C酶的催化活性和调节机制.pptx
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1、3.6 酶促反应动力学v3.6.1 酶与底物之间的作用酶的中间产物理论 酶分子酶分子(E)表面与底物表面与底物(S)结合形结合形成不稳定中间产物即酶成不稳定中间产物即酶-底物复合物底物复合物(ES),它较底物需要较少的活化能就可继续反应,它较底物需要较少的活化能就可继续反应,分解成产物分解成产物(P)并释放酶。因此,并释放酶。因此,ES 浓度浓度决定着整个酶促反应速度。决定着整个酶促反应速度。S+E ES E+P第1页/共54页3.6.1 酶与底物之间的作用v 米氏方程 当当 Km=S 时,则时,则 v=1/2 Vmax,即当酶促,即当酶促反应速度达到其最大反应速度的一半时,反应速度达到其最大
2、反应速度的一半时,Km值即为此时的底物浓度,其单位是值即为此时的底物浓度,其单位是 mol/L。当当 Km远大于远大于 S 时,分母时,分母S不计,则不计,则v=Vmax S/Km,初速度与底物浓度呈一级反应。,初速度与底物浓度呈一级反应。当当 Km远小于远小于 S 时,时,Km不计,则不计,则v=Vmax,初速度与底物浓度呈零级反应。,初速度与底物浓度呈零级反应。v=VmaxSKm +S第2页/共54页3.6.1 酶与底物之间的作用KmVmax12v=VmaxS/Km第3页/共54页3.6.1 酶与底物之间的作用v米氏常数(Km)的特性 Km与酶的性质有关,与酶浓度无关;与酶的性质有关,与酶
3、浓度无关;Km最小的底物为该酶的最适底物;最小的底物为该酶的最适底物;Km值与温度、值与温度、pH等环境因素相关;等环境因素相关;1/Km近似表示对底物亲和性大小;近似表示对底物亲和性大小;K3K1和和K2时,时,KmKs Km随不同底物而异(酶专一性判断指标)随不同底物而异(酶专一性判断指标)第4页/共54页米氏方程求解方法vLineweaver-Burk法 (双倒数法)横轴截距为横轴截距为-1/Km,纵轴截距,纵轴截距 1/Vmax,斜率,斜率Km/Vmax。缺点缺点:点过分集中在直线左下:点过分集中在直线左下 方,而低浓度方,而低浓度S点因倒数后误点因倒数后误 差较大,偏离直线,影响结果
4、。差较大,偏离直线,影响结果。1v=KmVmax.1S+1Vmax第5页/共54页米氏方程求解方法vHanes-Woolf法横轴截距为横轴截距为-Km,纵轴截,纵轴截 距距Km/Vmax,斜率,斜率1/Vmax。KmVmaxSVmaxv=+SKm/Vmax第6页/共54页米氏方程求解方法vWoolf-Hofstee法v=-Km.Vmaxv+SVmax/Km以以vv/S作图作图,得一直得一直线。横轴截距为线。横轴截距为Vmax/Km,纵轴截距纵轴截距Vmax,斜率斜率-Km第7页/共54页3.6.2 单底物较复杂的酶反应v多种活性中间产物 v底物的抑制:酶分子上有两个底物结合位点,:酶分子上有两
5、个底物结合位点,一为高亲和性,另一个为低亲和性。当其完一为高亲和性,另一个为低亲和性。当其完全被底物占据时会抑制高亲和性位点的结合全被底物占据时会抑制高亲和性位点的结合作用,使酶促反应速度降低,如果糖二磷酸作用,使酶促反应速度降低,如果糖二磷酸酶。酶。v多个活性部位:有多个亚基、多个活性中心,:有多个亚基、多个活性中心,其动力学实验常很复杂,不符合米氏方程。其动力学实验常很复杂,不符合米氏方程。E+S ES E+PE+S ES ES E+P第8页/共54页3.6.3 pH影响下酶促反应动力学 E2-ES2-K2 K2 EH-+S ESH-EH-+P K1 K1 EH2 ESH2v =VmaxS
