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第六节 酶在体内存在的几种主要形式
一、酶原
有些酶在细胞内合成时，或初分泌时，没有催化活性，这种无活性状态的酶的前身物称为酶原(zymogen)。酶原向活性的酶转化的过程称为酶原的激活。酶原激活实际上是酶的活性中心形成或暴露的过程。
胃蛋白酶、胰蛋白酶、胰糜蛋白酶、羧基肽酶、弹性蛋白酶在它们初分泌时都是以无活性的酶原形式存在，在一定条件下(表2?)才转化成相应的酶。?
表2-3 某些酶原的激活过程
| 酶原 |
激活条件 |
活化的酶 |
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水解掉的肽段 |
| 胃蛋白酶原 |
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胃蛋白酶 |
+ |
六个多肽片段 |
| 胰蛋白酶原 |
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胰蛋白酶 |
+ |
六肽 |
| 糜蛋白酶原A |
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α-糜蛋白酶 |
+ |
两个二肽 |
| 羧基肽酶原A |
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羧基肽酶A |
+ |
几个碎片 |
| 弹性蛋白酶原 |
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弹性蛋白酶 |
+ |
几个碎片 |
例如，胰蛋白酶原进入小肠后，受肠激酶或胰蛋白酶本身的激活，第6位赖氨酸与第7位异亮氨酸残基之间的肽键被切断，水解掉一个六肽，酶分子空间构象发生改变，产生酶的活性中心，于是胰蛋白酶原变成了有活性的胰蛋白酶(图2-17)。
除消化道的蛋白酶外，血液中有关凝血和纤维蛋白溶解的酶类，也都以酶原的形式存在。
图2-17 胰蛋白酶原激活示意图
酶原激活的生理意义在于避免细胞内产生的蛋白酶对细胞进行自身消化，并可使酶在特定的部位和环境中发挥作用，保证体内代谢的正常进行。
二、同工酶
同工酶(isoenzyme)是指催化的化学反应相同，酶蛋白的分子结构、理化性质乃至免疫学性质不同的一组酶。这类酶存在于生物的同一种属或同一个体的不同组织、甚至同一组织或细胞中。
现已发现有数种同工酶。如6?磷酸葡萄糖脱氢酶、乳酸脱氢酶、酸性和碱性磷酸酶、谷丙转氨酶和谷草转氨酸、肌酸磷酸激酶、核糖核酸酶、过氧化酶和胆碱酯酶等。其中乳酸脱氢酶最为大家所熟悉，乳酸脱氢酶(LDH)有五种同工酶，它们的分子量在130，000～150，000范围内，都由四个亚基组成。LDH的亚基可以分为两型：骨骼肌型(M型)和心肌型(H型)。M、H亚基的氨基酸组成有差别，可用电泳分离。其免疫抗体无交叉反应。两种亚基以不同比例组成五种四聚体即为一组LDH同工酶LDH1(H4)、LDH2(H3M)、LDH3(H2M2)、LDH4(HM3)和LDH5(M4)。电泳时都移向正极，其速度以LDH1为最快，依次递减，以LDH5为最慢。若用12M尿素或5M盐酸胍溶液处理，M亚基和H亚基可以分开，但此时LDH无酶的活性。
图2-18 LDH同工酶结构模式图
LDH同工酶的两种不同肽链是受不同基因控制产生的。不同类型的LDH同工酶在不同
 ?
