1、第三節(jié) 酶活性調(diào)節(jié)方式 酶活性調(diào)節(jié)的實(shí)例： 凝血酶、胰蛋白酶激活 糖元磷酸化酶活性轉(zhuǎn)化 母體分娩后母乳中乳糖合成 丙二酸抑制琥珀酸脫氫酶活性 蘇氨酸到異亮氨酸的代謝途徑控制,說明了 正常情況下生物體并不要求每個(gè)酶處于最有效的催化狀態(tài)，而是要求有快有慢。 在長(zhǎng)期的進(jìn)化、選擇過程中，生物體為適應(yīng)外界環(huán)境變化，滿足生理功能的需要，形成了一整套調(diào)節(jié)機(jī)制。（酶合成水平上的調(diào)節(jié)和酶結(jié)構(gòu)活性水平上的調(diào)節(jié)),多種調(diào)節(jié)方式： 濃度調(diào)節(jié)（ 合成降解調(diào)節(jié))； 生理調(diào)節(jié)(激素調(diào)節(jié))； 共價(jià)修飾調(diào)節(jié)（可逆，不可逆)； 抑制劑調(diào)節(jié)； 反饋調(diào)節(jié)（別構(gòu)調(diào)節(jié)）； 存在方式調(diào)節(jié)（多酶體系）； 寡聚酶的聚合、解聚調(diào)節(jié)；,1. 調(diào)節(jié)

2、酶在細(xì)胞內(nèi)的濃度 如：大腸桿菌的葡萄糖效應(yīng)，即在有葡萄 糖存在時(shí)，它不利用乳糖。原理可以 用乳糖操縱子模型來解釋。,腺苷酸環(huán)化酶 AMP cAMP + H2O 磷酸二脂酶,乳糖操縱子模型,2. 生理調(diào)節(jié)或激素調(diào)節(jié) 在特殊生理?xiàng)l件下，分泌某一種激素來調(diào)節(jié)酶的活性。如：乳腺組織中的乳糖合成酶。 乳糖合成酶是蛋白A和蛋白B兩組分構(gòu)成的復(fù)合物，可以催化乳糖合成反應(yīng)：,E,UDP-半乳糖 + 葡萄糖 乳糖 + UDP,蛋白A不能催化上述反應(yīng)而能催化下述合成反應(yīng)： UDP-半乳糖 + N-乙酰葡糖胺 N-乙酰半乳糖胺 + UDP 蛋白B本身無催化能力，但其與蛋白A結(jié)合，可以改變蛋白A的底物專一性。,A,3

3、、共價(jià)修飾調(diào)節(jié) 不可逆共價(jià)調(diào)節(jié)酶原激活,一些酶（主要是消化酶和執(zhí)行防御功能的酶）在細(xì)胞內(nèi)以無活性前體形式（即酶原）合成和分泌，然后輸送到胞內(nèi)外作用部位去，當(dāng)功能需要時(shí)就會(huì)被活化而起作用。可以想象，必須有一種調(diào)控機(jī)制，使其在胞內(nèi)合成時(shí)處于失活狀態(tài)，而在需要時(shí)激活； 在酶原激活過程中，酶原分子結(jié)構(gòu)發(fā)生了這樣的變化： 首先，酶原分子被切去若干小段，即發(fā)生一級(jí)結(jié)構(gòu)變化、 一級(jí)結(jié)構(gòu)變化引起酶分子活性部位構(gòu)象變化，形成能與 特異性底物相結(jié)合的完整的疏水口袋。,胰蛋白酶,胰凝乳蛋白酶,Ser14Arg15,Thr147Asn148,A 鏈 B 鏈 C 鏈,胰凝乳蛋白酶原 （無活性）,-胰凝乳蛋白酶 （有活性

