第二章下酶的抑制動力學(xué)

1、Enzyme Engineering酶工程酶工程第二章第二章 酶催化的基礎(chǔ)知識酶催化的基礎(chǔ)知識 n第三節(jié)第三節(jié) 酶的抑制動力學(xué)及應(yīng)用酶的抑制動力學(xué)及應(yīng)用去激活作用：去激活作用： 如如EDTA去除二階金屬離子，以去除二階金屬離子，以降低酶的活性。降低酶的活性。 此作用并非是化學(xué)物質(zhì)對酶蛋白此作用并非是化學(xué)物質(zhì)對酶蛋白或其輔因子的直接作用。或其輔因子的直接作用。 食品加工過程中由于多酚氧化食品加工過程中由于多酚氧化酶的作用，發(fā)生酶促褐變，使果蔬酶的作用，發(fā)生酶促褐變，使果蔬類加工食品貨架壽期縮短。多酚氧類加工食品貨架壽期縮短。多酚氧化酶是含銅金屬蛋白，因而許多金化酶是含銅金屬蛋白，因而許多金屬螯合

2、劑是其抑制劑。屬螯合劑是其抑制劑。一、可逆抑制一、可逆抑制n按抑制劑與酶的結(jié)合方式：按抑制劑與酶的結(jié)合方式： 同位抑制作用：抑制劑與酶活性中心結(jié)合，同位抑制作用：抑制劑與酶活性中心結(jié)合，阻斷酶分子的結(jié)合基團(tuán)或催化基團(tuán)，或者阻斷酶分子的結(jié)合基團(tuán)或催化基團(tuán)，或者與與ES復(fù)合物相結(jié)合，阻止底物形成產(chǎn)物。復(fù)合物相結(jié)合，阻止底物形成產(chǎn)物。 別位抑制作用：抑制劑與酶活性中心以外別位抑制作用：抑制劑與酶活性中心以外的部位結(jié)合，通過酶分子構(gòu)象的改變影響的部位結(jié)合，通過酶分子構(gòu)象的改變影響底物與酶的結(jié)合，進(jìn)而影響催化效率。底物與酶的結(jié)合，進(jìn)而影響催化效率。n研究酶抑制劑及其抑制作用的意義：研究酶抑制劑及其抑制作

3、用的意義： 理論上：理論上： 闡明酶活性中心、酶催化機(jī)理、代謝途徑、闡明酶活性中心、酶催化機(jī)理、代謝途徑、代謝調(diào)節(jié)、藥物和毒物作用機(jī)理。代謝調(diào)節(jié)、藥物和毒物作用機(jī)理。 應(yīng)用上：應(yīng)用上：（1）藥物：抑制病原微生物；治療代謝疾?。槐＃┧幬铮阂种撇≡⑸?；治療代謝疾??；保健、美容等功效。健、美容等功效。（2）農(nóng)業(yè)中的殺蟲劑和殺菌劑。）農(nóng)業(yè)中的殺蟲劑和殺菌劑。（3）食品加工過程中有害酶的活性抑制劑。）食品加工過程中有害酶的活性抑制劑。（一）競爭性抑制作用的含義（一）競爭性抑制作用的含義(1) (1) 竟?fàn)幮砸种凭範(fàn)幮砸种苙某些抑制劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)與底物相似，某些抑制劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)與底物相似，因而能與底物竟

4、爭與酶活性中心結(jié)合。因而能與底物竟?fàn)幣c酶活性中心結(jié)合。當(dāng)抑制劑與活性中心結(jié)合后，底物被當(dāng)抑制劑與活性中心結(jié)合后，底物被排斥在反應(yīng)中心之外，其結(jié)果是酶促排斥在反應(yīng)中心之外，其結(jié)果是酶促反應(yīng)被抑制了。反應(yīng)被抑制了。n米氏常數(shù)變大米氏常數(shù)變大n竟?fàn)幮砸种仆ǔ？梢酝ㄟ^增大底物濃竟?fàn)幮砸种仆ǔ？梢酝ㄟ^增大底物濃度，即提高底物的競爭能力來消除。度，即提高底物的競爭能力來消除。競爭性抑制動力學(xué)曲線競爭性抑制動力學(xué)曲線 競爭性抑制的動力學(xué)競爭性抑制的動力學(xué)經(jīng)推導(dǎo)可得如下曲線經(jīng)推導(dǎo)可得如下曲線1 1、K Km m增大增大 即抑制劑與酶結(jié)合后，即抑制劑與酶結(jié)合后，酶和底物親和力降低；酶和底物親和力降低； I I

5、越高、越高、K Ki i越小，越小，K Km m增大。增大。酶和底物親和力降低，酶酶和底物親和力降低，酶反應(yīng)速度減慢。反應(yīng)速度減慢。2 2、VmVm不變不變3 3、增大底物濃度，有利于、增大底物濃度，有利于酶和底物結(jié)合，可減輕抑酶和底物結(jié)合，可減輕抑制作用；反之，增加抑制制作用；反之，增加抑制劑濃度，加深抑制程度。劑濃度，加深抑制程度。2. 競爭性抑制作用的機(jī)理競爭性抑制作用的機(jī)理 （1 ）抑制劑與底物在結(jié)構(gòu)上有類似之處）抑制劑與底物在結(jié)構(gòu)上有類似之處 （2 ）可能結(jié)合在底物所結(jié)合的位點（如）可能結(jié)合在底物所結(jié)合的位點（如結(jié)合基團(tuán)）上，從而阻斷了底物和酶的結(jié)結(jié)合基團(tuán)）上，從而阻斷了底物和酶的結(jié)