6、Km)+S(1+H+K2H+)K1(1+H+K1+K2H+pH对酶构象对酶构象的影响即对的影响即对其解离基团其解离基团的影响,就的影响,就是是H+和解离和解离基团间的结基团间的结合与解离的合与解离的变化过程变化过程第9页/共54页3.6.4 酶的抑制动力学(1)不可逆抑制不可逆抑制:抑制剂与酶分子中的必要基团发生共价结合,使酶失活。:抑制剂与酶分子中的必要基团发生共价结合,使酶失活。v 按其选择性差异,不可逆抑制剂分:按其选择性差异,不可逆抑制剂分:专一性:仅与活性部位有关的基团反应;专一性:仅与活性部位有关的基团反应;非专一性:可与几类基团反应。如有机磷、砷、重金属(非专一性:可与几类基团反
7、应。如有机磷、砷、重金属(Ag、Pb、Hg)、氰化物)、氰化物(沙林毒气)、沙林毒气)、CO及青霉素等。及青霉素等。第10页/共54页3.6.4 酶的抑制动力学(2)可逆抑制:竞争性抑制竞争性抑制:加入加入 I 后,后,Vmax不变,不变,Km变大变大(KmKm)I与与S结构相似结构相似,但但E不能同时与不能同时与S和和I结合结合第11页/共54页3.6.4 酶的抑制动力学(2)可逆抑制:非竞争性抑制非竞争性抑制:加入加入 I 后,后,Vmax变小,变小,Km不变不变(Km=Km)第12页/共54页3.6.4 酶的抑制动力学(2)可逆抑制:反竞争性抑制反竞争性抑制:加入加入 I 后,后,Km
8、和和Vmax都变小,都变小,且且KmKm,Vmax Vmax第13页/共54页3.6.5 双底物酶促反应动力学v顺序有序反应(如如NAD+或或NADP+的脱氢酶的脱氢酶)A B P Q E E EA EAB EPQ EQv顺序随机反应(如肌酸激酶使肌酸磷酸化反应如肌酸激酶使肌酸磷酸化反应)v乒乓反应或双-置换反应(如氨基酸转移酶如氨基酸转移酶)A P B Q E E EA FP F FB EQ第14页/共54页四、酶的调节作用v生命现象调节和控制层次:整体水平调控整体水平调控:神经系统和激素;:神经系统和激素;器官、组织和细胞水平调控器官、组织和细胞水平调控:体液;:体液;分子水平调控分子水平
9、调控:酶为中心的调控。:酶为中心的调控。v酶分子的调控方式:环境因素调控、别构调控、共价调控、酶原激活调控、:环境因素调控、别构调控、共价调控、酶原激活调控、分子聚合调控分子聚合调控。第15页/共54页 酶自身活性的调控4.1.1 环境因素调控v环境因素环境因素改变使酶构象稳定的力的平衡改变使酶构象稳定的力的平衡;v环境因素的种类环境因素的种类:pH、温度、金属离子、温度、金属离子、有机溶剂等;有机溶剂等;例如例如溶菌酶溶菌酶:在细胞内合成后即具有完整:在细胞内合成后即具有完整的空间结构,但细胞内的空间结构,但细胞内pH值约为中性,酶值约为中性,酶的活力很低,当溶菌酶分泌到细胞外偏酸的活力很低
10、,当溶菌酶分泌到细胞外偏酸性环境中性环境中pH 5时,溶菌酶的活性显著提高。时,溶菌酶的活性显著提高。第16页/共54页 别构酶的调控v别构酶的特点:一般有多个亚基一般有多个亚基,分子量大,结分子量大,结构复杂。有负责调节的别构中心和负责催化的活性构复杂。有负责调节的别构中心和负责催化的活性中心。两中心位于不同亚基中心。两中心位于不同亚基,或同一亚基的不同部或同一亚基的不同部位。位。v别构效应:调节物或效应物与别构中心结合后,调节物或效应物与别构中心结合后,诱导或稳定酶分子的某构象,使酶催化中心的催化诱导或稳定酶分子的某构象,使酶催化中心的催化作用受到调节,从而调节酶反应速度和代谢过程。作用受
