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1、 五. 酶作用的调节原理(一) 共价调节 1.不可逆的共价调节 这种调节通常又称为酶原激活,酶在体内合成出来的只是它的无活性的前体，经过蛋白酶的催化作用，构像发生变化，才能变成有活性的酶。该活化过程，是生物体内的一种调控机制。这种调控机制的特点是由无活性的酶原转变成有活性的酶是不可逆转的。胰蛋白酶原的激活 (1) 肠道蛋白消化酶 胰蛋白酶原胰蛋白酶肠激酶六肽+胰凝乳蛋白酶原弹性蛋白酶原羧肽酶原有活性的酶（2） 纤溶作用链激酶纤溶酶原复合体纤溶酶纤溶蛋白凝块可溶性分 解产物激酶释放肽 或尿激酶不可逆共价调节的特点: 酶原激活过程有联级放大作用 酶原激活是不可逆的这类酶通过其他酶对其多肽链上某些基
2、团进行可逆的共价修饰，使其在活性与非活性之间转变，从而调节酶活性，这种酶称为共价调节酶。2.可逆的共价调节酶目前发现很多种酶被翻译后都要进行共价修饰，其中一部分处于分支代谢途径，成为对代谢流量起调节作用的关键酶和限速酶。共价调节的生理意义广泛，反应灵敏，节约能量，机制多样，在体内显得十分灵活，加之它们常受激素甚至神经的指令，导致级联放大反应，所以日益引人注目。 AP1GED CBHEa-bEc-dEc-g 关键酶（限速酶）P2反应类型 共价修饰 被修饰的氨基酸残基共 价 修 饰 反 应 的 类 型磷酸化腺苷酰化尿苷酰化Tyr,Ser,Thr.HisTyrTyr甲基化GluS-腺苷-MetS-腺
3、苷-同型 Cys蛋白质的磷酸化和脱蛋白质的磷酸化和脱 磷酸化磷酸化蛋白激酶ATPADP蛋白质蛋白质Pn蛋白磷酸酶nPiH2O第一类：Ser/Thr型第二类：Tyr型第一类：Ser/Thr型第二类：Tyr型 肾上腺素腺苷酸 环化酶腺苷酸环化酶ATPcAMP蛋白激酶蛋白激酶磷酸化酶激酶磷酸化酶激酶糖原磷酸化酶a (磷酸化)糖原(Gn)Pi糖原合酶a ( 非磷酸化)糖原合酶b (磷酸化)第一信使第二信使 10-6 mol/L糖原磷酸化酶b (非磷酸化）1- P -葡萄糖 5mmol/L10-8 - 10-10 mol/L从肾上腺素到1- P葡萄糖信号放 大了50万倍！糖原UDP-G肾上腺素对糖原磷酸
4、化酶 和糖原合成酶的作用（1）磷酸化酶这类酶分别由其他酶催化，酶分子接受磷酸基或脱去磷酸基，酶活性发生改变。磷酸化酶b （无活性）PP2H2O2ATP2Pi2ADP磷酸化酶a （有活性）磷酸化酶激酶磷蛋白磷酸酶酶分子上接受修饰的氨基酸为：Tyr、Ser、Thr。（2）腺苷酰化与脱腺苷酰化这种调节在细菌中有着十分重要的作用谷氨酰胺合成酶催化：12PPi12PiOHE () 1212ATP12ADPOAMPE () 12ATAT高活性低活性Glu + NH3 + ATPGln + ADP + PiAT: 谷氨酰胺合成酶腺苷酰基转移酶谷氨酰胺合成酶l 谷氨酰氨合成酶是一种共价调节酶，它由12个亚基构
5、成，在其它酶的作用下，它们受ATP转来的腺苷酰基的共价修饰，或脱去腺苷酰基而调节该酶的活性。l 谷氨酰氨合成酶接受了AMP的修饰后，活性降低，脱去这种修饰后，活性增高，这主要取决于氨平衡NH4+/Gln，NH4高时，倾向于脱腺苷酰化，反之Gln高时，腺苷酰化占主要地位。可逆共价调节的特点: 通过共价修饰改变酶活性 有联级放大作用 共价修饰是可逆的（二）通过酶分子解离聚合进行调节在酶活力的别构调节中，常伴有酶分子的解离和聚合，调节酶促反应，这种酶分子中的Protein-Protein相互作用是体内调节酶活力的重要方式。乙酰辅酶A羧化酶是脂肪酸合成途径中的第一个酶，当有柠檬酸盐存在时引起亚基聚合，
