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主要内容

酶的调控

辅因子和辅酶。可逆的,不可逆的,竞争性和非竞争性的抑制剂。变构酶。反馈抑制。

介绍

你身体的细胞能够制造许多不同的酶。一开始你可能会想:“很好,让我们把所有这些酶都调动起来,加快代谢!” 然而,事实证明,你真的不想同时或在同一细胞中产生和激活所有这些酶。
需求和条件因细胞而异,并且在单个细胞中会随时间而变化。例如,胃细胞需要的酶和脂肪储存细胞、皮肤细胞、血细胞或神经细胞需要的不同。此外,与饭后的几个小时相比,消化细胞在饭后处理和分解营养物质的工作要困难得多。随着这些细胞的需求和条件的变化,各种酶的数量和功能也发生了变化。
由于酶引导并调节细胞的新陈代谢,它们往往被仔细地调控着。在本文中,我们将介绍可能影响或控制酶活性的因素。其中包括pH和温度(在文章活性位点中讨论过)以及:
  • 调控分子:酶的活性可以由与酶特定结合的活化剂和抑制剂“调高”或“调低”。
  • 辅助因子:许多酶只有在与被称为辅助因子的非蛋白质辅助分子结合时才有活性。
  • 区室化:将酶储存在特定的隔间中以防止它们造成损坏,或为活动提供合适的条件。
  • 反馈抑制:关键的代谢酶通常被它们控制的通路的最终产物所抑制。
在本文的其余部分中,我们将逐一检阅这些因素,看看每个因素如何影响酶活性。

调控分子

酶可以由其他分子调节,这些分子可以增加或减少其活性。增加酶活性的分子称为活化剂,而降低酶活性的分子称为抑制剂
有许多种分子可以阻断或促进酶的功能,并且通过不同的途径影响酶的功能。

竞争性 vs. 非竞争性

在许多经过深入研究的案例中,活化剂或抑制剂的结合是可逆的,这意味着分子不会永久附着在酶上。一些重要的药物类型是可逆抑制剂。例如,用于治疗艾滋病毒的药物tipranivir是一种可逆的抑制剂1。它阻断了一种病毒酶的活性,这种病毒酶帮助病毒制作更多的自身副本。
可逆抑制剂根据其结合行为分为不同类型。我们不会在这里讨论所有类型,但我们将研究两个重要类别:竞争性和非竞争性抑制剂。
  • 抑制剂可以与酶结合而阻止其与底物结合,例如通过附着到活性位点。这被称为竞争性抑制,因为抑制剂与酶的底物"竞争"。也就是说,只有抑制剂或底物可以在特定时刻与酶结合。
  • 非竞争性抑制中,抑制剂不会阻止底物与活性位点结合。相反,它附着在另一个部位,并阻止酶进行它的工作。这种抑制被认为是"非竞争性的",因为抑制剂和底物可以同时结合。
竞争性和非竞争性抑制剂可以通过它们如何在不同底物浓度下影响酶的活动被区分开来。
  • 如果抑制剂是竞争性的,当底物不多时,它会降低反应速率,但存在大量底物是会被“击败”。也就是说,如果底物足够多,酶仍然可以达到其最大反应速率。在这种情况下,几乎所有酶分子的活性位点都将被底物而不是抑制剂占据。
  • 如果抑制剂是非竞争性的,即使底物很多,酶催化反应也永远不会达到其正常的最大速率。这是因为与非竞争性抑制剂结合的酶分子被"毒害",无论有多少底物可用,也不能完成它们的工作。
在展示不同底物浓度(x 轴)时的反应速度(y 轴)的图上,你可以通过曲线的形状区分这两种类型的抑制剂:
_图片来源: "酶: 图3," 由 OpenStax College, Biology, CC BY 3.0._
不熟悉这种类型的图?没关系!文章酶动力图基础中有细致的讲解。

