第10章 酶的作用机制和酶的调节3
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使酶活性降低的效应物是负效应物（别构抑制剂）
例子： aspartate transcarbamoylase (ATCase )天冬氨酸转氨甲酰酶
催化的反应
ATCase
Asp + 氨甲酰磷酸 ――-―-→ 氨甲酰Asp
磷酸
该反应是CTP生物合成的第一个酶，是一个别 构酶 动力学特征：双底物反应，V－[Asp］为S形
对称模型（MWC）：Monod、Wyman和Changeux 提出的
别构酶有两种构象状态，紧张态（T态， taut ）和松 弛态（R态， relaxed ），无底物时呈T态，底物与R 态结合更紧
该模型中，所有亚基处于同样的构象状态。一条亚基 结合了效应物之后，构象发生改变，导致其它所有亚 基的构象一起变化，使其他亚基易于与底物结合，适 合于正协同别构酶
SS
亚基全部 处于T型
S SS S
依次序变化
SS S SS
S
Βιβλιοθήκη Baidu
SS
亚基全部 处于R型
酶原激活
酶原：刚生物合成出来的酶蛋白是没有活性的， 经过加工后（剪切，修饰等）才具有活性。没有 活性的酶的前体叫酶原
酶原的激活：酶原在一定条件下经适当的物质作 用可转变成有活性的酶。酶原转变成酶的过程称 为酶原的激活
对米氏酶而言，［S］90％Vm/［S］10％Vm ＝81，意思是［S］提高了81倍，v才提 高9倍，说明酶对［S］的变化很迟钝 而对于正协同的别构酶而言，［S］90％ Vm/［S］10％Vm＝3，意思是［S］只要提 高了3倍，v就能提高9倍，说明酶对［S ］的变化很敏感
别构效应的解释模型
别构酶的S形动力学曲线是一种复杂的动力学 曲线，为了解释S形曲线，至今已提出多种假 说，并设计了多种酶分子构型，其中最重要的 有两种
Rs>81 别构酶，负协同效应
Rs<81 别构酶，正协同效应
通过Hill系数（n值）：v=Vm*[S]n/(Km+[S]n)
n=1
米氏酶
n>1
别构酶，正协同效应
n<1
别构酶，负协同效应
a—米氏酶 b--别构酶的S形曲 线
正协同别构酶与米式酶的的动力学曲线
别构效应的生理意义
别构调节是代谢调节的主要方式之一 酶对底物量的变化十分敏感（正协同 ）或不敏感（负协同）
具有负协同效应的别构酶动力学曲线近似双曲线
正协同、负协同别构酶与 米氏酶的动力学曲线比较
1.米氏酶 2.正协同别构酶
3.负协同别构酶
正协同别构酶的动力学曲线 ＋为正效应物（别构激活剂） －为负效应物（别构抑制剂）
别构酶的判断
根据饱和比值（Rs值）：
Rs＝［S］90％Vm/［S］10％Vm
Rs=81 米氏酶
效应物：
同促效应物：底物 异促效应物（非底物）：ATP（正效应物）、CTP（ 是代谢途径的终产物，负效应物）
天冬氨酸转氨甲酰酶（ATCase）参与核苷酸 生物合成，该酶为别构酶的生理意义：
只在较窄的底物浓度范围内开启产物的合成
ATP是能量充足的信号，促进合成反应 CTP是终产物充足的信号，抑制合成反应
T状态（对称亚基）
SS
R状态（对称亚基） 对称亚基
S SS S SS S SS
S
SS
齐步变化
对称亚基
序变模型（KNF）：Koshland、Nemethy和Filmer提 出。别构酶中的一条亚基结合了效应物之后，构象 发生改变，并导致其相邻的亚基的构象发生改变， 这种构象变化依次传递，从而影响酶的催化活性
别构效应根据底物对酶的活性的影响分为：
正协同效应：第一个底物与酶的结合使酶的构象发生 改变，有利于后续的底物与酶的结合
负协同效应：第一个底物与酶的结合不利于后续的底 物与酶结合。
别构酶的v~[S]关系大都不遵循米氏动力学。动力 学曲线不是双曲线。
具有正协同效应的别构酶的v对[S]作用呈S形曲线 某些寡聚酶解离成单体后，失去了别构调节能力， 但脱仍敏保作留用催化活性，其v~[S]曲线为米氏曲线，称为
酶活性的调节
酶活性的调节
在现成的酶分子上进行加工，相对遗传控制调 节酶的合成来得快 调节方式：别构调节、共价修饰、酶原激活、 同工酶等