6、合合 （3） 降低酶和底物的親和力。降低酶和底物的親和力。3. 競爭性抑制作用舉例競爭性抑制作用舉例丙二酸是琥珀酸的結(jié)構(gòu)類似物，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可逆抑制琥珀酸脫氫酶活性乙醇作為競爭性底物可以抑制乙二醇氧乙醇作為競爭性底物可以抑制乙二醇氧化成乙醛的反應(yīng)，化成乙醛的反應(yīng)，（因此乙醇可以用于（因此乙醇可以用于治療乙二醇中毒）治療乙二醇中毒）抑菌劑抑菌劑n二氫葉酸合成酶二氫葉酸合成酶 轉(zhuǎn)肽基酶轉(zhuǎn)肽基酶n兩者結(jié)構(gòu)類似，故可競爭性地抑制轉(zhuǎn)兩者結(jié)構(gòu)類似，故可競爭性地抑制轉(zhuǎn)肽酶，導(dǎo)致胞壁合成障礙。肽酶，導(dǎo)致胞壁合成障礙。 酶抑制劑：酶抑制劑：是一類可以結(jié)合酶并降低是一類可以

7、結(jié)合酶并降低其活性的分子。由于抑制特定酶的活性可其活性的分子。由于抑制特定酶的活性可以殺死病原體或校正新陳代謝的不平衡，以殺死病原體或校正新陳代謝的不平衡，許多相關(guān)藥物就是酶抑制劑。一些酶抑制許多相關(guān)藥物就是酶抑制劑。一些酶抑制劑還被用作除草劑或農(nóng)藥劑還被用作除草劑或農(nóng)藥 20世紀(jì)世紀(jì)60年代初，年代初，Umezawa提出了酶抑提出了酶抑制的概念制的概念,從而將從而將抗生素抗生素的研究擴(kuò)大到酶抑制劑的研究擴(kuò)大到酶抑制劑的新領(lǐng)域。酶抑制劑新藥發(fā)現(xiàn)的途徑：一是來的新領(lǐng)域。酶抑制劑新藥發(fā)現(xiàn)的途徑：一是來源于天然化合物，包括動植物和各種微生物等，源于天然化合物，包括動植物和各種微生物等，二是化學(xué)合成物

8、。在目前上市的藥物中，以受二是化學(xué)合成物。在目前上市的藥物中，以受體為作用靶點的藥物占體為作用靶點的藥物占52%，以酶為靶點的藥，以酶為靶點的藥物占物占22%，以離子通道為靶點的藥物占，以離子通道為靶點的藥物占6%，以，以核酸為靶點的藥物占核酸為靶點的藥物占3%。因此，酶抑制劑的開。因此，酶抑制劑的開發(fā)是新藥來源的一個主要途徑。以酶為靶點開發(fā)是新藥來源的一個主要途徑。以酶為靶點開發(fā)新藥存在巨大潛力，今后很長一段時間仍然發(fā)新藥存在巨大潛力，今后很長一段時間仍然是發(fā)現(xiàn)新藥的重要著手點。是發(fā)現(xiàn)新藥的重要著手點。 H7N9新藥(帕拉米韋) 強(qiáng)效神經(jīng)氨酸酶抑制劑整合酶抑制劑的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展4過渡態(tài)的類似物作

9、為競爭性過渡態(tài)的類似物作為競爭性的抑制劑的抑制劑 所謂過渡態(tài)底物是指底物和酶結(jié)所謂過渡態(tài)底物是指底物和酶結(jié)合成中間復(fù)合體后被活化的過渡形式，合成中間復(fù)合體后被活化的過渡形式，一般用一般用S*表示，由于其能障小，和酶表示，由于其能障小，和酶結(jié)合就緊密得多。結(jié)合就緊密得多。4過渡態(tài)的類似物作為競爭性的抑制劑過渡態(tài)的類似物作為競爭性的抑制劑（二）（二） 反競爭性抑制反競爭性抑制n反競爭性抑制反競爭性抑制（uncompetitive inhibition） 對酶活性的一種抑制作用，由于對酶活性的一種抑制作用，由于所加入的抑制劑能與酶所加入的抑制劑能與酶-底物復(fù)合物結(jié)底物復(fù)合物結(jié)合，而不與游離酶結(jié)合，所

10、以其特征合，而不與游離酶結(jié)合，所以其特征是反應(yīng)的最大速度比未加抑制劑時反是反應(yīng)的最大速度比未加抑制劑時反應(yīng)的最大速度低，當(dāng)以速度的倒數(shù)相應(yīng)的最大速度低，當(dāng)以速度的倒數(shù)相對底物濃度的倒數(shù)作圖，所得圖線與對底物濃度的倒數(shù)作圖，所得圖線與未被抑制反應(yīng)的圖線平行。未被抑制反應(yīng)的圖線平行。反競爭抑制作用反競爭抑制作用 加入加入I時，反而可增加時，反而可增加S對對E的親和的親和力，而增加力，而增加S并不能減輕或消除抑制；并不能減輕或消除抑制；有有I時，時，Km減小，說明減小，說明I可使可使E對對S的親的親和力增大。和力增大。 反競爭性抑制動力學(xué)曲線反競爭性抑制動力學(xué)曲線2. 反競爭性抑制舉例反競爭性抑制舉

