别构酶及其动力学课件

别构酶及其动力学第十一章第十一章 别构酶及其动力学别构酶及其动力学 别构酶及其动力学 别构效应（别构效应（allosteric effect）：）：寡聚酶（蛋白）上一个活性部位的改变通过寡聚酶（蛋白）上一个活性部位的改变通过构象变化影响到其它活性部位的效应构象变化影响到其它活性部位的效应 别构酶（别构酶（allosteric enzyme)：能产生别构效应的酶。除了有一个活性中心能产生别构效应的酶。除了有一个活性中心外，还有别构效应剂结合位外，还有别构效应剂结合位 别构效应剂（别构效应剂（allosteric effector)：作用于酶活性中心外的某处，通过促使酶分作用于酶活性中心外的某处，通过促使酶分子空间构象的改变而影响酶的催化。子空间构象的改变而影响酶的催化。酶的别构效应可由底物结合引起，酶的别构效应可由底物结合引起，也可由别构效应剂结合引起的。也可由别构效应剂结合引起的。别构酶及其动力学一一 别构酶及其作用特性别构酶及其作用特性(一一)概述概述：别构效应是机体代谢的重要方式别构效应是机体代谢的重要方式 代谢调节的方式：代谢调节的方式：迟缓调节迟缓调节:需时间长，几个小时。通过改变酶需时间长，几个小时。通过改变酶 分子的合成、降解、酶原转化来控分子的合成、降解、酶原转化来控 制细胞内酶分子浓度。制细胞内酶分子浓度。快速调节快速调节:时间短几秒或几分钟。对体内现有时间短几秒或几分钟。对体内现有 的酶进行激活或抑制。的酶进行激活或抑制。调节酶调节酶:在体内代谢过程中起快速调节作用的酶在体内代谢过程中起快速调节作用的酶 包括共价调节酶和别构酶包括共价调节酶和别构酶别构酶及其动力学(二二)别构酶作用特性别构酶作用特性-协同效应协同效应(cooperative effect)协同效应：一个配体与蛋白或酶结合后对另一配体结合的影响协同效应：一个配体与蛋白或酶结合后对另一配体结合的影响 1.分类：分类：同种效应：一个分子的配体与蛋白或酶结合对后续同种同种效应：一个分子的配体与蛋白或酶结合对后续同种 或同类配体结合的影响。或同类配体结合的影响。异种效应：一个分子的配体与蛋白或酶结合对不同种或异种效应：一个分子的配体与蛋白或酶结合对不同种或 不同类配体结合的影响。不同类配体结合的影响。正协同效应：正协同效应：一分子的配体与蛋白或酶结合可促进下一分一分子的配体与蛋白或酶结合可促进下一分 子配体与蛋白和酶结合的效应。子配体与蛋白和酶结合的效应。负协同效应：负协同效应：一分子的配体与蛋白或酶结合使其它配体的一分子的配体与蛋白或酶结合使其它配体的 结合力降低的效应。结合力降低的效应。别构酶及其动力学 例如例如:四亚基蛋白（酶）四亚基蛋白（酶）P+L K1 PL1 K2 PL2 K3 PL3 K4 PL4 内在解离常数内在解离常数:K1=K2=K3=K4 无协同无协同 K1 K2 K3 K4 正协同正协同 K1 K2 K3 K4 负协同负协同右图中右图中:a 为无协同为无协同(双曲线双曲线)b 正协同效应正协同效应(S形曲线形曲线)c 负协同效应负协同效应(表观双曲线表观双曲线)VSabc别构酶及其动力学2.协同效应实例协同效应实例:(1)正协同实例正协同实例 ATCase（6 6）Asp+氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸 氨甲酰氨甲酰-L-Asp+Pi (过量过量)ATP产生异种正协同效应：别构激活产生异种正协同效应：别构激活 CTP产生异种负协同效应：别构抑制产生异种负协同效应：别构抑制 VAspVmVm/2KmappATPCTP别构酶及其动力学 尿素和有机汞处理可选择性破坏酶的效应剂结合位尿素和有机汞处理可选择性破坏酶的效应剂结合位 脱敏作用脱敏作用：酶失去了原有的对效应剂的敏感性：酶失去了原有的对效应剂的敏感性 脱敏后的酶仍然保持催化底物的能力，但不再呈现脱敏后的酶仍然保持催化底物的能力，但不再呈现S形动力学，说明：形动力学，说明：催化亚基催化亚基底物结合位底物结合位调节亚基调节亚基ATP、CTP结合位结合位 酶有两个结合位点酶有两个结合位点 ATP和和CTP两种效应剂两种效应剂 可能是结合在同一部位。