别构酶和别构调节
有些酶分子表面除了具有活性部位外，还存在 调节部位（别构位点） 调节物（效应物）结合到别构位点上引起酶的 构象发生变化，导致酶的活性提高或下降，这 种现象称为别构效应（allosteric effect） 具有别构效应的酶称别构酶（allosteric enzyme） 别构酶往往是代谢途径中的关键酶，别构调节 是机体代谢调节的重要方式，效应物往往是前 馈激活剂或者反馈抑制剂
别构酶具有两种构像状态，紧张态（T态），催化 活性低；松弛态（R态），催化活性高。这两种状 态的互变取决于底物和效应物与酶的结合而导致 的亚基相互作用
别构酶具有协同效应，即酶与第一个底物或者效 应物的结合会导致酶的构象发生改变，从而影响 酶的催化活性
别构效应根据效应物的不同分为：
同促作用：效应物就是底物，所有的别构酶都有此 效应，此时活性部位和调节部位相同 （ homotropic effectors） 异促作用：效应物是其它物质，调节部位和活性部 位是分开的 （heterotropic effectors） 使酶活性升高的效应物是正效应物（别构激活剂）
ATP（正效应物） CTP（负效应物）
C CC
RR RR RR
C CC
有催化活性构象(R-型)
别构酶的性质
是寡聚酶，既有活性中心又有别构中心，两个中心 可以分别位于相同的亚基也可以位于不同的亚基上 ，出现了催化亚基和调节亚基
别构调节涉及到亚基间的相互作用，即协同作用
别构酶具有协同效应，即酶与第一个底物或者效应 物的结合会导致酶的构象发生改变，从而影响酶的 催化活性
本质：酶原的激活过程通常伴有酶蛋白一级结构 的改变。酶原分子一级结构的改变导致了酶原分 子空间结构的改变，酶原的激活实质上是酶活性 部位形成或暴露的过程
ATCase的结构的X射 线分析
PALA (N-磷乙酰-L-天冬氨酸)是ATCase的底物 过渡态类似物 PALA与酶的结合导致酶结构发生很大变化， 从紧张态（T）变为松驰态（R）
除了底物的结合导致酶的构像发生改变外，效 应物的结合也会导致酶的构像发生改变
CC C
RR RR RR
C CC
无催化活性构象(T-型)
例子： aspartate transcarbamoylase (ATCase )天冬氨酸转氨甲酰酶
催化的反应
ATCase
Asp + 氨甲酰磷酸 ――-―-→ 氨甲酰Asp
磷酸
该反应是CTP生物合成的第一个酶，是一个别 构酶 动力学特征：双底物反应，V－[Asp］为S形
对称模型（MWC）：Monod、Wyman和Changeux 提出的
别构酶有两种构象状态，紧张态（T态， taut ）和松 弛态（R态， relaxed ），无底物时呈T态，底物与R 态结合更紧
该模型中，所有亚基处于同样的构象状态。一条亚基 结合了效应物之后，构象发生改变，导致其它所有亚 基的构象一起变化，使其他亚基易于与底物结合，适 合于正协同别构酶
SS
亚基全部 处于T型
S SS S
依次序变化
SS S SS
S
Βιβλιοθήκη Baidu
SS
亚基全部 处于R型
酶原激活
酶原：刚生物合成出来的酶蛋白是没有活性的， 经过加工后（剪切，修饰等）才具有活性。没有 活性的酶的前体叫酶原
酶原的激活：酶原在一定条件下经适当的物质作 用可转变成有活性的酶。酶原转变成酶的过程称 为酶原的激活
对米氏酶而言，［S］90％Vm/［S］10％Vm ＝81，意思是［S］提高了81倍，v才提 高9倍，说明酶对［S］的变化很迟钝 而对于正协同的别构酶而言，［S］90％ Vm/［S］10％Vm＝3，意思是［S］只要提 高了3倍，v就能提高9倍，说明酶对［S ］的变化很敏感
别构效应的解释模型
别构酶的S形动力学曲线是一种复杂的动力学 曲线，为了解释S形曲线，至今已提出多种假 说，并设计了多种酶分子构型，其中最重要的 有两种
Rs>81 别构酶，负协同效应
Rs<81 别构酶，正协同效应
通过Hill系数（n值）：v=Vm*[S]n/(Km+[S]n)
n=1
米氏酶
n>1
别构酶，正协同效应
n<1
别构酶，负协同效应
a—米氏酶 b--别构酶的S形曲 线
