構造生物化学/酵素制御/アロステリック制御

アロステリック制御とは、酵素の活性部位以外の場所にアロステリックエフェクターと呼ばれる非基質分子を結合させる酵素制御の一種を指します。 アロ」は他を意味し、「ステリック」はある一定の空間内の位置を意味する。 つまり、アロステリックとは、”別の場所にある “という意味です。 アロステリック部位とは、小さな制御分子が酵素と相互作用して、その特定の酵素を阻害または活性化する部位であり、触媒活性が生じる活性部位とは異なるものである。 アロステリックなエフェクターは、一般に非共有結合性で可逆的である。 この相互作用により、酵素の形状が変化し、その結果、活性部位の形状が変化する。 この形状の変化により、反応の触媒作用が阻害されたり促進されたりする。 つまり、アロステリック制御により、細胞は抑制と増強を通じて必要な物質を迅速に調節することができるのです。

ATCaseEdit

The enzyme aspartate transcarbamoylase (ATCase) is an allosteric enzyme that catalyzes the first step in the synthesis of pyrimidines.

StructureEdit

ATCase is made of six regulatory subunits and six catalytic subunits. The 3 regulatory subunits (r) are dimers made of 2 chains of 17 kd each. The smaller of the two, the regulatory subunit can bind to CTP and thus shows no catalytic activity. The 2 catalytic subunits (c) are trimers consisting of 3 chains, each 34 kd. The catalytic subunit is unresponsive to CTP thus does not follow a sigmoidal behavior.

• The quaternary structure of ATCase is composed of the two catalytic trimers stacked one on top of another. CTPの阻害作用，ATPの刺激作用，基質との協同結合はすべてATCaseの4次構造の大きな変化を伴う。
• 各制御サブユニットのr鎖は触媒3量体のc鎖と結合する。 r鎖とc鎖の間の接触領域は、r鎖のヒスチジン残基に結合した亜鉛のドメインによって安定化されている。

触媒サブユニットと調節サブユニットは、まず水銀化合物を添加し、次に超遠心分離することにより分離することができる。 水銀化合物は亜鉛イオンを置換し、r-サブユニットドメインを不安定にするため、接続を断ち切る。 この反応はMichaelis-Mentenの挙動には従わず、他の分子による制御を介した基質濃度の応答変化と結合確率の変化により、シグモイド曲線を描くようになる。 より多くの基質を加えることは、各酵素に結合する基質の平均量を増加させる一方で、酵素が複数の基質分子を結合する確率を増加させる2つの効果を持つ。 平衡は基質が占める活性部位の数に依存するため、基質が増えると最終的にATCaseのR状態が有利になる。これはMichaelis-Mentenの挙動とは完全に逆である。

KineticsEdit

アロステリック酵素はミカエリス-メンテンよりもジグモイド動力学に近い挙動を見せていますが、ミカエリス-メンテンとは全く逆の挙動です。メントン・キネティクス

• T状態は、低い基質親和性と低い触媒活性を特徴とする。
• R状態のコンフォメーションでは、触媒三量体間に 12Å の間隔があり、中心軸に対しておよそ 10°回転している。 また、制御サブユニットによる約15°の回転がある。

Allosteric Activation Edit

三量体のc鎖間のポケットにある活性部位に基質が結合すると、ATCaseは基質結合によりR状態が安定化し、R状態に移行する可能性が高くなります。 基質の結合は、各酵素が結合する確率を高め

、結合する基質の平均数を増やすことで（協同性）、よりR状態へ平衡をシフトさせる。

ATPもATCaseの制御部位に結合できるが、ATPはATCaseの活性を阻害せず、むしろATPはATCaseの活性を増加させる。 つまり、ATPが大量に存在すると、ATPはCTPと競合して、制御部位を獲得することができるのです。 つまり、ATCaseの活性は、ATPの濃度が高くなるにつれて上昇するのです。 この活性の増加は、生理学的に説明することができる。 ATPの濃度が高いということは、プリンヌクレオチドの濃度が高いということですから、ATCaseの活性が高まれば、ピリミジン類の濃度が高くなります。 つまり、プリンとピリミジンの両方の濃度がよりバランスよくなるわけです。

