催化反應(yīng)動力學(xué)別構(gòu)反應(yīng)全解

1、1會計學(xué)催化反應(yīng)動力學(xué)別構(gòu)反應(yīng)全解催化反應(yīng)動力學(xué)別構(gòu)反應(yīng)全解主要內(nèi)容主要內(nèi)容ATCATC酶經(jīng)過溫和的化學(xué)處理，如用對羥基酶經(jīng)過溫和的化學(xué)處理，如用對羥基汞苯甲酸（汞苯甲酸（PCMBPCMB）處理可解聚為兩個催）處理可解聚為兩個催化亞基（為三聚體）和化亞基（為三聚體）和 3 3個調(diào)節(jié)亞基（個調(diào)節(jié)亞基（為二聚體）。催化亞基仍有催化活力，為二聚體）。催化亞基仍有催化活力，但不再受效應(yīng)物影響，調(diào)節(jié)亞基無催化但不再受效應(yīng)物影響，調(diào)節(jié)亞基無催化活力，但仍能結(jié)合效應(yīng)物。更劇烈的處活力，但仍能結(jié)合效應(yīng)物。更劇烈的處理，如用十二烷基硫酸鈉（理，如用十二烷基硫酸鈉（SDSSDS）處理，）處理，則催化亞基和調(diào)節(jié)亞基

2、都各解聚成則催化亞基和調(diào)節(jié)亞基都各解聚成6 6個單個單體體 go（一）協(xié)同效應(yīng)（一）協(xié)同效應(yīng)1、與具單個結(jié)合部位的蛋白質(zhì)結(jié)合、與具單個結(jié)合部位的蛋白質(zhì)結(jié)合KlogSlognvVvlogmax 氧飽和度氧飽和度YpO2血紅蛋白血紅蛋白S S形氧合曲線形氧合曲線斜率斜率=1斜率斜率=10氧氧飽飽和和百百分分數(shù)數(shù)Lg(Y/(1-Y)第第1個個O2第第4個個O2PO2血紅蛋白血紅蛋白H illlH illl圖圖back（一）別構(gòu)酶性質(zhì)和結(jié)構(gòu)（一）別構(gòu)酶性質(zhì)和結(jié)構(gòu)變構(gòu)酶與變構(gòu)調(diào)節(jié)變構(gòu)酶與變構(gòu)調(diào)節(jié)概概 念念 變構(gòu)酶變構(gòu)酶又稱為又稱為別構(gòu)酶別構(gòu)酶，指，指酶分子的非催化部位與某些酶分子的非催化部位與某些化合物

3、可逆地非共價結(jié)合后，引起酶的構(gòu)象的改變，進化合物可逆地非共價結(jié)合后，引起酶的構(gòu)象的改變，進而改變酶的活性狀態(tài)，酶的這種調(diào)節(jié)作用稱為而改變酶的活性狀態(tài)，酶的這種調(diào)節(jié)作用稱為變構(gòu)調(diào)節(jié)變構(gòu)調(diào)節(jié)(allosteric regulation)(allosteric regulation)，具有變構(gòu)調(diào)節(jié)的酶稱，具有變構(gòu)調(diào)節(jié)的酶稱變構(gòu)酶變構(gòu)酶(allosteric enzyme)(allosteric enzyme)。凡能使酶分子發(fā)生別構(gòu)作用的物凡能使酶分子發(fā)生別構(gòu)作用的物質(zhì)稱為質(zhì)稱為變構(gòu)劑變構(gòu)劑(effector)(effector)。 變構(gòu)酶多為變構(gòu)酶多為寡聚酶寡聚酶，含的亞基數(shù)一般為偶數(shù)；且分子，含的

4、亞基數(shù)一般為偶數(shù)；且分子中有中有催化部位催化部位（結(jié)合底物）與（結(jié)合底物）與調(diào)節(jié)部位調(diào)節(jié)部位（結(jié)合變構(gòu)劑）（結(jié)合變構(gòu)劑），這兩部位可以在不同的亞基上，或者在同一亞基的兩，這兩部位可以在不同的亞基上，或者在同一亞基的兩個不同部位。個不同部位。 效應(yīng)物（效應(yīng)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，引起分子構(gòu)象變，而是活性中心以外的部位，引起分子構(gòu)象變化，來調(diào)節(jié)酶活力。此效應(yīng)物為化，來調(diào)節(jié)酶活力。此效應(yīng)物為別位效應(yīng)劑別位效應(yīng)劑( (allosteric effecter)allosteric effecter)特點：特點： 一般為寡聚酶一般為寡