11、到调节,从而调节酶反应速度和代谢过程。同促效应:酶分子上有两个以上底物结合中心,酶分子上有两个以上底物结合中心,通过酶上结合底物分子数量而调节其活性。通过酶上结合底物分子数量而调节其活性。异促效应:通过非底物分子的结合调节其活性。通过非底物分子的结合调节其活性。第17页/共54页 别构酶的调控v别构酶的动力学特征:不遵循米氏动力学方不遵循米氏动力学方程,具有正协同效应和负协同效应。程,具有正协同效应和负协同效应。故有米氏活力酶、负协同效应酶和正协同效故有米氏活力酶、负协同效应酶和正协同效应酶的区分(应酶的区分(Koshland规则规则)Rs 为协同指数,为协同指数,n代表协同系数(代表协同系数
12、(Hill系数)。系数)。Rs=81:米氏方程:米氏方程;Rs 81:正协同:正协同;Rs 81:负协同。:负协同。酶与配基结合达到酶与配基结合达到0.9饱和度时的配基浓度饱和度时的配基浓度酶与配基结合达到酶与配基结合达到0.1饱和度时的配基浓度饱和度时的配基浓度Rs=811/n第18页/共54页 别构酶的调控v别构酶机理模型 MWC模型模型(齐变模型):(齐变模型):1965年年Monod,Wyman和和Changeux提出。提出。无无RT混合态混合态第19页/共54页 别构酶的调控v别构酶机理模型KNF模型模型(序变模型):(序变模型):1966年年Koshland,Nemethy 和和F
13、ilmer提出提出无无RT平衡态平衡态存在存在RT混合态混合态第20页/共54页 别构酶的调控v研究得较为清楚的别构酶是研究得较为清楚的别构酶是E.coli.天冬氨酸转氨天冬氨酸转氨甲酰酶甲酰酶(ATCase),它催化下列反应:它催化下列反应:这个反应是合成这个反应是合成CTP的第一步的第一步,它受终产物它受终产物CTP反馈抑制反馈抑制,而被而被ATP激活。酶反应速度与底物激活。酶反应速度与底物浓度的关系曲线为浓度的关系曲线为S型型,说明底物有正协同性。加说明底物有正协同性。加入负效应物入负效应物CTP,活力降低活力降低,S型更明显。加入正效型更明显。加入正效应物应物ATP,活力升高活力升高,
14、S型趋势变小,接近双曲线。型趋势变小,接近双曲线。v大多数别构酶均有这种大多数别构酶均有这种S型曲线。型曲线。氨甲酰磷酸+L-Asp N-氨酰基-L-Asp+磷酸第21页/共54页 别构酶的调控v别构酶用加热、化学试剂或其它方法处理后,别构酶用加热、化学试剂或其它方法处理后,它仍具有活力,但丧失了酶的调节性质。它仍具有活力,但丧失了酶的调节性质。如如ATC酶经过温和的化学处理酶经过温和的化学处理,如用对羟基汞苯如用对羟基汞苯甲酸(甲酸(PCMB)处理可解聚为两个催化亚基(为)处理可解聚为两个催化亚基(为三聚体)和三聚体)和 3个调节亚基(为二聚体)。催化亚个调节亚基(为二聚体)。催化亚基仍有催
15、化活力基仍有催化活力,但不再受效应物影响但不再受效应物影响,调节亚基调节亚基无催化活力无催化活力,但仍能结合效应物。更剧烈的处理但仍能结合效应物。更剧烈的处理,如用如用SDS处理处理,则催化亚基和调节亚基都各解聚则催化亚基和调节亚基都各解聚成成6个单体。个单体。第22页/共54页 别构酶的调控vATC酶受酶受CTP抑制的生物学意义是避免合成过抑制的生物学意义是避免合成过多的多的CTP,而受而受ATP激活是为了保持嘌呤和嘧啶激活是为了保持嘌呤和嘧啶核苷酸合成的速度相称核苷酸合成的速度相称,以满足合成核酸的需要。以满足合成核酸的需要。v别构酶在代谢调节中起着重要的作用。在合成别构酶在代谢调节中起着