11、例單底物酶：芳香基硫酸基的肼解單底物酶：芳香基硫酸基的肼解 氰化物抑制芳香硫酸酯酶的作用氰化物抑制芳香硫酸酯酶的作用多底物：如雙底物乒乓機(jī)制中，任何一多底物：如雙底物乒乓機(jī)制中，任何一個底物的競爭性抑制劑也是另一底物個底物的競爭性抑制劑也是另一底物的反競爭性抑制劑。的反競爭性抑制劑。 （三）非競爭性抑制（三）非競爭性抑制非競爭性抑制（非競爭性抑制（noncompetitive noncompetitive inhibitioninhibition） 抑制劑在酶的活性部位以外的部位與酶結(jié)合，抑制劑在酶的活性部位以外的部位與酶結(jié)合，不對底物與酶的活性產(chǎn)生競爭。不對底物與酶的活性產(chǎn)生競爭。 作用：抑

12、制劑不僅與游離酶結(jié)合，也可以與作用：抑制劑不僅與游離酶結(jié)合，也可以與酶酶- -底物復(fù)合物結(jié)合的一種酶促反應(yīng)抑制作底物復(fù)合物結(jié)合的一種酶促反應(yīng)抑制作用。酶用。酶- -底物底物- -抑制劑復(fù)合物（抑制劑復(fù)合物（ESIESI）不能進(jìn)）不能進(jìn)一步釋放出產(chǎn)物。一步釋放出產(chǎn)物。 非非競競爭性抑制爭性抑制酶可同時與底物及抑制劑結(jié)合，引起酶分子酶可同時與底物及抑制劑結(jié)合，引起酶分子構(gòu)象變化，并導(dǎo)至酶活性下降。由于這類物構(gòu)象變化，并導(dǎo)至酶活性下降。由于這類物質(zhì)并不是與底物競爭與活性中心的結(jié)合，所質(zhì)并不是與底物競爭與活性中心的結(jié)合，所以稱為非競爭性抑制劑。以稱為非競爭性抑制劑。如某些金屬離子（如某些金屬離子（Cu

13、Cu2+2+、AgAg+ +、HgHg2+2+）以及）以及EDTAEDTA等，通常能與酶分子的調(diào)控部位中的等，通常能與酶分子的調(diào)控部位中的-SH-SH基基團(tuán)作用，改變酶的空間構(gòu)象，引起非競爭性團(tuán)作用，改變酶的空間構(gòu)象，引起非競爭性抑制。抑制。特點：特點：n 非競爭性抑制劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)不一定與底非競爭性抑制劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)不一定與底物的分子結(jié)構(gòu)類似；物的分子結(jié)構(gòu)類似； n 底物和抑制劑分別獨立地與酶的不同部底物和抑制劑分別獨立地與酶的不同部位相結(jié)合；位相結(jié)合； n 抑制劑對酶與底物的結(jié)合無影響，故底抑制劑對酶與底物的結(jié)合無影響，故底物濃度的改變對抑制程度無影響；物濃度的改變對抑制程度無影響； n 動力

14、學(xué)參數(shù)：動力學(xué)參數(shù)：KmKm值不變，值不變，VmVm值降低。值降低。非競爭性抑制的動力學(xué)非競爭性抑制的動力學(xué)可推導(dǎo)得出如下的曲線可推導(dǎo)得出如下的曲線1 1、V Vm m降低降低 即即 I I 越大、越大、K Ki i越小，越小，形成不能轉(zhuǎn)變?yōu)樾纬刹荒苻D(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物的產(chǎn)物的EIEI和和EISEIS越多，越多，V V降低的程度越降低的程度越顯著。顯著。2 2、KmKm不變不變3 3、增大底物濃度，不能、增大底物濃度，不能減輕抑制作用，無競爭關(guān)減輕抑制作用，無競爭關(guān)系；系；2. 非競爭性抑制舉例非競爭性抑制舉例（四）混合型抑制作用（四）混合型抑制作用 是非競爭性與其他兩種類型的混合，是非競爭性與其他兩種

15、類型的混合，競爭性與反競爭性抑制二者之間不存競爭性與反競爭性抑制二者之間不存在混合型。在混合型。（五）（五） 其他可逆抑制其他可逆抑制n1 底物抑制底物抑制n2 產(chǎn)物抑制產(chǎn)物抑制2 產(chǎn)物抑制產(chǎn)物抑制 產(chǎn)物對酶反應(yīng)的抑制作用在生物體中產(chǎn)物對酶反應(yīng)的抑制作用在生物體中較為常見，在細(xì)胞內(nèi)，酶反應(yīng)的產(chǎn)物雖然較為常見，在細(xì)胞內(nèi)，酶反應(yīng)的產(chǎn)物雖然不斷被另外的酶作用，但不斷被另外的酶作用，但S和和P總是同時存總是同時存在的，因此，考慮產(chǎn)物對反應(yīng)速度的影響，在的，因此，考慮產(chǎn)物對反應(yīng)速度的影響，可能具有一定的意義?？赡芫哂幸欢ǖ囊饬x。二、不可逆抑制作用二、不可逆抑制作用不可逆抑制作用：不可逆抑制作用： 如果如

