(二)酶分子化學修飾調(diào)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;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。醫(yī)學全.在線.網(wǎng).站.提供
細胞內(nèi)存在著多種蛋白激酶(Protein Kinase),它們可以將ATP分子中的γ-磷酸基團轉(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)的磷酸基團移去。酶的化學修飾如變構(gòu)調(diào)節(jié)一樣,也是機體物質(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修飾的實例。
表9-2 某些酶的酶促化學修飾調(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(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(yīng),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(yīng)的酶又受機體調(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;同時酶促化學修飾又有放大效應(yīng),因此,這種調(diào)節(jié)方式更為經(jīng)濟有效。
(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(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)是細胞的一種基本調(diào)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(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,迅速有效地滿足機體的急需。