生物化學與分子生物學:第一節(jié)　細胞水平的代謝調節(jié)

一、細胞內酶的分隔分布

從物質代謝過程中可知，酶在細胞內是分隔著分布的。代謝上有關的酶，常常組成一個酶體系，分布在細胞的某一組分中，例如,糖酵解酶系和糖元合成、分解酶系存在于胞液中；三羧酸循環(huán)酶系和脂肪酸β-氧化酶系定位于線粒體；核酸合成的酶系則絕大部分集中在細胞核內。這樣的酶的隔離分布為代謝調節(jié)創(chuàng)造了有利條件，使某些調節(jié)因素可以較為專一地影響某一細胞組分中的酶的活性，而不致影響其他組分中的酶的活性，從而保證了整體反應的有序性。一些代謝物或離子在各細胞組分間的穿梭移動也可以改變細胞中某些組分的代謝速度。例如，在胞液中生成的脂酰輔酶A主要用于合成脂肪；但在肉毒堿的作用下，經(jīng)肉毒堿脂酰轉移酶m.zxtf.net.cn/kuaiji/的催化，脂酰輔酶A可進入線粒體，參與β-氧化的過程。又如，Ca＋＋從肌細胞線粒體中出來,可以促進胞液中的糖元分解，而Ca＋＋進入線粒體則有利于糖元合成。

物質代謝實質上是一系列的酶促反應，代謝速度的改變并不是由于代謝途徑中全部酶活性的改變，而常常只取決于某些甚至某一個關鍵酶活性的變化。此酶通常是整條通路中催化最慢一個反應的酶，稱為限速酶。它的活性改變不但可以影響整個酶體系催化反應的總速度，甚至還可以改變代謝反應的方向。如，細胞中ATP/AMP的比值增加，可以抑制磷酸果糖激酶(和丙酮酸激酶)的活性，這不但減慢了糖酵解的速度，還可以通過激活果糖-1，6-二磷酸酶而使糖代謝方向傾向于糖異生。因此，改變某些關鍵酶的活性是體內代謝調節(jié)的一種重要方式。

人體代謝的細胞水平調節(jié)，從速度方面來說有兩種方式，一種是快速調節(jié)，一般在數(shù)秒或數(shù)分鐘內即可發(fā)生。這種調節(jié)是通過激活或抑制體內原有的酶分子來調節(jié)酶促反應速度的，是在溫度、pH、作用物和輔酶等因素不變的情況下，通過改變酶分子的構象或對酶分子進行化學修飾來實現(xiàn)酶促反應速度的迅速改變的。另一種是遲緩調節(jié)，一般經(jīng)數(shù)小時后才能實現(xiàn)。這種方式主要是通過改變酶分子的合成或降解速度來調節(jié)細胞內酶分子的含量�，F(xiàn)將這兩類調節(jié)作用分述如下：

二、酶分子結構的調節(jié)

(一)變構調節(jié)

1.變構調節(jié)的概念　某些物質能與酶分子上的非催化部位特異地結合，引起酶蛋白的分子構象發(fā)生改變，從而改變酶的活性，這種現(xiàn)象稱為酶的變構調節(jié)或稱別位調節(jié)(allosteric regulation)。受這種調節(jié)作用的酶稱為別構酶或變構酶(allostericenzyme)，能使酶發(fā)生變構效應的物質稱為變構效應劑(allosteric effector);如變構后引起酶活性的增強，則此效應劑稱為激活變構劑(allosteric activator)或正效應物；反之則稱為抑制變構劑(allostericinhibitor)或負效應物。變構調節(jié)在生物界普遍存在，它是人體內快速調節(jié)酶活性的一種重要方式�，F(xiàn)將某些代謝途徑的變構效應劑列表如下：

表9-1　糖和脂肪代謝酶系中某些變構酶及其變構效應劑

2.變構調節(jié)的生理意義　變構效應在酶的快速調節(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的酶或整條代謝反應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效應來實現(xiàn)的。因而,這些酶的活力可以極靈敏地受到代謝產(chǎn)物濃度的調節(jié)，這對機體的自身代謝調控具有重要的意義。例如，變構酶對于人體能量代謝的調節(jié)具有重要意義。在休息狀態(tài)下，機體能量消耗降低，ATP在細胞內積聚，而ATP是磷酸果糖激酶的抑制變構劑，所以導致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劑，更加強了對葡萄糖氧化分解的抑制，從而減少了ATP的進一步生成。反之，當體內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ATP的生成。這樣，通過變構調節(jié)，使體內ATP的生成不致過多或過少，保證了機體的能源被有效利用。

圖9－1　變構酶的底物濃度曲線

3.變構調節(jié)的機理　目前已知，能受變構調節(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合，起催化作用，稱為催化亞基；有的亞基與變構劑結合，發(fā)揮調節(jié)作用，稱調節(jié)亞基。但也可在同一亞基上既存在催化部位又存在調節(jié)部位。變構劑與調節(jié)亞基(或部位)間是非共價鍵的結合，結合后改變酶的構象(如,變?yōu)槭杷苫蚓o密)，從而使酶活性被抑制或激活。變構酶與米－曼氏酶不同，其動力學不符合米曼氏方程式：酶促反應速度和作用物濃度的關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(圖9－1)。