5、聚酶 有別構(gòu)位和催化位有別構(gòu)位和催化位 作用曲線往往為作用曲線往往為S S形形1米氏特征曲線米氏特征曲線2 2正協(xié)同正協(xié)同S S曲線曲線3 3負協(xié)同曲線負協(xié)同曲線Sv30.119vmax100%ABS90%vS10%v=81S90%vS10%v=3變構(gòu)酶作用特點變構(gòu)酶作用特點 1 1、一般變構(gòu)酶分子上有二個以上的底物結(jié)合位點。一般變構(gòu)酶分子上有二個以上的底物結(jié)合位點。當?shù)孜锂數(shù)孜锱c一個亞基上的活性中心結(jié)合后，引起酶分子構(gòu)象的改變，與一個亞基上的活性中心結(jié)合后，引起酶分子構(gòu)象的改變，使其它亞基的活性中心與底物的結(jié)合能力發(fā)生改變，或出現(xiàn)使其它亞基的活性中心與底物的結(jié)合能力發(fā)生改變，或出現(xiàn)正協(xié)同效應(yīng)

6、正協(xié)同效應(yīng)( (positivecooperative effect)positivecooperative effect)，或出現(xiàn)，或出現(xiàn)負協(xié)負協(xié)同效應(yīng)同效應(yīng)（negative cooperative effectnegative cooperative effect）。）。2 2、正協(xié)同效應(yīng)的變構(gòu)酶正協(xié)同效應(yīng)的變構(gòu)酶其其速度速度- -底物濃度曲線底物濃度曲線呈呈S S形形，即底即底物濃度較低時，酶活性的增加緩慢，底物濃度高到一定程度物濃度較低時，酶活性的增加緩慢，底物濃度高到一定程度后，酶活性顯著加強，最終達到最大值后，酶活性顯著加強，最終達到最大值VmaxVmax。如大腸桿菌的。如大腸桿

7、菌的天冬氨酸轉(zhuǎn)甲?；柑於彼徂D(zhuǎn)甲酰基酶（ATCaseATCase）對底物天冬氨酸的結(jié)合表現(xiàn)）對底物天冬氨酸的結(jié)合表現(xiàn)為為正協(xié)同效應(yīng)。正協(xié)同效應(yīng)。3 3、負協(xié)同效應(yīng)的變構(gòu)酶負協(xié)同效應(yīng)的變構(gòu)酶其其速度速度- -底物濃度曲線底物濃度曲線為為類似雙類似雙曲線曲線。底物濃度較低時，底物濃度較低時，酶表現(xiàn)出較大活性，但酶表現(xiàn)出較大活性，但底物濃底物濃度明顯增加時，度明顯增加時，其反應(yīng)速度無明顯變化。如其反應(yīng)速度無明顯變化。如3-3-磷酸甘油磷酸甘油醛脫氫酶對醛脫氫酶對NADNAD+ +的結(jié)合為負協(xié)同效應(yīng)的結(jié)合為負協(xié)同效應(yīng)，其意義在于無論其意義在于無論細胞內(nèi)酶的底物濃度如何變化，酶始終能以一個較恒定細胞內(nèi)

8、酶的底物濃度如何變化，酶始終能以一個較恒定的速度進行以滿足細胞的基本需要。的速度進行以滿足細胞的基本需要。 4 4、變構(gòu)酶除活性中心外，還存在著能與變構(gòu)劑作用的亞基、變構(gòu)酶除活性中心外，還存在著能與變構(gòu)劑作用的亞基或部位，或部位，稱調(diào)節(jié)亞基稱調(diào)節(jié)亞基( (或部位或部位) )。變構(gòu)劑與調(diào)節(jié)亞基以非共價。變構(gòu)劑與調(diào)節(jié)亞基以非共價鍵特異結(jié)合，可以改變調(diào)節(jié)亞基的構(gòu)象，進而改變催化亞基鍵特異結(jié)合，可以改變調(diào)節(jié)亞基的構(gòu)象，進而改變催化亞基的構(gòu)象，從而改變酶活性。凡使酶活性增強的變構(gòu)劑稱的構(gòu)象，從而改變酶活性。凡使酶活性增強的變構(gòu)劑稱變構(gòu)變構(gòu)激活劑激活劑(allosteric activitor)(allo

