Allosteric Enzyme ATCase

Presentation on theme: "Allosteric Enzyme ATCase"— Presentation transcript:

1 Allosteric Enzyme ATCase
Active relaxed form Carbamoyl phosphate Aspartate Carbamoyl aspartate COO- CH2 HN-C-COO- H H - O H2N-C- = COO- CH2 N-C-COO- H H - O H2N-C-O-PO32- = + ATCase ATP Quaternary structure CTP Nucleic acid metabolism Feedback inhibition CCC Catalytic subunits CTP 異位脢 的最典型例子，就是 aspartate transcarbamoylase (ATCase)。此酵素催化上圖的反應，所產生的生成物會繼續代謝，最後生成 CTP。 此 CTP 會回頭與 ATCase 結合，再迴饋抑制其活性 (因為 CTP 太多表示不用再繼續此一代謝路徑了)。因為 CTP 與 ATCase 結合在其 R 次體上，而非 C 次體上的活性區，因此是一種道地的異位脢。 CTP 之所以能抑制 ATCase 的活性，是因為當 CTP 結合到 R 次體後，會牽動 C 次體的構形，使得 ATCase 由原來活躍的 relaxed form 轉變成較不具活性的 tense form。 R R R Regulatory subunits CCC Catalytic subunits Inactive tense form Juang RH (2004) BCbasics

2 Sigmoidal Curve Effect
vo Noncooperative (Hyperbolic) Positive effector (ATP) brings sigmoidal curve back to hyperbolic Negative effector (CTP) keeps ATP Sigmoidal curve CTP Cooperative (Sigmoidal) vo Exaggeration of sigmoidal curve yields a drastic zigzag line that shows the On/Off point clearly Consequently, Allosteric enzyme can sense the concentration of the environment and adjust its activity S 型 曲線有其特別意義︰ 在 S 曲線上的轉折點 (也就是整個線條的中點)，代表 ATCase 的活性在此點之上很快變成活性型，此點之下則保持在非活性型。有點像一個負責開關的關鍵濃度，當基質的濃度到達此點，酵素的活性迅速上升；反之若在此濃度之下，酵素的活性保持著較低的活性。因此，異位脢可以說是具有感受環境中基質濃度的能力，藉以調節其活性的大小。 正效應物 ATP 會增加 ATCase 的活性，其動力學的 S 型曲線則變回原來的傳統式 M-M 拋物線。而負效應物 CTP 會降低 ATCase 活性，雖仍保持原來的 S 型曲線，但會往高基質濃度位移，亦即需要更高的基質濃度來維持其正常活性。 Off On [Substrate] Juang RH (2004) BCbasics

3 Mechanism and Example of Allosteric Effect
Kinetics Cooperation Models Allosteric site R = Relax (active) [S] vo Homotropic (+) Concerted (+) Allosteric site [S] vo (+) A Heterotropic (+) Sequential (+) X T = Tense (inactive) 酵素 的構形不是固定的，會在活性型 (relax) 與非活性型 (tense) 之間變動 (上左圖)；當酵素與基質或其他分子結合時，會因構形的改變而影響本身或相鄰次體的構形，因而造成整體酵素活性的變化，稱為異位現象 allosteric effect。 異位現象因為細部機制的不同，可以有相當多的不同方式，我把其中部份例子以圖示整理如上。最上圖是當一個基質分子 [S] 與酵素結合後，影響另一個次體的酵素結合區，稱為 homotropic (因為是活性區影響活性區)。中圖的正效應物 [A] 結合在活性區之外的位置，可以直接改變該次體的構形，使得基質更容易結合 (+)，也可以間接影響另一個次體的構形；因為是 [A] 效應物結合區影響到不相似的基質結合區，故稱為 heterotropic。而這兩個次體的構形若是同時改變，則成為 concerted (協同式)；若是先改變一個，接著再改變另一個，則稱為 sequential (順序式)。最下圖的負效應物 [I] 則在活性區以外的位置結合後，反而使基質不容易與酵素結合 (-)，並且也影響到另一個次體的結合。[A] 與 [I] 都結合在活性區以外的位置，稱之為 allosteric site。 請注意在各種情況下，動力學曲線的改變情形。正效應物 [A] 通常都會使各次體都轉變成 relax form，與沒有異位現象的酵素一樣，其 S 型曲線都會回復一般 M-M 公式的拋物線。 而負效應物 [I] 會降低酵素活性，雖仍保持原來的 S 型曲線，但往高基質濃度位移，亦即需要更高的基質濃度來維持其活性。 [S] vo I Heterotropic (-) Concerted (-) (-) X X Juang RH (2004) BCbasics

4 Activity Regulation of Glycogen Phosphorylase
Covalent modification P A P A GP kinase T P T GP phosphatase 1 P Non-covalent ATP Glc-6-P Glucose Caffeine spontaneously A Glucose Caffeine AMP Garrett & Grisham (1999) Biochemistry (2e) p.679 肝糖磷解脢 的重要性可由其複雜的調控機制得證，幾乎囊括所有重要的調節方式。因此異位脢這種細膩的蛋白質調控方法，當然在肝糖磷解脢也有，而且效應物種類繁多。 肝糖磷解脢的各種調控機制可以整理成為兩大類，其一為共價性修飾，就是 Ser 14 的磷酸化反應；另一則為非共價性的修飾，正向的活化物只有 AMP 一種，要特別注意並不是 cAMP；而負面的抑制劑則有許多，例如葡萄糖、Glc-6-P、ATP 與咖啡因。這兩大類效應物真是壁壘分明，例如 AMP 與 ATP 的能量狀況恰好相反，血中的 AMP 濃度高了，表示需要能量，因此活化了肝糖磷解脢以便進行磷解反應，取得能量；反之，若血中充滿了 ATP，則關掉肝糖磷解脢活性，不須再降解肝糖。 上圖的右半部需加說明，在磷酸化之後，肝糖磷解脢很快由 T 轉換成 R，因此往下的箭頭較粗。但是即使有磷酸化，當加入負效應物時，也會由 R 轉回 T 而失去活性。 P A P A A R R A