催化反应动力学别构反应全解

1、1会计学催化反应动力学别构反应全解催化反应动力学别构反应全解主要内容主要内容ATCATC酶经过温和的化学处理，如用对羟基酶经过温和的化学处理，如用对羟基汞苯甲酸（汞苯甲酸（PCMBPCMB）处理可解聚为两个催）处理可解聚为两个催化亚基（为三聚体）和化亚基（为三聚体）和 3 3个调节亚基（个调节亚基（为二聚体）。催化亚基仍有催化活力，为二聚体）。催化亚基仍有催化活力，但不再受效应物影响，调节亚基无催化但不再受效应物影响，调节亚基无催化活力，但仍能结合效应物。更剧烈的处活力，但仍能结合效应物。更剧烈的处理，如用十二烷基硫酸钠（理，如用十二烷基硫酸钠（SDSSDS）处理，）处理，则催化亚基和调节亚基

2、都各解聚成则催化亚基和调节亚基都各解聚成6 6个单个单体体 go（一）协同效应（一）协同效应1、与具单个结合部位的蛋白质结合、与具单个结合部位的蛋白质结合KlogSlognvVvlogmax 氧饱和度氧饱和度YpO2血红蛋白血红蛋白S S形氧合曲线形氧合曲线斜率斜率=1斜率斜率=10氧氧饱饱和和百百分分数数Lg(Y/(1-Y)第第1个个O2第第4个个O2PO2血红蛋白血红蛋白H illlH illl图图back（一）别构酶性质和结构（一）别构酶性质和结构变构酶与变构调节变构酶与变构调节概概 念念 变构酶变构酶又称为又称为别构酶别构酶，指，指酶分子的非催化部位与某些酶分子的非催化部位与某些化合物

3、可逆地非共价结合后，引起酶的构象的改变，进化合物可逆地非共价结合后，引起酶的构象的改变，进而改变酶的活性状态，酶的这种调节作用称为而改变酶的活性状态，酶的这种调节作用称为变构调节变构调节(allosteric regulation)(allosteric regulation)，具有变构调节的酶称，具有变构调节的酶称变构酶变构酶(allosteric enzyme)(allosteric enzyme)。凡能使酶分子发生别构作用的物凡能使酶分子发生别构作用的物质称为质称为变构剂变构剂(effector)(effector)。 变构酶多为变构酶多为寡聚酶寡聚酶，含的亚基数一般为偶数；且分子，含的

4、亚基数一般为偶数；且分子中有中有催化部位催化部位（结合底物）与（结合底物）与调节部位调节部位（结合变构剂）（结合变构剂），这两部位可以在不同的亚基上，或者在同一亚基的两，这两部位可以在不同的亚基上，或者在同一亚基的两个不同部位。个不同部位。 效应物（效应物（effectereffecter）不作用于活性中心不作用于活性中心，而是活性中心以外的部位，引起分子构象变，而是活性中心以外的部位，引起分子构象变化，来调节酶活力。此效应物为化，来调节酶活力。此效应物为别位效应剂别位效应剂( (allosteric effecter)allosteric effecter)特点：特点： 一般为寡聚酶一般为寡

5、聚酶 有别构位和催化位有别构位和催化位 作用曲线往往为作用曲线往往为S S形形1米氏特征曲线米氏特征曲线2 2正协同正协同S S曲线曲线3 3负协同曲线负协同曲线Sv30.119vmax100%ABS90%vS10%v=81S90%vS10%v=3变构酶作用特点变构酶作用特点 1 1、一般变构酶分子上有二个以上的底物结合位点。一般变构酶分子上有二个以上的底物结合位点。当底物当底物与一个亚基上的活性中心结合后，引起酶分子构象的改变，与一个亚基上的活性中心结合后，引起酶分子构象的改变，使其它亚基的活性中心与底物的结合能力发生改变，或出现使其它亚基的活性中心与底物的结合能力发生改变，或出现正协同效应

6、正协同效应( (positivecooperative effect)positivecooperative effect)，或出现，或出现负协负协同效应同效应（negative cooperative effectnegative cooperative effect）。）。2 2、正协同效应的变构酶正协同效应的变构酶其其速度速度- -底物浓度曲线底物浓度曲线呈呈S S形形，即底即底物浓度较低时，酶活性的增加缓慢，底物浓度高到一定程度物浓度较低时，酶活性的增加缓慢，底物浓度高到一定程度后，酶活性显著加强，最终达到最大值后，酶活性显著加强，最终达到最大值VmaxVmax。如大肠杆菌的。如大肠杆

