生物化學(xué)與分子生物學(xué):第一節(jié)　細(xì)胞水平的代謝調(diào)節(jié)

一、細(xì)胞內(nèi)酶的分隔分布

從物質(zhì)代謝過程中可知，酶在細(xì)胞內(nèi)是分隔著分布的。代謝上有關(guān)的酶，常常組成一個酶體系，分布在細(xì)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(xì)胞核內(nèi)。這樣的酶的隔離分布為代謝調(diào)節(jié)創(chuàng)造了有利條件，使某些調(diào)節(jié)因素可以較為專一地影響某一細(xì)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(yīng)的有序性。一些代謝物或離子在各細(xì)胞組分間的穿梭移動也可以改變細(xì)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(zhuǎn)移酶m.quanxiangyun.cn/kuaiji/的催化，脂酰輔酶A可進(jìn)入線粒體，參與β-氧化的過程。又如，Ca＋＋從肌細(xì)胞線粒體中出來,可以促進(jìn)胞液中的糖元分解，而Ca＋＋進(jìn)入線粒體則有利于糖元合成。

物質(zhì)代謝實(shí)質(zhì)上是一系列的酶促反應(yīng)，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(guān)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(yīng)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(yīng)的總速度，甚至還可以改變代謝反應(yīng)的方向。如，細(xì)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(guān)鍵酶的活性是體內(nèi)代謝調(diào)節(jié)的一種重要方式。

人體代謝的細(xì)胞水平調(diào)節(jié)，從速度方面來說有兩種方式，一種是快速調(diào)節(jié)，一般在數(shù)秒或數(shù)分鐘內(nèi)即可發(fā)生。這種調(diào)節(jié)是通過激活或抑制體內(nèi)原有的酶分子來調(diào)節(jié)酶促反應(yīng)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(gòu)象或?qū)γ阜肿舆M(jìn)行化學(xué)修飾來實(shí)現(xiàn)酶促反應(yīng)速度的迅速改變的。另一種是遲緩調(diào)節(jié)，一般經(jīng)數(shù)小時后才能實(shí)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(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)酶分子的含量。現(xiàn)將這兩類調(diào)節(jié)作用分述如下：

二、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(allostericenzyme)，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(qiáng)，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(allostericinhibitor)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�，F(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

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(shí)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(jī)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(jī)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(qiáng)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(jī)體的能源被有效利用。

圖9－1　變構(gòu)酶的底物濃度曲線

3.變構(gòu)調(diào)節(jié)的機(jī)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(圖9－1)。

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(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(zhuǎn)變?yōu)楦呋钚孕汀?/p>

圖9－2　果糖－1，6二磷酸酶的變構(gòu)效應(yīng)

△：酶亞m.quanxiangyun.cn/zhuyuan/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�睠oA；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(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(gòu)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(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(tuán)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�；�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(ProteinKinase)，它們可以將ATP分子中的γ-磷酸基團(tuán)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(tuán)移去。酶的化學(xué)修飾如變構(gòu)調(diào)節(jié)一樣，也是機(jī)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(shí)例。

表9－2　某些酶的酶促化學(xué)修飾調(diào)節(jié)

2.酶促化學(xué)修飾的機(jī)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(tuán)，轉(zhuǎn)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(xué)修飾作用

3.酶促化學(xué)修飾的特點(diǎn)

(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(jī)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(jì)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(jī)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(jī)體的急需。

三、酶含量調(diào)節(jié)

除通過改變酶分子的結(jié)構(gòu)來調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)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(diào)節(jié)代謝。要升高或降低某種酶的濃度，除調(diào)節(jié)酶蛋白合成的誘導(dǎo)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(dǎo)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(qiáng)酶合成的化合物稱為誘導(dǎo)劑(inducer)，減少酶合成的化合物稱為阻遏劑(repressor)。誘導(dǎo)劑和阻遏劑可在轉(zhuǎn)錄水平或翻譯水平影響蛋白質(zhì)的合成，但以影響轉(zhuǎn)錄過程較為常見。這種調(diào)節(jié)作用要通過一系列蛋白質(zhì)生物合成的環(huán)節(jié)，故調(diào)節(jié)效應(yīng)出現(xiàn)較遲緩。但一旦酶被誘導(dǎo)合成，即使除去誘導(dǎo)劑，酶仍能保持活性，直至酶蛋白降解完畢。因此，這種調(diào)節(jié)的效應(yīng)持續(xù)時間較長。

1.底物對酶合成的誘導(dǎo)作用　受酶催化的底物常常可以誘導(dǎo)該酶的合成，此現(xiàn)象在生物界普遍存在。高等動物體內(nèi)，因有激素的調(diào)節(jié)作用，底物誘導(dǎo)作用不如微生物體內(nèi)重要，但是,某些代謝途徑中的關(guān)鍵酶也受底物的誘導(dǎo)調(diào)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(dǎo)氨基酸分解酶體系中的關(guān)鍵酶，如蘇氨酸脫水酶和酪氨酸轉(zhuǎn)氨酶等酶的合成。這種誘導(dǎo)作用對于維持體內(nèi)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(yīng)的終產(chǎn)物不但可通過變構(gòu)調(diào)節(jié)直接抑制酶體系中的關(guān)鍵酶或起催化起始反應(yīng)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(guān)鍵酶，它受膽固醇的反饋?zhàn)瓒簟５�這種反饋?zhàn)瓒糁辉诟闻K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(diào)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(yīng)酶，它受血紅素的反饋?zhàn)瓒簟?/p>

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

4.藥物對酶合成的誘導(dǎo)作用

很多藥物和毒物可促進(jìn)肝細(xì)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(dǎo)合成，從而促進(jìn)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(zhì)，也屬于底物對酶合成的誘導(dǎo)作用。另一方面,它也會因此而導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(diào)節(jié)

細(xì)胞內(nèi)酶的含量也可通過改變酶分子的降解速度來調(diào)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(guān)外，還與酶分子的降解速度加強(qiáng)有關(guān)。苯巴比妥等藥物可使細(xì)胞色素b5和NADPH－細(xì)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(qiáng)的一個原因。

酶蛋白受細(xì)胞內(nèi)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(nèi)分布的因素，都可間接地影響酶蛋白的降解速度。有關(guān)情況尚了解不多。總之，通過酶降解以調(diào)節(jié)酶含量的重要性不如酶的誘導(dǎo)和阻遏作用。