4、）,-胰凝乳蛋白酶 （有活性,穩(wěn)定）,-胰凝乳蛋白酶 （三鏈間有二硫鍵）, -胰凝乳蛋白酶為穩(wěn)定的形式，A、B兩鏈及B、C兩鏈間各通過一對(duì)大的二硫鍵相連，其活性只有-胰凝乳蛋白酶的2/5 酶活性中心的氨基酸殘基來自B、C二鏈,胰凝乳蛋白酶原受胰蛋白酶作用后，Arg15-Ile16間的肽鍵被打斷，形成了新的Ile16末端，這個(gè)新末端的氨基再與酶分子內(nèi)部的Asp194發(fā)生靜電作用, 觸發(fā)一系列的構(gòu)象變化：Met192從酶分子的深層移動(dòng)到酶分子的表面，第187及第193殘基更加舒展等，這些改變的總結(jié)果是造成一個(gè)口袋允許帶芳香族的底物或帶一個(gè)較大的非極性脂肪族鏈的底物進(jìn)入專一性部位,消化系統(tǒng)其它蛋白水

5、解酶原的激活,胃蛋白酶原（pepsinogen） 由胃壁細(xì)胞分泌出來，在胃酸H+作用下，低于pH5時(shí)，酶原自動(dòng)激活，失去44個(gè)氨基酸殘基，轉(zhuǎn)變?yōu)楦叨人嵝缘?，有活性的胃蛋白?胰蛋白酶原（trypsinogen） 進(jìn)入小腸后，在有Ca2+的環(huán)境中受到腸激酶的激活，賴氨酸-異亮氨酸之間的肽鍵被打斷，水解失去一個(gè)6肽，使構(gòu)象發(fā)生一定變化后，成為有活性的胰蛋白酶 羧肽酶原A 彈性蛋白酶原,胰蛋白酶原,胰蛋白酶,六肽,腸激酶,羧肽酶原,羧肽酶,彈性蛋白酶原,彈性蛋白酶,胰凝乳蛋白酶原,胰凝乳蛋白酶,+,胰蛋白酶對(duì)各個(gè)胰臟蛋白酶原的激活作用,綜上所述，酶原激活有兩個(gè)特點(diǎn)： 是蛋白質(zhì)肽鏈的水解過程，不可逆激

6、活后，不能變?yōu)槊冈瓲顟B(tài)，因而這是“一次性”的調(diào)節(jié)，能及時(shí)地從靶部位通過自身催化或組織蛋白酶的作用而降解移去 都是通過級(jí)聯(lián)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的快速的信號(hào)放大過程，以完成特定功能,可逆的共價(jià)調(diào)節(jié) 由于其他的酶對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行共價(jià)修飾，而使其在活性形式與非活性形式之間進(jìn)行互變. 第一種類型是磷酸化酶及其他的一些酶，它們通過接受ATP轉(zhuǎn)來的磷酸基的共價(jià)修飾，或脫下磷酸基，來調(diào)節(jié)酶活性： 酶的無活性形式 酶的有活性形式 最典型的例子是動(dòng)物組織中的糖原磷酸化酶： （葡萄糖）n+ Pi （ 葡萄糖）n-1+ 1-磷酸-葡萄糖,E,糖原磷酸化酶的活性形式及非活性形式間的平衡，是磷酸基共價(jià)地結(jié)合到酶上或從酶上脫下，從而控制調(diào)

7、節(jié)磷酸化酶的活性 糖原磷酸化酶及其他受共價(jià)修飾調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)酶可以將化學(xué)信號(hào)極大的放大。 如一分子磷酸化酶的激酶可以催化幾千個(gè)無活性的磷酸化酶b分子變?yōu)橛谢钚缘牧姿峄竌，從而催化糖原形成幾千個(gè)分子的1-磷酸葡萄糖，這就形成了具有兩步的級(jí)聯(lián)放大（amplification cascade）實(shí)際上這兩個(gè)酶是腎上腺素激素分子化學(xué)信號(hào)造成組織中糖原急劇分解的一個(gè)更長(zhǎng)的級(jí)聯(lián)放大中的一部分.見圖,+,4H2O 4ADP,4Pi 4ATP,P,P,P,P,磷酸化酶激酶,磷酸化酶 磷酸酶,磷酸化酶a （有活性）,磷酸化酶b （無活性）,第二種類型是大腸桿菌谷氨酰胺合成酶及其他一些酶，它們受ATP轉(zhuǎn)來的酰苷酰基的

