互动科普

当视野的尽头出现一个可疑的人影，我们感觉到处境危险时，往往会迅速逃跑。其实，在这个过程中，人体内发生了各种各样的化学反应。例如，肝细胞立即迅速合成逃跑所需的能量——葡萄糖，并通过血液运送到全身各处。这一切都是多亏了与信息传递相关的酶与酶之间的“协同作战”才得以实现的。

1个肾上腺素催化生成几万个葡萄糖分子

糖原是人体重要的供能物质，是由葡萄糖结合而成的长链分子，主要储存在肝脏中。要想把糖原转化为葡萄糖，必须把这条长链分子剪切为小片段。

肝脏中不仅有生成糖原的酶，还有分解糖原的酶。需要迅速生成葡萄糖时，必须让负责生成糖原的酶暂时停止工作，而让负责分解糖原的酶开足马力“拼命”工作。

假设现在你需要向外传递一条信息，告诉大家“危险正在逼近”。那么，怎样才能尽快把这条消息传递给1000个人呢？与其只靠一个人四处奔跑把消息传递给1000人，不如拜托那些收到消息的人“把这条消息也传递给其他人”，后者的效率更高。

酶也采取了同样的策略。当人体意识到危险时，位于肾脏上部的肾上腺则分泌出肾上腺素（一种激素），并迅速运送到全身各处。当肝细胞识别出1个肾上腺素后，会马上生成几十个信息传递分子，并传递给第1阶段的几十个酶，从而激活这些酶。接下来，这几十个酶又会激活第2阶段的几百个酶。然后，第3阶段的酶，即，分解糖原的酶也被激活，几千个酶开始同时分解葡萄糖。于是，几万个葡萄糖瞬间就被释放到血液中。

图1. 糖原在肝脏内迅速分解

图片描绘了肝细胞识别出1个肾上腺素后，迅速向血液中释放出几万个葡萄糖的过程。

当人体的感觉细胞感受到气味或光线，将其转换为电信号时，酶也会启动“协同作战”模式来传递信息。正是有了酶与酶的“协同作战”，人体才能够迅速应对环境的变化。

用“加速器”和“制动器”来调控化学反应的酶

睡眠时和走路时人体所需的能量不同。ATP是生命活动所需能量的直接来源，因此，人体会根据需要在细胞中适当地合成ATP，其调控工作则由酶负责。

ATP的合成是以葡萄糖等为基础，由许多酶依次催化生成的，这一系列化学反应的流程称为代谢途径。

磷酸果糖激酶是在代谢途径中发挥重要作用的一种酶，可以根据细胞内的ATP数量，灵敏地改变活性，从而调控ATP的合成量。

当细胞内的ATP数量不足时，酶周围的ADP与AMP（ATP释放能量后的产物）较多。这时，ADP或AMP结合到磷酸果糖激酶上，酶的分子形状发生改变，化学反应的速度加快。结果，整个代谢途径的效率得以提高，ATP的合成速度也加快了。

与此相反，当细胞内的ATP数量较多时，ATP则结合到磷酸果糖激酶上，酶的分子形状也发生改变，不过与1中的改变不同。结果，化学反应速度变慢，整个代谢途径的效率降低，几乎停止合成ATP。

由于细胞一直在不断地消耗ATP，所以ATP的合成量下降后，细胞内的ADP与AMP开始增多。于是，ADP和AMP与磷酸果糖激酶结合，酶的化学反应速度再次加快。

就这样，磷酸果糖激酶通过检测在代谢途径的最后所生成的ATP量而随时改变化学反应速度。

图2. 调控细胞内ATP数量的机制

磷酸果糖激酶除了活性部位（在这里发生化学反应）外，其他部位也有凹槽。反应物以外的其他物质（抑制因子或激活因子）可以结合到凹槽上。凹槽上是否结合了物质，对化学反应速度的影响非常大。这种类型的酶称为别构酶。磷酸果糖激酶所合成的分子可用于其他酶的催化反应。就这样，几千种酶在细胞内构建了一个错综复杂的“酶回路”。可以说，别构酶通过调节化学反应的速度而调控着整条回路的功能。

细胞内的许多酶都可以根据情况而调控化学反应。例如，血液中的葡萄糖含量、血压、细胞内的离子浓度等能保持在一定范围内，这都是酶的功劳，它们通过灵活地改变活性而“掌控”着“大局”。

（本文发表于《科学世界》2016年第4期）