酶分子結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)
(一)變構(gòu)調(diào)節(jié)
1.變構(gòu)調(diào)節(jié)的概念 某些物質(zhì)能與酶分子上的非催化部位特異地結(jié)合，引起酶蛋白的分子構(gòu)象發(fā)生改變，從而改變酶的活性，這種現(xiàn)象稱為酶的變構(gòu)調(diào)節(jié)或稱別位調(diào)節(jié)(allosteric regulation)。
受這種調(diào)節(jié)作用的酶稱為別構(gòu)酶或變構(gòu)酶(allosteric enzyme)，能使酶發(fā)生變構(gòu)效應(yīng)的物質(zhì)稱為變構(gòu)效應(yīng)劑(allosteric effector);如變構(gòu)后引起酶活性的增強，則此效應(yīng)劑稱為激活變構(gòu)劑(allosteric activator)或正效應(yīng)物；反之則稱為抑制變構(gòu)劑(allosteric inhibitor)或負(fù)效應(yīng)物。
變構(gòu)調(diào)節(jié)在生物界普遍存在，它是人體內(nèi)快速調(diào)節(jié)酶活性的一種重要方式。現(xiàn)將某些代謝途徑的變構(gòu)效應(yīng)劑列表如下：
表9-1 糖和脂肪代謝酶系中某些變構(gòu)酶及其變構(gòu)效應(yīng)劑
| 代謝途徑 | 變構(gòu)酶 | 激活變構(gòu)劑 | 抑制變構(gòu)劑 |
| 糖氧化分解 | 已糖激酶 | G-6-P | |
| 磷酸果糖激酶 | AMP、ADP、FDP、Pi | ATP、檸檬酸 | |
| 丙酮酸激酶 | FDP | ATP、乙酸CoA | |
| 異檸檬酸脫氫酶 | AMP | ATP、長鏈脂酰CoA | |
| 檸檬酸合成酶 | ADP、AMP | ATP | |
| 糖異生 | 果糖-1，6-二磷酸酶 | AMP | |
| 丙酮酸羥化酶 | 乙酰CoA、ATP | ||
| 脂肪酸合成 | 乙酰CoA羥化酶 | 檸檬酸、異檸檬酸 | 長鏈脂酰CoA |
2.變構(gòu)調(diào)節(jié)的生理意義 變構(gòu)效應(yīng)在酶的快速調(diào)節(jié)中占有特別重要的地位。在前面已經(jīng)提及，代謝速度的改變，常常是由于影響了整條代謝通路中催化第一步反應(yīng)的酶或整條代謝反應(yīng)中限速酶的活性而引起的。這些酶對底物不遵守米曼氏動力學(xué)原則。
它們往往受到一些代謝物的抑制或激，這些抑制或激活作用大多是通過變構(gòu)效應(yīng)來實現(xiàn)的。因而,這些酶的活力可以極靈敏地受到代謝產(chǎn)物濃度的調(diào)節(jié)，這對機體的自身代謝調(diào)控具有重要的意義。
例如，變構(gòu)酶對于人體能量代謝的調(diào)節(jié)具有重要意義。在休息狀態(tài)下，機體能量消耗降低，ATP在細(xì)胞內(nèi)積聚，而ATP是磷酸果糖激酶的抑制變構(gòu)劑，所以導(dǎo)致F－6－P和G－6－P的積聚，G－6－P又是已糖激酶的抑制變構(gòu)劑，從而減少葡萄糖的氧化分解。
同時，ATP也是丙酮酸激酶和檸檬酸合成酶的抑制變構(gòu)劑，更加強了對葡萄糖氧化分解的抑制，從而減少了ATP的進(jìn)一步生成。反之，當(dāng)體內(nèi)ATP減少而ADP或AMP增加時，AMP則可抑制果糖1，6－二磷酸酶，降低糖異生，同時激活磷酸果糖激酶和檸檬酸合成酶等酶，加速糖的分解氧化，利于體內(nèi)ATP的生成。
這樣，通過變構(gòu)調(diào)節(jié)，使體內(nèi)ATP的生成不致過多或過少，保證了機體的能源被有效利用。
3.變構(gòu)調(diào)節(jié)的機理 目前已知，能受變構(gòu)調(diào)節(jié)的酶，常常是由兩個以上亞基組成的聚合體。有的亞基與作用物結(jié)合，起催化作用，稱為催化亞基；有的亞基與變構(gòu)劑結(jié)合，發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，稱調(diào)節(jié)亞基。但也可在同一亞基上既存在催化部位又存在調(diào)節(jié)部位。