图2-19人体某些组织中乳酸脱氢酶同工酶电泳示意图
组织中的比例不同(图2?9)，心肌中以LDH1及LDH2较为丰富，骨骼肌及肝中含LDH5及LDH4较多。这都与它们的生理功能关。LDH1和LDH2对乳酸亲和力高，易使乳酸脱氢氧化生成丙酮酸，后者进一步氧化可释放出能量供心肌活动的需要；LDH5与LDH4对丙酮酸的亲和力高，而使它得氢还原成乳酸，这对保证肌肉在短暂缺氧时仍可获得能量有关(见糖代谢章)。
在临床检验方面，通过观测病人血清中LDH同工酶的电泳图谱，辅助诊断哪些器官组织发生病变，这远较单纯测定血清LDH总活性的方法敏感。例如，心肌受损病人血清LDH1含量上升，肝细胞受损者血清LDH5含量增高。
三、变构酶
1.概念
有些酶除了活性中心外，还有一个或几个部位，当特异性分子非共价地结合到这些部位时，可改变酶的构象，进而改变酶的活性，酶的这种调节作用称为变构调节(allosteric regulation)，受变构调节的酶称变构酶(allosteric enzyme)，这些特异性分子称为效应剂(effector)。变构酶分子组成，一般是多亚基的，分子中凡与底物分子相结合的部位称为催化部位(catalytic site)，凡与效应剂相结合的部位称为调节部位(regulatory site)，这二部位可以在不同的亚基上，或者位于同一亚基。
2.机理
(1)一般变构酶分子上有二个以上的底物结合位点。当底物与一个亚基上的活性中心结合后，通过构象的改变，可增强其他亚基的活性中心与底物的结合，出现正协同效应(positivecooperative effect)。使其底物浓度曲线呈S形。即底物浓度低时，酶活性的增加较慢，底物浓度高到一定程度后，酶活性显著加强，最终达到最大值Vmax(图2-20)。
多数情况下，底物对其变构酶的作用都表现正协同效应，但有时，一个底物与一个亚基的活性中心结合后，可降低其他亚基的活性中心与底物的结合，表现负协同效应(negative cooperative effect)。如3-磷酸甘油醛脱氢酶对NAD+的结合为负协同效应。
(2)变构酶除活性中心外，存在着能与效应剂作用的亚基或部位，称调节亚基(或部位)，效应剂与调节亚基以非共价键特异结合，可以改变调节亚基的构象，进而改变催化亚基的构象，从而改变酶活性。凡使酶活性增强的效应剂称变构激活剂(allosteric activitor)，它能使上述S型曲线左移，饱和量的变构激活剂可将S形曲线转变为矩形双曲线(图2?0)。凡使酶活性减弱的效应剂称变构抑制剂(allosteric inhibitor)，能使S形曲线右移。例如，ATP是磷酸果糖激酶的变构抑制剂，而ADP、AMP为其变构激活剂。
(3)由于变构酶动力学不符合米－曼氏酶的动力学，所以当反应速度达到最大速度一半时的底物的浓度，不能用Km表示，而代之以K0.55表示(图2-20)。为了解释变构酶协同效应的机制并推导出动力学曲线方程式，不少人曾提出各种模型，各有优缺点，现将有关变构作用的Hill模式内容附本章节后，供学习参考。?
图2-20 变构酶的底物活性曲线
⊙不加变构剂 ? 加变构抑制剂
3.生理意义
(1)在变构酶的S形曲线中段，底物浓度稍有降低，酶的活性明显下降，多酶体系催化的代谢通路可因此而被关闭；反之，底物浓度稍有升高，则酶活性迅速上升，代谢通路又被打开，因此可以快速调节细胞内底物浓度和代谢速度。
(2)变构抑制剂常是代谢通路的终产物，变构酶常处于代谢通路的开端，通过反馈抑制，可以及早地调节整个代谢通路，减少不必要的底物消耗。
例如葡萄糖的氧化分解可提供能量使AMP、ADP转变成ATP，当ATP过多时，通过变构调节酶的活性，可限制葡萄糖的分解，而ADP、AMP增多时，则可促进糖的分解。随时调节ATP/ADP的水平，可以维持细胞内能量的正常供应。
四、修饰酶
体内有些酶可在其他酶的作用下，将酶的结构进行共价修饰，使该酶活性发生改变，这种调节称为共价修饰调节(covalent modification regulation)，这类酶称为修饰酶(prosessing enzyme)。
例如某些酶的巯基发生可逆的氧化还原，一些酶以共价键与磷酸、腺苷等基团的可逆结合，都会引起酶结构的变化而呈现不同的活性。酶的共价修饰是体内代谢调节的另一重要的方式。
五、多酶复合体
多酶复合体(multienzyme complex)常包括三个或三个以上的酶，组成一个有一定构型的复合体。复合体中第一个酶催化的产物，直接由邻近下一个酶催化，第二个酶催化的产物又为复合体第三酶的底物，如此形成一条结构紧密的“流水生产线”，使催化效率显著提高。葡萄糖氧化分解过程的丙酮酸脱氢酶复合体，属于多酶复合体(详见糖代谢章)。?
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