生物化學基礎 Biochemistry Basics 2008

酵素 Enzyme (6)

細胞與分子 - 胺基酸 - 蛋白質 - 核 酸

酵 素 - 生物技術

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1  酵素的命名

2  酵素的構成

3  酵素動力學

4  酵素的抑制

5  酵素催化機制

6  酵素活性調節

7  細胞代謝調控

8  生物技術應用

6  酵素活性的調節 

6.1  蛋白質裂解

6.1.1  脢原或前驅體

6.1.2  蛋白脢

6.1.3  Ubiquitin-Proteasome 降解路徑

6.2  磷酸化 (phosphorylation)

6.3  非共價結合之信息傳導分子

6.3.1  cAMP

6.3.2  Calmodulin (攜鈣素)

6.3.3  非共價結合之信息傳導分子

6.4  異位脢 (allosteric enzyme)

6.4.1  Aspartate transcarbamoylase (ATCase)

6.4.2  異位脢的作用模型

問題集  (6)

酵素的調節機制令人讚嘆

 Wikipedia

Control of activity

Phosphorylation

Ubiquitin

Protease

Proteasome

Signal transduction

Allosteric regulation

Glycogen phosphorylase

     

酵素 6

相關投影片

6  酵素活性的調節:

酵素活性的調節,對細胞生理極為重要,因為細胞並不一定期望某酵素一直保持在活性狀態。對酵素分子的共價或非共價性修飾,其調節活性的效果最為直接而迅速;有些是可逆反應,也有部分是不可逆。以下面四種方式 (6.1~6.4),再加上抑制劑的使用,細胞就可以自由控制酵素活性的高低。

 圖 8  酵素活性的調節控制方式 (上面的數字代表各說明章節)

 

投影片 E6a

E6-1

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6.1 蛋白質裂解

不只是酵素,很多蛋白質都是利用降解來調節其活性或功能。

6.1.1 脢原或前驅體:

以蛋白質的裂解來調節酵素活性,該酵素在裂解後得以活化;也可以把完成任務後的蛋白質分解掉,以免繼續進行著生理作用。

 a. 許多酵素 (或蛋白質) 剛由 mRNA 轉譯成蛋白質時,分子量較大而不具活性,稱為脢原 (zymogen);在蛋白質則稱前驅體 (precursor)。脢原或前驅體須經蛋白脢切開,或除去部分胜肽,才能成為具有活性的分子。請研究下面數例,注意胰島素及腦啡是荷爾蒙而非酵素,而打有 * 號者乃表示具有活性者:

(1) 凝血脢:Prothrombin → Thrombin* → [凝血反應]

凝血對生物體是一件很嚴重的事,血液不能在血管內任意凝固,但若一旦受傷又得馬上凝血。因此細胞對誘發凝血的過程,控制得非常嚴格,是以一種『梯瀑 cascade』的方式,把一個信息漸次放大。而在放大過程中有許多管制點,可避免因假警報誤導致凝血。上面的凝血脢 (thrombin) 生成是最後一步,凝血脢可立即誘發凝血蛋白聚合成凝血塊。

(2) 胰島素:Preproinsulin → Proinsulin → Insulin* 

剛轉譯出來的 preproinsulin 在分子摺疊好以後,要切除 N-端的一段胜肽成為 proinsulin,然後再切除中央的一段 C 胜肽後,才會有活性。

(3) 腦啡:先合成一長條八元體的前驅體,再以一種類似 trypsin 的蛋白脢裂解成單位腦啡,因此其產生也受到蛋白脢的控制。

 b. 許多破壞性強的酵素 (如蛋白脢) 先以脢原形式合成出來,以免在到達作用目標前破壞其它蛋白質;或以胞器或細胞膜隔離,稱區隔化 (compartmentalization)。

Chymotrypsinogen → p-Chymotrypsin* → a-Chymotrypsin*

Chymotrypsinogen 分子的斷裂會使其構形改變,露出新的 N-端 Ile16,這個新的 -NH3+ 會吸引 Asp194 的酸基,進而固定隔壁的 Ser195,使其就定位,得以被轉換成活性基團,同時打開專一性結合區,轉變成為活性型。

 c. 這種脢原裂解的活化方式是不可逆的,因為被切掉的片段無法接回;因此細胞以抑制劑 (inhibitor) 來控制此類酵素。Trypsin 及其抑制劑為一例,trypsin 被切開活化後,只能用其專一性抑制劑去控制 (或者乾脆摧毀之)。