16、果E I ,則則I只能使部分的酶失活，余下只能使部分的酶失活，余下的酶仍是正常的，可以行使正常的催化功能。的酶仍是正常的，可以行使正常的催化功能。 米氏常數(shù)不變，而米氏常數(shù)不變，而Vmax下降，得到的雙倒下降，得到的雙倒數(shù)圖和可逆抑制中的非競爭性抑制非常相似。數(shù)圖和可逆抑制中的非競爭性抑制非常相似。 非專一性：非專一性： 專一性專一性（一）非專一性的不可逆抑制作用（一）非專一性的不可逆抑制作用n1 概念：抑制劑能和酶上的一類或概念：抑制劑能和酶上的一類或幾類基團(tuán)反應(yīng)。幾類基團(tuán)反應(yīng)。n2 類型：重金屬、?；瘎?、烴基化劑、類型：重金屬、酰化劑、烴基化劑、含活潑雙鍵的試劑、含活潑雙鍵的試劑、 有機(jī)磷

17、化合物、有機(jī)磷化合物、 烷化劑、烷化劑、 還原劑還原劑n農(nóng)藥殺蟲的機(jī)理農(nóng)藥殺蟲的機(jī)理- -抑制生物體中的靶酶。抑制生物體中的靶酶。 乙酰膽堿酯酶（乙酰膽堿酯酶（ACHEACHE）：）：催化乙酰膽堿，催化乙酰膽堿，水解為膽堿和乙酸水解為膽堿和乙酸n例如：有機(jī)磷的殺蟲原理主要是：例如：有機(jī)磷的殺蟲原理主要是： 有機(jī)磷對生物體神經(jīng)突觸后膜上的有機(jī)磷對生物體神經(jīng)突觸后膜上的乙酰膽堿酯酶（乙酰膽堿酯酶（ACHEACHE）的抑制，造成突觸）的抑制，造成突觸間隙乙酰膽堿的積蓄，持續(xù)地作用于受體，間隙乙酰膽堿的積蓄，持續(xù)地作用于受體，引起一系列反應(yīng)使病蟲神經(jīng)過度興奮而死引起一系列反應(yīng)使病蟲神經(jīng)過度興奮而死亡亡

18、 （二）（二） 專一性不可逆抑制劑專一性不可逆抑制劑n概念：抑制劑通常只作用于酶蛋白分子中一概念：抑制劑通常只作用于酶蛋白分子中一種氨基酸側(cè)鏈基團(tuán)或僅作用于一類酶。種氨基酸側(cè)鏈基團(tuán)或僅作用于一類酶。n專一性不可逆抑制劑的類型專一性不可逆抑制劑的類型: 1 Ks型結(jié)合型不可逆抑制劑型結(jié)合型不可逆抑制劑 2 Kcat型催化型不可逆抑制劑（自殺底型催化型不可逆抑制劑（自殺底物）物）1、Ks型結(jié)合型專一性不可逆抑制劑型結(jié)合型專一性不可逆抑制劑n抑制劑只能專一地與某種酶結(jié)合而引起的抑制劑只能專一地與某種酶結(jié)合而引起的不可逆抑制作用不可逆抑制作用 根據(jù)底物的化學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以和酶根據(jù)底物的化學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計，可

19、以和酶結(jié)合，并對酶的必需基團(tuán)進(jìn)行化學(xué)修飾，結(jié)合，并對酶的必需基團(tuán)進(jìn)行化學(xué)修飾，從而抑制酶的活性。是利用對酶的親和力從而抑制酶的活性。是利用對酶的親和力而對酶進(jìn)行修飾標(biāo)記，所以又稱親和標(biāo)記而對酶進(jìn)行修飾標(biāo)記，所以又稱親和標(biāo)記試劑。試劑。舉例：舉例： 1 對甲苯磺酰對甲苯磺酰-L-苯丙氨酰氯甲酮抑制胰凝苯丙氨酰氯甲酮抑制胰凝乳蛋白酶乳蛋白酶 2 對甲苯磺酰對甲苯磺酰-L-賴氨酰氯甲酮抑制胰蛋白賴氨酰氯甲酮抑制胰蛋白酶酶 2 Kcat型催化型不可逆抑制劑（自型催化型不可逆抑制劑（自殺底物）殺底物） 抑制劑能專一地與某種酶結(jié)合并發(fā)抑制劑能專一地與某種酶結(jié)合并發(fā)生催化反應(yīng)，而反應(yīng)的產(chǎn)物中含有一個生催化反

20、應(yīng)，而反應(yīng)的產(chǎn)物中含有一個基團(tuán)可以與酶分子活性中心的基團(tuán)共價基團(tuán)可以與酶分子活性中心的基團(tuán)共價結(jié)合，導(dǎo)致酶分子不可逆地喪失催化活結(jié)合，導(dǎo)致酶分子不可逆地喪失催化活性。性。Kcat型不可逆抑制劑（自殺底物）型不可逆抑制劑（自殺底物）（1） 天然酶的自殺底物天然酶的自殺底物（2）治療用人工合成的酶自殺底物）治療用人工合成的酶自殺底物（2） 治療用人工合成的酶自殺治療用人工合成的酶自殺底物底物 治療高血壓；癲癇；抗青霉素的菌株；治療高血壓；癲癇；抗青霉素的菌株；在腫瘤治療上；治療震顛麻痹癥；痛風(fēng)癥在腫瘤治療上；治療震顛麻痹癥；痛風(fēng)癥的自殺底物療法。的自殺底物療法。例：以例：以FMN或或FAD為輔酶的