9、steric activitor)，它能使上述，它能使上述S S型曲線左移型曲線左移，飽和量的變構(gòu)激活劑可將，飽和量的變構(gòu)激活劑可將S S形曲線轉(zhuǎn)變?yōu)榫匦坞p曲線。凡形曲線轉(zhuǎn)變?yōu)榫匦坞p曲線。凡使酶活性減弱的變構(gòu)劑稱使酶活性減弱的變構(gòu)劑稱變構(gòu)抑制劑變構(gòu)抑制劑(allosteric (allosteric inhibitor)inhibitor)，能使，能使S S形曲線右移。例如，形曲線右移。例如，ATPATP是磷酸果糖激酶是磷酸果糖激酶的變構(gòu)抑制劑，而的變構(gòu)抑制劑，而ADPADP、AMPAMP為其變構(gòu)激活劑。為其變構(gòu)激活劑。 5 5、由于、由于變構(gòu)酶動力學(xué)變構(gòu)酶動力學(xué)不符合不符合米米- -曼氏酶曼

10、氏酶的動力學(xué)的動力學(xué)，所以當反所以當反應(yīng)速度達到最大速度一半時的底物的濃度，不能用應(yīng)速度達到最大速度一半時的底物的濃度，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。 正協(xié)同效應(yīng)的變構(gòu)酶底物活性曲線正協(xié)同效應(yīng)的變構(gòu)酶底物活性曲線 不加變構(gòu)劑不加變構(gòu)劑加變構(gòu)激活劑加變構(gòu)激活劑 加變構(gòu)抑制劑加變構(gòu)抑制劑+ +- -back當?shù)孜餄舛劝l(fā)生很小的當?shù)孜餄舛劝l(fā)生很小的變化時，變構(gòu)酶就極大變化時，變構(gòu)酶就極大地控制著反應(yīng)速度。在地控制著反應(yīng)速度。在正協(xié)同效應(yīng)中使得酶反正協(xié)同效應(yīng)中使得酶反應(yīng)速度對底物濃度的變應(yīng)速度對底物濃度的變化極為敏感?；瘶O為敏感。s正正負負v生理意義及

11、實例生理意義及實例1 1、在正協(xié)同效應(yīng)的變構(gòu)酶的、在正協(xié)同效應(yīng)的變構(gòu)酶的S S形曲線中段形曲線中段，底物濃度稍有底物濃度稍有降低，酶的活性明顯下降，多酶體系催化的代謝通路可因降低，酶的活性明顯下降，多酶體系催化的代謝通路可因此而被關(guān)閉；反之，底物濃度稍有升高，則酶活性迅速上此而被關(guān)閉；反之，底物濃度稍有升高，則酶活性迅速上升，代謝通路又被打開，因此可以通過升，代謝通路又被打開，因此可以通過細胞內(nèi)底物濃度的細胞內(nèi)底物濃度的變化變化來靈敏地控制代謝速度來靈敏地控制代謝速度。 2 2、變構(gòu)抑制劑變構(gòu)抑制劑常是代謝通路的終產(chǎn)物，變構(gòu)酶常處于代常是代謝通路的終產(chǎn)物，變構(gòu)酶常處于代謝通路的入口，通過謝通路

12、的入口，通過反饋抑制反饋抑制，可以及早地調(diào)節(jié)整個代謝，可以及早地調(diào)節(jié)整個代謝通路，減少不必要的底物消耗。通路，減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轉(zhuǎn)變成轉(zhuǎn)變成ATPATP，當當ATPATP過多時過多時，通過變構(gòu)抑制劑通過變構(gòu)抑制劑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增多時增多時，則可通過變構(gòu)激活劑，則可通過變構(gòu)激活劑AMPAMP、ADPADP激活磷酸果糖激酶的活性促進糖的分解。激活磷酸果糖激酶的活性促進糖的分解。隨時調(diào)節(jié)隨時

13、調(diào)節(jié)ATP/ADPATP/ADP的水平，可以的水平，可以維持細胞內(nèi)能量維持細胞內(nèi)能量的正常供應(yīng)。的正常供應(yīng)。 （1）作圖法）作圖法SvOSvOSvO米米正正負負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系數(shù)系數(shù)Hanes作圖法S vS正協(xié)同 負協(xié)同 無協(xié)同Eadie hofstee法vSv正協(xié)同 負協(xié)同 無協(xié)同Rs=

14、81 Rs=81 米氏類型酶米氏類型酶RsRs 81 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RsRs 81 81 具有負協(xié)同效應(yīng)的別構(gòu)酶具有負協(xié)同效應(yīng)的別構(gòu)酶酶與底物結(jié)合達酶與底物結(jié)合達90%90%飽和度時底物濃度飽和度時底物濃度酶與底物結(jié)合達酶與底物結(jié)合達10%10%飽和度時底物濃度飽和度時底物濃度 Rs=米氏方程米氏方程 CI（Rs）=81 n=1正協(xié)同正協(xié)同 CI（Rs）1負協(xié)同負協(xié)同 CI（Rs）81 n1R R態(tài)態(tài)( (對底物親和力高對底物親和力高) )+S+S2提示提示: :進行書面推導(dǎo)進行書面推導(dǎo): :設(shè)設(shè)=S/KR2(4-76)C當當n=2n=2時時: :KT=2S

