結構生物化學/開關

調節

酶在許多生化反應中非常有用且有效，但僅在正確的時間和地點有效。酶活性以五種不同的方式進行調節

變構控制：變構酶包含不同的調節位點和多個功能位點。當小訊號分子結合到這些調節位點時，蛋白質會受到顯著控制。此外，變構酶表現出協同性，這意味著一個功能位點的活性也會影響另一個功能位點。

酶的多種形式：同工酶或同工酶是生物體中催化相同反應的同源酶，但在結構、K_m 和 V_max 值以及調節特性方面略有不同。同工酶允許在不同的位置或時間對反應進行調節。

可逆共價修飾：透過共價結合修飾基團，最常見的是磷醯基團，可以改變酶的催化特性。通常，ATP 將作為這些反應的供體。

蛋白水解啟用：迄今為止提到的其他調節機制可以在活性狀態和非活性狀態之間自由轉換。然而，在蛋白水解啟用中，酶不可逆地從非活性酶轉換為活性酶。這些酶透過水解幾個肽鍵而被啟用。此外，酶前體如酶原或前酶的水解也可以啟用酶。

控制存在的酶量：可以透過調整存在的酶量來調節酶活性。這種調節方法通常發生在基因轉錄期間。

變構控制

嘧啶生物合成中的第一步，天冬氨酸和氨甲醯磷酸縮合形成 N-氨甲醯天冬氨酸和正磷酸，由變構酶天冬氨酸氨甲醯轉移酶或 ATCase 催化。

John Gerhart 和 Arthur Pardee 發現 ATCase 被其自身最終產物嘧啶 CTP 抑制。因此，隨著 CTP 濃度的增加，ATCase 的反應減慢。這是一個負反饋迴路或負抑制。

變構調節的酶不遵循米氏動力學。

檔案：Sigmoidalkinetics.png

如這裡所示，ATCase 動力學圖是 S 形的，而不是米氏雙曲線形狀。

ATCase 由可分離的催化和調節亞基組成 ATCase 可以透過用 p-羥基汞苯甲酸酯等化合物處理分離成調節和催化底物。這證明 ATCase 具有不同的調節和催化位點。John Gerhart 和 Howard Schachman 是進行這項研究的人。然後可以透過離子交換色譜法或透過在蔗糖密度梯度中離心分離亞基。

較大的亞基是催化亞基。這個亞基像名字暗示的那樣是催化的，但對 CTP 沒有反應，也不表現出 S 形動力學。另一個亞基，調節亞基沒有催化活性，但與 CTP 結合。因此 ATCase 由催化和調節亞基組成。

類似於血紅蛋白，ATCase 存在於 T 狀態和 R 狀態。T 狀態是活性較低的狀態，而 R 狀態是活性狀態。CTP 透過與穩定 T 狀態的調節位點結合來抑制 ATCase。ATP 也可以結合到相同的位點，但不會穩定 T 狀態。因此，ATP 與 CTP 競爭這些位點。ATP 是一個與調節亞基結合的變構啟用劑。ATP 和 CTP 被稱為 ATCase 等變構酶的“異方效應”。ATP 是天冬氨酸氨甲醯轉移酶的變構啟用劑，因為它穩定了 ATCase 的 R 狀態，透過使底物更容易結合來影響相鄰亞基。ATP 濃度增加有兩個可能的解釋。首先，高濃度的 ATP 訊號傳達高濃度的嘌呤和嘧啶。其次，高濃度的 ATP 表明可用於 mRNA 合成和 DNA 複製的能量來源可用，然後是這些過程所需的嘧啶合成。

同工酶

氨基酸序列不同但催化相同反應的酶稱為同工酶。通常，同工酶具有不同的 K_m，並對不同的調節分子做出反應。不同的基因編碼同工酶。同工酶允許對代謝進行特定調整以適應組織或發育階段的需要。

不同組織表達不同形式的同工酶

乳酸脫氫酶的同工酶

共價修飾

可以透過共價結合一個分子到酶上修飾酶的活性。大多數修飾是可逆的。最常見的共價修飾是磷酸化和去磷酸化。

磷酸化：幾乎真核細胞中的每個代謝過程都受到磷酸化的調節。多達 30% 的真核蛋白被磷酸化。磷醯基團通常由 ATP 供體。ATP 的 γ 末端磷醯基團轉移到氨基酸。氨基酸受體總是具有側鏈中的羥基。激酶轉移磷醯基團，蛋白質磷酸酶逆轉該過程。然而，磷酸化和去磷酸化不是彼此的逆反應。在正常生理條件下，每個反應幾乎都是不可逆的。磷酸化將僅透過使用 ATP 的特定蛋白激酶發生，而去磷酸化將僅透過磷酸酶發生。

蛋白質磷酸化

• 增加兩個負電荷
• 形成 2 或 3 個氫鍵
• 磷酸化是可逆的
• 動力學可以調整到生理過程
• 放大訊號
• ATP 將訊號傳導與生物能量學協調起來

蛋白質活性的常見共價修飾

• 磷酸化

將ATP供體至糖原磷酸化酶，糖原磷酸化酶在葡萄糖穩態和能量轉導中起作用

• 乙醯化

將乙醯輔酶 A供體至組蛋白，組蛋白在 DNA 包裝和轉錄中起作用

• 肉豆蔻醯化

將肉豆蔻醯輔酶 A供體至 Src，Src 在訊號轉導中起作用

• ADP 核糖基化

將NAD⁺供體至 RNA 聚合酶，RNA 聚合酶在轉錄中起作用

• 法尼基化

將法尼基焦磷酸供體至 Ras，Ras 在訊號轉導中起作用

• γ-羧化硫酸化

將HCO₃^- 和 3'-磷酸腺苷-5'-磷酸硫酸鹽供體至纖維蛋白原，纖維蛋白原在血凝塊形成中起作用

• 泛素化

將泛素供體至細胞週期蛋白，細胞週期蛋白在細胞週期控制中起作用

蛋白水解裂解

許多酶在水解一個或幾個特定的肽鍵之前處於非活性狀態。酶最初以非活性前體的形式存在，稱為酶原或前酶。蛋白水解裂解不需要 ATP 的能量，並且在酶的一生中僅發生一次。以下是透過蛋白水解裂解啟用的酶和生化過程的一些例子

消化系統水解蛋白質的酶最初在胃和胰腺中作為酶原產生

血液凝固是由蛋白水解啟用的級聯反應介導的

胰島素源自非活性前體胰島素原

糜蛋白酶原的蛋白水解啟用形成活性糜蛋白酶，參與消化酶、血液凝固、蛋白質激素和半胱天蛋白酶（程式性細胞死亡）。

糜蛋白酶原的蛋白水解啟用

參考文獻

Berg，Jeremy M. Tymoczko，John L. Stryer，Lubert。生物化學 第 6 版。版權所有 2007 年，2002 年由 W. H. Freeman and Company

Viadiu，Hector。可逆共價修飾。生物化學講座。2012 年 12 月 5 日