《生物化學(xué)與分子生物學(xué)》 (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(jià)修飾，從而引起酶活性的改變，這個(gè)過程稱為酶的酶促化學(xué)修飾(chemical modification)。如磷酸化和脫磷酸，乙?；腿ヒ阴；?，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)

酶類反應(yīng)類型效應(yīng)糖無磷酸化酶磷酸化／脫磷酸激活/抑制磷酸化酶b激酶磷酸化／脫磷酸激活/抑制磷酸化酶磷酸酶磷酸化／脫磷酸抑制/激活糖元合成酶磷酸化／脫磷酸抑制/激活丙酮酸脫羥酶磷酸化／脫磷酸抑制/激活脂肪酶（脂肪細(xì)胞）磷酸化／脫磷酸激活/抑制谷氨酰胺合成酶（大腸桿菌）腺苷化／脫腺苷抑制/激活黃嘌呤氧化（脫氫）酶－SH/-S-S-脫氫/氧化

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(gè)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(gè)亞基分別接受ATP供給的一個(gè)磷酸基團(tuán)，轉(zhuǎn)變?yōu)榱姿峄竌，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(jià)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(shí)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(shí)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(shí)也是一種變構(gòu)酶，其二聚體的每個(gè)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(shí)，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。