下列何種glycogenolysis的allosteric調節因子，可促進不活化態phosphorylase b轉變為活化態？

本題觀念：

本題考查的是肝醣分解 (Glycogenolysis) 關鍵酵素——肝醣磷解酶 (Glycogen phosphorylase) 的調控機制。特別是區分「異位調控 (Allosteric regulation)」與「共價修飾 (Covalent modification)」這兩種不同的活化方式。

Glycogen phosphorylase 主要有兩種形式：

1. Phosphorylase a：已磷酸化，通常處於活化態 (Active, R state)。主要受荷爾蒙 (如 Glucagon, Epinephrine) 透過 cAMP 路徑調控。
2. Phosphorylase b：未磷酸化，通常處於不活化態 (Inactive, T state)。但在細胞能量極度匱乏時，可透過異位調節因子 (Allosteric effector) 結合，使其構型改變而暫時活化，以應對緊急能量需求（如劇烈運動肌肉缺氧時）。

選項分析

• (A) ADP：

  • 雖然 ADP 濃度升高代表能量消耗，但在生化代謝調控中，AMP 才是肝醣磷解酶 b (Phosphorylase b) 最主要且最具特異性的異位活化劑。這是因為在能量消耗過程中，Adenylate kinase 會將 2 ADP 轉化為 1 ATP + 1 AMP，使得 AMP 濃度的變化幅度遠比 ADP 更適合作為低能量的敏感指標。

• (B) AMP (正確答案)：

  • 機制：AMP (Adenosine Monophosphate) 是細胞低能量狀態（ATP 耗盡）的訊號。當 AMP 濃度升高時，它會結合到 Phosphorylase b 的異位調節位點 (Allosteric site)。
  • 效應：AMP 的結合會誘導酵素構型由緊繃的不活化態 (T state) 轉變為放鬆的活化態 (R state)。這使得未經磷酸化的 Phosphorylase b 也能具有催化活性，讓肌肉在荷爾蒙訊息尚未完全啟動前，就能快速分解肝醣產生 ATP。
  • 拮抗：高濃度的 ATP 和 Glucose-6-phosphate (G6P) 會競爭此位點，將酵素推回 T state (抑制)。

• (C) ATP：

  • ATP 代表高能量狀態。ATP 會與 AMP 競爭結合異位位點，並穩定酵素的 T state (不活化態)，因此 ATP 是 Phosphorylase b 的異位抑制劑 (Allosteric inhibitor)，而非活化劑。

• (D) cAMP：

  • 機制混淆點：cAMP (Cyclic AMP) 是荷爾蒙訊號傳遞的二級傳訊者 (Second messenger)，參與的是「共價修飾」路徑，而非直接的「異位調控」。
  • 路徑：Epinephrine/Glucagon $\rightarrow$ Adenylyl cyclase $\rightarrow$ cAMP $\rightarrow$ 活化 PKA $\rightarrow$ 活化 Phosphorylase kinase $\rightarrow$ 將 Phosphorylase b 磷酸化 為 Phosphorylase a。
  • cAMP 不會直接結合在 Phosphorylase b 上使其變為活化態，它是上游的訊號分子。

答案解析

題目問的是「Glycogenolysis 的 allosteric 調節因子」且能促進「不活化態 phosphorylase b 轉變為活化態」。

• Phosphorylase b 的直接異位活化劑是 AMP。
• AMP 在肌肉劇烈收縮導致 ATP 耗盡時大量產生，作為 cell energy sensor，直接活化酵素以提供緊急能量。
• 因此，正確選項為 (B)。

核心知識點

考生應比較並熟記 Glycogen Phosphorylase 的兩種調控層次：

1. 異位調控 (Allosteric Regulation) - 快速、細胞內能量狀態感應：

   • 活化劑 (Activator)：AMP (針對 Phosphorylase b)。
   • 抑制劑 (Inhibitor)：ATP、G6P (針對 Phosphorylase b)；Glucose (針對肝臟的 Phosphorylase a)。

2. 共價修飾 (Covalent Modification) - 荷爾蒙訊號驅動：

   • 酵素：Phosphorylase kinase (負責磷酸化/活化)、Protein phosphatase 1 (負責去磷酸化/去活化)。
   • 訊號分子：cAMP (透過 PKA 路徑活化 kinase)、Ca²⁺ (肌肉收縮訊號，活化 kinase)。

參考資料

1. Harper’s Illustrated Biochemistry, 32nd Ed. Chapter 18: Metabolism of Glycogen.
2. Lehninger Principles of Biochemistry, 8th Ed. Section 15.3: Regulation of Glycogen Breakdown.
3. American Physiological Society. "Intensity and duration of exercise effects on skeletal muscle cAMP, phosphorylase, and glycogen".
4. National Institutes of Health (NIH) - PubMed. "Allosteric interactions of glycogen phosphorylase b".