Enzyme slide 6

Biochemistry Basics
細胞與分子．胺基酸．蛋白質．酵素．核酸
回首頁
酵素幻燈片 1 2 3 4 5 6 7 8
	Slide 6

	回到酵素目錄接上節幻燈片集成 Reference

■

		E601

	目錄第 6 節酵素的調節

	酵素的重要性質之一，就是其催化活性的大小，可受到各種方式的調節；細胞因此可以打開或關閉某些酵素的活性，以此來調節細胞內外的種種生理性質 (第六節)。這在整個細胞或生物個體的代謝上，有相當重要的角色，我們也將對細胞代謝做一個通則性的描述，以作為將來代謝各論的引介 (第七節)。

	細胞內酵素的調節方式有許多層次，可以是在基因層次、RNA 表現層次，或者蛋白質的層次等。我們把所有在蛋白質轉譯後的調控方式，整理在下一張圖表中，也將一一說明之。酵素的調控以及相關的一些信息傳導機制，甚或蛋白脢的抑制劑調節，都是現代生化或分子生物學的重心，各位有志於分子細胞學或分子醫學研究的同學，絕對要在此打好穩固的基礎。

	■ 到講義相關部份	■ 到幻燈片集成

		E602

	五種酵素活性的調節機制

	上圖整理出五種酵素的調控方式，其中以抑制劑來抑制酵素的方法與機制已在第四節中介紹過，將不再談。其餘四種除了胜鍵裂解 (6.1) 是不可逆性的修飾方法外，都是可逆性的調節。而三種可逆性調節方式當中，只有磷酸化 (6.2) 是共價性修飾，其餘兩種為非共價性的結合，都是利用某種分子與酵素結合而修飾之；其中 cAMP 及 calmodulin (6.3) 是都信息傳導的分子，是把指令由細胞外面傳到裡面的中間人；另外的迴饋控制 (6.4) 則是以細胞內的上下游代謝物質來控制酵素活性。

	這幾種方法，都同時在生物體中努力地進行細胞內外酵素活性的調控，以便讓細胞達到最大、最有效，而且可以控制自如的生理功能。

	■ 到講義相關部份	■ 到幻燈片集成

		E603

	Protein degradation 例子

	由 mRNA 所轉譯出來的蛋白質，有許多都暫時沒有活性，或活性很低，要再經過裂解修飾後，才能開始顯現活性，這是一種不可逆的共價性修飾方式。例如較為危險的蛋白脢，多先以不具活性的形式合成出來，以免其他蛋白質遭受到其水解。這種沒有活性的前驅物，稱為該酵素的脢原 (zymogen)。以上列出一些常見的例子，注意其中有很多並非酵素。

	而人體內最複雜的脢原系統，可能非凝血機制莫屬。凝血機制是一連串的蛋白質裂解，一步一步活化下一步的蛋白脢，到最後一個蛋白脢 thrombin 切開凝血蛋白的原料 fibrinogen 產生凝血纖維 fibrin 開始凝血。設計這麼複雜的梯瀑式調控之原因，是因為在人體中不能任意凝血，否則對循環系統會有大害；因此，以一種極為複雜的調控機制來控制，以免有失。而無法凝血的血友病，是因為上述凝血過程中的一個蛋白脢無法合成出來，因此斷了凝血梯瀑的鏈子，最後也就無法凝血。

	■ 到講義相關部份	■ 到幻燈片集成

		E604

	6.1 蛋白脢種類 (以活性中心分類)

	凡是可以水解胜肽鍵的酵素，均統稱為蛋白脢。蛋白脢的種類非常多，我們大致歸納為四大類，均依其催化特性來命名。例如 metal protease 是因為分子中含一金屬離子，此金屬離子不但可維持酵素的正確分子構形，也可以參與催化反應；Ser 及 Cys protease 是因為催化區上含有一個 Ser 或 Cys 胺基酸為主要的催化機團；而 Asp protease 也是因為分子上需要有兩個 Asp 基團，以便抓住水解所需的水分子。

	每一類蛋白脢家族內，其成員的催化機制都相同，但催化目標的專一性不同；例如 Ser 家族內的 trypsin 嗜好水解鹼性胺基酸，而 chymotrypsin 喜歡較大的芳香基團。

	以下將把重點放在 Ser protease 的催化區，看其催化鐵三角如何作用，以及此家族在分子演化上的奇特表現。最有趣的是，這種有效的催化鐵三角，居然也會被其它酵素盜用 (或是純屬雷同？)。

