跳转到内容

生物化学与分子生物学/酶的调节

维基教科书,自由的教学读本

酶与酶促反应- 酶的分子结构与功能 - 酶的工作原理 - 酶促反应动力学 - 酶的调节 - 酶的分类与命名 - 酶在医学中的应用
细胞内许多酶的活性是可以受调节的。通过调节,有些酶可在有活性和无活性、或者高活性和低活性两种状态之间转变。此外,某些酶在细胞内的含量也可以发生改变,从而改变酶在细胞内的总活性。细胞根据内外环境的变化而调整细胞内代谢时,主要是通过对催化限速反应的调节酶(亦称为关键酶)的活性进行调节而实现的。

酶活性的调节是对酶促反应速率的快速调节[编辑]

细胞对现有酶活性的调节包括酶的别构调节和酶的化学修饰调节,它们属于对酶促反应速率的快速调节。

别构效应剂通过改变酶的构象而调节酶活性[编辑]

体内一些代谢物可与某些酶的活性中心外的某个部位非共价可逆结合,引起酶的构象改变,从而改变酶的活性,酶的这种调节方式称为酶的别构调节(allosteric regulation of enzymes), 亦曾称为变构调节。
受别构调节的酶称为别构酶(allosteric enzyme) , 引起别构效应的物质称为别构效应剂(allosteric effector)。酶分子与别构效应剂结合的部位称为别构部位(allosteric site)或调节部位(regulatory site)。有些酶的调节部位与催化部位存在于同一亚基;有的则分别存在于不同的亚基,从而有催化亚基和调节亚基之分。根据别构效应剂对别构酶的调节效果,有别构激活剂(allosteric activator)和别构抑制剂(allosteric inhibitor)之分。别构效应剂可以是代谢途径的终产物、中间产物、酶的底物或其他物质。
别构酶分子中常含有多个(偶数)亚基,具有多亚基的别构酶也与血红蛋白一样,存在着协同效应,包括正协同效应和负协同效应。如果效应剂与酶的一个亚基结合,此亚基的别构效应使相邻亚基也发生构象改变,并增加对此效应剂的亲和力,这种协同效应称为正协同效应;如果后续亚基的构象 改变降低对此效应剂的亲和力,则称为负协同效应。如果效应剂是底物本身,正协同效应的反应速率-底物浓度曲线呈"S"形。

酶的化学修饰调节是通过某些化学基团与酶的共价可逆结合来实现[编辑]

酶蛋白肽链上的一些基团可在其他酶的催化下,与某些化学基团共价结合,同时又可在另一种酶的催化下,去掉已结合的化学基团,从而影响酶的活性,酶的这种调节方式称为酶的共价修饰 (covalent modification of enzymes)或称酶的化学修饰(chemical modfication)。在化学修饰过程中,酶发生无活性(或低活性)与有活性(或高活性)两种形式的互变。 酶的共价修饰有多种形式,其中最常见的形式是磷酸化和去磷酸化。酶蛋白的磷酸化是在蛋白激酶的催化下,来自ATP的 γ-磷酸基共价地结合在酶蛋白的Ser、Thr或Tyr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,磷酸酯键被水解而脱去磷酸基。

酶原需要通过激活过程才能转变为有活性的酶[编辑]

有些酶在细胞内合成或初分泌、或在其发挥催化功能前处于无活性状态,这种无活性的酶的前体称作酶原(zymogen或proenzyme)。在一定条件下,酶原向有催化活性的酶的转变过程称为酶原的激活。酶原的激活大多是经过蛋白酶的水解作用,去除一个或几个肽段后,导致分子构象改变,从而表现出催化活性。酶原激活实际上是酶的活性中心形成或暴露的过程。 例如,胰蛋白酶原进入小肠后,在Ca2+存在下受肠激酶的作用,第6位赖氨酸残基与第7位异亮氨酸残基之间的肽键断裂,水解掉一个六肽,分子构象发生改变,形成酶的活性中心,从而成为有催化活性的胰蛋白酶。
此外,胃蛋白酶原、胰凝乳蛋白酶原、弹性蛋白酶原及羧基肽酶原等均需水解掉一个或几个肽段后,才具有消化蛋白质的活性。
酶原的存在和酶原激活具有重要的生理意义。消化道蛋白酶以酶原形式分泌可避免胰腺的自身消化和细胞外基质蛋白遭受蛋白酶的水解破坏,同时还能保证酶在特定环境和部位发挥其催化作用。生理情况下,血管内的凝血因子以酶原形式存在,不发生血液凝固,可保证血流畅通。一旦血管破损,一系列凝血因子被激活,凝血酶原被激活生成凝血酶,后者催化纤维蛋白原转变成纤维蛋白,产生血疑块以阻止大量失血,对机体起保护作用。

酶含量的调节是对酶促反应速率的缓慢调节[编辑]

酶是机体的组成成分,各种酶都处于不断合成与降解的动态平衡过程中。因此,除改变酶的活性外,细胞也可通过改变酶蛋白合成与降解的速率来调节酶的含量,进而影响酶促反应速率。

酶蛋白合成可被诱导或阻遏[编辑]

某些底物、产物、激素、生长因子及某些药物等可以在转录水平上影响酶蛋白的生物合成。一般在转录水平上能促进酶合成的物质称为诱导物(inducer),诱导物诱发酶蛋白合成的作用称为诱导作用(induction)。反之,在转录水平上能减少酶蛋白合成的物质称为辅阻遏物(co-repressor) , 辅阻遏物与无活性的阻遏蛋白结合而影响基因的转录,这种作用称为阻遏作用(repression)。酶基因被诱导表达后,尚需经过转录水平和翻译水平的加工修饰等过程,所以从诱导酶的合成到其发挥效应,一般需要几小时以上方可见效。但是,一旦酶被诱导合成后,即使去除诱导因素,酶的活性仍然待续存在,直到该酶被降解或抑制。因此,与酶活性的调节相比,酶合成的诱导与阻遏是一种缓慢而长效的调节。例如,胰岛素可诱导合成HMG-CoA还原酶,促进体内胆固醇合成,而胆固醇则阻遏HMG-CoA还原酶的合成;糖皮质激素可诱导磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶的合成,促进糖异生。镇静催眠类药物苯巴比妥可诱导肝微粒体单加氧酶合成。

酶的降解与一般蛋白质降解途径相同[编辑]

细胞内各种酶的半寿期相差很大。如鸟氨酸脱羧酶的半寿期很短,仅30分钟,而乳酸脱氢酶的半寿期可长达130小时。
组织蛋白的降解途径有:

  • 组织蛋白降解的溶酶体途径(非ATP依赖性蛋白质降解途径),由溶酶体内的组织蛋白酶非选择性催化分解一些膜结合蛋白、长半寿期蛋白和细胞外的蛋白;
  • 组织蛋白降解的胞质途径(ATP依赖性泛素介导的蛋白降解途径),主要降解异常或损伤的蛋白质,以及几乎所有短半寿期(10分钟至2小时)的蛋白质。