7、菌的天冬氨酸转甲酰基酶天冬氨酸转甲酰基酶（ATCaseATCase）对底物天冬氨酸的结合表现）对底物天冬氨酸的结合表现为为正协同效应。正协同效应。3 3、负协同效应的变构酶负协同效应的变构酶其其速度速度- -底物浓度曲线底物浓度曲线为为类似双类似双曲线曲线。底物浓度较低时，底物浓度较低时，酶表现出较大活性，但酶表现出较大活性，但底物浓底物浓度明显增加时，度明显增加时，其反应速度无明显变化。如其反应速度无明显变化。如3-3-磷酸甘油磷酸甘油醛脱氢酶对醛脱氢酶对NADNAD+ +的结合为负协同效应的结合为负协同效应，其意义在于无论其意义在于无论细胞内酶的底物浓度如何变化，酶始终能以一个较恒定细胞内

8、酶的底物浓度如何变化，酶始终能以一个较恒定的速度进行以满足细胞的基本需要。的速度进行以满足细胞的基本需要。 4 4、变构酶除活性中心外，还存在着能与变构剂作用的亚基、变构酶除活性中心外，还存在着能与变构剂作用的亚基或部位，或部位，称调节亚基称调节亚基( (或部位或部位) )。变构剂与调节亚基以非共价。变构剂与调节亚基以非共价键特异结合，可以改变调节亚基的构象，进而改变催化亚基键特异结合，可以改变调节亚基的构象，进而改变催化亚基的构象，从而改变酶活性。凡使酶活性增强的变构剂称的构象，从而改变酶活性。凡使酶活性增强的变构剂称变构变构激活剂激活剂(allosteric activitor)(allo

9、steric activitor)，它能使上述，它能使上述S S型曲线左移型曲线左移，饱和量的变构激活剂可将，饱和量的变构激活剂可将S S形曲线转变为矩形双曲线。凡形曲线转变为矩形双曲线。凡使酶活性减弱的变构剂称使酶活性减弱的变构剂称变构抑制剂变构抑制剂(allosteric (allosteric inhibitor)inhibitor)，能使，能使S S形曲线右移。例如，形曲线右移。例如，ATPATP是磷酸果糖激酶是磷酸果糖激酶的变构抑制剂，而的变构抑制剂，而ADPADP、AMPAMP为其变构激活剂。为其变构激活剂。 5 5、由于、由于变构酶动力学变构酶动力学不符合不符合米米- -曼氏酶曼

10、氏酶的动力学的动力学，所以当反所以当反应速度达到最大速度一半时的底物的浓度，不能用应速度达到最大速度一半时的底物的浓度，不能用K Km m表示，表示，而代之以而代之以K K0.5S0.5S表示。表示。 正协同效应的变构酶底物活性曲线正协同效应的变构酶底物活性曲线 不加变构剂不加变构剂加变构激活剂加变构激活剂 加变构抑制剂加变构抑制剂+ +- -back当底物浓度发生很小的当底物浓度发生很小的变化时，变构酶就极大变化时，变构酶就极大地控制着反应速度。在地控制着反应速度。在正协同效应中使得酶反正协同效应中使得酶反应速度对底物浓度的变应速度对底物浓度的变化极为敏感。化极为敏感。s正正负负v生理意义及

11、实例生理意义及实例1 1、在正协同效应的变构酶的、在正协同效应的变构酶的S S形曲线中段形曲线中段，底物浓度稍有底物浓度稍有降低，酶的活性明显下降，多酶体系催化的代谢通路可因降低，酶的活性明显下降，多酶体系催化的代谢通路可因此而被关闭；反之，底物浓度稍有升高，则酶活性迅速上此而被关闭；反之，底物浓度稍有升高，则酶活性迅速上升，代谢通路又被打开，因此可以通过升，代谢通路又被打开，因此可以通过细胞内底物浓度的细胞内底物浓度的变化变化来灵敏地控制代谢速度来灵敏地控制代谢速度。 2 2、变构抑制剂变构抑制剂常是代谢通路的终产物，变构酶常处于代常是代谢通路的终产物，变构酶常处于代谢通路的入口，通过谢通路

12、的入口，通过反馈抑制反馈抑制，可以及早地调节整个代谢，可以及早地调节整个代谢通路，减少不必要的底物消耗。通路，减少不必要的底物消耗。 例如例如葡萄糖的氧化分解葡萄糖的氧化分解可提供能量使可提供能量使AMPAMP、ADPADP转变成转变成ATPATP，当当ATPATP过多时过多时，通过变构抑制剂通过变构抑制剂ATPATP抑制磷酸果糖激酶的活性，可限制葡萄糖的分解抑制磷酸果糖激酶的活性，可限制葡萄糖的分解，而，而ADPADP、AMPAMP增多时增多时，则可通过变构激活剂，则可通过变构激活剂AMPAMP、ADPADP激活磷酸果糖激酶的活性促进糖的分解。激活磷酸果糖激酶的活性促进糖的分解。随时调节随时

