细胞内酶活性调节及其机制

细胞内物质代谢中常常是由多个连续的酶促反应构成的。每一种代谢途径中都涉及多种酶。当酶促反应总速率变化时，往往不需要全部酶活性的改变，而常常仅限于某些酶活性的变化，就能达到调节该代谢途径的要求。这些催化各种反应途径限速步骤的、并能影响和调节该途径反应速率的酶称为调节酶（regulatory enzyme）或关键酶（key enzyme）。调节酶常位于反应途径第一步或分支处，其活性改变适应机体的需要。

酶活性的调节是对细胞内现有的酶活性的调节，是一种准确、快速、精确的调节。对酶活性的调节主要包括酶的变构调节和酶的共价修饰调节等。此外，多酶体系、多功能酶、肽链的催化裂解（酶原激活）、酶亚单位的聚合与解聚等也是酶活性调节的重要方式。另外酶在细胞内的区域化分布、环境温度、有机溶剂、pH、金属离子、抑制剂和激活剂等都能影响酶的活性。

（一）酶的变构调节

细胞内一些中间代谢物能与某些酶分子活性中心以外的某一部位以非共价键可逆结合，使酶构象发生改变并影响其催化活性，进而调节代谢反应速率，这种现象称为变构效应（allosteric effect）。对酶催化活性的这种调节方式称为变构调节（allosteric regulation）。具有变构调节的酶被称为变构酶（allosteric enzyme）。酶分子中与中间代谢物结合的部位称为变构部位（allosteric site）或调节部位（regulatory site）。能引起变构效应的代谢物称为变构效应剂（allosteric effector）。如果某效应剂能使酶活性增加并加速反应速率，则被称为变构激活剂（allosteric activator）；反之，降低酶活性及反应速率者称为变构抑制剂（allosteric inhibitor）。

变构酶均由多个亚基构成，含催化部位的亚基称为催化亚基（catalytic subunit）；含有与变构效应剂相结合的部位（调节部位）的亚基称为调节亚基（regulatory subunit）。有的酶分子的催化部位与调节部位在同一亚基内。具有多个亚基的变构酶与血红蛋白相似，也存在协同效应。当效应剂与酶的第一个亚基结合后可引起寡聚酶的其余亚基构象发生变化，进而与此种效应剂结合的速率加快，这种效应称为正协同效应；反之使效应剂与酶结合速率下降则称为负协同效应。变构效应剂常常引起酶的紧密构象（T态）和松弛构象（R态）之间的互变，亚基的聚合或解聚。例如，蛋白激酶A由两个催化亚基（C）与两个调节亚基（R）构成（图3-21）。调节亚基对催化亚基活性有抑制作用。cAMP是一种蛋白激酶变构激活剂，它可与调节亚基结合，使调节亚基发生构象改变，从而与催化亚基分离，游离的催化亚基即具有催化活性。

图3-21　蛋白激酶A的变构作用

蛋白激酶A（R2C2）的R2与4个cAMP结合后，使R亚基对C亚基的抑制作用消失，C亚基则具有催化活性。

图3-22　变构酶的“S”形曲线

变构效应剂可以是酶的底物、产物或其他小分子代谢物。这些变构效应剂浓度的变化可通过变构效应改变某些酶的活性，进而改变代谢反应速率或代谢途径的方向。变构酶的动力学特点不符合米氏方程式。在变构效应剂作用下，正协同效应变构酶的反应速率对［S］的曲线呈“S”形（图3-22），而不是矩形双曲线。例如，磷酸果糖激酶-1的变构激活剂是ADP、AMP。当它们发挥作用时，S形曲线可左移发生变构激活作用；而变构抑制剂ATP可使曲线右移，发生变构抑制作用。变构调节只引起酶构象的改变，不涉及共价键的改变。

（二）酶的化学修饰(www.xing528.com)

图3-23　酶蛋白的磷酸化与去磷酸化

酶蛋白肽链上的某些基团可在另一种酶的催化下，与某些化学基团发生可逆的共价结合，从而影响酶的活性。酶活性的这种调节方式被称为酶的化学修饰（chemical modification）或共价修饰（covalent modification）。酶的可逆的共价修饰包括磷酸化（phosphorylation）和去磷酸化（dephosphorylation）（图3-23）、甲基化（methylation）和去甲基化（demethylation）、腺苷化（adenylation）和去腺苷化（deadenylation）、尿苷化（uridylation）和去尿苷化（deuridylation）、ADP-核糖化（ADP ribosylation）和去ADP-核糖化（deribosylation）等。酶的磷酸化和去磷酸化是常见的酶化学修饰方式。酶蛋白的磷酸化是在蛋白激酶的催化下，来自ATP的磷酸基团共价地结合在酶蛋白的丝氨酸、苏氨酸或酪氨酸残基的侧链羟基上。反之，磷酸化的酶蛋白在磷蛋白磷酸酶催化下，磷酸酯键被水解。磷酸化或去磷酸化可使酶从无（低）活性变为有（高）活性或从有（高）活性变为无（低）活性。

（三）酶原与酶原的激活

一些酶在细胞合成时，没有催化活性，需要经一定的加工剪切才有活性。这类无活性的酶的前体称为酶原（zymogen）。在合适的条件下和特定的部位，无活性的酶原向有活性的酶转化的过程称为酶原的激活（zymogens activation）。人体内与肠道消化、血液凝固、免疫系统补体等作用相关的酶在分泌过程时是以酶原形式存在的。酶原分子中没有活性中心或活性中心被掩盖，因此酶原无催化活性。酶原的激活是酶原在另一蛋白水解酶的催化下，切除部分肽段导致分子构象改变，进而形成或暴露酶的活性中心的过程。例如，胰蛋白酶原（245个氨基酸残基）经胰腺A细胞合成进入小肠时，在Ca2+存在下可被肠液中的肠激酶激活，从N-端水解下一个六肽，胰蛋白酶一级结构改变后，分子构象改变卷曲形成活性中心，于是无活性的胰蛋白酶原变成有活性的胰蛋白酶（239个氨基酸残基）（图3-24）。

图3-24　胰蛋白酶原的激活

胰蛋白酶原被激活后，生成的胰蛋白酶对胰蛋白酶原有自身激活作用，这大大加速了该酶的激活作用，同时胰蛋白酶还可激活胰凝乳蛋白酶原、羧基肽酶原A和弹性蛋白酶原等（表3-7），加速肠道对食物的消化过程。血液中血液凝固与纤维蛋白溶解系统的激活也具有典型的逐步放大效应，呈级联反应。少量凝血因子被激活时，可通过瀑布式放大作用，使大量凝血酶原转化为凝血酶，迅速引起血液凝固的发生。

表3-7　某些消化酶原的激活

酶原形式的存在及酶原的激活有重要生理意义。消化道蛋白酶以酶原形式分泌，避免了胰腺细胞和细胞外间质的蛋白被蛋白酶水解而破坏，并保证酶在特定环境及部位发挥其催化作用。正常情况下血管内凝血酶原不被激活，则无血液凝固发生，保证血流通畅运行。一旦血管破损，凝血酶原激活成凝血酶，后者催化纤维蛋白酶原变成不溶性的纤维蛋白，阻止大量失血。因此，还可以把酶原看成是酶的贮存形式，一旦需要时，便可激活应用。