21、單胺氧為輔酶的單胺氧化酶的化酶的Kcat型不可逆抑制劑型不可逆抑制劑迫降靈迫降靈酶抑制劑的抑制程度：酶抑制劑的抑制程度： 在抑制劑存在下，酶反應(yīng)速度下降的成在抑制劑存在下，酶反應(yīng)速度下降的成都，常用有抑制作用的反應(yīng)速度（都，常用有抑制作用的反應(yīng)速度（vi）與）與無抑制作用的反應(yīng)速度（無抑制作用的反應(yīng)速度（v）。）。 a：相對活力分?jǐn)?shù)：相對活力分?jǐn)?shù) i：抑制分?jǐn)?shù)：抑制分?jǐn)?shù) i1a第四節(jié)第四節(jié) 酶的調(diào)節(jié)酶的調(diào)節(jié)n酶活性的調(diào)節(jié)酶活性的調(diào)節(jié)n酶濃度的調(diào)節(jié)酶濃度的調(diào)節(jié)酶活性調(diào)節(jié)的實例：酶活性調(diào)節(jié)的實例： 凝血酶、胰蛋白酶激活凝血酶、胰蛋白酶激活 糖元磷酸化酶活性轉(zhuǎn)化糖元磷酸化酶活性轉(zhuǎn)化 母體分娩后母乳中

22、乳糖合成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蘇氨酸到異亮氨酸的代謝途徑控制 說明了說明了n正常情況下生物體并不要求每個酶處于最正常情況下生物體并不要求每個酶處于最有效的催化狀態(tài)，而是要求有快有慢。有效的催化狀態(tài)，而是要求有快有慢。n在長期的進(jìn)化、選擇過程中，生物體為適在長期的進(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，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)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

23、式：多種調(diào)節(jié)方式： 濃度調(diào)節(jié)（濃度調(diào)節(jié)（ 合成降解調(diào)節(jié)合成降解調(diào)節(jié)) )； 生理調(diào)節(jié)生理調(diào)節(jié)( (激素調(diào)節(jié)激素調(diào)節(jié)) )； 共價修飾調(diào)節(jié)（可逆，不可逆共價修飾調(diào)節(jié)（可逆，不可逆) )； 抑制劑調(diào)節(jié)；抑制劑調(diào)節(jié)； 反饋調(diào)節(jié)（別構(gòu)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）；存在方式調(diào)節(jié)（多酶體系）； 寡聚酶的聚合、解聚調(diào)節(jié)；寡聚酶的聚合、解聚調(diào)節(jié)； 1. 1. 調(diào)節(jié)酶在細(xì)胞內(nèi)的濃度調(diào)節(jié)酶在細(xì)胞內(nèi)的濃度 如：大腸桿菌的葡萄糖效應(yīng)，即在有葡萄如：大腸桿菌的葡萄糖效應(yīng)，即在有葡萄 糖存在時，它不利用乳糖。原理可以糖存在時，它不利用乳糖。原理可以 用乳糖操縱子模型來解釋。用乳糖操縱子模型來解

24、釋。 腺苷酸環(huán)化酶腺苷酸環(huán)化酶 AMP cAMP + H2O 磷酸二脂酶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)生理調(diào)節(jié)或激素調(diào)節(jié) 在特殊生理條件下，分泌某一種激素來調(diào)在特殊生理條件下，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。節(jié)酶的活性。如：乳腺組織中的乳糖合成酶。 乳糖合成酶是蛋白乳糖合成酶是蛋白A A和蛋白和蛋白B B兩組分構(gòu)成的兩組分構(gòu)成的復(fù)合物，可以催化乳糖合成反應(yīng)：復(fù)合物，可以催化乳糖合成反應(yīng)： EUDP-半乳糖 + 葡萄糖 乳糖 + UDP 蛋白蛋白A A不能催化上述反應(yīng)而能催化下述合成反應(yīng)：不能催化上述反應(yīng)而能催化下述合成反應(yīng)：UDP-UDP-半乳

25、糖半乳糖 + N-+ N-乙酰葡糖胺乙酰葡糖胺 N-N-乙酰半乳糖胺乙酰半乳糖胺 + UDP+ UDP 蛋白蛋白B B本身無催化能力，但其與蛋白本身無催化能力，但其與蛋白A A結(jié)合，可以結(jié)合，可以改變蛋白改變蛋白A A的底物專一性。的底物專一性。A 3 3、共價修飾調(diào)節(jié)、共價修飾調(diào)節(jié) 不可逆共價調(diào)節(jié)不可逆共價調(diào)節(jié)酶原激活酶原激活 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)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)功能需要時就會被活化而起作用。可以外作用部位去，當(dāng)功

26、能需要時就會被活化而起作用?？梢韵胂螅仨氂幸环N調(diào)控機(jī)制，使其在胞內(nèi)合成時處于失活想象，必須有一種調(diào)控機(jī)制，使其在胞內(nèi)合成時處于失活狀態(tài)，而在需要時激活；狀態(tài)，而在需要時激活； 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：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)生一級結(jié)構(gòu)變化、首先，酶原分子被切去若干小段，即發(fā)生一級結(jié)構(gòu)變化、 一級結(jié)構(gòu)變化引起酶分子活性部位構(gòu)象變化，形成能與一級結(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。特異性底物相結(jié)合的完整的疏水口袋。胰蛋白酶胰蛋白酶胰凝乳蛋白酶胰凝乳蛋白酶Ser14Arg