13、调节ATP/ADPATP/ADP的水平，可以的水平，可以维持细胞内能量维持细胞内能量的正常供应。的正常供应。 （1）作图法）作图法SvOSvOSvO米米正正负负Sv1/S1/vO1/S1/vO1/S1/vOlgSlg(v/(vmax-v)n1olgSlg(v/(vmax-v)n1olgSlg(v/(vmax-v)n=1o（4-664-66）E + nS ESn E + nPn+ +SKmSVmvn v bnxy KmS n v Vm loglog logKmSvVmv nHill系数系数Hanes作图法S vS正协同 负协同 无协同Eadie hofstee法vSv正协同 负协同 无协同Rs=

14、81 Rs=81 米氏类型酶米氏类型酶RsRs 81 81 具有正协同效应的别构酶具有正协同效应的别构酶RsRs 81 81 具有负协同效应的别构酶具有负协同效应的别构酶酶与底物结合达酶与底物结合达90%90%饱和度时底物浓度饱和度时底物浓度酶与底物结合达酶与底物结合达10%10%饱和度时底物浓度饱和度时底物浓度 Rs=米氏方程米氏方程 CI（Rs）=81 n=1正协同正协同 CI（Rs）1负协同负协同 CI（Rs）81 n1R R态态( (对底物亲和力高对底物亲和力高) )+S+S2提示提示: :进行书面推导进行书面推导: :设设=S/KR2(4-76)C当当n=2n=2时时: :KT=2S

15、T0/T1 KT=ST1/2T2(4-81)CMWC模型模型+S+STTRTRRSSKtTRKSRKTRKTTKNF模型模型形态形态与教与教材规材规定的定的相反相反!S+ OSOKTR OSOS=KTRSO =2KTRS OSOOO=2KTRKtTRKSRS/KTTSO=2KTRKtTRKSRS令令KTT=1 则有则有:(1)(2)+ SSKSRSS =KSR(3)KtTRKtTR =(3)代入代入(2)得得S 再将其代入再将其代入(1)得得SO =2KTRKtTRKSRS O2(4)+KTT2= KTT代入上式代入上式: :概率因素概率因素2(A)SS=K2tTRKRRK2SRS= 1推导推

16、导: :SS+KRRSSSS=KRRSS由式由式(1)(1)代入代入S表达式表达式=KRRSSKTRKTRSS=K2tTRKRRK2SRS2=代入代入(A)l酶活性中心被配基饱和的分数为酶活性中心被配基饱和的分数为: : MWC和KNF模型结合 通用模式无论有无配体存在，亚基构象的改变都能发生。无论有无配体存在，亚基构象的改变都能发生。同样酶分子中，可存在不同构象亚基的杂交体。同样酶分子中，可存在不同构象亚基的杂交体。两种不同的构象都能顺序地与配体结合。两种不同的构象都能顺序地与配体结合。 3EIG模型式模型式 (Eigen模式)back别构酶实例别构酶实例(1) (1) 嘧啶合成途径的第一个

17、酶；嘧啶合成途径的第一个酶； ATPATP正激活；正激活；CTPCTP负抑制负抑制 ATCaseATCase： MW=310MW=310，000 000 由由1212条肽链组成；条肽链组成；两类亚基：大亚基两类亚基：大亚基催化亚基，对催化亚基，对ATPATP、CTPCTP无作用；无作用；小亚基小亚基调节亚基，可结合调节亚基，可结合ATPATP、CTPCTP，但无催化活性，但无催化活性；催化亚基（三聚体）催化亚基（三聚体）调节亚基（二聚体）调节亚基（二聚体） 每个催化亚基上有三个每个催化亚基上有三个AspAsp的的S S结合部位。结合部位。 （三聚体每条肽链上有一个）（三聚体每条肽链上有一个）

18、每个调节亚基上有两个别构效应剂（每个调节亚基上有两个别构效应剂（CTPCTP、ATPATP） 结合结合部位（二聚体每条肽链上有一个），研究发现部位（二聚体每条肽链上有一个），研究发现 S S、ATPATP、CTPCTP都可使都可使ATCaseATCase产生别构效应。产生别构效应。（3 3）研究还发现）研究还发现 ATCaseATCase与与S S结合，它就肿涨（结合，它就肿涨（swellingswelling） 成为成为R R态；而当态；而当ATCase与与CTPCTP结合它就收缩成结合它就收缩成T T态。态。(2) ATCase活性调节的机理活性调节的机理 CTPATP有催化活性的构象 无催化活性的构象 CCCCCCR汞汞盐盐完完整整的的催催化化亚亚基基调调节节亚亚基基CCCCCC+（三三聚聚体体）（二二聚聚体体）（活活性性）ATCaseRR RR RR RR RR R主要内容主要内容1、与具单个结合部位的蛋白质结合、与具单个结合部位的蛋白质结合斜率斜率=1斜率斜率=10氧氧饱饱和和百百分分数数Lg(Y/(1-Y)第第1个个O2第第4个个O2PO2血红蛋白血红蛋白H illlH illl图图back4 4、变构酶除活性中心外，还存在着能与变构剂作用的亚基、变构酶除活性中心外，还存在着能与变构