酶活性的调节

（一）别构调节

1．别构调节的概念 别构调节是酶活力的快速调节方式之一。当内源、外源性小分子化合物非共价地结合到某些酶活性中心外的某个部位时，可改变酶的构象，继而改变酶的活性，这些酶称为别构酶（allosteric enzyme），这种调节方式称为别构调节（allosteric regulation）。别构酶分子中与小分子化合物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，有些酶的调节部位和催化部位存在于不同亚基，这些亚基分别称为调节亚基和催化亚基。能够对别构酶产生别构调节的小分子化合物称为别构效应剂（allosteric effector）。能够增加酶对底物的亲和力，从而加快酶促反应速率的别构效应剂称为别构激活剂（allosteric activator）；而降低酶对底物的亲和力，并减慢酶促反应速率的别构效应剂称为别构抑制剂（allosteric inhibitor）。

2．别构调节的机制

（1）具有多亚基的别构酶存在协同效应：别构酶常含有多个（偶数）亚基，酶的一个亚基结合别构效应剂并发生变构，相邻亚基受其影响也发生变构，并增加了对此别构效应剂的亲和力，这称为正协同效应（positive cooperative effect）。反之，如果别构效应剂与酶的某个亚基结合，引起其他亚基的变构，继而降低对此别构效应剂的亲和力，称为负协同效应（negative cooperative effect）。酶分子含有两个以上的底物结合位点，当底物与一个亚基上的活性中心结合后，可以增强其他亚基活性中心与底物的结合，出现正协同效应。多数情况下，底物对别构酶的作用都表现为正协同效应，如前述的血红蛋白受O2的别构调节；但有时底物对别构酶的调节也可能表现为负协同效应，如NAD＋对3－磷酸甘油醛脱氢酶的结合。

如果别构效应剂是酶促反应底物本身，正协同效应的底物浓度－酶活性曲线为S形（图2－18）。即底物浓度低时，酶活性增加较慢；底物浓度升高到一定程度后，酶活性显著增强，最终达到最大反应速率Vmax。

图2－18 别构酶的S形曲线

（2）别构效应剂调节别构酶活性：含有多亚基的别构酶，其催化部位（活性中心）和调节部位可能存在于同一亚基内，也可能存在于不同亚基内。含催化部位的亚基称为催化亚基，含调节部位的亚基称为调节亚基。别构效应剂与调节亚基通过非共价键特异性结合，可以改变调节亚基的构象，进而改变催化亚基的构象，从而改变酶活性（图2－18）。别构激活剂能使上述S形曲线左移，甚至形成矩形双曲线；而别构抑制剂能使S形曲线右移。如ATP是磷酸果糖激酶的别构抑制剂，而ADP、AMP为其别构激活剂。

3．别构调节的生理意义

（1）别构调节在生物界普遍存在，酶的底物、产物或其他小分子代谢物均可以成为别构效应剂。别构酶通常是代谢途径中的关键酶。作为别构效应剂的代谢中间物在细胞内浓度的改变精确反映了代谢途径的状况，并通过别构效应对关键酶进行反馈调节，最终实现对整条代谢途径的调控，是体内代谢途径的快速调节方式之一。

（2）别构酶的S形曲线中段，酶反应速率对底物浓度的变化极为敏感。底物浓度稍有降低，别构酶活性明显下降，受该酶控制的代谢途径可因此而关闭；反之，底物浓度稍有上升，代谢通路又被打开。因此，细胞可以根据内外环境的变化，通过别构酶对代谢进行更加灵敏的调节。

（二）酶原激活

1．酶原是酶的无活性前体 某些酶在细胞内合成、初分泌或在特定环境中发挥催化功能前，均以无活性前体的形式存在，这种酶的无活性前体称为酶原（zymogen）。酶原在一定条件下水解掉一个或几个特定的氨基酸，构象发生改变，从而具备催化活力。无活性的酶原向有活性的酶转变的过程称为酶原激活，实质是酶活性中心形成或暴露的过程（表2－8）。