可能是结合在同一部位。ATC酶效应剂结合位的酶效应剂结合位的 存在对存在对S型动力学是必要的型动力学是必要的别构酶及其动力学u ATCase的别构效应表现为四级的别构效应表现为四级 结构的大幅度变动：结构的大幅度变动：利用利用ATCase的二底物过渡态类似物：的二底物过渡态类似物：PALA（N-膦乙膦乙酰酰-L-Asp)的研究表明：的研究表明：ATCase的的6个亚基的底物结合位都位于催化链之间的个亚基的底物结合位都位于催化链之间的 界面上，活性中心相距界面上，活性中心相距2.2nm 结合结合PALA后的酶，催化三聚体彼此拉开后的酶，催化三聚体彼此拉开1.2nm，同时，同时 旋转旋转10；并使分别位于催化链；并使分别位于催化链N-端端与与C-端端的的氨甲酰氨甲酰 磷酸结合位磷酸结合位和和Asp 结合位彼此靠近，成为高亲和状态结合位彼此靠近，成为高亲和状态 一个催化亚基的构象变化通过亚基界面之间的相互作一个催化亚基的构象变化通过亚基界面之间的相互作 用，传递给另一个催化三聚体，并引起后者构象的转变用，传递给另一个催化三聚体，并引起后者构象的转变别构酶及其动力学(2)负协同效应：负协同效应：3-P-甘油醛脱氢酶：甘油醛脱氢酶：3-P-甘油醛甘油醛+NAD+Pi NADH+1,3-2P-甘油酸甘油酸+H+半位反应性：该酶为四聚体，但半位反应性：该酶为四聚体，但4个活性部位中只个活性部位中只 有有2个起作用个起作用兔肌兔肌 3 P-甘油醛脱氢酶与甘油醛脱氢酶与NAD+结合的解离常数结合的解离常数解离常数解离常数 透析平衡法透析平衡法 荧光测定法荧光测定法 K1 10-10M 110-8 M K2 1 则则 Rs81 正协同正协同 若若n81 负协同负协同 n V ESn Vm=E0 =Ys别构酶及其动力学 Hill模式的缺陷模式的缺陷 :假设假设n分子底物和酶的结合一步完成，过于理想化分子底物和酶的结合一步完成，过于理想化 Hill模式用于研究别构模式时，对四个亚基酶来模式用于研究别构模式时，对四个亚基酶来 说说n=4，但实际，但实际n=2.62.8之间。并且在负协同之间。并且在负协同 时，要求时，要求 n1Log(V )Vm-V LogS别构酶及其动力学(二二)MWC模式：模式：Monod-Wyman-Changeux:于于1965年提出，也称齐变模式年提出，也称齐变模式1.模式要点模式要点:别构蛋白是一种寡聚体，由多个相同原体构成。原体是寡别构蛋白是一种寡聚体，由多个相同原体构成。原体是寡聚蛋白最小的功能单位，它们在别构蛋白中占有相等的地理聚蛋白最小的功能单位，它们在别构蛋白中占有相等的地理位置。寡聚蛋白至少有一个对称轴。位置。寡聚蛋白至少有一个对称轴。每个亚基对同一种配体只有一个结合位点。每个亚基对同一种配体只有一个结合位点。蛋白亚基可具有蛋白亚基可具有R型和型和T型两种构象。这两种构象在无底物型两种构象。这两种构象在无底物和效应剂存在时处于平衡状态。和效应剂存在时处于平衡状态。蛋白亚基都只能取相同的构象，无杂合体。亚基齐步转变蛋白亚基都只能取相同的构象，无杂合体。亚基齐步转变 亚基的构象可变，但蛋白分子的对称性不变。亚基的构象可变，但蛋白分子的对称性不变。无论多少配体结合到酶上，配体与无论多少配体结合到酶上，配体与R态态 和和T态酶的内在解离常数都相等，态酶的内在解离常数都相等，分别以分别以KR和和KT表示。表示。别构酶及其动力学2.MWC解释底物的同种协同效应。解释底物的同种协同效应。