變構(gòu)劑與調(diào)節(jié)亞基(或部位)間是非共價鍵的結(jié)合，結(jié)合后改變酶的構(gòu)象(如,變?yōu)槭杷苫蚓o密)，從而使酶活性被抑制或激活。變構(gòu)酶與米－曼氏酶不同，其動力學(xué)不符合米曼氏方程式：酶促反應(yīng)速度和作用物濃度的關(guān)系曲線不呈矩形而常常呈S形，S形曲線與氧合血紅蛋白的解離曲線相似。
當(dāng)變構(gòu)劑與調(diào)節(jié)亞基(或部位)結(jié)合后，變物劑對酶分子的構(gòu)象發(fā)生什么樣的影響呢?下面以果-1，6-二磷酸酶為例闡述這一過程。果糖-1，6-二磷酸酶是由四個結(jié)構(gòu)相同的亞基所組成，每個亞基的分子量約為310，000Da。
每個亞基上既有催化部位也有調(diào)節(jié)部位。在催化部位上能結(jié)合一分子FDP，在調(diào)節(jié)部位上能結(jié)合一分子變構(gòu)劑。此酶有兩種存在形式，即緊密型(T型、高活性)與松弛型(R型、低活性)。AMP是此酶的抑制變構(gòu)劑。
當(dāng)酶處于T型時，因其調(diào)節(jié)部位轉(zhuǎn)至聚合體內(nèi)部而難以與AMP結(jié)合，故對AMP不敏感而表現(xiàn)出較高的活性。在第一個AMP分子與調(diào)節(jié)部位結(jié)合后，T型逐步轉(zhuǎn)變成R型，各亞基構(gòu)象相繼發(fā)生改變，調(diào)節(jié)部位相繼暴露，與AMP的親和力逐步增加，酶的活性逐漸減弱，這就是果糖-1，6-二磷酸酶由緊密型變成松弛型的變構(gòu)過程。
抑制變構(gòu)劑促進(jìn)高活性型至低活性型的轉(zhuǎn)變，激活變構(gòu)劑則促進(jìn)低活性型至高活性型的轉(zhuǎn)變。這一變構(gòu)過程是可逆的。
△：酶亞基上的催化部位 X：酶亞基上的調(diào)節(jié)部位 FDP：果糖-1，6－二磷酸
變構(gòu)效應(yīng)劑可以是酶的底物，也可以是酶系的終產(chǎn)物，還有的是與它們結(jié)構(gòu)不同的其他化合物，一般說，都是小分子物質(zhì)。一種酶可有多種變構(gòu)效應(yīng)劑存在。
果糖－1，6－二磷酸酶的變構(gòu)過程是T型與R型的可逆轉(zhuǎn)變。有些酶的變構(gòu)效應(yīng)還可表現(xiàn)為酶分子的聚合或解聚，如乙酰CoA羧化酶，它是脂肪酸合成過程中的關(guān)鍵酶。
它是由四種不同亞基構(gòu)成的原聚體，每個亞基有不同的功能，分別是：生物素 載體 蛋白，它能結(jié)合輔基生物素；生物素羧化酶，它能催化生物素發(fā)生羧化反應(yīng)；羧基轉(zhuǎn)移酶，它能將生物素上的羧基轉(zhuǎn)移給乙酰CoA形成丙二酰CoA；和調(diào)節(jié)亞基，它能與檸檬酸或異檸檬酸結(jié)合，使原聚體聚合為多聚體。
Kieinschmidt等已在電子顯微鏡下看到了由檸檬酸和異檸檬酸使原聚體聚合形成的纖維狀的多聚體。只有多聚體酶才有催化活性。ATPMg＋＋可使多聚體解聚為原聚體而使酶失活。長鏈脂酰CoA可拮抗檸檬酸的促聚合作用，因此，它們都是該酶的變構(gòu)抑制劑。
(二)酶分子化學(xué)修飾調(diào)節(jié)
1.酶分子化學(xué)修飾的概念
酶分子肽鏈上的某些基團可在另一種酶的催化下發(fā)生可逆的共價修飾，從而引起酶活性的改變，這個過程稱為酶的酶促化學(xué)修飾(chemical modification)。如磷酸化和脫磷酸，乙酰化和去乙酰化，腺苷化和去腺苷化，甲基化和去甲基化以及-SH基和－S－S－基互變等，其中磷酸化和脫磷酸作用在物質(zhì)代謝調(diào)節(jié)中最為常見。
細(xì)胞內(nèi)存在著多種蛋白激酶(Protein Kinase)，它們可以將ATP分子中的γ-磷酸基團轉(zhuǎn)移至特定的蛋白分子底物上，使后者磷酸化(phosphorylation)。磷酸化反應(yīng)可以發(fā)生在絲氨酸、蘇氨酸或酪氨酸殘基上。
催化絲氨酸或蘇氨酸殘基磷酸化的酶統(tǒng)稱為蛋白絲氨酸/蘇氨酸激酶(Protein Serine/Threonine Kinase)。催化酪氨酸殘基磷酸化的酶統(tǒng)稱為蛋白酪氨酸激酶(ProteinTyrosine Kinase)。