别构调控

从广义上讲,别构调控是指调控分子(活化剂或抑制剂)与活性位点以外的位置结合的任何形式的调节。调控分子结合的位置被称为别构位点
_图片修改自 "酶: 图4," 由 OpenStax College, Biology, CC BY 3.0._
许多非竞争性抑制(以及某些独特的竞争性抑制)都是别构调控。
然而,一些被别构调控的酶具有一些独特的特性,使它们与众不同。这些酶,包括我们的一些关键代谢调节剂,通常被称为变构酶2。变构酶通常具有多个位于不同蛋白质亚单位的活性位点。当一种别构抑制剂与酶结合时,蛋白质亚单位上的所有活性位点都略有变化,因此它们工作得不那么好。
同样也有别构活化剂。一些别构活化剂结合到活性位点以外的酶上的位置,导致活性位点的功能增强。此外,在被称为协同性的过程中,底物本身可以充当一种别构活化剂:当它结合到一个活性位点时,其他活性位点的活性就会上升。3 我们认为这是变构调节,因为底物影响离它的结合位点较远的活性位点。

辅助因子和辅酶

许多酶不能以最佳方式工作,甚至根本不工作,除非与其他称为辅助因子的非蛋白质辅助分子结合。这些因子可能通过离子键或氢键暂时附着在酶上,或者通过更强的共价键永久附着。 常见的辅助因子包括无机离子,如铁 (Fe2+)和镁(Mg2+)。举例来说,构建DNA分子的DNA聚合酶需要镁离子才能发挥作用4
辅酶是有机(碳基)分子的辅助因子的子集。辅酶最常见的来源是膳食维生素。有些维生素是辅酶的前体,另一些则直接作为辅酶。例如,维生素C是参与构建蛋白质胶原蛋白的几种酶的辅酶,而胶原蛋白是结缔组织的关键部分。
图像修改自 OpenStax Biology.

酶区室化

酶经常被区室化(储存在细胞的特定部位,并在那里工作)——例如,到特定的细胞器中。隔离意味着特定过程所需的酶可以被保存在它们作用的地方,确保它们能够容易地找到其底物、不损坏细胞、并且具有适合的微环境来很好地工作。
例如,溶酶体的溶酶在pH值约为5.0时工作效果最好,其存在于溶酶体的酸性内部(但不是在细胞质中,其pH值约为7.2)。溶酶在细胞质的pH度下活性低,这可作为细胞的"保险":即使溶酶体破裂并溢出溶酶,酶也不会开始消化细胞,因为它们将不再具有适当的pH来运作5

代谢途径的反馈抑制

反馈抑制的过程中,代谢途径的最终产物会调节进入该途径的关键酶,从而使最终产物不再被生产。
这似乎很奇怪——为什么一个分子想要关闭自己的通路?但实际上,对于细胞来说,这是一个聪明的方法,可以生产数量恰到好处的产物。当产物很少时,酶不会被抑制,并且通路将全力补充供应。当周围已经有很多产物时,它会阻断酶,阻止新产物的生成,直到现有的供应被用完。
图片来源:OpenStax生物学。
通常,反馈抑制作用在途径的第一关键步骤,即第一个有效的不可逆的步骤。然而,反馈抑制有时也可以击中途径中的多个点,特别是当途径有很多分支点时。受反馈抑制调节的途径步骤通常由变构酶催化。6
例如,能量携带分子ATP是细胞呼吸,即制造ATP以驱动细胞反应的过程,中涉及的一些酶的别构抑制剂。当有很多ATP时,反馈抑制防止更多的ATP被制造。这是有用的,因为ATP是一个不稳定的分子。如果太多的ATP被制造出来,大部分可能会浪费掉,自发地分解成它的组件(ADP和Pi)。
另一方面,ADP是一些能被ATP抑制的相同酶的正向别构调控剂(一个别构活化剂)。例如,ADP可以与酶结合并改变其形状,使其变得更加活跃7
由于这种模式的调节,当ADP水平比ATP水平更高时,细胞呼吸酶变得非常活跃,并通过细胞呼吸制造更多的ATP。

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