以四聚体别构蛋白为例：平衡常数以四聚体别构蛋白为例：平衡常数L=T R R KR1 RS KR2 RS2 KR3 RS3 KR4 RS4 T KT1 TS KT2 TS2 KT3 TS3 KT4 TS4 KR1 =KR =R S RS=4 RS 4 RS KR KR2 =2KR =RS S RS2=6RS 2 3 RS2 KR2 KR3 =3KR =RS2S RS3=4RS 3 2 RS3 KR3 KR4=4KR=RS3 S RS4=RS 4 RS4 KR4L别构酶及其动力学同理可求知：同理可求知：TS、TS2 、TS3、TS4 Ys=RS+2RS2+3RS3+4RS4+TS+2TS2+3TS3+4TS4 4(R+RS+RS2+RS3+RS4 +T+TS+TS2+TS3+TS4)R S(1+S)3 +T S(1+S)3 =KR KR KT KT R(1+S)4 +T(1+S )4 KR KT定义：定义：L=T，C=KR ,=S ,C=S R KT KR KT Ys =V =(1+)3+L C (1+C )3 Vm (1+)4 +L(1+C )4 别构酶及其动力学 若酶结合位点为若酶结合位点为n，则：则：Ys =(1+)n-1+L C (1+C )n-1 (1+)n +L(1+C )n 讨论讨论:若若S只与只与R态结合态结合 ，则，则 KT C=KR/KT=0 则则 Ys=(1+)n-1 (1+)n +L 假设：假设：n=4，以，以V 作图，作图，L 越大，越大，S型越明显型越明显 可解释底物的同种正协同效应可解释底物的同种正协同效应 V L=1L=10L=1000L=100L=10000C=0n=4别构酶及其动力学 若酶只有一种形式若酶只有一种形式:只有只有T态态，R=0,L=T/R Ys=VVm=C =S 1+C KT+S 只有只有R态态，T=0,L=T/R=0 Ys=VVm=S 1+KR+S 若若KR=KT,则则 C=1:Ys=/（1+）=S KR+S 若若n=1(只有一个结合位点只有一个结合位点)：Ys=S KR(1+L )+S 1+LCYs=(1+)n-1+LC(1+C)n-1 (1+)n +L(1+C )n别构酶及其动力学3.MWC解释异种协同效应解释异种协同效应:R L T ，设设KRKT (S优先与优先与R结合结合)激活剂激活剂A使酶处于使酶处于R态；抑制剂态；抑制剂I 使酶处于使酶处于T态态 以二亚基酶为例以二亚基酶为例:T KI1 TI KI2 TI2 L R KA1 RA KA2 RA2 KA1 =KA =AR RA=2 AR 2 RA KA KA2 =2KA=RA A RA2=RA 2 RA2 KA2同理：同理：TI=2 TI TI2=TI 2 KI KI2KI:KA，KI:激活剂、抑制剂激活剂、抑制剂 与酶的内在解离常数与酶的内在解离常数别构酶及其动力学 I L=T+TI+TI2 =T(1+KI)2 R+RA+RA2 R(1+A)2 KA L=T ,=I ,=A ，则：，则：L=L(1+)2 R KI KA 1+若结合位点数为若结合位点数为n：则则 L=L(1+)n 1+有底物存在时有底物存在时:由于由于KR KT,C0 Ys=(1+)n-1 =(1+)n-1 L+(1+)n L(1+)n+(1+)n 1+别构酶及其动力学 讨论讨论:若只有激活剂存在，若只有激活剂存在，I=0时时,则则=0:L=L(1+)n L 表明表明R浓度下降，处于不利于和底物结合的浓度下降，处于不利于和底物结合的T态态的酶比例增加的酶比例增加别构抑制。别构抑制。缺限缺限:要求酶的构象变化是齐步的要求酶的构象变化是齐步的 没有考虑到负协同效应没有考虑到负协同效应L=L(1+)n 1+别构酶及其动力学ss ss sss s(三三)KNF模式模式 Koshland-Nemethy-Filmer 于于1966年提出年提出1.模式要点模式要点:对聚合体酶来说，每个亚基可有对聚合体酶来说，每个亚基可有R和和T两种状两种状 态，但在无底物和效应剂存在时只有态，但在无底物和效应剂存在时只有T态。态。亚基的构象改变可由于且只能由于配基和底物的亚基的构象改变可由于且只能由于配基和底物的结合引起，构象的改变是序变过程，存在杂合体结合引起，构象的改变是序变过程，存在杂合体 酶构象的改变只影响相邻亚基的变化，使其他酶构象的改变只影响相邻亚基的变化，使其他配基的亲和力增加或减小。配基的亲和力增加或减小。