	■ 到講義相關部份	■ 到幻燈片集成

		E605

	Genetically engineered subtilsins

	為了研究 Ser protease 的催化區，有人把 subtilisin 催化鐵三角上面的胺基酸修改，再看影響修飾後的蛋白脢活性大小。結果發現，Ser 195 是絕對不可以改變的重要胺基酸，His 57 及 Asp 102 次之。同時，若把可以穩定過渡狀態分子的 Asn 155 改成不具電荷的 Leu，活性也會下降一千倍。因此，這三個重要胺基酸是不能改變的，所有 Ser protease 家族成員，都有這三個胺基酸在固定的位置。

	■ 到講義相關部份	■ 到幻燈片集成

		E606

	Molecular evolution 分子演化

	Acetylcholinesterase (AchE) 是與 Ser protease 家族完全無關的一個酵素，它獨立演化出類似 Ser 催化鐵三角的 Asp-His-Ser 活性區，其作用模式也與 Ser protease 類似，但催化的是水解 acetylcholin 的 ester bond 而非 peptide bond；事實上，這兩種鍵結的水解方式，也極為相像。這種由不相關的前驅物開始，卻發展出相同的催化機制，稱為趨同演化；而 Ser protease 家族則是由一個相同的始祖開始，趨異演化成各個不同的家族成員。

	因此，演化現象不但在鉅觀的生物圈發生，同時也在分子層次的微觀世界上演。

	■ 到講義相關部份	■ 到幻燈片集成

		E607

	Protein degradation

	以裂解來控制一個蛋白質的活性，是一種無法回頭的單向調節；因此，一旦蛋白脢被活化之後，便無法再回復其原來的無活性狀態。細胞可以用兩種方法把蛋白脢的活性終止：或把此蛋白脢完全水解掉，或是用該蛋白脢的抑制劑來抑制其活性。因此，蛋白質的降解也是一種調控方式；尤其為了有效利用體內的胺基酸資源，沒有用途的蛋白質都要在水解後，進行回收使用。

	細胞內有兩種構造奇特但類似的巨大蛋白質，基本上都是由四個甜甜圈形狀的大分子聚合體所組成。其中之一 chaperonin 可以幫助蛋白質摺疊成正確的構形；若蛋白質還是無法成為原態蛋白質，就被送到另一種由四個甜甜圈構成的 proteasome 內進行水解。另外，一些細胞不再需要或者廢棄的蛋白質，會被標示以叫做 ubiquitin 的小蛋白質，有此標誌者會很快被送到 proteasome 內水解。

	■ 到講義相關部份	■ 到幻燈片集成

		E608

	Intein & extein

	發現某些蛋白質在轉譯之後，其分子上的某一部份會被切除掉，剩下的部份又可連接在一起。有點像核酸的 intron 與 exon 系統一樣，這段被切掉的蛋白質可稱為 intein，留下來的部份則稱為 extein； intein 可能有其他的生理作用，據稱可以回到細胞核中，修飾它原來所轉錄轉譯而來的基因。

	■ 到講義相關部份	■ 到幻燈片集成

		E609

	血糖濃度的調節

	血糖太高或太低對人體都有不好的影響，因此體內有極為複雜的血糖調節系統，主角是合成肝糖的肝糖合成脢 (glycogen synthase, GS)，及降解肝糖以生成葡萄糖的肝糖磷解脢 (glycogen phosphorylase, GP)。此二酵素分別受到荷爾蒙胰島素 (insulin) 及胰增糖素 (glucagon) 的影響，人體便可利用控制荷爾蒙的濃度來調節血糖濃度。

	這兩種荷爾蒙分子到達目標細胞時，細胞膜上有此荷爾蒙的接受體，當兩者接合之後信息便可傳入細胞內，引發酵素活性，進行所需要的糖類代謝。這些信息是如何傳導給最終的酵素 GS 及 GP？這即是最近極為蓬勃的信息傳導，以及典型的酵素調控機制。以下就以肝糖磷解叠為主要對象及實例，說明酵素如何以磷酸化、信息傳導分子以及迴饋控制的方式，進行其活性的調節。

