《别构酶及其动力学》PPT课件.ppt

第十一章第十一章 别构酶及其动力学别构酶及其动力学 别构效应（别构效应（allosteric effect）：）： 寡聚酶（蛋白）上一个活性部位的改变通过寡聚酶（蛋白）上一个活性部位的改变通过构象变化影响到其它活性部位的效应构象变化影响到其它活性部位的效应别构酶（别构酶（allosteric enzyme)： 能产生别构效应的酶除了有一个活性中心能产生别构效应的酶除了有一个活性中心外，还有别构效应剂结合位外，还有别构效应剂结合位别构效应剂（别构效应剂（allosteric effector) ： 作用于酶活性中心外的某处，通过促使酶分作用于酶活性中心外的某处，通过促使酶分子空间构象的改变而影响酶的催化子空间构象的改变而影响酶的催化 酶的别构效应可由底物结合引起，酶的别构效应可由底物结合引起， 也可由别构效应剂结合引起的也可由别构效应剂结合引起的一一 别构酶及其作用特性别构酶及其作用特性(一一) 概述概述 ：别构效应是机体代谢的重要方式别构效应是机体代谢的重要方式代谢调节的方式：代谢调节的方式： 迟缓调节迟缓调节: 需时间长，几个小时通过改变酶需时间长，几个小时通过改变酶 分子的合成、降解、酶原转化来控分子的合成、降解、酶原转化来控 制细胞内酶分子浓度。

制细胞内酶分子浓度 快速调节快速调节: 时间短几秒或几分钟对体内现有时间短几秒或几分钟对体内现有 的酶进行激活或抑制的酶进行激活或抑制 调节酶调节酶: 在体内代谢过程中起快速调节作用的酶在体内代谢过程中起快速调节作用的酶 包括共价调节酶和别构酶包括共价调节酶和别构酶(二二) 别构酶作用特性别构酶作用特性-协同效应协同效应(cooperative effect) 协同效应：一个配体与蛋白或酶结合后对另一配体结合的影响协同效应：一个配体与蛋白或酶结合后对另一配体结合的影响 1. 分类：分类： 同种效应：一个分子的配体与蛋白或酶结合对后续同种同种效应：一个分子的配体与蛋白或酶结合对后续同种 或同类配体结合的影响或同类配体结合的影响 异种效应：一个分子的配体与蛋白或酶结合对不同种或异种效应：一个分子的配体与蛋白或酶结合对不同种或 不同类配体结合的影响不同类配体结合的影响 正协同效应：正协同效应： 一分子的配体与蛋白或酶结合可促进下一分一分子的配体与蛋白或酶结合可促进下一分 子配体与蛋白和酶结合的效应子配体与蛋白和酶结合的效应 负协同效应：负协同效应： 一分子的配体与蛋白或酶结合使其它配体的一分子的配体与蛋白或酶结合使其它配体的 结合力降低的效应。

结合力降低的效应例如例如: 四亚基蛋白（酶）四亚基蛋白（酶） P + L K1 PL1 K2 PL2 K3 PL3 K4 PL4 内在解离常数内在解离常数: K1 = K2 = K3 =K4 无协同无协同 K1 K2 K3 K4 正协同正协同 K1 K2 K3 K4 负协同负协同右图中右图中 : a 为无协同为无协同(双曲线双曲线) b 正协同效应正协同效应(S形曲线形曲线) c 负协同效应负协同效应 (表观双曲线表观双曲线)VSabc2. 协同效应实例协同效应实例: (1) 正协同实例正协同实例 ATCase （ 6 6） Asp + 氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸 氨甲酰氨甲酰-L -Asp + Pi (过量过量 ) ATP产生异种正协同效应：别构激活产生异种正协同效应：别构激活 CTP产生异种负协同效应：别构抑制产生异种负协同效应：别构抑制 VAspVmVm/2KmappATPCTP尿素和有机汞处理可选择性破坏酶的效应剂结合位尿素和有机汞处理可选择性破坏酶的效应剂结合位脱敏作用脱敏作用：酶失去了原有的对效应剂的敏感性：酶失去了原有的对效应剂的敏感性脱敏后的酶仍然保持催化底物的能力，但不再呈现脱敏后的酶仍然保持催化底物的能力，但不再呈现S形动力学，说明：形动力学，说明： 催化亚基催化亚基底物结合位底物结合位调节亚基调节亚基ATP、CTP结合位结合位 酶有两个结合位点酶有两个结合位点 ATP和和CTP两种效应剂两种效应剂 可能是结合在同一部位。