8、共價(jià)修飾，或酶促脫酰苷?；{(diào)節(jié)酶活性： 酶的活性較高形式 酶的活性較低形式 谷氨酰胺合成酶催化下列反應(yīng)： ATP + 谷氨酸 + NH3 ADP + 谷氨酰胺 + Pi 它有12個(gè)亞基，酰苷酰基從ATP脫下后連接到每一個(gè)亞基的專一性酪氨酸殘基上，產(chǎn)生低活性形式的酪氨酸酚羥基的酰苷酰衍生物,4. 抑制劑的調(diào)節(jié),凡引起酶分子一級(jí)結(jié)構(gòu)破壞而使酶活力喪失稱為水解 凡因酶蛋白分子構(gòu)象改變而引起酶活力喪失的作用稱為變性作用 某些物質(zhì)，它們并不引起酶蛋白變性或水解，但能使酶分子活性中心上的某些必需基團(tuán)位置發(fā)生變化，因而引起酶活力下降，甚至喪失，致使酶反應(yīng)速度降低酶的抑制 抑制-是指抑制劑與酶結(jié)合改變了酶

9、活性部位構(gòu)象性質(zhì)， 從而引起酶活力下降的一種效應(yīng)。,抑制作用的類型,不可逆的抑制作用（Inreversible inhibition） 通常以比較牢固的共價(jià)鍵與酶蛋白中的基團(tuán)結(jié)合，而使酶失活，不能用透析、超濾等物理方法除去抑制劑而恢復(fù)酶活性 . 可逆的抑制作用（Reversible inhibition） ES的結(jié)合建立在解離平衡基礎(chǔ)上。這類抑制劑與酶蛋白的結(jié)合是可逆的，可用透析法除去抑制劑，使酶恢復(fù)活性.,不可逆抑制作用的分類,專一性的不可逆抑制 僅僅和活性部位的有關(guān)基團(tuán)反應(yīng)（如DFP） 在研究酶的結(jié)構(gòu)與功能上有重要意義，常用以確定酶的必需基團(tuán)，用來探測(cè)酶的構(gòu)象。 非專一性的不可逆抑制 也能

10、與活性部位以外的基團(tuán)反應(yīng)（如烷化硫基的碘代乙酸） 實(shí)際效應(yīng)是減低系統(tǒng)中酶的有效濃度。 （這種區(qū)別不是絕對(duì)的，因作用條件及對(duì)象不同，某些非專一性抑制劑有時(shí)會(huì)轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生專一性不可逆抑制作用。）,可逆抑制作用的分類,競(jìng)爭(zhēng)性抑制 （Competitive inhibition） 非競(jìng)爭(zhēng)性抑制（Noncompetitive inhibition） 反競(jìng)爭(zhēng)性抑制（Uncompetitive inhibition） 過量底物抑制（Excess Substrate Inhibition）,競(jìng)爭(zhēng)性抑制,抑制劑與底物競(jìng)爭(zhēng)，從而阻止底物與酶的結(jié)合 競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑具有與底物相類似的結(jié)構(gòu)，能與酶分子形成可逆的EI復(fù)合物，

