調節亞基的r鏈上，該鏈不與c連結觸。CTP的結合穩定T狀態並降低底物親和力。即使調節亞基上的結合位點遠離催化亞基，但結合會導致四級結構的變化，這會促進T狀態的穩定和抑制。因此，它會導致S形曲線向右移動。當[CTP]濃度較低時，反應將快速進行，但在較高濃度下，CTP將透過調節或別構位點（而非活性位點）作為ATCase的抑制劑。這是一個負反饋的例子，其中最終結果將終止起始反應。ATP可以逆轉CTP對ATCase的反饋抑制。
異構效應 --- 非底物分子對酶的影響
隨著天冬氨酸濃度的增加，產物N-氨基甲醯天冬氨酸的形成速度增加。由於它具有協同性，因此可以觀察到它的曲線具有S形特徵，這意味著一個位點上的底物結合會增加其他底物與分子其他結合位點結合的親和力。ATCase的S形曲線包含兩個米氏曲線，一個具有較高的KM值（透過T狀態顯示），另一個具有較低的KM值（透過R狀態顯示）。底物與一個亞基的結合以及隨之而來的所有其他亞基的變化被稱為協同性。在協同性中，一個位點的結合會增加或減少酶另一個位點的結合。這是由於相鄰亞基殘基的構象變化影響了其他催化亞基形狀的變化。這個過程類似於血紅蛋白如何協同結合氧氣分子。
該酶有兩個活性位點。一個是用於底物，另一個是用於調節位點的別構啟用劑。當別構啟用劑未與調節位點結合時，酶的活性位點無法結合底物。另一方面，如果別構啟用劑與酶結合，它會改變活性位點的形狀，使底物能夠結合，從而產生產物。該酶將保持活性，直到別構啟用劑離開酶。
生物化學第六版。Berg, Jeremy M; Tymoczko, John L; Stryer, Lubert. W.H. Freeman Company, New York