6、此酶有活力；除去柠檬酸或加乙酰CoA和软脂酰CoA时则引起酶解聚，使活力下降。原体 柠檬酸（有活性）多聚体（BCCP BC CT R)n.（BC、BCCP、CT、R）（无活性）（无活性）以色列 阿夫拉姆赫什科 美国 欧文罗斯 以色列 阿龙切哈诺沃 2004年度的诺贝尔化学奖颁发给三位发现泛素调节蛋白质降解机理的科学家。 （三）通过蛋白质分子降解的调节泛素多肽（Ubiquitin）由76个氨基酸组成，它最初是从小牛的胰脏中分离出来的。它就像标签一样，被贴上标签的蛋白质就会被运送到细胞内的“垃圾处理厂”，在那里被降解。1.E1负责激活泛素分子,这个反应需要ATP能量。2.泛素分子被激活后就被运送到
7、E2上，E2负责 把泛素分子结合在需要降解的蛋白质上。泛素调节蛋白质降解机理:3.E3能辨认需要被降解的蛋白质，并与之结合。E2将泛素分子交给降解蛋白质。4.降解蛋白质被运送到细胞内的蛋白酶体中降解。5.经过蛋白酶体的处理，蛋白质就被切成由7-9个 氨基酸组成的短肽。去泛素化酶 泛素化修饰循环（三）别构调节别构调节allosteric regulation：酶分子的别构部位与某些化合物可逆地非共价结合后发生构象的改变，进而改变酶活性状态，称为酶的别构调节。由别构酶起作用调节代谢过程称别构调节。1. 别构酶别构酶也称变构酶。这种酶除了有活性中心外，还有别构中心，当别构效应物非共价结合到别构中心
8、上时，酶分子构象发生改变，从而改变酶活力。效应物效应物活性中心别构中心别构激活别构抑制别构抑制和别构激活当别构效应物与酶结合，大大有利于后续分子与酶的结合，使酶的活力增加，称为别 构激活，也称为正协同；反之，称为别构抑 制，或负协同。细胞可以通过酶的别构使酶活力升高或降低以调节代谢。别构效应物（ allosteric effector）分为：正效应物 positive effector负效应物 negative effector别构效应物：（1）激素；（2）底物、产物或代谢途径的最终产物；（3）与该代谢酶系有关的辅酶及核苷酸类化 合物。别构效应：酶分子的别构部位与某些化合物可逆地非共价结合后发
9、生构象改变，进而活性改变。别构酶的特点：（1）有多个亚基，都是寡聚酶。（2）活性中心和别构中心位于酶蛋白的不同部位，或 处在不同亚基上，或在同一亚基上的不同部位。（3）活性中心负责对底物的结合与催化，别构中心 则负责调节酶的反应速度。（4）不遵循米氏方程 =V max SKm + S对S作图，得到“ S ”曲线，而不是双曲线。2. 别构调节有下述几种作用方式：（1）酶活力的反馈和前馈控制 反馈（feedback）是指反应系统中最终产 物对初始步骤的酶活力的控制作用。可分 为正反馈和负反馈。 正反馈：终产物可以激活初始步骤的酶 负反馈：终产物可以抑制初始步骤的酶 前 馈：在反应系统中，反应物对后
10、续反应酶的控制作用。P1S0P2E1E2Pn+1E0+ or - 反馈+ or - 前馈- 酮丁酸E1E2 酮甲戊酸ThrIle反馈抑制E1: 苏氨酸脱胺酶例1：前馈和反馈 CTP利用率低，CTP浓度高，抑制天冬氨酸转氨甲酰酶的活力。 反馈、前馈是细胞中一种很巧妙的代谢调节方式。可避免反应中，反应物、产物过多积累和浪费，对生物体原料和能源的合理利用具有重要意义。例2：E反馈抑制嘧啶核苷酸生物合成Asp + 氨甲酰磷酸CTP氨甲酰天 冬氨酸+ Pi（代谢中利用）正前馈G-6-P多时，激活糖原合酶，促进糖原合成G-6-PGG-1-PUDPG 合E糖原 糖原例3：l 同促效应（homotropic
