Biochemistry Basics

細胞與分子 胺基酸 蛋白質 酵 素 核 酸

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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。

   
 

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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。

   
 

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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。

   
 

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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?)。

   
 

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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。

   
 

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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。

   
 

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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。

   
 

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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。

   
 

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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。以下就以肝糖磷解磟陞D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。

   
 

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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。

   
 

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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 。

   
 

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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)。

   
 

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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。

   
 

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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。

   
 

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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。

   
 

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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。

   
 

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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。

   
 

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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。

   
 

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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。

   
 

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建立日期:2000/3/15   更新日期:2005/06/16  © 版權所有