结构生物化学/酶调节/别构调控
如果细胞要利用酶，其化学活性必须严格控制，以确保节省大量的能量，而不是浪费。因此，就像一个开关，必须有一种方法可以根据需要反应的时间来打开或关闭酶。别构控制是一种调节方法。
别构控制是指一种酶调节类型，涉及非底物分子（称为别构效应物）在酶的活性位点以外的位置结合。名称“allo”是指其他，而“steric”是指一定空间的位置。换句话说，别构是指“在另一个地方”。别构位点是指小分子调节分子与酶相互作用以抑制或激活特定酶的位点；这与发生催化活性的活性位点不同。别构效应物的结合通常是非共价的且可逆的。这种相互作用因此改变了酶的形状，进而改变了活性位点的形状。这种构象变化将抑制或增强反应的催化。因此，别构控制使细胞能够通过抑制或增强来快速调节所需的物质。
天冬氨酸转氨甲酰酶（ATCase）是一种别构酶，催化嘧啶合成的第一步。
ATCase 由六个调节亚基和六个催化亚基组成。3 个调节亚基 (r) 是二聚体，由 2 条 17 kd 的链组成。较小的一个，即调节亚基可以与 CTP 结合，因此不显示催化活性。2 个催化亚基 (c) 是三聚体，由 3 条链组成，每条链 34 kd。催化亚基对 CTP 无反应，因此不遵循 S 形行为。
- ATCase 的四级结构由两个催化三聚体组成，它们一个叠在另一个的上面。CTP 的抑制作用、ATP 的刺激作用以及底物的协同结合都伴随着 ATCase 四级结构的重大变化。
- 每个调节亚基的每个 r 链与催化三聚体的 c 链结合。r 链和 c 链之间的接触区域由锌域稳定，锌域与 r 链中的组氨酸残基结合。所有 c 链都与调节亚基接触。
催化亚基和调节亚基可以通过首先添加汞化合物，然后通过超速离心来分离。汞化合物通过置换锌离子来破坏连接，从而使 r 亚基域不稳定。该反应不遵循 Michaelis-Menten 行为，而是由于其他分子调节的底物浓度变化以及结合概率的变化而产生 S 形曲线。添加更多底物对增加酶结合多个底物分子的概率和增加每个酶结合的底物平均量具有双重作用。更多底物最终有利于 ATCase 的 R 状态，因为平衡取决于被底物占据的活性位点数，这与 Michaelis-Menten 行为完全相反。
别构酶表现出 S 形动力学，而不是 Michaelis-Menton 动力学。这是因为酶在两个不同的构象状态之间振荡，就像血红蛋白一样。
- T 状态的特点是底物亲和力低和催化活性低。
- 在 R 状态构象中，两个催化三聚体之间有 12Å 的间距，并且绕中心轴旋转大约 10°。调节亚基也旋转了大约 15°。R 状态构象的特点是底物浓度增加同时增加 ATCase 的反应性，为产生 CTP 的酶促途径做好准备。
当底物在位于三聚体 c 链之间的口袋中的活性位点结合时，ATCase 更有可能转变为 R 状态，因为底物结合稳定了 R 状态。底物的结合通过增加概率将平衡更多地转移到 R 状态
每种酶将结合并增加结合的底物的平均数量（协同性）。
ATP 也可以与 ATCase 的调节位点结合，但 ATP 并不会抑制 ATCase 的活性，事实上 ATP 会增加 ATCase 的活性。因此，在高浓度的 ATP 下，ATP 可以作为调节位点的竞争者，与 CTP 竞争。因此，ATCase 的活性会随着 ATP 浓度的增加而增加。这种活性增加可能具有潜在的生理学解释。高浓度的 ATP 意味着嘌呤核苷酸浓度高，因此 ATCase 活性增加将增加嘧啶的浓度。因此，嘌呤和嘧啶的浓度将更加平衡。此外，细胞中存在大量 ATP 意味着有能量用于诸如 mRNA 合成以及 DNA 复制等过程，因此 ATCase 可以增加可以用于这些过程的嘧啶的数量。
在 N-(磷酰乙酰基)-L-天冬氨酸 (PALA) 存在的情况下，PALA 是一种双底物类似物，类似于酶促途径上的底物中间体，PALA 抑制 ATCase，PALA 结合活性位点。然而，这种抑制揭示了 PALA 结合后四级结构的变化。两个催化三聚体分别分离成各自的 T 状态和 R 状态。这种抑制不是别构的，而是引入了负责该完整反馈抑制途径的别构抑制的催化亚基。
T 状态与 R 状态 已知 T 状态会使分子紧张，从而提高在 1/2 Vmax (Km) 下结合酶所需的底物量。T 状态活性较低，并有利于 CTP 结合。CTP 的作用是 T 状态变得稳定。这意味着将酶转换为 R 状态变得更加困难。另一方面，R 状态被称为更放松，并降低了 Km。随着底物浓度的增加，平衡将从 T 状态转移到 R 状态。在 R 状态下，分子更活跃，这意味着有利于底物结合。ATP 对 R 状态的作用是使其稳定，从而使底物更容易结合。
同种异构效应 --- 底物对别构酶的影响。
异种异构效应 --- 非底物分子对别构酶的影响，如 CTP 和 ATP 对 ATCase 的影响
**胞嘧啶三磷酸 (CTP)** 是天冬氨酸氨甲酰转移酶 (ATCase) 的最终产物，它充当变构调节剂。氨甲酰磷酸和天冬氨酸缩合成 **N-氨甲酰天冬氨酸** 中间体，然后形成 CTP。CTP 结合到调控亚基的 **r 链** 上，而不与 c 链接触。CTP 的结合稳定 **T 状态** 并降低底物亲和力。即使调控亚基的结合位点远离催化亚基，结合也会导致四级结构变化，从而促进 T 状态的稳定和抑制。因此，它会导致 **S 形曲线** 向右移动。在 [CTP] 浓度较低时，反应会快速发生，但在较高浓度下，CTP 会通过调控或变构位点（而不是活性位点）抑制 ATCase。这是一个 **负反馈** 的例子，即最终结果将终止起始反应。CTP 对 ATCase 的反馈抑制可以被 **ATP** 逆转。
**异构效应**——非底物分子对酶的影响
随着天冬氨酸浓度的增加，产物 **N-氨甲酰天冬氨酸** 的生成速率也随之增加。由于它具有协同性，因此可以看到它的曲线具有 **S 形特征**，这意味着底物在一个位点上的结合会增加其他底物结合到分子其他结合位点的亲和力。ATCase 的 S 形曲线包含两个米氏常数 (KM) 曲线的混合——一个具有高 KM 值（通过 T 状态显示），另一个具有低 KM 值（通过 R 状态显示）。底物与亚基的结合以及随之而来的所有其他亚基的改变被称为协同性。在协同性中，一个位点的结合会增加或减少酶另一个位点的结合。这是由于邻近亚基残基的构象变化影响了另一个催化亚基形状的改变。这个过程类似于血红蛋白协同结合氧分子的方式。
该酶有两个活性位点。一个是针对底物的，另一个是针对调控位点的变构激活剂。当变构激活剂没有与调控位点结合时，酶的活性位点无法结合底物。另一方面，如果变构激活剂与酶结合，活性位点的形状就会改变，从而使底物结合并产生产物。该酶将保持活性，直到变构激活剂离开酶。
生物化学 第六版。Berg，Jeremy M；Tymoczko，John L；Stryer，Lubert。W.H. Freeman 公司，纽约