催化反應動力學別構反應

催化反應動力學別構反應第一頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期五第一節(jié)單底物反應動力學第三節(jié)多底物反應動力學第四節(jié)別構酶動力學第五節(jié)pH和溫度對酶催化反應速度的影響主要內容第四章酶催化反應動力學第二頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期五第四節(jié)別構酶反應動力學酶與一般催化劑不同的特點：可調節(jié)性；30%酶動力學不符合米氏方程，大多是寡聚酶，受代謝物調節(jié)，但代謝物結構不類似于被調節(jié)酶底物；60年代，Jacob與Monod提出別構理論，反饋調節(jié)作用稱為別構效應。非唯一調節(jié)方式，卻是較為重要的一類。第三頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期五例

子ATC酶經過溫和的化學處理，如用對羥基汞苯甲酸（PCMB）處理可解聚為兩個催化亞基（為三聚體）和3個調節(jié)亞基（為二聚體）。催化亞基仍有催化活力，但不再受效應物影響，調節(jié)亞基無催化活力，但仍能結合效應物。更劇烈的處理，如用十二烷基硫酸鈉（SDS）處理，則催化亞基和調節(jié)亞基都各解聚成6個單體

第四頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期五主要內容一、配體（底物）與蛋白質結合中協(xié)同效應(link)二、別構酶的性質、結構及動力學特性(link)三、別構效應(link)go第五頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期五一、配體（底物）與蛋白質結合中協(xié)同效應指蛋白質與一個配體（底物和效應物）結合后可影響蛋白質與另一個配體結合能力；據(jù)此分類：1，正協(xié)同效應-激活

；2，負協(xié)同效應-抑制；3，同促效應（同種協(xié)同效應,homotropiceffect）一個配體與酶結合后，引起酶分子構象變化，從而改變后續(xù)相同配體對酶的親和力；4，異促效應（異種協(xié)同效應,heterotropiceffect）一種配體與酶結合引起另一種配體對酶親和力的改變；多數(shù)別構酶兼有同促效應和異促效應。（一）協(xié)同效應第六頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期五（二）配體與蛋白質結合E+SES結合常數(shù)：Kb=[ES]/[E][S],

Kb=K-1S,蛋白質飽和分數(shù)Y：[E0]恒定下，Y對[S]作圖為一雙曲線；在穩(wěn)態(tài)下，亦是一雙曲線。此是米氏方程特性!1、與具單個結合部位的蛋白質結合第七頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期五2、與具多個結合部位的蛋白質結合最簡單情形：二聚體蛋白兩個相同配體結合位，同種正協(xié)同作用：

M2+2SM2S2結合常數(shù):

