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1、第八章 酶的别构效应本章中将讨论一些不符合米氏方程的酶动力学，即非双曲线动力学。有些影响酶活性的效应 剂(包括激活剂和抑制剂)作用于酶活性部位以外的部位，通过酶分子构象的改变来调节酶的活 性。这种效应叫做别构效应(allosteric effects),这种效应剂叫做别构效应剂，受别构效应剂影响 的酶叫别构酶(allosteric enzyme)8.1 别构酶与代谢调节8.1.1 别构效应在代谢调节中的意义生物体内的物质代谢都是在酶的直接作用下进行的，要使物质代谢协调有序地进行，酶活性 必须根据情况适时地改变。利用别构效应调节酶活性是各种酶活性调节方式中最迅速的一种，大 多数代谢物的反馈抑制就
2、属于别构调节，也有一些代谢物可对代谢途径中的酶起别构激活作用。8.1.1.1 别构抑制作用反馈抑制可分为五种类型：A 线性通路中的反馈抑制一条途径的最终产物抑制途径中最初的酶活性。i线性通路中的反馈抑制B.趋同通路中的反馈抑制趋同通路中的反馈抑制顺序反馈抑制超齣通路中的反馈抑制为了有效地合成D,要求B和C的浓度大致相等。当C浓度大时，对产生B的途径的最初 的酶有激活作用；当B浓度大时，对产生B的途径的最初的酶有抑制作用。C. 趋散通路中的反馈抑制EC和ED为两种同工酶，分别 受C和D的反馈抑制。当C太多 时，不仅抑制从B到C的第一个 酶，而且抑制从A到B的第一个反应两种同工酶中的一种，使得B合
3、成的速率下降。B的合成 不能完全停止，因为合成D还需要B。当D太多时情况相似。D. 顺序反馈抑制一条途径中有多个反馈抑制步骤。E. 协调反馈抑制需要多种代谢物共同作用才能发挥反馈抑制作用。8.1.1.2 别构激活作用当一种代谢物积累后，激活某些酶，从而加强别的代谢途径。如有氧呼吸旺盛时，ATP大量 合成， AMP 和 ADP 减少，由于 AMP 和 ADP 是异柠檬酸脱氢酶的激活剂，因此异柠檬酸和柠 檬酸浓度增高，柠檬酸能激活乙酰CoA羧化酶和己糖激酶，同时抑制PFK（磷酸果糖激酶）。激 活乙酰CoA羧化酶可增强脂肪酸的合成，激活己糖激酶且抑制PFK,可使G-6-P更多地进入磷 酸戊糖途径，合
4、成更多的NADPH，供脂肪酸合成使用。8.2 别构酶的基本概念8.2.1 一个典型的别构酶天冬氨酸转氨甲酰酶天冬氨酸转氨甲酰酶（aspartate transcarbamoylase, ATC）是嘧啶核苷酸生物合成途径的第一个酶（一-UTP - CTP）O ATC的活性受到CTP的强烈抑制，又受到ATP的高效激活（见F表）。在对照、加ATP、加CTP三种情况的S对V图中可以看出，对照呈S形曲线而不是双曲线；加ATP减小了反应的表观K值，使曲线向双曲线靠近；加CTP增大了反应的表观K值, mm使曲线的S形更加明显。加ATP和CTP并不影响V。m效应剂抑制嘧啶族胞嘧啶0胞嘧啶核苷24胞苷一磷酸（C
5、MP）38胞苷二磷酸（CDP）68胞苷三磷酸（CTP）86尿苷三磷酸（UTP）8嘌吟族鸟苷三磷酸（GTP）35腺苷三磷酸（ATP） 180 （激活）表 效应剂对天冬氨酸转氨甲酰酶活性的作用H2N-C-04J) + H2N-CHC00HCH2IIIII05101525Im2天冬氨酸浓度nol/L曲线I对照； 曲线II加2JTUTL01/L ATP;曲线III 加 0. 2 rnmol/L CTPATCCOOHCOOHS忸H2N-C-HN-CHCOOH氨甲酰磷酸氨甲酰天冬氨酸为了解释这种现象，研究者设想在酶分子中有两个分开的部位，一个部位与底物结合并催化 反应，另一个部位是ATP或CTP等效应剂的
6、结合位点。利用选择性修饰法修饰后一个部位后， ATC的活性并不丧失，但对CTP抑制的敏感性下降，这种现象称为脱敏作用。选择性修饰实验 证实了两个部位的设想。现在我们知道，ATC由12条多肽链组成，2个a 3亚基，3个B 2亚基。根据对ATC的研究，得出了 5点结论： 1酶分子上有两个结合部位，结合底物并催化反应的部位叫活性部位，结合效应剂的部位叫别 构部位或调节部位。2这两个部位能同时分别被底物和效应剂占据。 3调节部位可与多种效应剂结合，并产生不同的效应。4效应剂的结合影响酶分子的构象，从而影响酶的着底物的结合能力和催化能力。 5调节部位的效应是构成别构抑制或别构激活的基础，而后两者又是代谢
7、调节的有效方式之一。 8.2.2 别构酶的协同效应协同效应(cooperative effects)也是多亚基别构酶的一个特征。我们把能与酶结合的底物、 激活剂和抑制剂统称为配体，所谓协同效应是指当一个配体与酶结合以后，可以促进或抑制另一 个配体与酶的结合。8.2.2.1 协同效应的分类A. 同种效应和异种效应同种效应(homotropic effects)指的是一分子配体与酶结合后影响另一分子同种配体与酶的 结合；异种效应(heterotropic effects)指的是一分子配体与酶结合后影响另一分子异种配体与酶 的结合。B. 正协同和负协同一分子配体与酶结合后促进另一分子配体与酶结合叫正
