结构生物化学/开关

调节

酶在许多生化反应中非常有用且有效，但仅在正确的时间和地点有效。酶活性以五种不同的方式进行调节

变构控制：变构酶包含不同的调节位点和多个功能位点。当小信号分子结合到这些调节位点时，蛋白质会受到显著控制。此外，变构酶表现出协同性，这意味着一个功能位点的活性也会影响另一个功能位点。

酶的多种形式：同工酶或同工酶是生物体中催化相同反应的同源酶，但在结构、K_m 和 V_max 值以及调节特性方面略有不同。同工酶允许在不同的位置或时间对反应进行调节。

可逆共价修饰：通过共价结合修饰基团，最常见的是磷酰基团，可以改变酶的催化特性。通常，ATP 将作为这些反应的供体。

蛋白水解激活：迄今为止提到的其他调节机制可以在活性状态和非活性状态之间自由转换。然而，在蛋白水解激活中，酶不可逆地从非活性酶转换为活性酶。这些酶通过水解几个肽键而被激活。此外，酶前体如酶原或前酶的水解也可以激活酶。

控制存在的酶量：可以通过调整存在的酶量来调节酶活性。这种调节方法通常发生在基因转录期间。

变构控制

嘧啶生物合成中的第一步，天冬氨酸和氨甲酰磷酸缩合形成 N-氨甲酰天冬氨酸和正磷酸，由变构酶天冬氨酸氨甲酰转移酶或 ATCase 催化。

John Gerhart 和 Arthur Pardee 发现 ATCase 被其自身最终产物嘧啶 CTP 抑制。因此，随着 CTP 浓度的增加，ATCase 的反应减慢。这是一个负反馈回路或负抑制。

变构调节的酶不遵循米氏动力学。

文件：Sigmoidalkinetics.png

如这里所示，ATCase 动力学图是 S 形的，而不是米氏双曲线形状。

ATCase 由可分离的催化和调节亚基组成 ATCase 可以通过用 p-羟基汞苯甲酸酯等化合物处理分离成调节和催化底物。这证明 ATCase 具有不同的调节和催化位点。John Gerhart 和 Howard Schachman 是进行这项研究的人。然后可以通过离子交换色谱法或通过在蔗糖密度梯度中离心分离亚基。

较大的亚基是催化亚基。这个亚基像名字暗示的那样是催化的，但对 CTP 没有反应，也不表现出 S 形动力学。另一个亚基，调节亚基没有催化活性，但与 CTP 结合。因此 ATCase 由催化和调节亚基组成。

类似于血红蛋白，ATCase 存在于 T 状态和 R 状态。T 状态是活性较低的状态，而 R 状态是活性状态。CTP 通过与稳定 T 状态的调节位点结合来抑制 ATCase。ATP 也可以结合到相同的位点，但不会稳定 T 状态。因此，ATP 与 CTP 竞争这些位点。ATP 是一个与调节亚基结合的变构激活剂。ATP 和 CTP 被称为 ATCase 等变构酶的“异方效应”。ATP 是天冬氨酸氨甲酰转移酶的变构激活剂，因为它稳定了 ATCase 的 R 状态，通过使底物更容易结合来影响相邻亚基。ATP 浓度增加有两个可能的解释。首先，高浓度的 ATP 信号传达高浓度的嘌呤和嘧啶。其次，高浓度的 ATP 表明可用于 mRNA 合成和 DNA 复制的能量来源可用，然后是这些过程所需的嘧啶合成。

同工酶

氨基酸序列不同但催化相同反应的酶称为同工酶。通常，同工酶具有不同的 K_m，并对不同的调节分子做出反应。不同的基因编码同工酶。同工酶允许对代谢进行特定调整以适应组织或发育阶段的需要。

共价修饰

可以通过共价结合一个分子到酶上修饰酶的活性。大多数修饰是可逆的。最常见的共价修饰是磷酸化和去磷酸化。

磷酸化：几乎真核细胞中的每个代谢过程都受到磷酸化的调节。多达 30% 的真核蛋白被磷酸化。磷酰基团通常由 ATP 供体。ATP 的 γ 末端磷酰基团转移到氨基酸。氨基酸受体总是具有侧链中的羟基。激酶转移磷酰基团，蛋白质磷酸酶逆转该过程。然而，磷酸化和去磷酸化不是彼此的逆反应。在正常生理条件下，每个反应几乎都是不可逆的。磷酸化将仅通过使用 ATP 的特定蛋白激酶发生，而去磷酸化将仅通过磷酸酶发生。

蛋白质磷酸化

增加两个负电荷
形成 2 或 3 个氢键
磷酸化是可逆的
动力学可以调整到生理过程
放大信号
ATP 将信号传导与生物能量学协调起来

蛋白质活性的常见共价修饰

磷酸化

将ATP供体至糖原磷酸化酶，糖原磷酸化酶在葡萄糖稳态和能量转导中起作用

乙酰化

将乙酰辅酶 A供体至组蛋白，组蛋白在 DNA 包装和转录中起作用

肉豆蔻酰化

将肉豆蔻酰辅酶 A供体至 Src，Src 在信号转导中起作用

ADP 核糖基化

将NAD⁺供体至 RNA 聚合酶，RNA 聚合酶在转录中起作用

法尼基化

将法尼基焦磷酸供体至 Ras，Ras 在信号转导中起作用

γ-羧化硫酸化

将HCO₃^- 和 3'-磷酸腺苷-5'-磷酸硫酸盐供体至纤维蛋白原，纤维蛋白原在血凝块形成中起作用

泛素化

将泛素供体至细胞周期蛋白，细胞周期蛋白在细胞周期控制中起作用

蛋白水解裂解

许多酶在水解一个或几个特定的肽键之前处于非活性状态。酶最初以非活性前体的形式存在，称为酶原或前酶。蛋白水解裂解不需要 ATP 的能量，并且在酶的一生中仅发生一次。以下是通过蛋白水解裂解激活的酶和生化过程的一些例子

消化系统水解蛋白质的酶最初在胃和胰腺中作为酶原产生

血液凝固是由蛋白水解激活的级联反应介导的

胰岛素源自非活性前体胰岛素原

糜蛋白酶原的蛋白水解激活形成活性糜蛋白酶，参与消化酶、血液凝固、蛋白质激素和半胱天蛋白酶（程序性细胞死亡）。

参考文献

Viadiu，Hector。可逆共价修饰。生物化学讲座。2012 年 12 月 5 日