結構生物化學/酶調節/別構調控
如果細胞要利用酶，其化學活性必須嚴格控制，以確保節省大量的能量，而不是浪費。因此，就像一個開關，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。別構控制是一種調節方法。
別構控制是指一種酶調節型別，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”是指其他，而“steric”是指一定空間的位置。換句話說，別構是指“在另一個地方”。別構位點是指小分子調節分子與酶相互作用以抑制或啟用特定酶的位點；這與發生催化活性的活性位點不同。別構效應物的結合通常是非共價的且可逆的。這種相互作用因此改變了酶的形狀，進而改變了活性位點的形狀。這種構象變化將抑制或增強反應的催化。因此，別構控制使細胞能夠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，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) 是二聚體，由 2 條 17 kd 的鏈組成。較小的一個，即調節亞基可以與 CTP 結合，因此不顯示催化活性。2 個催化亞基 (c) 是三聚體，由 3 條鏈組成，每條鏈 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組成，它們一個疊在另一個的上面。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 四級結構的重大變化。
- 每個調節亞基的每個 r 鏈與催化三聚體的 c 鏈結合。r 鏈和 c 鏈之間的接觸區域由鋅域穩定，鋅域與 r 鏈中的組氨酸殘基結合。所有 c 鏈都與調節亞基接觸。
催化亞基和調節亞基可以透過首先新增汞化合物，然後透過超速離心來分離。汞化合物透過置換鋅離子來破壞連線，從而使 r 亞基域不穩定。該反應不遵循 Michaelis-Menten 行為，而是由於其他分子調節的底物濃度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和增加每個酶結合的底物平均量具有雙重作用。更多底物最終有利於 ATCase 的 R 狀態，因為平衡取決於被底物佔據的活性位點數，這與 Michaelis-Menten 行為完全相反。
別構酶表現出 S 形動力學，而不是 Michaelis-Menton 動力學。這是因為酶在兩個不同的構象狀態之間振盪，就像血紅蛋白一樣。
- T 狀態的特點是底物親和力低和催化活性低。
- 在 R 狀態構象中，兩個催化三聚體之間有 12Å 的間距，並且繞中心軸旋轉大約 10°。調節亞基也旋轉了大約 15°。R 狀態構象的特點是底物濃度增加同時增加 ATCase 的反應性，為產生 CTP 的酶促途徑做好準備。
當底物在位於三聚體 c 鏈之間的口袋中的活性位點結合時，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
每種酶將結合並增加結合的底物的平均數量（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，事實上 ATP 會增加 ATCase 的活性。因此，在高濃度的 ATP 下，ATP 可以作為調節位點的競爭者，與 CTP 競爭。因此，ATCase 的活性會隨著 ATP 濃度的增加而增加。這種活性增加可能具有潛在的生理學解釋。高濃度的 ATP 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，細胞中存在大量 ATP 意味著有能量用於諸如 mRNA 合成以及 DNA 複製等過程，因此 ATCase 可以增加可以用於這些過程的嘧啶的數量。
在 N-(磷醯乙醯基)-L-天冬氨酸 (PALA) 存在的情況下，PALA 是一種雙底物類似物，類似於酶促途徑上的底物中間體，PALA 抑制 ATCase，PALA 結合活性位點。然而，這種抑制揭示了 PALA 結合後四級結構的變化。兩個催化三聚體分別分離成各自的 T 狀態和 R 狀態。這種抑制不是別構的，而是引入了負責該完整反饋抑制途徑的別構抑制的催化亞基。
T 狀態與 R 狀態 已知 T 狀態會使分子緊張，從而提高在 1/2 Vmax (Km) 下結合酶所需的底物量。T 狀態活性較低，並有利於 CTP 結合。CTP 的作用是 T 狀態變得穩定。這意味著將酶轉換為 R 狀態變得更加困難。另一方面，R 狀態被稱為更放鬆，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，這意味著有利於底物結合。ATP 對 R 狀態的作用是使其穩定，從而使底物更容易結合。
同種異構效應 --- 底物對別構酶的影響。
異種異構效應 --- 非底物分子對別構酶的影響，如 CTP 和 ATP 對 ATCase 的影響
**胞嘧啶三磷酸 (CTP)** 是天冬氨酸氨甲醯轉移酶 (ATCase) 的最終產物，它充當變構調節劑。氨甲醯磷酸和天冬氨酸縮合成 **N-氨甲醯天冬氨酸** 中間體，然後形成 CTP。CTP 結合到調控亞基的 **r 鏈** 上，而不與 c 連結觸。CTP 的結合穩定 **T 狀態** 並降低底物親和力。即使調控亞基的結合位點遠離催化亞基，結合也會導致四級結構變化，從而促進 T 狀態的穩定和抑制。因此，它會導致 **S 形曲線** 向右移動。在 [CTP] 濃度較低時，反應會快速發生，但在較高濃度下，CTP 會透過調控或變構位點（而不是活性位點）抑制 ATCase。這是一個 **負反饋** 的例子，即最終結果將終止起始反應。CTP 對 ATCase 的反饋抑制可以被 **ATP** 逆轉。
**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-氨甲醯天冬氨酸** 的生成速率也隨之增加。由於它具有協同性，因此可以看到它的曲線具有 **S 形特徵**，這意味著底物在一個位點上的結合會增加其他底物結合到分子其他結合位點的親和力。ATCase 的 S 形曲線包含兩個米氏常數 (KM) 曲線的混合——一個具有高 KM 值（透過 T 狀態顯示），另一個具有低 KM 值（透過 R 狀態顯示）。底物與亞基的結合以及隨之而來的所有其他亞基的改變被稱為協同性。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。這是由於鄰近亞基殘基的構象變化影響了另一個催化亞基形狀的改變。這個過程類似於血紅蛋白協同結合氧分子的方式。
該酶有兩個活性位點。一個是針對底物的，另一個是針對調控位點的變構啟用劑。當變構啟用劑沒有與調控位點結合時，酶的活性位點無法結合底物。另一方面，如果變構啟用劑與酶結合，活性位點的形狀就會改變，從而使底物結合併產生產物。該酶將保持活性，直到變構啟用劑離開酶。
生物化學 第六版。Berg，Jeremy M；Tymoczko，John L；Stryer，Lubert。W.H. Freeman 公司，紐約