可能是结合在同一部位 ATC酶效应剂结合位的酶效应剂结合位的 存在对存在对S型动力学是必要的型动力学是必要的u ATCase的别构效应表现为四级的别构效应表现为四级 结构的大幅度变动：结构的大幅度变动： 利用利用ATCase的二底物过渡态类似物：的二底物过渡态类似物：PALA（N-膦乙酰膦乙酰-L-Asp)的研究表明：的研究表明： ATCase的的6个亚基的底物结合位都位于催化链之间的个亚基的底物结合位都位于催化链之间的 界面上，活性中心相距界面上，活性中心相距nm 结合结合PALA后的酶，催化三聚体彼此拉开后的酶，催化三聚体彼此拉开nm，同时，同时 旋转旋转10；并使分；并使分别别位于催化位于催化链链N-端端与与C-端端的的氨甲酰氨甲酰 磷酸结合位磷酸结合位和和Asp 结合位彼此靠近，成为高亲和状态结合位彼此靠近，成为高亲和状态 一个催化一个催化亚亚基的构象基的构象变变化通化通过亚过亚基界面之基界面之间间的相互作的相互作 用，用，传递给传递给另一个催化三聚体，并引起后者构象的另一个催化三聚体，并引起后者构象的转变转变(2) 负协同效应：负协同效应： 3-P-甘油醛脱氢酶：甘油醛脱氢酶：3-P-甘油醛甘油醛 + NAD+ + Pi NADH + 1,3-2P-甘油酸甘油酸 +H + 半位反应性：该酶为四聚体，但半位反应性：该酶为四聚体，但4个活性部位中只个活性部位中只 有有2个起作用个起作用兔肌兔肌 3 P-甘油醛脱氢酶与甘油醛脱氢酶与NAD+结合的解离常数结合的解离常数解离常数解离常数 透析平衡法透析平衡法 荧光测定法荧光测定法 K1 10-10M 110-8 M K2 1 则则 Rs81 正协同正协同 若若n81 负协同负协同 n V ESn Vm = E0 = YsHill模式的缺陷模式的缺陷 : 假设假设n分子底物和酶的结合一步完成，过于理想化分子底物和酶的结合一步完成，过于理想化 Hill模式用于研究别构模式时，对四个亚基酶来模式用于研究别构模式时，对四个亚基酶来 说说n=4，但实际之间。

并且在负协同，但实际之间并且在负协同 时，要求时，要求 n1Log ( V ) Vm-V LogS(二二) MWC模式：模式： Monod-Wyman-Changeux :于于1965年提出，也称齐变模式年提出，也称齐变模式1. 模式要点模式要点: 别构蛋白是一种寡聚体，由多个相同原体构成原体是寡聚别构蛋白是一种寡聚体，由多个相同原体构成原体是寡聚蛋白最小的功能单位，它们在别构蛋白中占有相等的地理位蛋白最小的功能单位，它们在别构蛋白中占有相等的地理位置寡聚蛋白至少有一个对称轴寡聚蛋白至少有一个对称轴 每个亚基对同一种配体只有一个结合位点每个亚基对同一种配体只有一个结合位点 蛋白亚基可具有蛋白亚基可具有R型和型和T型两种构象这两种构象在无底物型两种构象这两种构象在无底物和效应剂存在时处于平衡状态和效应剂存在时处于平衡状态 蛋白亚基都只能取相同的构象，无杂合体亚基齐步转变蛋白亚基都只能取相同的构象，无杂合体亚基齐步转变 亚基的构象可变，但蛋白分子的对称性不变亚基的构象可变，但蛋白分子的对称性不变 无论多少配体结合到酶上，配体与无论多少配体结合到酶上，配体与R态态 和和T态酶的内在解离常数都相等，态酶的内在解离常数都相等， 分别以分别以KR和和KT表示。