27、15Thr147Asn148A 鏈鏈 B 鏈鏈 C 鏈鏈胰凝乳蛋白酶原胰凝乳蛋白酶原 （無活性）（無活性）-胰凝乳蛋白酶胰凝乳蛋白酶 （有活性）（有活性） -胰凝乳蛋白酶胰凝乳蛋白酶 （有活性（有活性,穩(wěn)定）穩(wěn)定）-胰凝乳蛋白酶胰凝乳蛋白酶（三鏈間有二硫鍵）（三鏈間有二硫鍵） - -胰凝乳胰凝乳蛋白酶為穩(wěn)定的蛋白酶為穩(wěn)定的形式，形式，A A、B B兩鏈兩鏈及及B B、C C兩鏈間各兩鏈間各通過一對大的二通過一對大的二硫鍵相連，其活硫鍵相連，其活性只有性只有-胰凝胰凝乳蛋白酶的乳蛋白酶的2/52/5 酶活性中酶活性中心的氨基酸殘基心的氨基酸殘基來自來自B B、C C二鏈二鏈胰蛋白酶原胰蛋白酶原胰

28、蛋白酶胰蛋白酶六肽六肽腸激酶腸激酶羧肽酶原羧肽酶原羧肽酶羧肽酶彈性蛋白酶原彈性蛋白酶原彈性蛋白酶彈性蛋白酶胰凝乳蛋白酶原胰凝乳蛋白酶原胰凝乳蛋白酶胰凝乳蛋白酶+胰蛋白酶對各個胰臟蛋白酶原的激活作用胰蛋白酶對各個胰臟蛋白酶原的激活作用 綜上所述，酶原激活有兩個特點綜上所述，酶原激活有兩個特點：n是蛋白質(zhì)肽鏈的水解過程，不可逆激活后，不能是蛋白質(zhì)肽鏈的水解過程，不可逆激活后，不能變?yōu)槊冈瓲顟B(tài)，因而這是變?yōu)槊冈瓲顟B(tài)，因而這是“一次性一次性”的調(diào)節(jié)，能的調(diào)節(jié)，能及時地從靶部位通過自身催化或組織蛋白酶的作及時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用而降解移去n都是通過級聯(lián)系統(tǒng)實現(xiàn)的快速的信號

29、放大過程，都是通過級聯(lián)系統(tǒng)實現(xiàn)的快速的信號放大過程，以完成特定功能以完成特定功能 可逆的共價調(diào)節(jié)可逆的共價調(diào)節(jié) 由于其他的酶對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行共價修飾，而使其在由于其他的酶對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行共價修飾，而使其在活性形式與非活性形式之間進(jìn)行互變活性形式與非活性形式之間進(jìn)行互變. .n第一種類型是磷酸化酶及其他的一些酶，它們通過接受第一種類型是磷酸化酶及其他的一些酶，它們通過接受ATPATP轉(zhuǎn)來轉(zhuǎn)來的磷酸基的共價修飾，或脫下磷酸基，來調(diào)節(jié)酶活性：的磷酸基的共價修飾，或脫下磷酸基，來調(diào)節(jié)酶活性： 酶的無活性形式酶的無活性形式 酶的有活性形式酶的有活性形式 最典型的例子是動物組織中的糖原磷酸化酶：最典型的例子是動物

30、組織中的糖原磷酸化酶：（葡萄糖）（葡萄糖）n n+ Pi + Pi （ 葡萄糖）葡萄糖）n-1n-1+ 1-+ 1-磷酸磷酸- -葡萄糖葡萄糖En糖原磷酸化酶的活性形式及非活性糖原磷酸化酶的活性形式及非活性形式間的平衡，是形式間的平衡，是磷酸基磷酸基共價地結(jié)共價地結(jié)合到酶上或從酶上脫下，從而控制合到酶上或從酶上脫下，從而控制調(diào)節(jié)磷酸化酶的活性調(diào)節(jié)磷酸化酶的活性n糖原磷酸化酶及其他受共價修飾調(diào)糖原磷酸化酶及其他受共價修飾調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)酶節(jié)的調(diào)節(jié)酶可以將化學(xué)信號極大的可以將化學(xué)信號極大的放大。放大。 如一分子磷酸化酶的激酶可以催化如一分子磷酸化酶的激酶可以催化幾千個無活性的磷酸化酶幾千個無活性的磷酸化

31、酶b b分子變分子變?yōu)橛谢钚缘牧姿峄笧橛谢钚缘牧姿峄竌 a，從而催化，從而催化糖原形成幾千個分子的糖原形成幾千個分子的1-1-磷酸葡萄磷酸葡萄糖，這就形成了具有兩步的級聯(lián)放糖，這就形成了具有兩步的級聯(lián)放大大（amplification cascadeamplification cascade）實）實際上這兩個酶是腎上腺素激素分子際上這兩個酶是腎上腺素激素分子化學(xué)信號造成組織中糖原急劇分解化學(xué)信號造成組織中糖原急劇分解的一個更長的級聯(lián)放大中的一部分的一個更長的級聯(lián)放大中的一部分. .見圖見圖+4H2O 4ADP4Pi 4ATPPPPP磷酸化酶磷酸化酶激酶激酶磷酸化酶磷酸化酶磷酸酶磷酸酶磷酸化

32、酶磷酸化酶a a（有活性）（有活性）磷酸化酶磷酸化酶b b（無活性）（無活性）n第二種類型是大腸桿菌谷氨酰胺合成酶及其他一第二種類型是大腸桿菌谷氨酰胺合成酶及其他一些酶，它們受些酶，它們受ATPATP轉(zhuǎn)來的酰苷?；墓矁r修飾轉(zhuǎn)來的酰苷?；墓矁r修飾，或，或酶促脫酰苷?；?，而調(diào)節(jié)酶活性：酶促脫酰苷酰基，而調(diào)節(jié)酶活性： 酶的活性較高形式酶的活性較高形式 酶的活性較低形式酶的活性較低形式 谷氨酰胺合成酶催化下列反應(yīng)：谷氨酰胺合成酶催化下列反應(yīng)：ATP + ATP + 谷氨酸谷氨酸 + NH+ NH3 3 ADP + ADP + 谷氨酰胺谷氨酰胺 + Pi+ Pi 它有它有1212個亞基，酰苷酰基從個

