生化知识点29：酶活性的调节机制

千姿百态

一、酶的“量变”

1、酶的“量变”和“质变”的主要差别


酶的“量变”：改变酶量的方式有两种，一种是通过同工酶，另外一种是通过控制酶基因的表达和酶分子的降解。
酶的“质变”：在不改变酶浓度的前提下，对已有的酶的活性进行的调控
2、同工酶
定义：是指催化相同的反应但性质不同（Vmax和/或Km不同）的酶。它们可能以不同的量出现在一种动物不同的组织或器官，也可能出现在任何真核生物细胞不同的细胞器。
实例：高等动物的乳酸脱氢酶（LDH）有五种形式—M4、M3H、M2H2、MH3和M4。M4由四个M亚基组成，主要存在于骨骼肌，H4由四个H亚基组成，主要存在于心脏。
二、酶的“质变”

酶的“质变”调节分为酶活性的别构调节、共价修饰和水解激活调节


1、别构酶
别构调节的原理在于一些酶除了活性中心以外，还含有别构中心，该中心能够结合一些特殊的配体分子（有时为底物）。当别构中心结合配体以后，酶构象发生改变，从而影响到活性中心与底物的亲和力，并最终导致酶活性发生变化。
能够进行别构调节的酶称为别构酶，与别构中心结合调节酶活性的配体分子称为别构效应物。起抑制作用的别构效应物称为别构抑制剂，起激活作用的别构效应物称为别构激活剂。由底物作为别构效应物产生的别构效应称为同促效应，否则，就称为异促效应。许多别构酶具有多个别构中心，能够与不同的别构效应物结合。
具有协同效应的酶和无协同效应的酶都可以受到别构调节
别构调节最多出现在代谢途径中的反馈抑制（feedback inhibition），有时候还有前馈激活（feed-forward activation）和底物激活（substrate activation）。
别构调节最多出现在代谢途径中的反馈抑制，它是指一条代谢途径（通常是合成代谢途径）的终产物作为别构抑制剂抑制代谢途径前面限速酶的活性，因此也被称为终产物抑制。
解释别构酶别构效应和与底物结合的协同效应的两个模型：
（1）齐变模型：
该模型认为构成别构酶的亚基能够以两种不同的构象形式存在，一种构象为R态，另外一种构象为T态。在一个特定的酶分子内部，构成亚基之间的相互作用致使每一个酶分子的每一个亚基在某一个时候采取同一种构象，即要么都是R态，要么都是T态。
在溶液中，两种构象可以相互转变，并处于动态的平衡中，但转变的方式为齐变，即构成它们的亚基要么一齐从R态变成T态，要么一齐从T态变成R态。
（2）序变模型：
该模型认为同一个酶分子既有R亚基，又有T亚基，也就是溶液中的R态酶（R4）和T态酶（T4）之间存在多种混合体（R3T1、R2T2、R1T3），各种状态的酶处于动态平衡之中。
此外，该模型还肯定了底物对酶构象有更直接的影响。在没有底物时，酶差不多都以T态存在，这时活性中心的构象不适合与酶结合。一旦底物进入活性中心，因为“诱导契合”导致与底物结合的亚基从T态转变成R态。
序变模型还认为相邻亚基之间存在相互作用，并且这种相互作用可以影响到其他亚基的构象状态。
别构酶实例——氨甲酰转移酶：
天冬氨酸转氨甲酰酶（ATC）是大肠杆菌嘧啶核苷酸从头合成途径中的限速酶，它催化氨甲酰磷酸和Asp形成N-氨甲酰天冬氨酸和无机磷酸，其活性受到严格的调控。
对大肠杆菌ATC的动力学研究表明，其动力学曲线为S型，活性受到嘧啶合成的终产物CTP的反馈抑制，但受到嘌呤核苷酸ATP的激活。S型曲线表明该酶与底物结合具有正协同性。
ATP和CTP作为别构效应物对ATC活性调节的生理意义在于有利于平衡胞内的嘌呤核苷酸库和嘧啶核苷酸库。


2、酶的共价修饰调节
是指酶活性因其分子内的某些氨基酸残基发生共价修饰而发生变化的过程。这种调节方式比别构调节要慢。共价修饰的方式有：磷酸化、腺苷酸化、尿苷酸化、ADP-核糖基化和甲基化，其中磷酸化是最为常见的形式。
酶共价修饰的几种形式：


3、水解激活
大多数蛋白酶以无活性的酶原形式被合成，需要通过水解（由其它蛋白酶催化或自我催化）去除一些氨基酸序列以后才会有活性，这种调节酶活性的方式被称为水解激活。
与共价修饰一样，水解激活是也一种全或无的调节方式，酶原状态没有活性，但与共价修饰不同的是，它是不可逆的，即一旦被激活就不可能回到原来的非活性的酶原状态。


4、调节蛋白的激活或抑制
某些蛋白质能够作为配体与特定的酶结合而调节被结合酶的活性，这些调节酶活性的蛋白质称为调节蛋白，其中，激活酶活性的调节蛋白称为激活蛋白，抑制酶活性的蛋白称为抑制蛋白。抑制蛋白通常结合在酶的活性中心阻止底物与活性中心结合而达到抑制的效果。



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