微生物代谢的酶活性的调节

这是通过改变酶分子的活性来调节代谢速度的种调节方式。与酶合成的调节相比，这种方式更直接，见效更快。通常酶活性的调节是在些小分子的影响下进行的。这些小分子存在于细胞内，通过作用于些代谢途径的关键酶，改变这些关键酶活性的强弱，从而影响整个代谢途径，起到调节新陈代谢的作用。常见的酶活性调节的方式有别构调节、共价修饰等。

下面重点介绍这两种方式。

1.别构调节

酶是种生物大分子，其化学本质主要是蛋白质。酶的催化活性是由其分子的空间构象决定的。在些小分子物质或蛋白质分子的作用下，酶分子的空间构象能发生改变，使得其催化活性也发生变化，这种现象称为别构效应（变构效应）。别构调节就是依据酶分子的别构效应来调节酶活性的种方式。这些具有别构效应的酶称为别构酶（变构酶）。能引起别构效应的小分子物质或蛋白质分子称为别构效应物（变构效应物）。别构效应物对酶活性的改变可以是激活，也可以是抑制。激活过程的效应物称为激活剂；抑制过程的效应物称为抑制剂。而这些效应物常是酶催化的反应途径的上游底物，下游产物，底物、产物的结构类似物和些调节性代谢物。我们把上游底物对酶活性的调节称为前馈，而把下游产物对酶活性的调节称为反馈。前馈激活和反馈抑制是两种常见的机制。

别构效应是格哈特（J.Gerhart）和帕迪（A.pardee）在1962年研究胞苷三磷酸（CTp）对其自身合成途径中的个催化酶-天冬氨酸转氨甲酰酶（ATCase）的反馈抑制时发现的。别构酶的反应速率和底物浓度的关系曲线与般酶不同。

以ATCase为例，该酶催化氨甲酰磷酸和天冬氨酸反应生成氨甲酰天冬氨酸。维持氨甲酰磷酸浓度过量，改变天冬氨酸的浓度[S]，分别测定不同天冬氨酸浓度时的ATCase酶促反应初速度v0，再以v0对[S]作图，所得的曲线为近S型，而非普通米氏酶所呈现的双曲线型。这种酶促反应动力学特征不是ATCase所*的，许多别构酶都是这样。如果在反应体系中分别加入CTp和ATp，再测定得到的动力学曲线，则前者更接近s型，而后者更接近双曲线型。CTp作为种别构抑制剂，抑制了ATCase的活力，提高了Km值；ATp则作为种别构激活剂，增强了ATCase的活力，降低了Km值。关于ATCase三维结构的研究显示，该酶由6个亚基组成，亚基分成上下两层，背靠背排列。每个亚基以两种不同的构象态（R态和T态）存在，并且在无任何配体存在时，两种构象态处于平衡中。R态为松弛态，对底物的亲和力高；T态为紧张态，对底物的亲和力低。催化部位和调节部位分布在不同的亚基上，催化部位处于催化亚基结合形成的沟内，调节部位则处于调节亚基的外侧表面，此部位是CTp和ATp的竞争结合位点。当ATp与个调节亚基上的调节部位结合以后，会促使其他亚基的构象由T态向R态转变，增强酶与底物的亲和力，提高酶活力。

CTp的作用则正好相反，CTp与调节亚基结合会促使其他亚基的构象由R态向T态转变，减弱酶与底物的亲和力，降低酶活力。

ATCase在别构酶中是具有代表性的。别构酶往往都具有调节部位和催化部位，两者是分开的，但可以同时被结合，而且调节位点常可结合不同配体，产生不同的效应。另外，别构酶通常都是寡聚酶，般具有多个亚基，包括催化亚基和调节亚基。个亚基上的结合位点与配体的结合会影响到同分子中另亚基上的结合位点与底物的结合，这种现象称为协同效应。协同效应分为两种：如果起始的配体结合能促进分子中另亚基上的结合位点与底物结合，称为正协同效应；如果起始的配体结合能抑制分子中另亚基上的结合位点与底物结合，称为负协同效应。ATp对ATCase的作用就是种正协同效应；而CTp对ATCase的作用则是种负协同效应。

别构调节是生物体调节新陈代谢的重要方式，特别是在代谢途径的支点和代谢可逆步骤（如糖酵解、糖异生和TCA循环）中尤为重要。

这些代谢途径的关键酶往往都是别构酶，从而使得些代谢途径在细胞内同空间同时发生时能够相互协调，不会彼此干扰。下面以巴斯德效应（pasteur effect）为例，说明微生物如何利用别构调节来调控糖的分解代谢。巴斯德效应是巴斯德（L.pasteur）在研究酵母菌的酒精发酵时发现的。酵母菌在厌氧条件下，能分解葡萄糖，产生酒精，而且消耗葡萄糖的速度很快；而如果在发酵液中通入氧，酒精的产量会下降，葡萄糖被消耗的速度也会减慢。这种呼吸抑制发酵的现象，称为巴斯德效应。酵母菌在无氧条件下时，由于呼吸链的效率下降，NADh不能顺利进入呼吸链，[NADh]/[NAD+]比值上升，使得丙酮酸脱氢酶系、异柠檬酸脱氢酶和a酮戊二酸脱氢酶系的活性受到抑制。而TCA循环是糖类物质分解代谢途径中产生能量的主要步骤，该循环效率下降会使细胞的能荷降低，ATp分子减少，ADp和AMp分子增多，糖酵解的关键酶-磷酸果糖激酶的活性被ADp和AMp别构激活，糖酵解加快。较高的[NADh]/[NAD+]比值也有利于乙醇脱氢酶将乙醛转变成乙醇。结果就是，在无氧条件下，酵母菌快速消耗葡萄糖，并大量生成酒精。而如果在发酵体系中通入氧，由于氧的介入，呼吸链效率提高，NADh会顺利进入呼吸链，产生ATp，[NADh]/[NAD+]比值下降。同时，TCA循环效率上升，并大量生成NADh和FADh2，通过呼吸链再生成ATp。结果是，细胞中的能荷提高了，ATp分子增多，ADp和AMp分子减少。由于异柠檬酸脱氢酶活性受到ATp的别构抑制，导致了柠檬酸的积累，而柠檬酸和ATp都是磷酸果糖激酶的别构抑制剂，从而使糖酵解速度减慢。同时，较低的