表示2.MWC解释底物的同种协同效应解释底物的同种协同效应 以四聚体别构蛋白为例：平衡常数以四聚体别构蛋白为例：平衡常数L = T R R KR1 RS KR2 RS2 KR3 RS3 KR4 RS4 T KT1 TS KT2 TS2 KT3 TS3 KT4 TS4 KR1 = KR = R S RS = 4 RS 4 RS KR KR2 = 2KR = RS S RS2 = 6RS 2 3 RS2 KR2 KR3 = 3KR = RS2S RS3 = 4RS 3 2 RS3 KR3 KR4 = 4KR = RS3 S RS4 = RS 4 RS4 KR4L同理可求知：同理可求知： TS 、 TS2 、 TS3 、 TS4 Ys = RS+2RS2+3RS3+4RS4+TS+2TS2+3TS3+4TS4 4 ( R+RS+ RS2 + RS3 + RS4 +T+ TS+ TS2+TS3 + TS4 ) R S ( 1+ S ) 3 + T S ( 1+ S ) 3 = KR KR KT KT R ( 1+ S ) 4 + T ( 1+ S ) 4 KR KT定义：定义： L = T ， C= KR , = S , C = S R KT KR KT Ys = V = ( 1+ ) 3 + L C (1+C ) 3 Vm ( 1+ ) 4 + L (1+C ) 4 若酶结合位点为若酶结合位点为n， 则：则： Ys = ( 1+ ) n-1 + L C (1+C ) n-1 ( 1+ ) n + L (1+C ) n 讨论讨论 : 若若S只与只与R态结合态结合 ，则，则 KT C= KR/KT= 0 则则 Ys = ( 1+ ) n-1 ( 1+ ) n + L 假设：假设：n=4，以，以V 作图，作图，L 越大，越大，S型越明显型越明显 可解释底物的同种正协同效应可解释底物的同种正协同效应 V L=1L=10L=1000L=100L=10000C=0n=4 若酶只有一种形式若酶只有一种形式: 只有只有T态态，R =0, L = T /R Ys = VVm = C = S 1+ C KT + S 只有只有R态态，T =0, L = T /R =0 Ys = VVm = = S 1+ KR + S 若若KR=KT , 则则 C=1: Ys= /（1+ ） = S KR + S 若若n=1 (只有一个结合位点只有一个结合位点)：Ys= S KR ( 1+L )+ S 1+LCYs= ( 1+ ) n-1+LC (1+C ) n-1 ( 1+ ) n + L (1+C ) n3. MWC解释异种协同效应解释异种协同效应: R L T ， 设设KRKT ( S优先与优先与R结合结合) 激活剂激活剂A使酶处于使酶处于R态；抑制剂态；抑制剂I 使酶处于使酶处于T态态 以二亚基酶为例以二亚基酶为例: T KI1 TI KI2 TI2 L R KA1 RA KA2 RA2 KA1 = KA = AR RA = 2 AR 2 RA KA KA2 = 2KA= RA A RA2 = RA 2 RA2 KA2同理：同理： TI = 2 TI TI2 = TI 2 KI KI2KI:KA ，KI: 激活剂、抑制剂激活剂、抑制剂 与酶的内在解离常数与酶的内在解离常数 I L= T + TI + TI2 = T (1+ KI )2 R+ RA + RA2 R (1+ A )2 KA L= T , = I , = A ，则：，则： L= L ( 1+) 2 R KI KA 1+ 若结合位点数为若结合位点数为n： 则则 L= L ( 1+) n 1+ 有底物存在时有底物存在时: 由于由于KR KT , C0 Ys= (1+ ) n-1 = (1+ ) n-1 L+ (1+ )n L ( 1+) n + (1+ )n 1+ 讨论讨论: 若只有激活剂存在，若只有激活剂存在，I=0时时, 则则=0 : L= L(1+) n L 表明表明R浓度下降，处于不利于和底物结合的浓度下降，处于不利于和底物结合的T态态的酶比例增加的酶比例增加别构抑制。

别构抑制 缺限缺限: 要求酶的构象变化是齐步的要求酶的构象变化是齐步的 没有考虑到负协同效应没有考虑到负协同效应L=L ( 1+ ) n 1+ss ss sss s(三三) KNF模式模式Koshland-Nemethy-Filmer 于于1966年提出年提出1. 模式要点模式要点:。