Kb=[M2S2]/[M2][S]2蛋白質飽和分數(shù)：Y=[M2S2]/[（M2）0]=Kb[S]2/(Kb[S]2+1)Y~[S],是S形曲線第八頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期五Hill方程結合常數(shù)取對數(shù)：更普通地，n個相同結合位之蛋白質通式：即為Hill方程；理想條件下Lg(Y/(1-Y))~lgS作圖；即為Hill曲線圖，線性，斜率為n，縱截矩lgKb；實驗中測定的斜率n為Hill系數(shù)h;第九頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期五例：血紅蛋白Hill系數(shù)多結合位蛋白與配體之間的結合研究是基于氧和血紅蛋白結合之研究；1904，Bohr,繪制了血紅蛋白與氧結合的飽和分數(shù)Y對氧分壓的圖形，是S形曲線；1909,Hill基于結合部位之間相互影響引起正協(xié)同效應來解釋此曲線；若血紅蛋白有n個亞基，總反應式：Hb+nO2Hb(O2)n在基礎上推導出Hill方程；做為含有4個氧結合位的血紅蛋白，其斜率應為4氧飽和度YpO2血紅蛋白S形氧合曲線第十頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期五雖與實驗數(shù)據(jù)有偏，但此方程很好地適合了血紅蛋白氧合曲線及其它別構蛋白的協(xié)同過程，因此其數(shù)據(jù)處理方法即Lg(Y/(1-Y))~lgPO2作圖法（Hill作圖法）得到應用。血紅蛋白氧合具高協(xié)同性，因此極高或極低氧下只結合一個氧分子，兩端斜率為1;中間氧濃度區(qū)協(xié)同性最好大，h=2.8,但曲線斜率總不會達4這個亞基數(shù)；目前其結構基礎已初步闡明：1960，Perutz，4個結合位血紅素完全分離，相互作用不可能，可能是亞基間作用，氧合中4個氧結合也不一樣，第一個需打開鹽鍵更多些，第4個更少，故呈S形曲線！斜率=1斜率=10氧飽和百分數(shù)Lg(Y/(1-Y))第1個O2第4個O2PO2血紅蛋白Hilll圖back第十一頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期五二、別構酶的性質、結構及動力學特性別構作用：指不同于底物的物質對酶起到激活或抑制作用；別構酶：具不止一個配基結合位的酶，活性位外的部位可與和底物結構完全不同的物質結合，結合后通過構象變化影響底物與活性位的作用從而對酶催化產生正或負影響；發(fā)現(xiàn)起源：反饋調節(jié)；1，50年代，Umbarger,L-蘇氨酸到L-異亮氨酸五步反應，當異亮氨酸過量則對第一步酶蘇氨酸脫水酶產生反饋抑制！2，Gerharf嘧啶核苷酸合成途徑中發(fā)現(xiàn)終產物CTP抑制第一步酶，天冬氨酸轉氨甲酰酶（ACTase)。第十二頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期五（一）別構酶性質和結構某些酶的分子表面除活性中心外，尚有調節(jié)部位，當調節(jié)物（或稱別構物）結合到此調節(jié)部位時，引起酶分子構象變化，導致酶活性改變，這類酶稱為變/別構酶。

第十三頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期五3.6重要的酶§3.6重要的酶變構酶與變構調節(jié)概念

變構酶又稱為別構酶，指酶分子的非催化部位與某些化合物可逆地非共價結合后，引起酶的構象的改變，進而改變酶的活性狀態(tài)，酶的這種調節(jié)作用稱為變構調節(jié)(allostericregulation)，具有變構調節(jié)的酶稱變構酶(allostericenzyme)。凡能使酶分子發(fā)生別構作用的物質稱為變構劑(effector)。變構酶多為寡聚酶，含的亞基數(shù)一般為偶數(shù)；且分子中有催化部位（結合底物）與調節(jié)部位（結合變構劑），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。