11、但EI不能分解成產(chǎn)物P，酶反應(yīng)速度因此下降 可通過增加底物濃度而解除這種抑制,在競(jìng)爭(zhēng)性抑制中，底物或抑制劑與酶的結(jié)合都是可逆的，各存在一個(gè)平衡。,KI為抑制劑常數(shù)；Km為ES解離常數(shù). 當(dāng)?shù)孜镞^量時(shí)則：,競(jìng)爭(zhēng)性抑制的動(dòng)力學(xué),經(jīng)推導(dǎo)可得如下曲線,1、Km增大 即抑制劑與酶結(jié)合后，酶和底物親和力降低； I越高、Ki越小，Km增大。酶和底物親和力降低，酶反應(yīng)速度減慢。 2、Vm不變 3、增大底物濃度，有利于酶和底物結(jié)合，可減輕抑制作用；反之，增加抑制劑濃度，加深抑制程度。,非競(jìng)爭(zhēng)性抑制 抑制劑不是與活性中心結(jié)合，而是結(jié)合在離其較遠(yuǎn)的 抑制結(jié)合位點(diǎn)，結(jié)合后，抑制劑使酶產(chǎn)生構(gòu)象改變， 從而導(dǎo)致活性中心的

12、改變，而不能再催化產(chǎn)物生成。 同樣，若酶先與底物結(jié)合再與抑制劑結(jié)合- 由于在這種抑制下，底物與抑制物結(jié)合在不同部位， 就不需要它們?cè)诨瘜W(xué)結(jié)構(gòu)上有任何相似性,在非競(jìng)爭(zhēng)性抑制中存在如下平衡,非競(jìng)爭(zhēng)性抑制的動(dòng)力學(xué),可推導(dǎo)得出如下的曲線,1、Vm降低 即I越大、Ki越小，形成不能轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物的EI和EIS越多，V降低的程度越顯著。 2、Km不變 3、增大底物濃度，不能減輕抑制作用，無競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系；,丙二酸是琥珀酸的結(jié)構(gòu)類似物，可逆抑制琥珀酸脫氫酶活性,乙醇作為競(jìng)爭(zhēng)性底物可以抑制乙二醇氧化成乙醛的反應(yīng)，（因此乙醇可以用于治療乙二醇中毒）,5.反饋調(diào)節(jié)(或稱 別構(gòu)調(diào)節(jié)) 早已發(fā)現(xiàn)，許多物質(zhì)合成代謝途徑的一連串反

13、應(yīng)中，催化第一步反應(yīng)的酶或者是序列交叉處的酶大多能被全部序列的最終產(chǎn)物控制反饋抑制。 催化第一部反應(yīng)的酶或分叉處的酶即屬于別構(gòu)酶。,什么是別構(gòu)調(diào)節(jié)？ 當(dāng)調(diào)節(jié)物與酶分子中的別構(gòu)中心結(jié)合后誘導(dǎo)出或穩(wěn)定住酶分子的某種構(gòu)象，使酶活性部位對(duì)底物的結(jié)合與催化受到影響，從而調(diào)節(jié)酶的反應(yīng)速度及代謝過程，此效應(yīng)稱為酶的別構(gòu)調(diào)節(jié)或別構(gòu)效應(yīng)。,第一個(gè)酶 （有活性）,第一個(gè)酶 （無活性）,終產(chǎn)物,終產(chǎn)物（調(diào)節(jié)物） 結(jié)合在調(diào)節(jié)中心,反饋抑制的類型,已知?jiǎng)e構(gòu)酶的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 有多個(gè)亞基、有四級(jí)結(jié)構(gòu)； 除了有可以結(jié)合底物的酶的活性中心之外，還有可以結(jié)合調(diào)節(jié)物的別構(gòu)中心，而且，這兩個(gè)中心位于酶蛋白的不同部位上,或處在不同的亞基