當變構劑與調節(jié)亞基(或部位)結合后，變物劑對酶分子的構象發(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構相同的亞基所組成，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節(jié)部位。在催化部位上能結合一分子FDP，在調節(jié)部位上能結合一分子變構劑。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是此酶的抑制變構劑。當酶處于T型時，因其調節(jié)部位轉至聚合體內部而難以與AMP結合，故對AMP不敏感而表現(xiàn)出較高的活性。在第一個AMP分子與調節(jié)部位結合后，T型逐步轉變成R型，各亞基構象相繼發(fā)生改變，調節(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過程。抑制變構劑促進高活性型至低活性型的轉變，激活變構劑則促進低活性型至高活性型的轉變。這一變構過程是可逆的(圖9－2)。圖中3－磷酸甘油醛和脂肪酸－載體蛋白可使活性型轉變?yōu)楦呋钚孕汀?/p>

圖9－2　果糖－1，6二磷酸酶的變構效應

△：酶亞m.zxtf.net.cn/zhuyuan/基上的催化部位　X：酶亞基上的調節(jié)部位　FDP：果糖-1，6－二磷酸

變構效應劑可以是酶的底物，也可以是酶系的終產(chǎn)物，還有的是與它們結構不同的其他化合物，一般說，都是小分子物質。一種酶可有多種變構效應劑存在。

果糖－1，6－二磷酸酶的變構過程是T型與R型的可逆轉變。有些酶的變構效應還可表現(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鍵酶。它是由四種不同亞基構成的原聚體，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；羧基轉移酶，它能將生物素上的羧基轉移給乙酰CoA形成丙二酰�睠oA；和調節(jié)亞基，它能與檸檬酸或異檸檬酸結合，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(圖9－3)。只有多聚體酶才有催化活性。ATP�睲g＋＋可使多聚體解聚為原聚體而使酶失活。長鏈脂酰�睠oA可拮抗檸檬酸的促聚合作用，因此，它們都是該酶的變構抑制劑。

圖9-3　乙酰CoA羧化酶聚合解聚示意圖

(二)酶分子化學修飾調節(jié)

1.酶分子化學修飾的概念

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修飾(chemical modification)。如磷酸化和脫磷酸，乙酰化和去乙�；�，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代謝調節(jié)中最為常見。

細胞內存在著多種蛋白激酶(ProteinKinase)，它們可以將ATP分子中的γ-磷酸基團轉移至特定的蛋白分子底物上，使后者磷酸化(phosphorylation)。磷酸化反應可以發(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)。與此相對應的，細胞內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)，它們可將相應的磷酸基團移去。酶的化學修飾如變構調節(jié)一樣，也是機體物質代謝中快速調節(jié)的一種重要方式，表9?列出了一些酶的酶促化學修飾的實例。

表9－2　某些酶的酶促化學修飾調節(jié)

2.酶促化學修飾的機理

肌肉糖元磷酸化酶的酶促化學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，轉變?yōu)榱姿峄�酶a，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(圖9－4)。

圖9－4　肌肉磷酸化酶的酶促化學修飾作用

3.酶促化學修飾的特點

(1)絕大多數(shù)酶促化學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,正逆兩向都有共價變化，由不同的酶進行催化，而催化這互變反應的酶又受機體調節(jié)物質(如激素)的控制。

(2)存在瀑布式效應。由于酶促化學修飾是酶所催化的反應，故有瀑布式(逐級放大)效應。少量的調節(jié)因素就可通過加速這種酶促反應，使大量的另一種酶發(fā)生化學修飾。因此，這類反應的催化效率常較變構調節(jié)為高。

(3)磷酸化與脫磷酸是常見的酶促化學修飾反應。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；同時酶促化學修飾又有放大效應，因此，這種調節(jié)方式更為經(jīng)濟有效。

(4)此種調節(jié)同變構調節(jié)一樣,可以按著生理的需要來進行。在前述的肌肉糖元磷酸化酶的化學修飾過程中，若細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，酶促化學修飾與變構調節(jié)只是兩種主要的調節(jié)方式。對某一種酶來說，它可以同時受這兩種方式的調節(jié)。如，糖元磷酸化酶受化學修飾的同時也是一種變構酶，其二聚體的每個亞基都有催化部位和調節(jié)部位。它可由AMP激活，并受ATP抑制，這屬于變構調節(jié)。細胞中同一種酶受雙重調節(jié)的意義可能在于，變構調節(jié)是細胞的一種基本調節(jié)機制，它對于維持代謝物和能量平衡具有重要作用，但當效應劑濃度過低，不足以與全部酶分子的調節(jié)部位結合時，就不能動員所有的酶發(fā)揮作用，故難以應急。當在應激等情況下，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修飾反應，快速轉變磷酸化酶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。