	肝糖磷解脢具有以上各種調控機制，很少有酵素如此密集地被調控著，因為肝糖磷解脢在糖類的利用實在是太重要。以下我們先瞭解肝糖磷解脢的分子構造及生化性質。

	■ 到講義相關部份	■ 到幻燈片集成

		E610

	磷酸化為可逆性共價修飾

	為何 GP 經過磷酸化，或者與效應物分子結合後，會改變其活性？主要原因是因為 GP 可因磷酸化等修飾而改變其分子構形。

	GP 的分子構形有兩種形式，其一是較為鬆散的 R 型，有較大的活性；另一為較緊張的 T 型，活性較低。當 GP 被磷酸化或與小分子結合，就會在這兩種構型之間轉換，因而改變其活性。蛋白質是利用其胺基酸序列中 Ser, Thr 或 Tyr 上面的 -OH 基團進行磷酸化，經磷酸化後這些胺基酸基團變成帶有極強的負電性，會造成與同一分子上其他帶正電基團間的吸引，因此而牽動分子改變構形。後來又發現，His 上的 imidazole 基團也會被磷酸化。

	蛋白質的磷酸化及去磷酸化是相當普遍的現象，但加上磷酸後的活性是上升或下降，則隨蛋白質或細胞不同而異。磷酸化可以說是蛋白質補足其二十種基本胺基酸基團太弱的方法，使得蛋白質有較強的基團可以應用；但比這還高明的是，利用後來才修飾上去的磷酸化，也可以用酵素去除之，結果變成一種轉換自如的修飾方式，可機動性地調節酵素活性。

	■ 到講義相關部份	■ 到幻燈片集成

		E611

	6.2 肝醣磷解脢 GP (共價部份)

	肝糖磷解脢 (GP) 可以對肝糖進行磷解反應，由肝糖長鏈的端點開始，把葡萄糖一個個切下來，並且加上磷酸成為 Glc-1-P，後者可以進入糖解作用以產生能量。

	平常 GP 是以較不活躍的 b 型存在著，要用其專用的激脢 (GP kinase) 進行磷酸化，才成為具有活性的 a 型。而此激脢要受到另一種激脢 (protein kinase A, PKA) 的磷酸化才會有活性，才能去磷酸化 GP；而 PKA 又要受到 cAMP 的活化後，才有活性。

	cAMP 是一個重要的信息傳導分子，當荷爾蒙 glucagon 與目標細胞接合後，就在胞膜的接受體上誘發胞膜內側的 G protein，後者會活化 ATP cyclase 使得 ATP 產生 cAMP。因此這一條路徑就把外界荷爾蒙所傳來的信息，經由 cAMP 傳到 PKA，再傳到 GP kinase 後，即可活化 GP 開始執行細胞任務，把肝糖分解成單糖，以供細胞或人體所需。

	上述磷酸化只是 GP 的一種調節方式而已，是屬於共價鍵式的可逆修飾，因為磷酸化後的 GP 也可以用磷酸脢 (phosphatase) 去除磷酸，以恢復其非活性型 b。另外，GP 活性也受到其代謝物的影響，例如當血糖中有太多的單糖或能量分子，顯示不需要再水解肝糖了；此單糖或能量分子 (如 Glc-6-P, ATP) 可以直接與 GP 結合，以迅速降低其活性。

	因此，GP 除了磷酸化之外，其活性還可以受到 AMP, Glc-6-P 等小分子所調節；這些小分子都是結合在其活性區以外的地方，是有異於活性區的位置，因此特稱之為異位脢。

	■ 到講義相關部份	■ 到幻燈片集成

		E612

	信息傳導的上中下游整理

	信息傳導有一定的傳導路線，哪一個分子傳給哪一個，都有相當的專一性；例如 cyclase 專一性地催化 cAMP 的大量產生。本圖把這種路徑，分成幾個層次，最後到達 effector cAMP，cAMP 會在細胞內產生特定的效應，以執行其所負的生理功能，也稱為 second messenger。

	雖然每一個細胞內的信息傳導，都有相當的專一性，但不同的細胞間，其傳導路線卻有很大的彈性，可以把上述各層次的傳導單位，做各種不同的組合。也就是說，每一層都有可能許多選擇，細胞可以選擇某一傳導物質，而且可以有不同的效應。例如，同樣是 kinase 的磷酸化作用，但有些蛋白質被磷酸化後是提高活性，有些剛好相反，端視該細胞內有的是何種蛋白質傳導分子。

	因此，在信息傳導的設計上，細胞不但考慮到其工作效率，利用酵素的放大作用來放大信息 (amplification)；也考慮到整個細胞的經濟效益，挑選預鑄好的各種傳導分子，以便彈性地組合成各種不同的傳導路線，以適應細胞的種種不同需要 (flexibility)。