11、effect）：底物分子本身就是别构酶的效应物。（底物与酶结合的协同作用）。l 异促效应（heterotropic）：非底物分子的效应物对别构酶的调节作用。（如ATP与CTP竞争天冬氨酸转氨甲酰酶的调节部位，高水平ATP可阻止CTP对酶的抑制）。(2) 其他形式的别构调节有一些别构酶还受核苷酸类化合物的调节，如酵解和TCA中一些酶活性可因ATP、ADP、AMP的存在而抑制或激活。F-6-P + ATPF-1, 6-BP + ADP磷酸果糖激酶-+ATP、柠檬酸 长链脂肪酸ADP AMP别构酶的动力学曲线3. 别构酶动力学符合米氏方程 酶的双曲线正协同别构酶 的S型曲线负协同别构酶 的双曲线VS
12、正协同的别构酶结合底物或变构剂后，构像的变化使酶对底物的亲合力大大增强。负协同的别构酶与变构抑制剂结合后，在底物浓度较低的范围内酶活性增加较快，但底物浓度升高后，催化速率并不显著增加，这意味着高浓度的底物并不能形成高浓度的产物。米氏酶正协同负协同ab正米负别构酶与米氏酶反应速度比较底物浓度从 a 变化到 bSVB: 正协同别构 酶的S形曲线 = 90% S = 9 =10% S = 3= 3S 9 S 390%Vmax3 6 950%100%SAB= 81S 9S 0.11A: 非调节酶 = 90% S = 9 =10% S = 0.11别构酶动力学曲线别构酶的判别方法：Rs = 酶与底物结合
13、达90%饱和度时的底物浓度酶与底物结合达10%饱和度时的底物浓度Rs= 81 是典型的米氏方程的酶Rs81 是具有正协同的别构酶Rs81 是具有负协同的别构酶Rs判别法Hill系数判别法Hill 通过对变构血红蛋白的研究得出了Hill方程：Hill方程也适用于别构酶，对于别构酶，Hill方程可变为：n = 1 K= Km，还原为米氏方程。n1 和 n1 为别构酶将上述方程进行变换、方程两边取对数得到：以对lgS作图，可得到一条直线，该直线的斜率称为Hill系数。Hill系数是判别别构酶和非别构酶的指标lgSlgSlgSn = 1n 1n 1n =1 是典型的米氏方程的酶n1 是具有负协同的别构
14、酶n1 是具有正协同的别构酶4.实例：天冬氨酸转甲酰酶（anspartate transcarbamoylase，ATCase）ATCaseATP+ATCase所催化的反应氨甲酰磷酸 天冬氨酸CTP-UTPUMP氨甲酰天冬氨酸E.coli的ATCase的亚基排列催化(C)亚基（catalytic subunit）调节(R)亚基（ regulative subunit）ATCase的半分子结构ATCase半分子 （C3R3)的结构CTP sitecatalytic siteATCase aloneATCase -ATP complex ATCase的别构过渡作用低催化活性构象 T(tense)
15、- 态CCCCCCR R R R R RCCCCCC高催化活性构象 R(relax) -态R RR RR RATP ATP ATCase变构效应的动力学特征ATP（正效应剂）CTP（负效应剂）低催化活性构象 T(tense) - 态CCCCCCR R R R R RCCCCCC高催化活性构象 R(relax) -态R RR RR RVmax1/2VmaxKm5. 别构酶活性调节机理：(1) 别构酶的齐变模型S S SSS S SS SST状态（对称亚基）R状态（对称亚基）SSSS对称亚基对称亚基齐步变化R态有利于正的效应物结合，T态有利于负的效应物结合。亚基全部 处于R型亚基全部 处于T型依次序变化正协同：K1K2K3K4 亲和力递增负协同：K1K2K3 K4 亲和力递减SS SS S SSS SSSSSSK1K2K3K4(2) 别构酶的序变模型第八节 固定化酶一. 概述将水溶性酶用物理或化学方法处理，固定于高分子支持物(或载体)上而成为不溶于水，但仍有酶活性的一种酶制剂形式，称固定化酶(immobilized enzyme)。生 物动、植物组织 器官、体液微生物培养物微生物菌体动、植物细胞培养粗酶制剂水溶酶固定化酶 生长细胞静息细胞孢子固定化 细胞静息细胞