與此相對應(yīng)的，細(xì)胞內(nèi)亦存在著多種蛋白絲氨酸/蘇氨酸磷酸酶(ProteinSerine/Threonine Phosphotase)和蛋白酪氨酸磷酸酶(Protein Tyrosine Phosphotase)，它們可將相應(yīng)的磷酸基團移去。
酶的化學(xué)修飾如變構(gòu)調(diào)節(jié)一樣，也是機體物質(zhì)代謝中快速調(diào)節(jié)的一種重要方式，表9?列出了一些酶的酶促化學(xué)修飾的實例。
表9－2 某些酶的酶促化學(xué)修飾調(diào)節(jié)
| 酶類 | 反應(yīng)類型 | 效應(yīng) |
| 糖無磷酸化酶 | 磷酸化／脫磷酸 | 激活/抑制 |
| 磷酸化酶b激酶 | 磷酸化／脫磷酸 | 激活/抑制 |
| 磷酸化酶磷酸酶 | 磷酸化／脫磷酸 | 抑制/激活 |
| 糖元合成酶 | 磷酸化／脫磷酸 | 抑制/激活 |
| 丙酮酸脫羥酶 | 磷酸化／脫磷酸 | 抑制/激活 |
| 脂肪酶（脂肪細(xì)胞） | 磷酸化／脫磷酸 | 激活/抑制 |
| 谷氨酰胺合成酶（大腸桿菌） | 腺苷化／脫腺苷 | 抑制/激活 |
| 黃嘌呤氧化（脫氫）酶 | －SH/-S-S- | 脫氫/氧化 |
2.酶促化學(xué)修飾的機理
肌肉糖元磷酸化酶的酶促化學(xué)修飾是研究得比較清楚的一個例子。該酶有兩種形式，即無活性的磷酸化酶b和有活性的磷酸化酶a。磷酸化酶b是二聚體，分子量約為85，000Da。
它在酶的催化下，使每個亞基分別接受ATP供給的一個磷酸基團，轉(zhuǎn)變?yōu)榱姿峄竌，后者具有高活性。兩分子磷酸化酶a二聚體可以再聚合成活性較低的(低于高活性的二聚體)磷酸化酶a四聚體。
3.酶促化學(xué)修飾的特點
(1)絕大多數(shù)酶促化學(xué)修飾的酶都具有無活性(或低活性)與有活性(或高活性)兩種形式。它們之間的互變反應(yīng),正逆兩向都有共價變化，由不同的酶進(jìn)行催化，而催化這互變反應(yīng)的酶又受機體調(diào)節(jié)物質(zhì)(如激素)的控制。
(2)存在瀑布式效應(yīng)。由于酶促化學(xué)修飾是酶所催化的反應(yīng)，故有瀑布式(逐級放大)效應(yīng)。少量的調(diào)節(jié)因素就可通過加速這種酶促反應(yīng)，使大量的另一種酶發(fā)生化學(xué)修飾。因此，這類反應(yīng)的催化效率常較變構(gòu)調(diào)節(jié)為高。
(3)磷酸化與脫磷酸是常見的酶促化學(xué)修飾反應(yīng)。一分子亞基發(fā)生磷酸化常需消耗一分子ATP，這與合成酶蛋白所消耗的ATP相比，顯然是少得多；同時酶促化學(xué)修飾又有放大效應(yīng)，因此，這種調(diào)節(jié)方式更為經(jīng)濟有效。
(4)此種調(diào)節(jié)同變構(gòu)調(diào)節(jié)一樣,可以按著生理的需要來進(jìn)行。在前述的肌肉糖元磷酸化酶的化學(xué)修飾過程中，若細(xì)胞要減弱或停止糖元分解,則磷酸化酶a在磷酸化酶a磷酸酶的催化下即水解脫去磷酸基而轉(zhuǎn)變成無活性的磷酸化酶b，從而減弱或停止了糖元的分解。
此外，酶促化學(xué)修飾與變構(gòu)調(diào)節(jié)只是兩種主要的調(diào)節(jié)方式。對某一種酶來說，它可以同時受這兩種方式的調(diào)節(jié)。如，糖元磷酸化酶受化學(xué)修飾的同時也是一種變構(gòu)酶，其二聚體的每個亞基都有催化部位和調(diào)節(jié)部位。
它可由AMP激活，并受ATP抑制，這屬于變構(gòu)調(diào)節(jié)。細(xì)胞中同一種酶受雙重調(diào)節(jié)的意義可能在于，變構(gòu)調(diào)節(jié)是細(xì)胞的一種基本調(diào)節(jié)機制，它對于維持代謝物和能量平衡具有重要作用，但當(dāng)效應(yīng)劑濃度過低，不足以與全部酶分子的調(diào)節(jié)部位結(jié)合時，就不能動員所有的酶發(fā)揮作用，故難以應(yīng)急。
當(dāng)在應(yīng)激等情況下，若有少量腎上腺素釋放，即可通過cAMP,啟動一系列的瀑布式的酶促化學(xué)修飾反應(yīng)，快速轉(zhuǎn)變磷酸化酶b成為有活性的磷酸化酶a，加速糖元的分解，迅速有效地滿足機體的急需。
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