	■ 到講義相關部份	■ 到幻燈片集成

		E612a



	信息傳導是細胞把外來的信息，傳入細胞內並且放大的過程。

	好像城外有一個信差過來 (例如某種荷爾蒙)，在城門口交代一個信息給守城門的人 (荷爾蒙受體)，後者把這個信息傳給十個城門下面的人 (可能是 G-protein)，這十個人每人又傳給另外十個人 (可能是 cyclase)，如此一傳十、十傳百，會傳遍整個細胞。

	■ 到講義相關部份	■ 到幻燈片集成

		E613

	6.4 異位脢 ATCase

	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。

	■ 到講義相關部份	■ 到幻燈片集成

		E614

	異位脢的迴饋控制

	上圖整理出影響 ATCase 活性的兩種代謝物 (CTP 及 ATP)，及其動力學結果。在動力學上 ATCase 顯現出一種不同於傳統 Michaelis-Menten 公式的 S 型曲線。

	正效應物 ATP 會增加 ATCase 的活性，表示細胞中有相當充足的能量，可以供應合成 CTP 以進行核酸合成，而負效應物 CTP 會降低 ATCase 活性；也就是說，當下游產物 CTP 太多時，除非細胞中也大量堆積著上游的基質反應物，否則酵素沒有必要達到正常程度的活性。

	要造成異位脢這種調節效果，具有多元體的構造是必要的。而主要的關鍵在於，當此多元體中的任何一個次體接到基質時，會稍微改變其分子構形，並且把此變動傳到其他次體上，也誘使其他次體構形的變化，因而使整個酵素分子的活性改變。

	■ 到講義相關部份	■ 到幻燈片集成

		E615

	基質控制酵素活性 (分子開關)

	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)，代表著 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。這有點像一個負責開關的濃度，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。

	■ 到講義相關部份	■ 到幻燈片集成

		E616

	異位脢的各種作用模式

	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 (上面左側圖)；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，影響了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，但會往高基質濃度位移，亦即需要更高的基質濃度來維持其活性。

	■ 到講義相關部份	■ 到幻燈片集成

		E617

	定義各種異位調節的名詞

	上述異位脢的異位性活性調節，這些效應物 (effector) 都是內在的正常代謝物 (metabolites)，與第四節所說的抑制物不太一樣，要分辨清楚。

	異位脢的抑制劑是一種負效應物，作用在異位脢的 allosteric site 上；而外來的抑制劑可能直接作用在其活性區 (competitive)，或是活性區以外的結合區 (non-competitive)，不一定是 allosteric site。

	■ 到講義相關部份	■ 到幻燈片集成

		E618

	血液中氧分子的運送

	四級構造的妙用，可以血紅蛋白 (Hb) 與肌紅蛋白 (Mb) 的例子說明清楚。

	Hb 是四元體，有所謂的四級構造；Mb 為單元體，只有三級構造。Hb 在血中循環，由肺泡中取得氧分子，運送到肌肉中，下載丟給 Mb。因此，Hb 必須得知，何時該吸收氧分子，何時該放出；也就是說 Hb 必須有感應氧分子濃度的能力，同時還得做出吸收或放出的動作。這些能力都來自其四級構造的組成。

	在靜脈中 Hb 都不載有氧分子，這時候它的四個次體分子都處於一種休息狀態，結合區不容易張開讓 heme 接受氧分子。當 Hb 循環到肺部時，環境的氧分子濃度提高了，四個次體的任何一個分子接上一個氧分子後，馬上會牽動其它次體，使得其它次體的分子構造舒張，變得很容易接受氧分子。因此在肺部的 Hb 都很容易地滿載氧分子，經動脈輸送至肌肉。若當時肌肉相當勞累，需要大量氧分子的補充，其酸鹼度會降得比較低，Hb 就更容易釋出氧分子，而 Mb 則一昧地吸收 Hb 所下的氧分子，並無所謂的調節作用。放下氧分子的 Hb 就回復休息狀態，循著靜脈流回肺部。

	蛋白質分子的構形事實上都不是固定不動的，其分子會有某些程度的運動，上述的 Hb 分子也是如此。當其處於休息狀態時，是分子較為緊密的一種構形，稱之為 tense (T) 型；反之，若其構造較為疏鬆，則基質或其結合對象比較容易進入，稱之為 relaxed (R) 型。T 與 R 型的變化，在酵素分子的活性調節也很重要。

	■ 到講義相關部份動畫 (Hb.pps)	■ 到幻燈片集成

回到酵素目錄接下節幻燈片集成 Reference

建立日期：2000/3/15 更新日期：2005/06/16 © 版權所有