33、亞基，酰苷?；鶑腁TPATP脫下后連接到脫下后連接到每一個亞基的專一性酪氨酸殘基上，產(chǎn)生低活性每一個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形式的酪氨酸酚羥基的酰苷酰衍生物 4. 4. 抑制劑的調(diào)節(jié)抑制劑的調(diào)節(jié) 5.5.反饋調(diào)節(jié)反饋調(diào)節(jié)( (或稱或稱 別構(gòu)調(diào)節(jié)別構(gòu)調(diào)節(jié)) ) 早已發(fā)現(xiàn)，許多物質(zhì)合早已發(fā)現(xiàn)，許多物質(zhì)合成代謝途徑的一連串反應(yīng)中，成代謝途徑的一連串反應(yīng)中，催化第一步反應(yīng)的酶或者是催化第一步反應(yīng)的酶或者是序列交叉處的酶大多能被全序列交叉處的酶大多能被全部序列的最終產(chǎn)物控制部序列的最終產(chǎn)物控制反饋抑制。反饋抑制。 催化第一部反應(yīng)的酶或催化第一部反應(yīng)的酶或分叉處

34、的酶即屬于分叉處的酶即屬于別構(gòu)酶別構(gòu)酶。 什么是別構(gòu)調(diào)節(jié)？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，使酶活性部位對底物的結(jié)合與催化受到影響，酶活性部位對底物的結(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)。應(yīng)稱為酶的別構(gòu)調(diào)節(jié)或別構(gòu)效應(yīng)。 是通過酶分子構(gòu)象的變化來改變是通過酶分子構(gòu)象的變化來改變的活性，又稱就變構(gòu)酶的活性，又稱就變構(gòu)酶具有兩個在空間上彼此獨立并分具有兩個在空間上彼此獨立并分開的特異部位：活性部位、調(diào)

35、節(jié)開的特異部位：活性部位、調(diào)節(jié)部位部位效應(yīng)物同調(diào)節(jié)部位結(jié)合效應(yīng)物同調(diào)節(jié)部位結(jié)合酶構(gòu)象酶構(gòu)象改變改變活性改變?；钚愿淖?。特性：特性：1均寡聚酶均寡聚酶 2一般位于代謝途經(jīng)的第一步反應(yīng)，也稱限速一般位于代謝途經(jīng)的第一步反應(yīng)，也稱限速反應(yīng)。反應(yīng)。3效應(yīng)物（別構(gòu)劑）一般都是小分子，與別構(gòu)效應(yīng)物（別構(gòu)劑）一般都是小分子，與別構(gòu)酶的結(jié)合是特異的酶的結(jié)合是特異的4別構(gòu)酶促反應(yīng)不遵循米氏方程別構(gòu)酶促反應(yīng)不遵循米氏方程5從動力特征看，正協(xié)同別構(gòu)酶呈從動力特征看，正協(xié)同別構(gòu)酶呈S形曲線形曲線6別構(gòu)酶具協(xié)同效應(yīng)別構(gòu)酶具協(xié)同效應(yīng) 協(xié)同效應(yīng)協(xié)同效應(yīng)指一個分子與酶結(jié)合后對第二個分指一個分子與酶結(jié)合后對第二個分子結(jié)合的影響

36、。子結(jié)合的影響。 第一個酶（有活性）第一個酶（無活性）終產(chǎn)物終產(chǎn)物（調(diào)節(jié)物） 結(jié)合在調(diào)節(jié)中心反反饋饋抑抑制制的的類類型型 已知已知別構(gòu)酶別構(gòu)酶的結(jié)構(gòu)特點：的結(jié)構(gòu)特點： 有多個亞基、有四級結(jié)構(gòu)；有多個亞基、有四級結(jié)構(gòu)； 除了有可以結(jié)合底物的酶的活除了有可以結(jié)合底物的酶的活性中心之外，還有可以結(jié)合調(diào)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，這兩節(jié)物的別構(gòu)中心，而且，這兩個中心位于酶蛋白的不同部位個中心位于酶蛋白的不同部位上上, ,或處在不同的亞基上（如或處在不同的亞基上（如ATCaseATCase），或處在同一個亞基），或處在同一個亞基的不同部位上。的不同部位上。 別構(gòu)酶調(diào)節(jié)酶活性的機(jī)理別構(gòu)

37、酶調(diào)節(jié)酶活性的機(jī)理n 續(xù)變模型也稱續(xù)變模型也稱KNFKNF模型模型 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)象逐個地依次變化，因此亞基有物或調(diào)節(jié)物）后，亞基構(gòu)象逐個地依次變化，因此亞基有各種可能的構(gòu)象狀態(tài)。各種可能的構(gòu)象狀態(tài)。 SSSSSSSSSSSSSS亞基全部處亞基全部處于于“關(guān)關(guān)”型型亞基全部處亞基全部處于于“開開”型型 按次序變化按次序變化 齊變模型或?qū)ΨQ模型齊變模型或?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 T狀態(tài)，或者全部

