酶活性調(diào)節(jié)方式課件

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第三節(jié)酶活性調(diào)節(jié)方式

酶活性調(diào)節(jié)的實(shí)

說明了——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。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，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))說明了——

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)；

多種調(diào)節(jié)方式：

1.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

AMPcAMP+H2O

磷酸二脂酶1.調(diào)節(jié)酶在細(xì)胞內(nèi)的濃度乳糖操縱子模型乳糖操縱子模型

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)：

EUDP-半乳糖+葡萄糖乳糖+UDP2.生理調(diào)節(jié)或激素調(diào)節(jié)EUDP-半乳糖+葡萄糖

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蛋白A不能催化上述反應(yīng)而能催化下述合成反應(yīng)：

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)就會被活化而起作用?？梢韵胂?，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，形成能與特異性底物相結(jié)合的完整的疏水口袋。3、共價(jià)修飾調(diào)節(jié)

不可逆共價(jià)調(diào)節(jié)——酶原激活◆一胰蛋白酶胰凝乳蛋白酶Ser14—Arg15Thr147—Asn148A鏈B鏈C鏈胰凝乳蛋白酶原（無活性）π--胰凝乳蛋白酶（有活性）α--胰凝乳蛋白酶（有活性,穩(wěn)定）α--胰凝乳蛋白酶（三鏈間有二硫鍵）◆α--胰凝乳蛋白酶為穩(wěn)定的形式，A、B兩鏈及B、C兩鏈間各通過一對大的二硫鍵相連，其活性只有π--胰凝乳蛋白酶的2/5◆

酶活性中心的氨基酸殘基來自B、C二鏈胰蛋白酶胰凝乳蛋白酶Ser14—Arg15Thr147—As

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)果是造成一個口袋——允許帶芳香族的底物或帶一個較大的非極性脂肪族鏈的底物進(jìn)入專一性部位胰凝乳蛋白酶原受胰蛋白酶作用后，Arg15-Ile1

消化系統(tǒng)其它蛋白水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)，酶原自動激活，失去44個氨基酸殘基，轉(zhuǎn)變?yōu)楦叨人嵝缘模谢钚缘奈傅鞍酌敢鹊鞍酌冈╰rypsinogen）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彈性蛋白酶原消化系統(tǒng)其它蛋白水解酶原的激活胃蛋白酶原（pepsin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+胰蛋白酶對各個胰臟蛋白酶原的激活作用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

綜上所述，酶原激活有兩個特點(diǎn)：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“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聯(lián)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的快速的信號放大過程，以完成特定功能綜上所述，酶原激活有兩個特點(diǎn)：

可逆的共價(jià)調(diào)節(jié)

由于其他的酶對其結(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可逆的共價(jià)調(diào)節(jié)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)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)信號極大的放大。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b分子變?yōu)橛谢钚缘牧姿峄竌，從而催化糖原形成幾千個分子的1-磷酸葡萄糖，這就形成了具有兩步的級聯(lián)放大（amplificationcascade）實(shí)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的一個更長的級聯(lián)放大中的一部分.見圖+4H2O4ADP4Pi4ATPPPPP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）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)酶活性調(diào)節(jié)方式課件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?；墓矁r(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+NH3ADP+谷氨酰胺+Pi

它有12個亞基，酰苷酰基從ATP脫下后連接到每一個亞基的專一性酪氨酸殘基上，產(chǎn)生低活性形式的酪氨酸酚羥基的酰苷酰衍生物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ATP4.抑制劑的調(diào)節(jié)凡引起酶分子一級結(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)。4.抑制劑的調(diào)節(jié)凡引起酶分子一級結(jié)構(gòu)破壞而使酶活力喪失稱

抑制作用的類型不可逆的抑制作用（Inreversibleinhibition）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（Reversibleinhibition）

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.抑制作用的類型不可逆的抑制作用（Inreversi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)，用來探測酶的構(gòu)象。非專一性的不可逆抑制

▲也能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)別不是絕對的，因作用條件及對象不同，某些非專一性抑制劑有時(shí)會轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生專一性不可逆抑制作用。）

不可逆抑制作用的分類專一性的不可逆抑制

可逆抑制作用的分類競爭性抑制（Competitiveinhibition）非競爭性抑制（Noncompetitiveinhibition）反競爭性抑制（Uncompetitiveinhibition）過量底物抑制（ExcessSubstrateInhibition）可逆抑制作用的分類競爭性抑制（Competiti

競爭性抑制▲抑制劑與底物競爭，從而阻止底物與酶的結(jié)合▲競爭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，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競爭性抑制▲抑制劑與底物競爭，從而阻止底物與酶在競爭性抑制中，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：在競爭性抑制中，底物或抑制劑與酶的結(jié)合都是可逆的，各存在一個

競爭性抑制的動力學(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。競爭性抑制的動力學(xué)經(jīng)推導(dǎo)可得如下曲線1

非競爭性抑制▲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)致活性中心的改變，而不能再催化產(chǎn)物生成?！瑯樱裘赶扰c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，就不需要它們在化學(xué)結(jié)構(gòu)上有任何相似性非競爭性抑制

在非競爭性抑制中存在如下平衡在非競爭性抑制中存在如下平衡非競爭性抑制的動力學(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，無競爭關(guān)系；非競爭性抑制的動力學(xué)可推導(dǎo)得出如下的曲線1、Vm降低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爭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）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酶活性調(diào)節(jié)方式課件

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。5.反饋調(diào)節(jié)(或稱別構(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，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)。

什么是別構(gòu)調(diào)節(jié)？

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)中心第一個酶第一個酶終產(chǎn)物終產(chǎn)物（調(diào)節(jié)物）反饋抑制的類型反饋抑制的類型

已知別構(gòu)酶的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：

▲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，這兩個中心位于酶蛋白的不同部位上,或處在不同的亞基上（如ATCase），或處在同一個亞基的不同部位上。已知別構(gòu)酶的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：

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)象逐個地依次變化，因此亞基有各種可能的構(gòu)象狀態(tài)。

SSSSSSSSSSSSSS亞基全部處于“關(guān)”型亞基全部處于“開”型

按次序變化別構(gòu)酶調(diào)節(jié)酶活性的機(jī)理續(xù)變模型

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)變對于每個亞基都是同時(shí)的、齊步發(fā)生的。齊變模型或?qū)ΨQ模型T狀態(tài)別構(gòu)調(diào)節(jié)動力學(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，即不是簡單的雙曲線，而是呈S型的v-[S]曲線。別構(gòu)調(diào)節(jié)動力學(xué)大部分變構(gòu)酶的初速度-底物濃度的關(guān)系不這種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)速度對外界環(huán)境中底物濃度的變化不敏感這種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)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Rs<81

▲

具有負(fù)協(xié)同效應(yīng)的別構(gòu)酶Rs>81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Koshland等人建議，用以下比例式定量的判斷與區(qū)分三類

別構(gòu)酶舉例大腸桿菌的天冬氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶，簡稱ATCase（aspartatetranscarbamoylase）——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

UMPUTPCTP

別構(gòu)酶舉例大腸桿菌的天冬氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶，簡稱ATCasCTP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