8、协同(positive cooperation)，抑制另 一分子配体与酶结合叫负协同(negative cooperation)o同种效应一般是正协同；异种效应有正协同，也有负协同。8.2.2.2 协同效应的鉴别方法通过动力学作图，可以鉴别正协同、负协同和无协同。8.2.2.3 协同指数和协同系数协同指数(cooperative index, CI)是指酶的底物结合位点被底物饱和90%和饱和10%voSoSoSYYoo0SSSSS0S00lglg作图法正协同效应负协同效应无协同效应Michaelis-Ment en作图Lineweaver-Furk作图Hanem件图0lgS0lgS0lgS动力
9、学件图法鉴别协同效应Hill件图(即v = 0.9V和V = 0.1V )时的底物浓度之比，故协同指数又称饱和比值(Ratio saturation，mmRs)。对于一个可结合n个底物分子的酶，其反应式可用下式表示:按米氏方程的推导过程可得V = k，+ S nS，式中kESnES这里假设nn个底物是同时结合上去的。当 V = 0.9Vm 时，S0.9 =(9K； ) n ;当 V = OJVm 时，叫=( K )S O1 丄CI = Rs =0.9 = 81 nS 0.1因此，当n=1时，CI=81,和以前讲过的单底物单产物反应的米氏方程相同，无协同效应。当n 1时，CI 81,为正协同，表
10、示V对S改变的灵敏度增加，且n越大正协同效应越大；当 n 81，为负协同，表示V对S改变的灵敏度减小，且n越小负协同效应越大。n值 即为协同系数。从理论上推导上式时，n是与酶结合的底物分子数，但实际上测出的n值（测定方法见后） 有小于1的情况。上面说的n1、n=1、n1指的是实际测定值，这是因为推导上式时的前提 就不正确，n个底物并不是同时结合上去和同时解离下来的。别构激活剂常可减少正协同效应（底物和底物之间的正协同）的n值，使正协同效应减弱， 在V对S作图中，可使S形曲线趋向双曲线。相反，别构抑制剂常可增加正协同效应的n值， 使正协同效应增强，使S形曲线弯曲更加明显。8.2.2.4 半位反应
11、性兔肌和细菌的3-磷酸甘油醛脱氢酶由4个同种亚基组成,每个亚基上有1个NAD+结合位点， 但实验结果发现该酶往往只能结合2个NAD+分子，这就是半位反应性。半位反应性实际上是一 种极端的负协同效应，当第一、二个NAD+与酶结合后，第三个结合位点与NAD+的亲和力已降 得很低，实际上已不能与NAD+结合。8.2.2.5 协同效应的生理意义异种协同效应分为别构激活（异种正协同）和别构抑制（异种负协同）效应。它们的意义已 在 7.1.1 中讨论过。底物引起的同种协同效应的生理意义已有一些推测。正协同效应提供了一个V对S的敏感 区域，即S形曲线中的“陡段”当细胞内底物浓度处于这个“陡段”时，S的轻微变
12、化可使V 发生很大的变化，有稳定S的作用。当细胞内底物浓度处于低S的平缓段时，S的变化不会使 V有太大的变化，有稳定V的作用。别构激活剂和别构抑制剂可使“陡段”左移和右移。底物引起的负协同效应在更大的S范围里使V稳定，如3-磷酸甘油醛脱氢酶在低浓度时， 能顺利地进行糖酵解，而当其他反应影响使NAD+浓度增加时，即使大幅度地增加NAD+ （100 倍以内），都可因其半位反应性而不增加酶反应速度。8.2.3 别构酶的其他动力学术语AS0。511前面式中的K Sz= Sn时，V二V。由于别构酶不符合米氏动力学，我们将V二V时S 2 m 2 m的底物浓度称为表观K或S05。m0。5B. K型效应剂和V
13、型效应剂在别构效应剂中，只影响K （或者说S05）的效应剂称为K型效应剂，它们与竞争性抑制 m0。5剂的效应相似；只影响V的效应剂称为V型效应剂，它们与非竞争性抑制剂的效应相似；当竞m争性效应剂只会使K增大，而K型效应剂根据其是激活还是抑制，分别使S 05降低和升高。 m0。5非竞争性抑制剂只会使V下降，而V型效应剂根据其是激活还是抑制，分别使V升高和降低。 mmKV型效应剂与混合型抑制剂相似，既影响S05又影响V。0。58.2.4 别构酶的通性1. 由多个亚基组成，亚基可以是同种或异种。2. 有调节部位和催化部位。3. 可结合多个配体。4. 配体的结合有协同效应，一分子配体与酶结合后使酶的构
14、象改变，从而影响下一分子配体的结合。5. 根据CI值或n值可鉴别协同效应的类型。6. 其V对S的曲线不是双曲线，而是S形曲线（正协同）或“表观双曲线”（负协同）。8.3 别构机制的模式Hill模式是Hill在1909年提出来的，当时是试图解释O2与血红蛋白结合的S形曲线的，后 来用于别构酶反应中。以下是求n值的方法：E S “ES n设酶被底物饱和的分数为YS，则YSES _ ES n = n E E + ES 0n由得ES 二nE S nK，SS 0 。5E S nf将代入得Y _时S E + E S nSnY KSS+ Y Sn = Sn，S(1 - YS )S n=Y K，SSYSS _1 - YKSSYlg 1 - YS=n lgS - lg KS，代入式得Vlg -_ nlgS - lg K。V - VSm以lgV 对lg S 作图,V - Vm可得一直线，其斜率为n,纵轴截距为-lg K，横轴截距为lg SS05越小