s s别构酶及其动力学2 KNF模式与底物协同：模式与底物协同：以以二亚基酶二亚基酶为例，酶受到底物诱导可能的构象变化：为例，酶受到底物诱导可能的构象变化：定义平衡常数：定义平衡常数：T态态 R态态 S+SS STTTRRR+S +SS+KtKSRKTT+KTR +KRR 别构酶及其动力学 由由T2 TR包含三步：包含三步：S+ST2 TR或或RTS SR2+S 由由TR R2也包含三步：也包含三步：Keq=R2 =Kt KSR KRR TR S KTRKeq=TR =Kt KSR KTR T2 S KTT 令：令：KTT=1,T2=1 S+S 消失，消失，或或 生成生成S S 或或 消失，消失，生成生成S S+S SSS 或或S 别构酶及其动力学 酶活性中心底物的饱和分数：酶活性中心底物的饱和分数：总总TR+2 R2 Ys=2(T2+总总TR+R2)TR+RT=总总 TR=2Kt KSR KTR SR2=Kt KSR KRR S TR=Kt 2 KSR 2 KRR S 2 KTR 几率因子几率因子=排列方式数排列方式数=Kt KSR KTR S+Kt2 KSR2 KRR S 2 1+2Kt KSR KTR S+Kt 2 KSR 2 KRR S 2 Ys 对对S作图是一条作图是一条S形曲线形曲线1 亚基转变亚基转变2 亚基缔合方式亚基缔合方式3 底物与底物与R 结合数量结合数量4 底物浓度项底物浓度项别构酶及其动力学 若若KRR=KTR=1，即亚基之间无相互作用，则：即亚基之间无相互作用，则：YS=Kt KSR KTR S+Kt 2 KSR 2 KRR S 2 1+2Kt KSR KTR S+Kt2 KSR2 KRR S2 =Kt KSR S+Kt 2 KSR2 S 2 （1+Kt KSR S）2 =S 1/Kt KSR+S 符合米氏动力学符合米氏动力学别构酶及其动力学 对于四亚基酶，其亚基排布有三种：对于四亚基酶，其亚基排布有三种：S S S S22 SS22 S S SS SS SSS S SSS SSS22 T3R=2(Kt KSR KTR+Kt KSR KTR2)S TR3=2 Kt3 KSR3 S 3(KTR KRR2+KTR2 KRR)T2R2=Kt2 KSR2 S 2(KTR2 KRR+2 KTR KRR+2 KTR3+KTR2)R4=Kt4 KSR4 KRR3 S 4 别构酶及其动力学 四亚基酶饱和分数表达式：四亚基酶饱和分数表达式：T3R+2T2R2+3 TR3+4R4 Ys=4(T4+T3R+T2R2+TR3+R4)S 4 SS4 SS2 SSS4SSS S S 4S6S S4SS SSSST3R=4Kt KSR KTR3 S T3R=4Kt KSR KTR2 S 别构酶及其动力学3 KNF模式与效应剂：模式与效应剂：激活剂与酶结合后，不影响酶继续结合底物；激活剂与酶结合后，不影响酶继续结合底物；而抑制剂结合到酶分子上之后，使酶的构象发生改而抑制剂结合到酶分子上之后，使酶的构象发生改变，不再与底物结合变，不再与底物结合解释异种协同效应解释异种协同效应 以以二亚基酶二亚基酶为例。激活剂与底物共存时：为例。激活剂与底物共存时：A+AA A+AS SSS ASAA SA+A+A+AS SA+ASASA+S+S+S+S+S+S+S+S222222A+AKAR别构酶及其动力学 抑制剂与底物共存：抑制剂与底物共存：KtC态态I+IKICRI=2Kt Kt KSR KIC KRC S I 先求出各种酶形式的浓度，然后带入饱和分数表达式先求出各种酶形式的浓度，然后带入饱和分数表达式 +I+IS SS+S+SI+ISI+S222II别构酶及其动力学(四四)EIG模式模式:也称为总模式（也称为总模式（general scheme），是），是1967年由年由Eigen提出的。提出的。