第三节 酶活性调节方式.ppt

第三节酶活性调节方式酶活性调节的实例 凝血酶 胰蛋白酶激活糖元磷酸化酶活性转化母体分娩后母乳中乳糖合成丙二酸抑制琥珀酸脱氢酶活性苏氨酸到异亮氨酸的代谢途径控制 说明了 正常情况下生物体并不要求每个酶处于最有效的催化状态 而是要求有快有慢 在长期的进化 选择过程中 生物体为适应外界环境变化 满足生理功能的需要 形成了一整套调节机制 酶合成水平上的调节和酶结构活性水平上的调节 多种调节方式 浓度调节 合成降解调节 生理调节 激素调节 共价修饰调节 可逆 不可逆 抑制剂调节 反馈调节 别构调节 存在方式调节 多酶体系 寡聚酶的聚合 解聚调节 1 调节酶在细胞内的浓度如 大肠杆菌的葡萄糖效应 即在有葡萄糖存在时 它不利用乳糖 原理可以用乳糖操纵子模型来解释 腺苷酸环化酶AMPcAMP H2O磷酸二脂酶 乳糖操纵子模型 2 生理调节或激素调节在特殊生理条件下 分泌某一种激素来调节酶的活性 如 乳腺组织中的乳糖合成酶 乳糖合成酶是蛋白A和蛋白B两组分构成的复合物 可以催化乳糖合成反应 E UDP 半乳糖 葡萄糖乳糖 UDP 蛋白A不能催化上述反应而能催化下述合成反应 UDP 半乳糖 N 乙酰葡糖胺N 乙酰半乳糖胺 UDP蛋白B本身无催化能力 但其与蛋白A结合 可以改变蛋白A的底物专一性 A 3 共价修饰调节不可逆共价调节 酶原激活 一些酶 主要是消化酶和执行防御功能的酶 在细胞内以无活性前体形式 即酶原 合成和分泌 然后输送到胞内外作用部位去 当功能需要时就会被活化而起作用 可以想象 必须有一种调控机制 使其在胞内合成时处于失活状态 而在需要时激活 在酶原激活过程中 酶原分子结构发生了这样的变化 首先 酶原分子被切去若干小段 即发生一级结构变化 一级结构变化引起酶分子活性部位构象变化 形成能与特异性底物相结合的完整的疏水口袋 胰蛋白酶 胰凝乳蛋白酶 Ser14 Arg15 Thr147 Asn148 A链B链C链 胰凝乳蛋白酶原 无活性 胰凝乳蛋白酶 有活性 胰凝乳蛋白酶 有活性 稳定 胰凝乳蛋白酶 三链间有二硫键 胰凝乳蛋白酶为稳定的形式 A B两链及B C两链间各通过一对大的二硫键相连 其活性只有 胰凝乳蛋白酶的2 5 酶活性中心的氨基酸残基来自B C二链 胰凝乳蛋白酶原受胰蛋白酶作用后 Arg15 Ile16间的肽键被打断 形成了新的Ile16末端 这个新末端的氨基再与酶分子内部的Asp194发生静电作用 触发一系列的构象变化 Met192从酶分子的深层移动到酶分子的表面 第187及第193残基更加舒展等 这些改变的总结果是造成一个口袋 允许带芳香族的底物或带一个较大的非极性脂肪族链的底物进入专一性部位 消化系统其它蛋白水解酶原的激活 胃蛋白酶原 pepsinogen 由胃壁细胞分泌出来 在胃酸H 作用下 低于pH5时 酶原自动激活 失去44个氨基酸残基 转变为高度酸性的 有活性的胃蛋白酶胰蛋白酶原 trypsinogen 进入小肠后 在有Ca2 的环境中受到肠激酶的激活 赖氨酸 异亮氨酸之间的肽键被打断 水解失去一个6肽 使构象发生一定变化后 成为有活性的胰蛋白酶羧肽酶原A弹性蛋白酶原 胰蛋白酶原 胰蛋白酶 六肽 肠激酶 羧肽酶原 羧肽酶 弹性蛋白酶原 弹性蛋白酶 胰凝乳蛋白酶原 胰凝乳蛋白酶 胰蛋白酶对各个胰脏蛋白酶原的激活作用 综上所述 酶原激活有两个特点 是蛋白质肽链的水解过程 不可逆激活后 不能变为酶原状态 因而这是 一次性 的调节 能及时地从靶部位通过自身催化或组织蛋白酶的作用而降解移去都是通过级联系统实现的快速的信号放大过程 以完成特定功能 可逆的共价调节由于其他的酶对其结构进行共价修饰 而使其在活性形式与非活性形式之间进行互变 第一种类型是磷酸化酶及其他的一些酶 它们通过接受ATP转来的磷酸基的共价修饰 或脱下磷酸基 来调节酶活性 