14、上（如ATCase），或處在同一個(gè)亞基的不同部位上。,別構(gòu)酶調(diào)節(jié)酶活性的機(jī)理,續(xù)變模型也稱KNF模型 這種假說主張酶分子中的亞基結(jié)合小分子物質(zhì)（底物或調(diào)節(jié)物）后，亞基構(gòu)象逐個(gè)地依次變化，因此亞基有各種可能的構(gòu)象狀態(tài)。,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,亞基全部處 于“關(guān)”型,亞基全部處于“開”型,按次序變化,齊變模型或?qū)ΨQ模型,T狀態(tài) R狀態(tài),主張所有別構(gòu)酶的所有亞基，或者全部成不利于結(jié)合底物的T狀態(tài)，或者全部是有利于結(jié)合底物的R狀態(tài)，這兩種狀態(tài)間的轉(zhuǎn)變對(duì)于每個(gè)亞基都是同時(shí)的、齊步發(fā)生的。,別構(gòu)調(diào)節(jié)動(dòng)力學(xué),大部分變構(gòu)酶的初速度-底物濃度的關(guān)系不符合典型的米氏方程，即不是簡(jiǎn)

15、單的雙曲線，而是呈S型的v-S曲線。,這種S型的反應(yīng)體現(xiàn)為當(dāng)?shù)孜餄舛劝l(fā)生較小變化時(shí)，別構(gòu)酶可以極大程度的控制著反應(yīng)速度，這就是別構(gòu)酶可以靈敏地調(diào)節(jié)酶反應(yīng)速度的原因所在，即正協(xié)同效應(yīng)使得酶的反應(yīng)速度對(duì)底物濃度的變化極為敏感 另有一類具有負(fù)協(xié)同效應(yīng)的酶，在這種曲線中，在底物濃度較低的范圍內(nèi)酶活力上升很快，但繼續(xù)下去，底物濃度雖有較大提高，但反應(yīng)速度升高卻較小，也就是說負(fù)協(xié)同效應(yīng)可以使酶的反應(yīng)速度對(duì)外界環(huán)境中底物濃度的變化不敏感,正負(fù)協(xié)同效應(yīng)的區(qū)別,正協(xié)同效應(yīng),負(fù)協(xié)同效應(yīng),Koshland 等人建議，用以下比例式定量的判斷與區(qū)分三類酶： Rs= 典型的米氏類型的酶 Rs=81 具有正協(xié)同效應(yīng)的別構(gòu)酶

16、 Rs81,酶與底物（或配基）結(jié)合達(dá)90%飽和度時(shí)的底物（或配基）濃度,酶與底物（或配基）結(jié)合達(dá)10%飽和度時(shí)的底物（或配基）濃度,別構(gòu)酶舉例,大腸桿菌的天冬氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶，簡(jiǎn)稱ATCase（aspartate transcarbamoylase）它是嘧啶核苷酸生物合成CTP-多酶體系反應(yīng)序列中的第一個(gè)酶 其正常底物為天冬氨酸及氨甲酰磷酸 它受CTP的反饋抑制，CTP是其負(fù)調(diào)節(jié)物，其正調(diào)節(jié)物是ATP 它所催化的反應(yīng)如下： 氨甲酰磷酸 + 天冬氨酸 氨甲酰天冬氨酸 UMP UTP CTP,CTP在不影響酶的Vmax的情況下通過降低酶與底物的親和性來抑制ATCase；ATP則相反，它增強(qiáng)酶與底物的親和性，也不影響其Vmax。 這種調(diào)節(jié)的生物學(xué)意義是： ATP作為信號(hào)表明有能量供DNA復(fù)制使用并引發(fā)需求嘧啶核苷酸的生物合成；CTP則保證在嘧啶核苷酸已豐足時(shí)，不再進(jìn)行不必要的氨甲酰天冬氨酸及其他后續(xù)中間物的合成。 ATCase由C、R亞基組成：C亞基可與底物作用，有活性中心，但活性中心對(duì)調(diào)節(jié)分子CTP及ATP沒有反應(yīng)；R亞基上有可以結(jié)合CTP及ATP的別構(gòu)中心，但無催化活性。,ATCase的三維結(jié)構(gòu),汞化物,巰基乙醇,+,完整的酶分子 （活性形式）,催化亞