第十四頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期五效應物（effecter）———不作用于活性中心，而是活性中心以外的部位，引起分子構象變化，來調節(jié)酶活力。此效應物為別位效應劑(allostericeffecter)第十五頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期五§3.6重要的酶第十六頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期五特點：①一般為寡聚酶②有別構位和催化位③作用曲線往往為S形第十七頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期五別構酶結構特性：（1）有多個亞基（2）有四級結構（3）酶分子中除了有結合底物并催化反應的活性中心外，還有可以結合調節(jié)物的別構中心。活性中心和別構中心可能位于不同的亞基或相同的亞基的不同部位。（4）活性用于結合底物，別構中心用于調節(jié)速度；（5）有時因物理化學作用脫敏，但正常催化活性未失，表現(xiàn)出米氏方程雙曲線動力學特征。第十八頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期五（二）動力學特性與米氏曲線比較：注意：別構酶往往具有S曲線特征，但反之不亦然！1米氏特征曲線2正協(xié)同S曲線3負協(xié)同曲線[S]v第十九頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期五§3.6重要的酶第二十頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期五S形曲線動力學特征S形曲線有利于反應速度的調節(jié)！與米氏曲線比較：因此S曲線體現(xiàn)為當?shù)孜餄舛劝l(fā)生很小變化時，別構酶可以極大程度控制反應速度30.119vmax100%AB[S]90%v[S]10%v=81[S]90%v[S]10%v=3第二十一頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期五§3.6重要的酶變構酶作用特點1、一般變構酶分子上有二個以上的底物結合位點。當?shù)孜锱c一個亞基上的活性中心結合后，引起酶分子構象的改變，使其它亞基的活性中心與底物的結合能力發(fā)生改變，或出現(xiàn)正協(xié)同效應(positivecooperativeeffect)，或出現(xiàn)負協(xié)同效應（negativecooperativeeffect）。2、正協(xié)同效應的變構酶其速度-底物濃度曲線呈S形，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后，酶活性顯著加強，最終達到最大值Vmax。如大腸桿菌的天冬氨酸轉甲酰基酶（ATCase）對底物天冬氨酸的結合表現(xiàn)為正協(xié)同效應。第二十二頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期五§3.6重要的酶3、負協(xié)同效應的變構酶其速度-底物濃度曲線為類似雙曲線。底物濃度較低時，酶表現(xiàn)出較大活性，但底物濃度明顯增加時，其反應速度無明顯變化。如3-磷酸甘油醛脫氫酶對NAD+的結合為負協(xié)同效應，其意義在于無論細胞內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。第二十三頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期五§3.6重要的酶4、變構酶除活性中心外，還存在著能與變構劑作用的亞基或部位，稱調節(jié)亞基(或部位)。變構劑與調節(jié)亞基以非共價鍵特異結合，可以改變調節(jié)亞基的構象，進而改變催化亞基的構象，從而改變酶活性。凡使酶活性增強的變構劑稱變構激活劑(allostericactivitor)，它能使上述S型曲線左移，飽和量的變構激活劑可將S形曲線轉變?yōu)榫匦坞p曲線。凡使酶活性減弱的變構劑稱變構抑制劑(allostericinhibitor)，能使S形曲線右移。例如，ATP是磷酸果糖激酶的變構抑制劑，而ADP、AMP為其變構激活劑。5、由于變構酶動力學不符合米-曼氏酶的動力學，所以當反應速度達到最大速度一半時的底物的濃度，不能用Km表示，而代之以K0.5S表示。

第二十四頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期五§3.6重要的酶正協(xié)同效應的變構酶底物活性曲線⊙不加變構劑⊙加變構激活劑⊙加變構抑制劑+-back第二十五頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期五三、別構效應別構效應（allostericeffect）：調節(jié)物或效應物與酶分子上的別構中心結合后，誘導出或穩(wěn)定住酶分子的某種構象，使酶活性中心對底物的結合和催化作用受到影響，從而調節(jié)酶反應速度及代謝過程，此效應即為酶的別構效應。第二十六頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期五主要內容1、別構效應生理調節(jié)功能;2、別構效應的類型判斷法;3、變構酶活性調節(jié)的機理與模型.第二十七頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期五1、別構效應生理調節(jié)功能別構調節(jié)是快速影響酶活的一種重要方式,通常處于代謝途徑之起點或分叉點或關鍵點、限速點；例1：天冬氨酸氨甲酰轉移酶是起始點關鍵酶受CTP抑制和ATP激活；例2：膽固醇合成途徑中部甲羥戊二酸CoA還原酶是其限速酶，終產物膽固醇是其別構調節(jié)物；第二十八頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期五協(xié)同效應之作用正協(xié)同效應使得配體濃度在一定區(qū)間內酶反應速度對其變化非常敏感，而在區(qū)間外不敏感；例：同時受幾種酶作用之底物參與幾個代謝途徑，底物流量分配可通過正協(xié)同效應別構酶實現(xiàn)，如氨甲酰磷酸受天冬氨酸氨甲酰轉移酶正協(xié)同效應合理分配產CTP和Arg;負協(xié)同效應提供了配體濃度變化對酶反應速度不敏感區(qū)；例：若某底物許多酶均需要，此途徑特別重要，負協(xié)同效應可使該途徑穩(wěn)定進行下去，如甘油醛-3-磷酸脫氫酶對NAD+產生負協(xié)同效應，使之穩(wěn)定產生而不管其它反應對NAD+的影響。第二十九頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期五變構酶的動力學及變構酶對酶反應速度的調節(jié)1.大多數(shù)變構酶具有正協(xié)同效應（酶分子結合一分子底物或效應物后，酶的構象發(fā)生變化，這種新的構象有利于后續(xù)分子與酶的結合，大大促進后續(xù)分子與酶的親合性），其初速度與底物濃度的關系呈S形的v-[S]曲線。當?shù)孜餄舛劝l(fā)生很小的變化時，變構酶就極大地控制著反應速度。在正協(xié)同效應中使得酶反應速度對底物濃度的變化極為敏感。第三十頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期五2.另一類別構酶具有負協(xié)同效應，其動力學曲線在表現(xiàn)上與雙曲線相似，但意義不同：具有負協(xié)同效應的酶在底物濃度較低的范圍內酶活力上升快，但再繼續(xù)下去，底物濃度雖有較大的提高，但反應速度升高卻較小。使得酶反應速度對底物濃度的變化不敏感[s]正負v第三十一頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期五§3.6重要的酶生理意義及實例1、在正協(xié)同效應的變構酶的S形曲線中段，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此而被關閉；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，因此可以通過細胞內底物濃度的變化來靈敏地控制代謝速度。2、變構抑制劑常是代謝通路的終產物，變構酶常處于代謝通路的入口，通過反饋抑制，可以及早地調節(jié)整個代謝通路，減少不必要的底物消耗。

