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) 81别构酶与代谢调节 81.1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。 81.1.1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 条途径的最终产物抑制途径中最初的酶活性 B A B 十>>)—>D 线性通路中的反馈抑制 趋同通路中的反馈抑伟 B.趋同通路中的反馈抑制 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A=—)—→B A—B -c 受C和D的反馈抑制。当C太多 顺序反馈抑制 时,不仅抑制从B到C的第一个 趋散通路中的反馈抑制 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
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。 B． 趋同通路中的反馈抑制 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 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 81.1.2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,AIP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 檬酸浓度増髙,柠檬酸能激活乙酰CoAλ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,合成更多的 NADPH,供脂肪酸合成使用 82别构酶的基本概念 821一个典型的别构酶—天冬氨酸转氨甲酰酶 天冬氨酸转氨甲酰酶( aspartate transcarbamoylase,AC)是嘧啶核苷酸生物合成途径的第一 个酶(→ UTP→CTP)。ATC的活性受到CTP的强烈抑制,又受到ATP的高效激活(见 下表)。在对照、加AIP、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Kn值,使曲线向双曲线靠近;加CTP增大了反应的表观Km值, 使曲线的S形更加明显。加AP和CTP并不影响Vm。 表效应剂对天冬氨酸转氨甲酰酶活性的作用 效应剂 抑制% 胞嘧啶 胞嘧啶核苷 胞苷一磷酸(CMP) 天冬氨酸浓度nno1/L 嘧啶族 曲I对照;曲线Ⅱ加2mnol/LATP 胞苷二磷酸(CDP) 886 曲线I!加0.2mno/LcTP 胞苷三磷酸(CTP) COoH 尿苷三磷酸(UTP) H2N-C-0- P)+H2N-CI 鸟苷三磷酸(GTP) 氨甲酰磷酸 氪甲酰天冬氨酸 嘌呤族 腺苷三磷酸(AIP 180(激活)
2 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（→ → → UTP → CTP）。ATC 的活性受到 CTP 的强烈抑制，又受到 ATP 的高效激活（见 下表）。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 Km值，使曲线向双曲线靠近；加 CTP 增大了反应的表观 Km值， 使曲线的 S 形更加明显。加 ATP 和 CTP 并不影响 Vm。 表 效应剂对天冬氨酸转氨甲酰酶活性的作用 效应剂 抑制% 嘧啶族 胞嘧啶 0 胞嘧啶核苷 24 胞苷一磷酸（CMP） 38 胞苷二磷酸（CDP） 68 胞苷三磷酸（CTP） 86 尿苷三磷酸（UTP） 8 嘌呤族 鸟苷三磷酸（GTP） 35 腺苷三磷酸（ATP） －180（激活）
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等效应剂的结合位点。利用选择性修饰法修饰后一个部位后, AI℃C的活性并不丧失,但对CIP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a3亚基,3个B2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,而后两者又是代谢调节的有效方式之 822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 个配体与酶的结合 8221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 分子配体与酶结合后促进另一分子配体与酶结合叫正协同( positive cooperation),抑制另 一分子配体与酶结合叫负协同( negative cooperation)。 同种效应一般是正协同:异种效应有正协同,也有负协同。 8222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。 8223协同指数和协同系数
3 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α3 亚基，3 个β2 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协同（positive cooperation），抑制另 一分子配体与酶结合叫负协同（negative cooperation）。 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,C)是指酶的底物结合位点被底物饱和90%和饱和10% 作图法 正协同效应 负协同效应 无协同效应 Menten作图 [S] [S Burk作图 0 0 Hane作图 Vn-V Hi1l作图 lg[S] lg [S] lg[S] 动力学作图法鉴别协同效应 (即V=09Vm和Ⅴ=0.IVm)时的底物浓度之比,故协同指数又称饱和比值( Ratio saturation, Rs)。 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: E+ns ESn->E+nP 按米氏方程的推导过程可得V=mS……④.,式中k=ES!。这里假设 个底物是同时结合上去的 当V=09Vm时,S19=(9K3);当V=0.IVm时,[S11=(=Ks)”。 B 因此,当n=1时,C=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
4 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% （即 V = 0.9Vm和 V = 0.1Vm）时的底物浓度之比，故协同指数又称饱和比值（Ratio saturation， Rs）。 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 n S n m K S V S V [ ] [ ] + = …………①，式中 [ ] [ ][ ] n n S ES E S K = 。这里假设 n 个底物是同时结合上去的。 当 V = 0.9Vm时，[S]0.9 = n KS 1 (9 ) ；当 V = 0.1Vm时，[S]0.1 = n KS 1 ) 9 1 ( 。 CI = Rs = 0.1 0.9 [ ] [ ] S S = n 1 81 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斗l时,CI<81,为正协同,表示V对S]改变的灵敏度增加,且n越大正协同效应越大:当 n<1时,CI>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n>1、n=1、n<l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。 8224半位反应性 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 8225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NAυ浓度增加时,即使大幅度地增加NADˉ(100 倍以内),都可因其半位反应性而不增加酶反应速度 823别构酶的其他动力学术语 A. So.5
5 当 n >1 时，CI < 81，为正协同，表示 V 对[S]改变的灵敏度增加，且 n 越大正协同效应越大；当 n <1 时，CI > 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 n >1、n＝1、n <1 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 A．S 0。5