2．酶原激活具有级联效应 多种蛋白酶，包括胃黏膜分泌的胃蛋白酶、胰腺分泌的胰蛋白酶、糜蛋白酶、弹性蛋白酶等在初分泌时均以无活性的酶原形式存在，在一定条件下发生水解，去掉一个或几个氨基酸，才能转化为有活性的酶。

表2－8 某些酶原的激活

消化道内蛋白酶原具有级联激活的性质，能够加速对食物的消化过程（图2－19）。血液中参与凝血及纤维蛋白溶解系统的各种酶类也都以酶原的形式存在，它们的激活也具有典型的级联激活性质。少量凝血因子激活就可以使大量凝血酶原激活，继而产生快速有效的凝血效应。

3．酶原的激活具有非常重要的生理意义 消化道内的各种酶以酶原的形式分泌，可以保护消化或分泌器官本身不受酶的水解和破坏，让这些酶只在特定的部位和环境中发挥催化作用。酶原还可作为酶的储存形式，在机体需要时可以迅速产生活性。凝血和纤维溶解系统中的酶类在血液循环中以酶原的形式存在，一旦机体需要就可以快速级联激活，保持血液在血管中的正常流动。

图2－19 消化道酶的级联激活

（三）共价修饰调节

1．概念 酶蛋白肽链的一些基团可与某些化学基团发生可逆的共价结合，从而改变酶的结构和功能，使酶的催化活性发生变化，这个过程称为酶的化学修饰（chemical modification）或共价修饰（covalent modification）。

2．作用特点

（1）通过化学修饰，酶可以发生无活性形式与有活性形式，或者低活性形式与高活性形式的互变，从而打开或关闭某一代谢通路。

（2）化学修饰过程中化学基团的添加和去除反应不可逆，分别由两种酶催化。

（3）连续的酶促反应可以将化学信号大幅度放大。如某种激素或其他刺激信号诱导第一个酶发生共价修饰，被修饰的酶又可以催化另一种酶分子发生共价修饰，每修饰一次，就可以将刺激信号放大一次，从而出现瀑布式的放大作用。

3．分类 酶的化学修饰有多种形式，包括磷酸化、乙酰化、甲基化、糖基化等。

（1）磷酸化修饰：酶蛋白的磷酸化（phosphorylation）修饰是调节酶活性的一种重要方式，在真核细胞中广泛存在。例如糖原磷酸化酶和糖原合酶的磷酸化调节在糖原合成过程中起着非常重要的作用。磷酸化通常发生在蛋白质的丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸残基。酶分子可能含有一个或多个磷酸化位点，这些位点的磷酸化或去磷酸化可以改变酶的结构并影响其催化活性。催化蛋白质磷酸化的酶称为蛋白激酶（protein kinase），催化蛋白质去磷酸化的酶称为蛋白磷酸酶（protein phosphatase）。

（2）乙酰化修饰：近年研究发现，蛋白质的乙酰化（acetylation）修饰不但发生于组蛋白，还存在于大量非细胞核的蛋白质，包括多种代谢酶。例如主要表达于胚胎和肿瘤细胞的丙酮酸激酶M2型异构体（pyruvate kinase M2 isoform，PKM2）305位赖氨酸受乙酰化修饰，乙酰化的PKM2酶活性降低。体内存在多种乙酰基转移酶和去乙酰化酶，分别催化乙酰化和去乙酰化反应。乙酰化修饰发生在蛋白质赖氨酸的ε－氨基上。

（3）甲基化修饰：蛋白质赖氨酸和精氨酸残基可发生甲基化（methylation）修饰。赖氨酸的ε－氨基可以被1～3个甲基修饰。不同的甲基转移酶催化不同蛋白质发生甲基化，甲基化所需甲基主要来源于S－腺苷甲硫氨酸（S－adenosyl methionine，SAM）。甲基化修饰可改变蛋白质的结构，因而对其功能产生影响。