15、T0/T1 KT=ST1/2T2(4-81)CMWC模型模型+S+STTRTRRSSKtTRKSRKTRKTTKNF模型模型形態(tài)形態(tài)與教與教材規(guī)材規(guī)定的定的相反相反!S+ OSOKTR OSOS=KTRSO =2KTRS OSOOO=2KTRKtTRKSRS/KTTSO=2KTRKtTRKSRS令令KTT=1 則有則有:(1)(2)+ SSKSRSS =KSR(3)KtTRKtTR =(3)代入代入(2)得得S 再將其代入再將其代入(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推導(dǎo)推

16、導(dǎo): :SS+KRRSSSS=KRRSS由式由式(1)(1)代入代入S表達式表達式=KRRSSKTRKTRSS=K2tTRKRRK2SRS2=代入代入(A)l酶活性中心被配基飽和的分數(shù)為酶活性中心被配基飽和的分數(shù)為: : MWC和KNF模型結(jié)合 通用模式無論有無配體存在，亞基構(gòu)象的改變都能發(fā)生。無論有無配體存在，亞基構(gòu)象的改變都能發(fā)生。同樣酶分子中，可存在不同構(gòu)象亞基的雜交體。同樣酶分子中，可存在不同構(gòu)象亞基的雜交體。兩種不同的構(gòu)象都能順序地與配體結(jié)合。兩種不同的構(gòu)象都能順序地與配體結(jié)合。 3EIG模型式模型式 (Eigen模式)back別構(gòu)酶實例別構(gòu)酶實例(1) (1) 嘧啶合成途徑的第一個

17、酶；嘧啶合成途徑的第一個酶； ATPATP正激活；正激活；CTPCTP負抑制負抑制 ATCaseATCase： MW=310MW=310，000 000 由由1212條肽鏈組成；條肽鏈組成；兩類亞基：大亞基兩類亞基：大亞基催化亞基，對催化亞基，對ATPATP、CTPCTP無作用；無作用；小亞基小亞基調(diào)節(jié)亞基，可結(jié)合調(diào)節(jié)亞基，可結(jié)合ATPATP、CTPCTP，但無催化活性，但無催化活性；催化亞基（三聚體）催化亞基（三聚體）調(diào)節(jié)亞基（二聚體）調(diào)節(jié)亞基（二聚體） 每個催化亞基上有三個每個催化亞基上有三個AspAsp的的S S結(jié)合部位。結(jié)合部位。 （三聚體每條肽鏈上有一個）（三聚體每條肽鏈上有一個）

18、每個調(diào)節(jié)亞基上有兩個別構(gòu)效應(yīng)劑（每個調(diào)節(jié)亞基上有兩個別構(gòu)效應(yīng)劑（CTPCTP、ATPATP） 結(jié)合結(jié)合部位（二聚體每條肽鏈上有一個），研究發(fā)現(xiàn)部位（二聚體每條肽鏈上有一個），研究發(fā)現(xiàn) S S、ATPATP、CTPCTP都可使都可使ATCaseATCase產(chǎn)生別構(gòu)效應(yīng)。產(chǎn)生別構(gòu)效應(yīng)。（3 3）研究還發(fā)現(xiàn)）研究還發(fā)現(xiàn) ATCaseATCase與與S S結(jié)合，它就腫漲（結(jié)合，它就腫漲（swellingswelling） 成為成為R R態(tài)；而當態(tài)；而當ATCase與與CTPCTP結(jié)合它就收縮成結(jié)合它就收縮成T T態(tài)。態(tài)。(2) ATCase活性調(diào)節(jié)的機理活性調(diào)節(jié)的機理 CTPATP有催化活性的構(gòu)象 無催化活性的構(gòu)象 CCCCCCR汞汞鹽鹽完完整整的的催催化化亞亞基基調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)亞亞基基CCCCCC+（三三聚聚體體）（二二聚聚體體）（活活性性）ATCaseRR RR RR RR RR R主要內(nèi)容主要內(nèi)容1、與具單個結(jié)合部位的蛋白質(zhì)結(jié)合、與具單個結(jié)合部位的蛋白質(zhì)結(jié)合斜率斜率=1斜率斜率=10氧氧飽飽和和百百分分數(shù)數(shù)Lg(Y/(1-Y)第第1個個O2第第4個個O2PO2血紅蛋白血紅蛋白H illlH illl圖圖back4 4、變構(gòu)酶除活性中心外，還存在著能與變構(gòu)劑作用的亞基、變構(gòu)酶除活性中心外，還存在著能與變構(gòu)