[NADh]/[NAD+]比值不利于乙醇脱氢酶产生乙醇。因此，在这种情况下，葡萄糖消耗速度减慢，酒精的产量也下降了。

2.共价修饰

酶分子中的个或多个氨基酸残基被某些化学基团共价结合或解开，使其活性发生改变的现象称为共价修饰。和别构调节相比，别构调节只改变酶分子的构象，不改变酶分子的共价结构；而共价修饰则改变了酶分子的共价结构。按照此共价结构变化是否可逆，共价修饰可以分为两种：种是可逆的，称为可逆共价修饰；另种是不可逆的，称为不可逆共价修饰。

（1）可逆共价修饰

可逆共价修饰可使原本无活性的酶活化，也可使原本有活性的酶钝化。可用于修饰的化学基团有磷酸基、乙酰基、甲基、乙基、腺苷酰基、尿苷酰基等。其中，磷酸基的修饰（即磷酸化）普遍的。真核细胞中1/3~1/2的蛋白质可被磷酸化。组成蛋白质的Ser、Thr、Tyr残基，由于其氨基酸侧链上有羟基，常被作为磷酸化的位点。例如，糖原的分解和合成代谢的调控就利用了这种机制。糖原分解的限速酶是糖原磷酸化酶，糖原合成的限速酶是糖原合成酶。这两个酶均具有活性和非活性两种形式（a型和b型）。糖原磷酸化酶的a型是被磷酸化的，有活性；而b型是去磷酸化的，无活性。糖原合成酶的a型是去磷酸化的，有活性；而b型是磷酸化的，无活性。当糖原磷酸化酶和糖原合成酶均被磷酸化时，糖原磷酸化酶被活化，而糖原合成酶被钝化，于是，糖原分解代谢加强，糖原合成代谢减弱。当糖原合成酶和糖原磷酸化酶均被去磷酸化时，糖原磷酸化酶被钝化，糖原合成酶则被活化，使得糖原合成代谢加强，糖原分解代谢减弱。这样来，当糖原磷酸化酶充分活动时，糖原合成酶几乎不起作用；当糖原合成酶活跃时，糖原磷酸化酶又受到抑制。

可逆共价修饰中，酶构型的转变是在另些酶的催化下完成的，可在很短的时间内触发大量有活性的酶，其作用效率是高的。并且，这种机制可使些酶经常在活化与钝化之间来回变换，根据生物体代谢状况的变化随时作出响应。不过，这种变换和响应是需要消耗能量的，虽然这部分能量对于整个细胞来说只是很小的部分，但也是细胞为实现对其代谢的精密调控所付出的代价。

（2）不可逆共价修饰

不可逆共价修饰的典型例子就是酶原激活。没有活性的酶的前体称为酶原。酶原转变成有活性的酶的过程称为酶原的激活。酶原激活过程的实质就是酶原中的些小肽段被切除以后，使酶的活性部位形成和暴露的过程。例如，原的激活是其N端被切掉了个己肽（Val固AspEAspEAspEAspLys），该过程是在肠激酶的催化下完成的，少量的肠激酶可以激发大量的。在组织细胞中，某些酶以酶原的形式存在，可保护分泌这种酶的组织细胞不被破坏。然而，这种机制是不可逆的，旦酶原被激活，待其完成了其催化使命以后，便被降解，不能再恢复成酶原。

3.其他调节方式

（1）缔结与解离

某些酶蛋白由多个亚基组成，亚基之间的缔结与解离可以使酶分子实现活化与钝化。这类相互转变是由共价修饰或由若干配基的缔合启动的。

（2）竞争性抑制

些酶的生物活性受到代谢物的竞争性抑制，其实质是某些代谢物与底物竞争结合酶的催化位点，导致酶活受到抑制。例如，需要NAD+参与的酶促反应常受到NADh的竞争性抑制：需要ATp参加的反应可能受ADp和AMp的竞争性抑制；还有些酶促反应常受到产物的竞争性抑制。

（3）酶的降解

酶分子被合成出来以后，能够维持段时间的生物活性，然后被生物降解。不同的酶半衰期不同，短的只有几分钟，长的可以达到几天。调节酶的半衰期长短也是生物体调节酶活性的种方式。例如当环境突然发生变化时，细胞中的某些代谢途径需要关闭，而此前些相关的代谢酶已经被合成出来了，细胞需要钝化这些酶，以避免不必要的酶促反应对细胞造成伤害，于是些蛋白酶会被激活，这些蛋白酶会有选择性地降解些酶分子，以关闭这些代谢途径。