第三十二頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期五§3.6重要的酶第三十三頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期五§3.6重要的酶

例如葡萄糖的氧化分解可提供能量使AMP、ADP轉變成ATP，當ATP過多時，通過變構抑制劑ATP抑制磷酸果糖激酶的活性，可限制葡萄糖的分解，而ADP、AMP增多時，則可通過變構激活劑AMP、ADP激活磷酸果糖激酶的活性促進糖的分解。隨時調節(jié)ATP/ADP的水平，可以維持細胞內能量的正常供應。

第三十四頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期五§3.6重要的酶第三十五頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期五§3.6重要的酶第三十六頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期五2、別構效應的類型判斷法主要有以下3種：（1）v~[S]（2）雙倒數(shù)作圖法（3）Hill作圖法（1）作圖法第三十七頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期五v~[S]又稱米氏作圖1,符合米氏方程的無協(xié)同效應，直角雙曲線；2,S曲線的為正協(xié)同效應；3,非直角雙曲線；SvOSvOSvO米正負[S]v第三十八頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期五雙倒數(shù)作圖即L-B作圖法；1，無協(xié)同時直線；2，正協(xié)同上凸；3，負協(xié)同下；1/[S]1/vO1/[S]1/vO1/[S]1/vO第三十九頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期五Hill作圖對別構酶而言Hill方程：lg(v/(vmax-v))~lgS作圖斜率為n，縱截矩lgKs，橫截矩（lgKs)/n;v=0.5vmax時[S]0.5,有：lg[S]0.5=1/nlgK0.5S[S]0.5相當米氏方程中的KmHill作圖斜率稱:Hill系數(shù)或協(xié)同系數(shù)，h表示之，可知有：h=1米氏類型酶h1具有正協(xié)同效應的別構酶h1具有負協(xié)同效應的別構酶lg[S]lg(v/(vmax-v))n>1olg[S]lg(v/(vmax-v))n<1olg[S]lg(v/(vmax-v))n=1o（4-66）第四十頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期五E+nSESnE+nPn]['][+=SKmSVmvn

v

bnxy

KmS

n

v

Vm

-=-

=

-\logloglogKmSvVmv

n=-Hill系數(shù)第四十一頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期五Hanes作圖法[S]

v[S]正協(xié)同負協(xié)同無協(xié)同第四十二頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期五Eadiehofstee法v[S]v正協(xié)同負協(xié)同無協(xié)同第四十三頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期五（2）協(xié)同指數(shù)Koshland標準：CI（cooperativityindex）協(xié)同指數(shù)：酶分子中的結合位點被底物飽和90%和10%時底物濃度的比值。亦稱飽和比值Rs(saturationratio)Rs=81米氏類型酶Rs81具有正協(xié)同效應的別構酶Rs81具有負協(xié)同效應的別構酶酶與底物結合達90%飽和度時底物濃度酶與底物結合達10%飽和度時底物濃度