PALAEdit

酵素経路の基質中間体に類似した二基質アナログである N-(phosphonacetyl)-L-asparate (PALA) の存在下では、PALA は活性部位に結合して ATCase を阻害します。 しかし、この阻害作用は、PALAが結合することによって4次構造が変化することを明らかにした。 2つの触媒三量体がそれぞれのT状態とR状態に分離している。

T状態とR状態の比較T状態は分子を緊張させ、1/2のVmaxで酵素に結合するために必要な基質の量を増加させることが知られています(Km)。 T-stateは活性が低く、CTPの結合によって有利になる。 CTPの効果により、T-stateは安定化する。 つまり、酵素をR-stateに変換することが難しくなる。 一方、R状態はよりリラックスした状態になることが知られており、Kmが減少する。 基質の濃度が高くなると、平衡はT-状態からR-状態へと移行する。 R状態では、分子はより活性化され、基質結合が有利になることを意味する。 ATPの効果でR状態が安定化し、基質との結合が容易になる。

ホモトロピック効果 — アロステリック酵素における基質効果。

ヘテロトロピック効果 —。ATCaseに対するCTPやATPのような非基質分子のアロステリック酵素への影響

Allosteric InhibitionEdit

Cytidine triphosphate (CTP) ですね。 ATCaseの最終生成物はアロステリックレギュレーターとして機能する。 カルバモイルリン酸とアスパラギン酸が縮合し、N-カルバモイルアスパラギン酸中間体となり、これがCTPとなる。 CTPは、調節サブユニットのc鎖と接触していないr鎖に結合する。 CTPが結合することによりT状態が安定化し、基質親和性が低下する。 制御サブユニットでの結合部位が触媒サブユニットから離れていても、結合により4次構造変化が起こり、T状態の安定化と阻害が促進される。 したがって、シグモイド曲線が右にシフトすることになる。 の低濃度では反応が速く起こるが、高濃度ではCTPは活性部位ではなく調節部位またはアロステリック部位によってATCaseに対する阻害剤として作用することになる。 これは負のフィードバックの一例で、最終的な結果が開始時の反応を終了させる。 CTPによるATCaseへのフィードバック阻害は、ATPによって逆転させることができる。

異方性効果 —酵素に対する非基質分子の効果

CooperativityEdit

アスパラギン酸の濃度が高くなると、生成物の生成速度N-カルバモイルアスパラギン酸は増加します。 これは、分子のある部位に基質が結合すると、他の基質が分子の他の結合部位に結合する親和性が高くなることを意味します。 ATCaseのシグモーダル曲線は、2つのミカエリス・メンテン曲線が混在しており、1つはKMの値が高く（T状態を介して示される）、もう1つはKMの値が低く（R状態を介して示される）、このような曲線になっている。 あるサブユニットに基質が結合し、その結果、他のすべてのサブユニットが変化することを協同性と呼ぶ。 協同性では、ある部位での結合が、酵素の別の部位での結合を増加または減少させる。 これは、隣接するサブユニット残基のコンフォメーション変化が、他の触媒サブユニットの形状変化に影響を与えるためである。 このプロセスは、ヘモグロビンが酸素分子を協同で結合する方法に類似しています。

MechanismEdit

酵素には 2 つの活性部位があります。 1つは基質、もう1つは調節部位にあるアロステリック活性化因子のためのものです。 アロステリック活性化因子が制御部位に結合していない場合、酵素の活性部位は基質を結合することができません。 一方、アロステリック活性化剤が酵素に結合すると、活性部位の形状が変化し、基質の結合が可能になり、生成物が作られるようになります。 アロステリック活性化物質が酵素から離れるまで、酵素は活性を維持します。