【6.6.2】别构调节(Allosteric control)

别构调节也称为变构调节,这是所有酶活性调节方式中最快的一种。

其原理在于一些酶除了活性中心以外,还含有别构中心。别构中心能够结合一些特殊的配体(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或催化能力,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,与别构中心结合并调节酶活性的配体称为别构效应物,其中起抑制作用的别构效应物称为别构抑制剂或负别构效应物,起激活作用的别构效应物称为别构激活剂或正别构效应物。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,例如大肠杆菌的谷氨酰胺合成酶的别构效应物至少有8种。

别构调节最多出现在代谢途径中的反馈抑制(feedback inhibition),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,抑制位于其上游的限速酶的活性,从而关闭自身合成的一种调节方式,因此也被称为终产物抑制(end-product inhibition)。反馈抑制通常的情形是一条代谢途径的最后一步反应的产物,去抑制第一步反应的酶。

反馈抑制使得细胞能够对胞内一些重要的代谢物浓度的变化迅速做出反应,可以说是机体改变酶活性最快的一种这对于维持细胞内不同代谢物浓度的平衡至关重要。当一条代谢途径的终产物的量积累到一定程度,已能满足机体需要的时候,过量的终产物就反馈抑制第一个限速酶的活性而关闭自身的合成。这一方面可以阻止终产物的进一步堆积而可能产生的毒性,另一方面还可以将能量用于其他代谢途径。一旦终产物因消耗而降低到一定水平时,即与限速酶解离,于是别构抑制解除,合成它们的代谢途径得以重新开放。

除了反馈抑制以外,机体有时候还会使用前馈激活(feed-forward activation)和底物激活(substrate activation)这两种方式进行别构调节。前馈激活是指一条代谢途径位于上游的代谢物作为别构激活剂,激活下游的限速酶,而底物激活属于同促调节(homotropic regulation),具有两个方面的含义,其一是指底物与酶活性中心结合产生的正协同效应,其二是指底物与酶的别构中心结合,激活酶的活性。前馈激活的一个例子出现在糖酵解:糖酵解第三步反应产生的果糖-1,6-二磷酸(fructose-1,6-bisphosphate)作为别构激活剂,激活催化最后一步反应的丙酮酸激酶(pyruvate kinase)的活性。这种调节的好处是让已经进入糖酵解途径的底物尽快被糖酵解氧化分解 (。与正协同效应相关的底物激活很常见,绝大多数别构酶都具有这个性质。但使用第二种形式的底物激活较为罕见,它可能出现在机体对一些外来毒物的解毒反应中。这样可以及时快速地解除毒物的毒性,尽可能降低它们对机体造成的毒害。

别构调节可以通过反馈抑制和前馈激活来实现

参考资料

  • 南京大学 杨荣武老师 《结构生物学》课件
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