酶的无活性形式酶的有活性形式最典型的例子是动物组织中的糖原磷酸化酶 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间的平衡 是磷酸基共价地结合到酶上或从酶上脱下 从而控制调节磷酸化酶的活性糖原磷酸化酶及其他受共价修饰调节的调节酶可以将化学信号极大的放大 如一分子磷酸化酶的激酶可以催化几千个无活性的磷酸化酶b分子变为有活性的磷酸化酶a 从而催化糖原形成几千个分子的1 磷酸葡萄糖 这就形成了具有两步的级联放大 amplificationcascade 实际上这两个酶是肾上腺素激素分子化学信号造成组织中糖原急剧分解的一个更长的级联放大中的一部分 见图 4H2O4ADP 4Pi4ATP 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 无活性 第二种类型是大肠杆菌谷氨酰胺合成酶及其他一些酶 它们受ATP转来的酰苷酰基的共价修饰 或酶促脱酰苷酰基 而调节酶活性 酶的活性较高形式酶的活性较低形式谷氨酰胺合成酶催化下列反应 ATP 谷氨酸 NH3ADP 谷氨酰胺 Pi它有12个亚基 酰苷酰基从ATP脱下后连接到每一个亚基的专一性酪氨酸残基上 产生低活性形式的酪氨酸酚羟基的酰苷酰衍生物 4 抑制剂的调节 凡引起酶分子一级结构破坏而使酶活力丧失称为水解凡因酶蛋白分子构象改变而引起酶活力丧失的作用称为变性作用某些物质 它们并不引起酶蛋白变性或水解 但能使酶分子活性中心上的某些必需基团位置发生变化 因而引起酶活力下降 甚至丧失 致使酶反应速度降低 酶的抑制抑制 是指抑制剂与酶结合改变了酶活性部位构象性质 从而引起酶活力下降的一种效应 抑制作用的类型 不可逆的抑制作用 Inreversibleinhibition 通常以比较牢固的共价键与酶蛋白中的基团结合 而使酶失活 不能用透析 超滤等物理方法除去抑制剂而恢复酶活性 可逆的抑制作用 Reversibleinhibition ES的结合建立在解离平衡基础上 这类抑制剂与酶蛋白的结合是可逆的 可用透析法除去抑制剂 使酶恢复活性 不可逆抑制作用的分类 专一性的不可逆抑制 仅仅和活性部位的有关基团反应 如DFP 在研究酶的结构与功能上有重要意义 常用以确定酶的必需基团 用来探测酶的构象 非专一性的不可逆抑制 也能与活性部位以外的基团反应 如烷化硫基的碘代乙酸 实际效应是减低系统中酶的有效浓度 这种区别不是绝对的 因作用条件及对象不同 某些非专一性抑制剂有时会转化 产生专一性不可逆抑制作用 可逆抑制作用的分类 竞争性抑制 Competitiveinhibition 非竞争性抑制 Noncompetitiveinhibition 反竞争性抑制 Uncompetitiveinhibition 过量底物抑制 ExcessSubstrateInhibition 竞争性抑制 抑制剂与底物竞争 从而阻止底物与酶的结合 竞争性抑制剂具有与底物相类似的结构 能与酶分子形成可逆的EI复合物 但EI不能分解成产物P 酶反应速度因此下降 可通过增加底物浓度而解除这种抑制 在竞争性抑制中 底物或抑制剂与酶的结合都是可逆的 各存在一个平衡 KI为抑制剂常数 Km为ES解离常数 当底物过量时则 竞争性抑制的动力学 经推导可得如下曲线 1 Km增大即抑制剂与酶结合后 酶和底物亲和力降低 I 越高 Ki越小 Km增大 酶和底物亲和力降低 酶反应速度减慢 2 Vm不变3 增大底物浓度 有利于酶和底物结合 可减轻抑制作用 反之 增加抑制剂浓度 加深抑制程度 非竞争性抑制 抑制剂不是与活性中心结合 而是结合在离其较远的抑制结合位点 结合后 抑制剂使酶产生构象改变 从而导致活性中心的改变 而不能再催化产物生成 同样 若酶先与底物结合再与抑制剂结合 由于在这种抑制下 底物与抑制物结合在不同部位 就不需要它们在化学结构上有任何相似性 在非竞争性抑制中存在如下平衡 