三、酶含量調節(jié)

除通過改變酶分子的結構來調節(jié)細胞內原有酶的活性外，生物體還可通過改變酶的合成或降解速度以控制酶的絕對含量來調節(jié)代謝。要升高或降低某種酶的濃度，除調節(jié)酶蛋白合成的誘導和阻遏過程外，還必須同時控制酶降解的速度，現(xiàn)分述如下：

(一)酶蛋白合成的誘導和阻遏

酶的底物或產(chǎn)物、激素以及藥物等都可以影響酶的合成。一般將加強酶合成的化合物稱為誘導劑(inducer)，減少酶合成的化合物稱為阻遏劑(repressor)。誘導劑和阻遏劑可在轉錄水平或翻譯水平影響蛋白質的合成，但以影響轉錄過程較為常見。這種調節(jié)作用要通過一系列蛋白質生物合成的環(huán)節(jié)，故調節(jié)效應出現(xiàn)較遲緩。但一旦酶被誘導合成，即使除去誘導劑，酶仍能保持活性，直至酶蛋白降解完畢。因此，這種調節(jié)的效應持續(xù)時間較長。

1.底物對酶合成的誘導作用　受酶催化的底物常�？梢哉T導該酶的合成，此現(xiàn)象在生物界普遍存在。高等動物體內，因有激素的調節(jié)作用，底物誘導作用不如微生物體內重要，但是,某些代謝途徑中的關鍵酶也受底物的誘導調節(jié)。例如，若鼠的飼料中酪蛋白含量從8%增至70%，則鼠肝中的精氨酸酶的活性可增加2?倍。在食物消化吸收后，血中多種氨基酸的濃度增加，氨基酸濃度的增加又可以誘導氨基酸分解酶體系中的關鍵酶，如蘇氨酸脫水酶和酪氨酸轉氨酶等酶的合成。這種誘導作用對于維持體內游離氨基酸濃度的相對恒定有一定的生理意義。

2.產(chǎn)物對酶合成的阻遏　代謝反應的終產(chǎn)物不但可通過變構調節(jié)直接抑制酶體系中的關鍵酶或起催化起始反應作用的酶，有時還可阻遏這些酶的合成。例如，在膽固醇的生物合成中，β－羥－β－甲基戊二酰輔酶A(HMgCoA)還原酶是關鍵酶，它受膽固醇的反饋阻遏。但這種反饋阻遏只在肝臟和骨髓中發(fā)生，腸粘膜中膽固醇的合成似乎不受這種反饋調節(jié)的影響。因此攝食大量膽固醇，漿膽固醇仍有升高的危險。此外，如δ-氨基-γ-酮戊酸(ALA)合成酶，它是血紅素合成酶系中的起始反應酶，它受血紅素的反饋阻遏。

3.激素對酶合成的誘導作用　激素是高等動物體內影響酶合成的最重要的調節(jié)因素。糖皮質激素能誘導一些氨基酸分解代謝中起催化起始反應作用的酶和糖異生途徑關鍵酶的合成，而胰島素則能誘導糖酵解和脂肪酸合成途徑中的關鍵酶的合成。

4.藥物對酶合成的誘導作用

很多藥物和毒物可促進肝細胞微粒體中單加氧酶(或稱混合功能氧化酶)或其他一些藥物代謝酶的誘導合成，從而促進藥物本身或其他藥物的氧化失活，這對防止藥物或毒物的中毒和累積有著重要的意義。其作用的本質，也屬于底物對酶合成的誘導作用。另一方面,它也會因此而導致出現(xiàn)耐藥現(xiàn)象。如，長期服用苯巴比妥的病人，會因苯巴比妥誘導生成過多的單加氧酶而使苯巴比妥藥效降低。氨甲喋呤治療腫瘤時，也可因誘導葉酸還原酶的合成而使原來劑量的氨甲喋呤不足而出現(xiàn)藥物失效現(xiàn)象。

(二)酶分子降解的調節(jié)

細胞內酶的含量也可通過改變酶分子的降解速度來調節(jié)。饑餓情況下，精氨酸酶的活性增加，主要是由于酶蛋白降解的速度減慢所致。饑餓也可使乙酰輔酶A羧化酶濃度降低，這除了與酶蛋白合成減少有關外，還與酶分子的降解速度加強有關。苯巴比妥等藥物可使細胞色素b5和NADPH－細胞色素Ｐ450還原酶降解減少，這也是這類藥物使單加氧酶活性增強的一個原因。

酶蛋白受細胞內溶酶體中蛋白水解酶的催化而降解，因此,凡能改變蛋白水解酶活性或蛋白水解酶在溶酶體內分布的因素，都可間接地影響酶蛋白的降解速度。有關情況尚了解不多�？傊�，通過酶降解以調節(jié)酶含量的重要性不如酶的誘導和阻遏作用。