Rs=第四十四頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期五協(xié)同指數(shù)推導由4-66可得：用v=0.9vmax,v=0.1vmax代入得：從而有：因而有協(xié)同指數(shù)：米氏方程CI（Rs）=81n=1正協(xié)同CI（Rs）<81n>1負協(xié)同CI（Rs）>81n<1第四十五頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期五3、變構酶活性調節(jié)的機理與模型序變模型（KNF模型）—描述異促效應更適合齊變模型(MWC模型)—不適用于負協(xié)同第四十六頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期五（1）MWC模型1965,同Monod,Wyman,Changeux提出，同構模型，對稱模型，定義：（1）寡聚體(oligomer)由一定數(shù)量但數(shù)目不大亞基組成；（2）相同亞基為原體（protomer);（3）單體指完全解離的原體；如兩原體假設,不同構象狀態(tài)亞基不利作用，故全是R（松弛高活性）或T（緊密低活性），兩種構象狀態(tài)在無配體時處于平衡,底物（配體）的結合打破此平衡，這樣就能對協(xié)同效應給解釋！第四十七頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期五MWC模型示意圖T態(tài)(對底物親和力低)R態(tài)(對底物親和力高)+S+S第四十八頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期五RR濃度[R0]，TT濃度[T0]；R0T0平衡常數(shù)L=[T0]/[R0]；(1)當?shù)孜锊慌cT態(tài)酶結合時:R0+SR1R1+SR2KR微觀解離常數(shù)：KR=2[S][R0]/[R1][R1]=2([S]/KR)[R0]KR=[S][R1]/2[R2][R2]=([S]2/KR2)[R0]飽和分數(shù)YS=[被底物占據(jù)的活性位]/[總活性位]則有：相應式子代入有：2提示:進行書面推導:第四十九頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期五設α=[S]/KR2(4-76)第五十頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期五(2)T狀態(tài)也可和配體結合，解離常數(shù)KT：KT=2[S][T0]/[T1]KT=[S][T1]/2[T2]；一般地，n個亞基聚體，第i個配體結合時，有：KT類似；設c=KR/KT,a=[S]/KR則處于R態(tài)的酶為：T態(tài)酶亦然；配體占據(jù)總活性位飽和分數(shù)：提示:進行書面推導C第五十一頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期五當n=2時:KT=2[S][T0]/[T1]KT=[S][T1]/2[T2](4-81)C第五十二頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期五MWC模型解釋其協(xié)同效應是基于Rn/Tn的平衡；無配體時，L很大，趨向T態(tài)；配體濃度較高時，Rn/Tn平衡受到擾動，更多Rn從Tn生成，產生更多的RnS，RnS2絡合物直至Tn全部轉變成Rn,因此整個結合曲線是S型，是正協(xié)同效應特征；不能解釋同種負協(xié)同效應MWC模型第五十三頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期五（2）KNF模型1966年Koshland,Nemethy,Filmer提出，漸變模型；不同點：（1）無底物時不存在R0-T0的平衡,T到R是配基的誘導;（2）若由n全亞基構成,則由T到R態(tài)不是同時進行的,存在RT狀態(tài);（3）可以是正或負協(xié)同效應;+S+STTRTRR第五十四頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期五以二亞基酶為例，O表示T態(tài)，口表示R態(tài)，KtTR,T到R的平衡常數(shù);KSR,S與R結合的平衡常數(shù);KTR,S與T結合的絡合常數(shù);過程如下：SSKtTRKSRKTRKTTKNF模型形態(tài)與教材規(guī)定的相反!第五十五頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期五以OO為標準態(tài),相對濃度為1,如要計算濃度則有:S+OSOKTR×OSOS