非竞争性抑制的动力学 可推导得出如下的曲线 1 Vm降低即 I 越大 Ki越小 形成不能转变为产物的EI和EIS越多 V降低的程度越显著 2 Km不变3 增大底物浓度 不能减轻抑制作用 无竞争关系 丙二酸是琥珀酸的结构类似物 可逆抑制琥珀酸脱氢酶活性 乙醇作为竞争性底物可以抑制乙二醇氧化成乙醛的反应 因此乙醇可以用于治疗乙二醇中毒 5 反馈调节 或称别构调节 早已发现 许多物质合成代谢途径的一连串反应中 催化第一步反应的酶或者是序列交叉处的酶大多能被全部序列的最终产物控制 反馈抑制 催化第一部反应的酶或分叉处的酶即属于别构酶 什么是别构调节 当调节物与酶分子中的别构中心结合后诱导出或稳定住酶分子的某种构象 使酶活性部位对底物的结合与催化受到影响 从而调节酶的反应速度及代谢过程 此效应称为酶的别构调节或别构效应 第一个酶 有活性 第一个酶 无活性 终产物 终产物 调节物 结合在调节中心 反馈抑制的类型 已知别构酶的结构特点 有多个亚基 有四级结构 除了有可以结合底物的酶的活性中心之外 还有可以结合调节物的别构中心 而且 这两个中心位于酶蛋白的不同部位上 或处在不同的亚基上 如ATCase 或处在同一个亚基的不同部位上 别构酶调节酶活性的机理 续变模型也称KNF模型 这种假说主张酶分子中的亚基结合小分子物质 底物或调节物 后 亚基构象逐个地依次变化 因此亚基有各种可能的构象状态 S S S S S S S S S S S S S S 亚基全部处于 关 型 亚基全部处于 开 型 按次序变化 齐变模型或对称模型 T状态R状态 主张所有别构酶的所有亚基 或者全部成不利于结合底物的T状态 或者全部是有利于结合底物的R状态 这两种状态间的转变对于每个亚基都是同时的 齐步发生的 别构调节动力学 大部分变构酶的初速度 底物浓度的关系不符合典型的米氏方程 即不是简单的双曲线 而是呈S型的v S 曲线 这种S型的反应体现为当底物浓度发生较小变化时 别构酶可以极大程度的控制着反应速度 这就是别构酶可以灵敏地调节酶反应速度的原因所在 即正协同效应使得酶的反应速度对底物浓度的变化极为敏感另有一类具有负协同效应的酶 在这种曲线中 在底物浓度较低的范围内酶活力上升很快 但继续下去 底物浓度虽有较大提高 但反应速度升高却较小 也就是说负协同效应可以使酶的反应速度对外界环境中底物浓度的变化不敏感 正负协同效应的区别 正协同效应 负协同效应 Koshland等人建议 用以下比例式定量的判断与区分三类酶 Rs 典型的米氏类型的酶Rs 81 具有正协同效应的别构酶Rs81 酶与底物 或配基 结合达90 饱和度时的底物 或配基 浓度 酶与底物 或配基 结合达10 饱和度时的底物 或配基 浓度 别构酶举例 大肠杆菌的天冬氨酸转氨甲酰酶 简称ATCase aspartatetranscarbamoylase 它是嘧啶核苷酸生物合成CTP 多酶体系反应序列中的第一个酶其正常底物为天冬氨酸及氨甲酰磷酸它受CTP的反馈抑制 CTP是其负调节物 其正调节物是ATP它所催化的反应如下 氨甲酰磷酸 天冬氨酸氨甲酰天冬氨酸UMPUTPCTP CTP在不影响酶的Vmax的情况下通过降低酶与底物的亲和性来抑制ATCase ATP则相反 它增强酶与底物的亲和性 也不影响其Vmax 这种调节的生物学意义是 ATP作为信号表明有能量供DNA复制使用并引发需求嘧啶核苷酸的生物合成 CTP则保证在嘧啶核苷酸已丰足时 不再进行不必要的氨甲酰天冬氨酸及其他后续中间物的合成 ATCase由C R亚基组成 C亚基可与底物作用 有活性中心 但活性中心对调节分子CTP及ATP没有反应 R亚基上有可以结合CTP及ATP的别构中心 但无催化活性 ATCase的三维结构 汞化物 巯基乙醇 完整的酶分子 活性形式 催化亚基 三聚体 调节亚基 二聚体 CR 6 多酶复合物 多酶系统 在一个代