6.1.2 蛋白脢:

越來越多的研究發現,蛋白脢在細胞內具有重要的生理功能。

 a. 依催化機制可分成四類:(1) 金屬蛋白脢、(2) Serine 蛋白脢 (3) Cysteine (或 thio) 蛋白脢、(4) Aspartyl (或 acid) 蛋白脢。

 b. 同一族的蛋白脢序列都有類似的胺基酸序列及構形,尤其在活性區的保守性胺基酸幾乎不會改變 (如 Ser 蛋白脢的 catalytic triad);但分子其它部份的序列,則因趨異演化衍生出許多具有不同專一性的蛋白脢。而構造完全不相關的 acetylcholinesterase,則因趨同演化而生成具有類似 catalytic triad 的 ester 水解能力。

 c. 類似核酸的 intron 與 exon,蛋白質也有自我剪接的現象,稱 intein 與 extein,是轉譯後的修飾作用;但此現象並不是很普遍。

6.1.3 Ubiquitin-Proteasome 降解路徑:

細胞內蛋白質的降解,可能是一種調節性的生理作用;最近發現很多蛋白質,都要先標上 ubiquitin 後,才以 proteasome 來進行修飾或者降解。 (參考 蛋白質 1.3.2)

a. Ubiquitin (泛素):

廣泛分布在動植物細胞中,同質性高而分子量小 (含七十多個胺基酸),可以連到目標蛋白質分子的 Lys 胺基,作為被降解的標記 (ubiquitination)。目標蛋白質的胺基酸序列上,通常在近 N-端有一特定信號序列 (destruction box)。

b. Proteasome (蛋白脢體):

是由很多較小單位分子所組成的巨大分子,主體看來像是四個甜甜圈疊在一起,中央的孔洞可以容納目標蛋白質,並將其分解成胜肽片段;目標蛋白質大都要先標有 ubiquitin,水解後 ubiquitin 可以回收再利用催化反應都在活性區內進行,活性區可提供有利催化的環境。

 

 

6.2 磷酸化 (phosphorylation):

磷酸化是非常廣泛且多功能的蛋白質修飾方式,在信息傳導上極為重要;越來越多的生理現象,被發現與蛋白質的磷酸化或去磷酸化有關。而肝糖磷解脢 (glycogen phosphorylase, GP) 是磷酸化調控活性的典型例子,請仔細研究之。

 a. 蛋白質分子上些胺基酸,如 Ser, Thr, Tyr (或 His) 的 -OH 基 (His 為 imidazole 基團) 會被蛋白質激脢 (protein kinase) 修飾,在其分子加上磷酸而致活化,此磷酸可再被蛋白質磷酸脢 (protein phosphatase) 去掉而失活,但亦有很多相反的例子。

 b. 蛋白質磷酸化加上一個強負電基團,影響附近胜肽鏈的排列,造成蛋白質構形改變,而使活性升高或降低。除了磷酸化之外,蛋白質也可以接上核苷酸達到活化。

 c. 最近發現有些磷酸化蛋白質也會進入上述 ubiquitin-proteasome 路徑,引發該蛋白質的降解,以達調節目的。

 

 

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6.3 非共價結合之信息傳導分子:

主要代表分子是 cAMP 及 calmodulin,都是信息傳導途徑的重要媒介,與上述的磷酸化反應共同合作,組成有效的細胞調節網路。

6.3.1 cAMP:

蛋白質激脢之活性受到 cAMP 調節,原不具活性的激脢與 cAMP 結合後,會釋出活化型的蛋白質激脢。下圖說明蛋白質激脢的活化方式。 (◎ catalytic subunit; ☉ regulatory subunit; ♁ = ☉ + cAMP)

 + 4 cAMP

 [☉☉◎◎] ────→ ♁♁ + ◎◎*  ← 具有活性的蛋白質激脢

  沒有活性                          ↓

                                          ☉☉ + 4 cAMP

6.3.2 Calmodulin (攜鈣素):

當細胞內的鈣離子濃度改變時,會誘導許多生理反應,而 calmodulin 即為細胞內鈣濃度的感應與作用分子;它的分子 (17 kD) 上有四個鈣離子結合位置,與鈣結合後誘導自身分子構形的改變,可與目標蛋白質結合,並調節後者的活性。

6.3.3 信息傳導路徑:

當荷爾蒙或細胞激素等胞外信息分子到達目標細胞,與胞膜上的專一性受體結合後,就會引發該細胞的一連串反應,把胞外信息帶入細胞內,以啟動所要的生理反應。細胞內的這些反應,相當複雜而有效,統稱為信息傳導。由上面所述的磷酸化及 cAMP 等小分子為主軸,加上目標酵素的活化,可分成幾個層次,各層次由許多模組所構成。

下面整理出這幾個層次,並且舉出一個對應例。

 Signal →  Receptor →  Transducer → Effector enzyme →  Effector → Effect

對應的分子如下例:

Glucagon → Receptor → G-protein → Adenylate cyclase → cAMP → Kinase

這種傳導途徑有兩個特點,是細胞生理極為重要的手段:

a. 放大作用 (amplification):

上述一層一層的傳導過程中,有些是酵素 (如 cyclase, kiase)。而一個酵素分子若經活化,代表著將有大量的基質會被催化成生成物,而生成物會再傳導給下一步反應,信息因此而被放大。這種方式,非常像真空管的電流放大作用,也是上述 cascade 梯瀑式放大的一種。

b. 彈性模組 (flexibility):

信息傳導的每一步代表一個層次,而每個層次可由數種不同模組所組成,因此可以有多樣化的彈性組合,以因應不同細胞的獨特需要。

細胞如何因為信息錯誤而失控  (一小段影片取自 DNA 時代 2:解破癌症祕密)  wmv, 9.5 min, 15 Mb

 

 

 

 

 

 

 

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6.4 異位脢 (allosteric enzyme):

有些酵素的活性,會被它下游的產物所調節,是為迴饋控制 (feedback) 現象;這類酵素的分子上,除了有活性區可與其基質結合外,還有可與其下游產物結合的位置,稱為調節區 (regulatory site),這種酵素則稱為異位脢。

6.4.1 Aspartate transcarbamoylase (ATCase):

ATCase 是典型的異位脢。

a. 迴饋控制:

ATCase 催化 aspartate 與 carbamoyl-P 連結成 carbamoyl aspartate 的反應,後者經代謝後生成 CTP; CTP 則回頭與 ATCase上 的調節區結合,反而抑制 ATCase 的活性 (負迴饋)。由於 ATCase 是這個反應鏈的起始酵素,控制 ATCase 即可控制整條代謝路徑。

b. 四級構造:

ATCase 是由兩組催化次體 (catalytic subunit, CCC) 以及三組調節次體 (regulatory subunits, RR) 組成;每組催化次體由三條蛋白質組成 (C, 34 kD),每組調節次體由兩條蛋白質組成 (R, 17 kD):

2 (CCC) + 3 (RR) = C6R6

每一調節次體有一效應物結合區,每一催化次體有一基質結合區。

c. S 型曲線:

ATCase 的動力學結果顯示,以 vo 對基質 [Asp] 濃度直接作圖,得一 S 型曲線 (sigmoidal curve),而非典型的 M-M 單股雙曲線 (見圖 9)。這是合作式 (cooperative) 的協力現象,表示基質與酵素之任何一個次體結合後,可誘導改變酵素的分子構形,促進其它次體與基質間的結合能力 (positive homotropic effect)。

d. 分子開關:

此 S 曲線有一轉折點,基質在達到這個基質濃度後,酵素反應速率急速上升。可以將此轉折點看做酵素對其環境基質濃度的 感應點,當基質濃度低於轉折點時酵素不太活動;而達到轉折點時,酵素便很快起動達到 Vmax (圖 9 下圖誇張為虛線,以突顯此轉折點)。

 圖 9  異位脢的動力學表現

e. 協力現象:

若反應加入 CTP,則圖 9 上圖的 S 型曲線下移 (但 Vmax 不變),表示 CTP 會降低 ATCase 的活性 (negative heterotropic);而 ATP 則反可增強 ATCase 活性 (positive heterotropic),但原 S 型曲線則變成一般的 M-M 雙曲線,協力現象消失。

f. 效應物:

ATP 與 CTP 均可影響此異位脢的活性,二者都是其代謝相關產物,稱為效應物 (effector);兩者在構造上與基質 Asp 均不相像,故並非活性區的競爭者,而是結合在分子的其他位置 (異位調節區),結合後會影響酵素的分子構形,使酵素與基質的親和力下降,因而降低活性;而 ATP 與 CTP 乃互相競爭此一調節區。

6.4.2 異位脢的作用模型:

當異位脢受到效應物的影響時,其分子可能會有不同的反應行為。

a. 異位作用:

基質 (或效應物) 與異位脢的一個次體結合後,會使原來的 T (tense) 型次體,變成較易接受基質的 R (relaxed) 型,然後繼續影響其他次體的結合能力。有兩種方式︰

(1) Concerted 協同式:

酵素分子的每個次體,在結合前後一起呈現 T 或 R 型,保持對稱性;若酵素為二元體,則為 RR 或 TT,而無 RT 型。效應物的結合也是同樣情形,抑制劑會使酵素固定在 TT 型,活化劑使成為 RR 型;在被效應物結合後,都失去了協力現象。

(2) Sequential 順序式:

酵素的每個次體各自與基質 (或效應物) 結合後,個別由 T 型轉成 R 型,並不影響其他次體的構形 (仍為 T 型,但對其他次體與基質的親和力,可能有正或負面影響)。依基質加入順序,分子構形變化為 TT→RT→RR。

b. 兩種效應方式:

基質與異位脢的結合,可能是協同式效應;即一個次體與基質結合後,誘導所有次體都轉成 R 型,使其他次體的活性區更易接受基質。如此影響其他次體上同種結合區者 (活性區→活性區) 稱 homotropic (同質效應)。而效應物與異位脢的結合多為順序式,且會影響其他次體與基質的結合能力;此種不同種結合區之間相互影響 (調節區→活性區) 則稱 heterotropic (異質效應)。

 

 

 

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問題集   以下題目不一定有標準答案,甚至會引起很大的爭議,但這就是問題集之目的。

 1. 有些酵素經過磷酸化後反而失去活性,請問其機制或原因何在?

 2. 請寫出蛋白質上可被磷酸化的胺基酸種類,及其被磷酸化位置。

 3. 許多 proteases 的抑制劑本身都是蛋白質,請問為何這種蛋白質抑制劑不會被 protease 水解,反而能夠抑制之?

 4. 請任舉三種細胞生理上的現象,都是因於蛋白質裂解所造成的結果? 例如:Chymotrypsinogen 的活化

 5. 請問為何異位脢 (allosteric enzyme) 的動力學作圖可得到一條S型曲線?並說明此 S 型曲線有何意義。

 6. 異位脢是否一定要具有四級構造?請詳細說明。

 7. 許多生理反應都以梯瀑式 cascade 方式進行,請問會產生何種重大的效應?

 8. 請舉出六種以上可以使酵素失去活性的方法。

 9. 請判斷下列各題的真偽: (並說明原因)

 a) 與磷酸化一樣,AMP 對肝糖磷解脢的調控,也是改變該酵素的分子構形。

 b) 蛋白質激脢 (protein kinase) 的催化反應本身都是可逆的,因此蛋白質的磷酸化可以其逆反應來去除之。

 c) 若某酵素的動力學試驗得到一 S 型曲線,表示此酵素為多元體的四級構造。

 f) 很多生物含有血紅蛋白 (hemoglobin),其胺基酸序列同質性很高,因此其構形相似,都保有相同的運氧功能。

 e) 多元體酵素的存在是為了活性之調控。

 f) 抑制劑 (inhibitor) 與負效應物 (negative effector) 都可影響酵素活性,其差別在於後者一定是細胞的代謝產物,前者不然。

10.是非選擇題 (答案寫在內,是→○、非→╳)

 a) 有關肝糖磷解脢的調節方式: 可經磷酸化使酵素活性上升  cAMP 是 (+) 異位調節因子  ATP 是其競爭性抑制劑  磷酸化會使其構形改變

 b) 有關異位脢的作用方式: 可能受其上游代謝物所抑制  其動力學行為呈一 S 型曲線  其 effector 的作用區即活性區  異位脢不一定要有四級構造

11.如何以非共價鍵方式來調節肝醣磷解脢的活性?

12.生物細胞中,許多生理功能有『放大 amplification』的作用,例如信息傳導中的關鍵酵素 (cyclase, kinase),請再舉出數例。

13.同上題,但並非屬生物細胞,而是人為的實驗方法中,有哪些是具有放大功能的?

14.以人工定點突變可以改變酵素的重要胺基酸,進而改變酵素的催會特性,但是通常改變出來的新酵素,活性都較原來的酵素差,請問為何如此? 若果真如此,則此種定點突變修改酵素的方法,有何實際用途?

 

 

 

 

本網頁最近修訂日期: 2017/02/19