38、是有利于結(jié)合底物的狀態(tài)，或者全部是有利于結(jié)合底物的R R狀態(tài)，這兩種狀態(tài)間的狀態(tài)，這兩種狀態(tài)間的轉(zhuǎn)變對于每個亞基都是同時的、齊步發(fā)生的。轉(zhuǎn)變對于每個亞基都是同時的、齊步發(fā)生的。別構(gòu)調(diào)節(jié)動力學(xué)別構(gòu)調(diào)節(jié)動力學(xué)n 大部分變構(gòu)酶的初速度大部分變構(gòu)酶的初速度- -底物濃度的關(guān)底物濃度的關(guān)系不符合典型的米氏方程，即不是簡單的系不符合典型的米氏方程，即不是簡單的雙曲線，而是呈雙曲線，而是呈S S型的型的v-Sv-S曲線。曲線。n這種這種S 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，型的反應(yīng)體現(xiàn)為當(dāng)?shù)孜餄舛劝l(fā)生較小變化時，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)酶可以極大程度的控制著反應(yīng)速度，這就是別構(gòu)

39、酶可以靈敏地調(diào)節(jié)酶反應(yīng)速度的原因所在，別構(gòu)酶可以靈敏地調(diào)節(jié)酶反應(yīng)速度的原因所在，即即正協(xié)同效應(yīng)使得酶的反應(yīng)速度對底物濃度的變正協(xié)同效應(yīng)使得酶的反應(yīng)速度對底物濃度的變化極為敏感化極為敏感n另有一類具有負(fù)協(xié)同效應(yīng)的酶，在這種曲線中，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，也就是說高卻較小，也就是說負(fù)協(xié)同效應(yīng)可以使酶的反應(yīng)負(fù)協(xié)同效應(yīng)可以使酶的反應(yīng)速度對外界環(huán)境中底物濃度的變化不敏感速度對外界環(huán)境中底物濃度的變化不敏感正負(fù)協(xié)

40、同效應(yīng)的區(qū)別正負(fù)協(xié)同效應(yīng)的區(qū)別正協(xié)同正協(xié)同效應(yīng)效應(yīng)負(fù)協(xié)同負(fù)協(xié)同效應(yīng)效應(yīng)nKoshland Koshland 等人建議，用以下比例式定量的判斷與區(qū)分三類等人建議，用以下比例式定量的判斷與區(qū)分三類酶：酶： Rs= Rs= 典型的米氏類型的酶典型的米氏類型的酶 Rs=81Rs=81 具有正協(xié)同效應(yīng)的別構(gòu)酶具有正協(xié)同效應(yīng)的別構(gòu)酶 Rs81Rs81 Rs81 酶與底物（或配基）結(jié)合達(dá)酶與底物（或配基）結(jié)合達(dá)90%飽和度時的底物（或配基）濃度飽和度時的底物（或配基）濃度酶與底物（或配基）結(jié)合達(dá)酶與底物（或配基）結(jié)合達(dá)10%飽和度時的底物（或配基）濃度飽和度時的底物（或配基）濃度 別構(gòu)酶舉例別構(gòu)酶舉例n大腸

41、桿菌的天冬氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶，簡稱大腸桿菌的天冬氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶，簡稱ATCaseATCase（aspartate transcarbamoylaseaspartate transcarbamoylase）它是嘧啶核苷酸生物它是嘧啶核苷酸生物合成合成CTP-CTP-多酶體系反應(yīng)序列中的第一個酶多酶體系反應(yīng)序列中的第一個酶n其正常底物為天冬氨酸及氨甲酰磷酸其正常底物為天冬氨酸及氨甲酰磷酸n它受它受CTPCTP的反饋抑制，的反饋抑制，CTPCTP是其負(fù)調(diào)節(jié)物，其正調(diào)節(jié)物是是其負(fù)調(diào)節(jié)物，其正調(diào)節(jié)物是ATPATPn它所催化的反應(yīng)如下：它所催化的反應(yīng)如下： 氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸 + + 天冬氨酸天冬氨酸 氨甲

42、酰天冬氨酸氨甲酰天冬氨酸 UMP UTP CTP UMP UTP CTP n CTP CTP在不影響酶的在不影響酶的VmaxVmax的情況下通過的情況下通過降低降低酶與底物的酶與底物的親和性來抑制親和性來抑制ATCaseATCase；ATPATP則相反，它則相反，它增強(qiáng)增強(qiáng)酶與底物的親酶與底物的親和性，也不影響其和性，也不影響其VmaxVmax。n這種調(diào)節(jié)的生物學(xué)意義是：這種調(diào)節(jié)的生物學(xué)意義是： ATPATP作為信號表明有能量供作為信號表明有能量供DNADNA復(fù)制使用并引發(fā)需求嘧復(fù)制使用并引發(fā)需求嘧啶核苷酸的生物合成；啶核苷酸的生物合成；CTPCTP則保證在嘧啶核苷酸已豐足時，則保證在嘧啶核苷酸已豐足時，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。合成。n ATCaseATCase由由C C、R R亞基亞基組成：組成：C C亞基可與底物作用，有活亞基可與底物作用，有活性中心，但活性中心對調(diào)節(jié)分子性中心，但活性中心對調(diào)節(jié)分子CTPCTP及及ATPATP沒有反應(yīng)；沒有反應(yīng)；R R亞亞基上有可以結(jié)合基上有可以結(jié)合CTPCTP及及ATPATP的別構(gòu)中心，但無催化活性。的別構(gòu)中心，但無催化活性。 nATCase的三維結(jié)構(gòu)的三維結(jié)構(gòu)汞化物汞化物巰基乙醇巰基乙醇+完整的酶分子完整的酶分子（活性形式）（活性形式）催化