正协同别构酶与米式酶的的动力学曲线
别构效应的生理意义
别构调节是代谢调节的主要方式之一 酶对底物量的变化十分敏感（正协同 ）或不敏感（负协同）
具有负协同效应的别构酶动力学曲线近似双曲线
正协同、负协同别构酶与 米氏酶的动力学曲线比较
1.米氏酶 2.正协同别构酶
3.负协同别构酶
正协同别构酶的动力学曲线 ＋为正效应物（别构激活剂） －为负效应物（别构抑制剂）
别构酶的判断
根据饱和比值（Rs值）：
Rs＝［S］90％Vm/［S］10％Vm
Rs=81 米氏酶
效应物：
同促效应物：底物 异促效应物（非底物）：ATP（正效应物）、CTP（ 是代谢途径的终产物，负效应物）
天冬氨酸转氨甲酰酶（ATCase）参与核苷酸 生物合成，该酶为别构酶的生理意义：
只在较窄的底物浓度范围内开启产物的合成
ATP是能量充足的信号，促进合成反应 CTP是终产物充足的信号，抑制合成反应
T状态（对称亚基）
SS
R状态（对称亚基） 对称亚基
S SS S SS S SS
S
SS
齐步变化
对称亚基
序变模型（KNF）：Koshland、Nemethy和Filmer提 出。别构酶中的一条亚基结合了效应物之后，构象 发生改变，并导致其相邻的亚基的构象发生改变， 这种构象变化依次传递，从而影响酶的催化活性
别构效应根据底物对酶的活性的影响分为：
正协同效应：第一个底物与酶的结合使酶的构象发生 改变，有利于后续的底物与酶的结合
负协同效应：第一个底物与酶的结合不利于后续的底 物与酶结合。
别构酶的v~[S]关系大都不遵循米氏动力学。动力 学曲线不是双曲线。
具有正协同效应的别构酶的v对[S]作用呈S形曲线 某些寡聚酶解离成单体后，失去了别构调节能力， 但脱仍敏保作留用催化活性，其v~[S]曲线为米氏曲线，称为
酶活性的调节
酶活性的调节
在现成的酶分子上进行加工，相对遗传控制调 节酶的合成来得快 调节方式：别构调节、共价修饰、酶原激活、 同工酶等
别构酶和别构调节
有些酶分子表面除了具有活性部位外，还存在 调节部位（别构位点） 调节物（效应物）结合到别构位点上引起酶的 构象发生变化，导致酶的活性提高或下降，这 种现象称为别构效应（allosteric effect） 具有别构效应的酶称别构酶（allosteric enzyme） 别构酶往往是代谢途径中的关键酶，别构调节 是机体代谢调节的重要方式，效应物往往是前 馈激活剂或者反馈抑制剂
别构酶具有两种构像状态，紧张态（T态），催化 活性低；松弛态（R态），催化活性高。这两种状 态的互变取决于底物和效应物与酶的结合而导致 的亚基相互作用
别构酶具有协同效应，即酶与第一个底物或者效 应物的结合会导致酶的构象发生改变，从而影响 酶的催化活性
别构效应根据效应物的不同分为：
同促作用：效应物就是底物，所有的别构酶都有此 效应，此时活性部位和调节部位相同 （ homotropic effectors） 异促作用：效应物是其它物质，调节部位和活性部 位是分开的 （heterotropic effectors） 使酶活性升高的效应物是正效应物（别构激活剂）
ATP（正效应物） CTP（负效应物）
C CC
RR RR RR
C CC
有催化活性构象(R-型)
别构酶的性质
是寡聚酶，既有活性中心又有别构中心，两个中心 可以分别位于相同的亚基也可以位于不同的亚基上 ，出现了催化亚基和调节亚基
别构调节涉及到亚基间的相互作用，即协同作用
别构酶具有协同效应，即酶与第一个底物或者效应 物的结合会导致酶的构象发生改变，从而影响酶的 催化活性
本质：酶原的激活过程通常伴有酶蛋白一级结构 的改变。酶原分子一级结构的改变导致了酶原分 子空间结构的改变，酶原的激活实质上是酶活性 部位形成或暴露的过程
ATCase的结构的X射 线分析
PALA (N-磷乙酰-L-天冬氨酸)是ATCase的底物 过渡态类似物 PALA与酶的结合导致酶结构发生很大变化， 从紧张态（T）变为松驰态（R）
除了底物的结合导致酶的构像发生改变外，效 应物的结合也会导致酶的构像发生改变
CC C
RR RR RR
C CC
无催化活性构象(T-型)