要点要点:酶无论是否结合配体，亚基的构象都能发生变化酶无论是否结合配体，亚基的构象都能发生变化 在同种酶分子中不同的构象的杂合体都能依次与在同种酶分子中不同的构象的杂合体都能依次与 底物结合底物结合 ss sssss sssssss sss s别构酶及其动力学四四 酶的记忆与滞后现象酶的记忆与滞后现象(一一)酶的记忆现象：酶的记忆现象：Rabin模式来解释模式来解释:E+S K1 ES 慢慢 Ka E S K2 E+P K-1 K-a 酶本身有一个缓慢异构化过程。酶本身有一个缓慢异构化过程。V S作图呈现作图呈现S形形 若若ESES异构化很快，酶应符合米氏动力学异构化很快，酶应符合米氏动力学 激活剂可以加快异构化速度，减小激活剂可以加快异构化速度，减小S形性质形性质 抑制剂延缓异构化过程，增强抑制剂延缓异构化过程，增强S形性质形性质+SKb慢慢别构酶及其动力学 Richard 模式：模式：假定：假定：单亚基酶在无底物存在时，单亚基酶在无底物存在时，也具有两种处于平衡状态的异构型：也具有两种处于平衡状态的异构型：方形和圆形。两者都可与底物结合，方形和圆形。两者都可与底物结合，但方形与底物的亲和力高于圆形。但方形与底物的亲和力高于圆形。结合底物后的酶被诱导出现第三种结合底物后的酶被诱导出现第三种构象：六角形，但后者必须恢复到构象：六角形，但后者必须恢复到方形之后方能放出产物和游离态的方形之后方能放出产物和游离态的方形酶。方形酶。酶的记忆现象酶的记忆现象：酶在释放出产物之后，：酶在释放出产物之后，仍然能仍然能“记得记得”它在释放出产物前的有利构象，而不再恢它在释放出产物前的有利构象，而不再恢 复原有构象的现象。具有记忆现象的酶称为复原有构象的现象。具有记忆现象的酶称为记忆酶记忆酶。记忆酶并不是别构酶：记忆酶是单体酶而非别构酶记忆酶并不是别构酶：记忆酶是单体酶而非别构酶 记忆酶分子构象的改变不是协同作用记忆酶分子构象的改变不是协同作用+S k-akaSPP+S缓慢缓慢别构酶及其动力学(二二)酶的滞后现象：酶的滞后现象：酶的滞后现象：酶对配体应答延缓的现象酶的滞后现象：酶对配体应答延缓的现象 如兔肌肉中磷酸化酶，加入底物糖原后几分钟才有如兔肌肉中磷酸化酶，加入底物糖原后几分钟才有产物放出。产物放出。所有具有记忆现象的酶都有滞后现象，但有滞后效应的所有具有记忆现象的酶都有滞后现象，但有滞后效应的酶不一定都是记忆酶。酶不一定都是记忆酶。滞后半时间：以加入配体开始到反应恢复正常所需时间滞后半时间：以加入配体开始到反应恢复正常所需时间的一半。可用于衡量酶的滞后程度。的一半。可用于衡量酶的滞后程度。P滞后滞后t别构酶及其动力学u具有滞后现象的酶可以是单体酶，具有滞后现象的酶可以是单体酶，也可以是寡聚酶也可以是寡聚酶u 其它具有滞后现象的酶：其它具有滞后现象的酶：寡聚酶由于亚基的聚合或解聚作用缓慢寡聚酶由于亚基的聚合或解聚作用缓慢 MWC或或KNF模式中若模式中若T、R两种构象之间变构速两种构象之间变构速 度缓慢度缓慢 酶本身不稳定，但可被高浓度底物稳定。如：酶本身不稳定，但可被高浓度底物稳定。如：大肠杆菌的大肠杆菌的Thr脱氢酶脱氢酶 其它假象：与激活剂共存；有杂质等其它假象：与激活剂共存；有杂质等别构酶及其动力学u 小结：小结：别构酶是寡聚酶别构酶是寡聚酶 别构酶分子中包含两个在空间上是分开的、不同的活别构酶分子中包含两个在空间上是分开的、不同的活 性部位：底物结合位和效应剂结合位性部位：底物结合位和效应剂结合位 每个亚基可以结合一个以上的配体，效应剂和底物每个亚基可以结合一个以上的配体，效应剂和底物 配体与酶结合后，可在底物配体与酶结合后，可在底物-底物、效应剂底物、效应剂-底物、效底物、效 应剂应剂-效应剂之间产生正或负协同效应效应剂之间产生正或负协同效应 别构酶出现协同效应的基础，是由于酶空间构象的改别构酶出现协同效应的基础，是由于酶空间构象的改 变变别构效应别构效应 具有别构效应的酶，其具有别构效应的酶，其V S曲线不符合米氏双曲线，曲线不符合米氏双曲线，呈呈S形形(正协同）或表观双曲线形正协同）或表观双曲线形(负协同）负协同）别构效应的判断：作图法或协同系数别构效应的判断：作图法或协同系数(hill系数和协同指数系数和协同指数)别构酶及其动力学