16、重要的作用。在合成代谢中催化第一步反应的酶或分支点的第一个代谢中催化第一步反应的酶或分支点的第一个酶往往是别构酶,以避免形成一系列过多的中酶往往是别构酶,以避免形成一系列过多的中间体和终产物。在分解代谢途径中,则有一个间体和终产物。在分解代谢途径中,则有一个或几个关键酶为别构酶。或几个关键酶为别构酶。第23页/共54页 别构酶的调控v如糖酵解途径中的如糖酵解途径中的磷酸果糖激酶磷酸果糖激酶是一个重要的是一个重要的调节酶,它受调节酶,它受ATP抑制,而抑制,而AMP可逆转可逆转 ATP的抑制作用。故当的抑制作用。故当 ATPAMP比值降低时,比值降低时,也就是细胞内能荷降低时,糖酵解被促进,从也
17、就是细胞内能荷降低时,糖酵解被促进,从而提供较多的能量。而提供较多的能量。第24页/共54页4.1.3 共价调节酶v通过在酶蛋白某些氨基酸残基上增、减基团的办法通过在酶蛋白某些氨基酸残基上增、减基团的办法调节酶的活性态与非活性态间的相互转化(调节酶的活性态与非活性态间的相互转化(可逆可逆)。)。v有些酶存在两种形式,在其它酶的共价修饰后可以有些酶存在两种形式,在其它酶的共价修饰后可以相互转变,如磷酸化酶催化下述反应:相互转变,如磷酸化酶催化下述反应:磷酸化酶磷酸化酶a:不依赖不依赖AMP即有活性即有活性;Ser-14磷酸化磷酸化;磷酸化酶磷酸化酶b:依赖依赖AMP才有活性才有活性;Ser-14
18、无磷酸无磷酸化。化。b a 转变需转变需Mg2+、ATP(糖原糖原)n+磷酸磷酸 (糖原糖原)n-1+1-磷酸磷酸-D-Glc第25页/共54页4.1.3 共价调节酶A.共价调节酶的类型磷酸化磷酸化/去磷酸化去磷酸化乙酰化乙酰化/去乙酰化去乙酰化腺苷酰化腺苷酰化/去腺苷酰化去腺苷酰化尿苷酰化尿苷酰化/去尿苷酰化去尿苷酰化甲基化甲基化/去甲基化去甲基化S-S/SH糖基化糖基化脂酰化脂酰化第26页/共54页B.常见共价调节酶酶酶来源来源修饰机制修饰机制活性变化活性变化糖原磷酸化酶糖原磷酸化酶真核细胞生物真核细胞生物磷酸化磷酸化/去磷酸化去磷酸化/磷酸化酶激酶磷酸化酶激酶哺乳动物哺乳动物磷酸化磷酸化
19、/去磷酸化去磷酸化/糖原合成酶糖原合成酶真核细胞生物真核细胞生物磷酸化磷酸化/去磷酸化去磷酸化/丙酮酸脱氢酶丙酮酸脱氢酶真核细胞生物真核细胞生物磷酸化磷酸化/去磷酸化去磷酸化/激素敏感性脂酶激素敏感性脂酶哺乳动物哺乳动物磷酸化磷酸化/去磷酸化去磷酸化/乙酰乙酰CoA羧化酶羧化酶哺乳动物哺乳动物磷酸化磷酸化/去磷酸化去磷酸化/谷氨酰胺合成酶谷氨酰胺合成酶大肠杆菌大肠杆菌腺苷酰化腺苷酰化/去腺苷酰化去腺苷酰化/黄嘌呤氧化酶黄嘌呤氧化酶哺乳动物哺乳动物S-S/SH/第27页/共54页4.1.4 酶原的激活v酶原激活的特点:不可逆的共价修饰不可逆的共价修饰调节;调节;在正常生理条件下,酶原不会过在正常
20、生理条件下,酶原不会过 早地在不适当的地方激活;早地在不适当的地方激活;激活酶受抑制剂调控;激活酶受抑制剂调控;酶原的激活伴随着信号的放大。酶原的激活伴随着信号的放大。第28页/共54页4.1.4 酶原的激活v酶原激活常见的类型:A.消化酶酶原的激活消化酶酶原的激活:胃蛋白酶胃蛋白酶:从:从N端切除端切除42个氨基酸,胃酸或胃蛋白酶;个氨基酸,胃酸或胃蛋白酶;胰蛋白酶胰蛋白酶:从:从N端切除端切除6个氨基酸,肠激酶或胰蛋白酶;个氨基酸,肠激酶或胰蛋白酶;糜蛋白酶糜蛋白酶:内切:内切14-15Aa,147-148Aa,胰蛋白酶;(羧肽酶、弹性蛋,胰蛋白酶;(羧肽酶、弹性蛋白酶)白酶)第29页/共
21、54页 B凝血酶和血液凝固 内源性途径内源性途径 损伤表面 激肽原 激肽 释放酶 外源性途径外源性途径 XII XIIa创伤 XI XIa IX IXa VIIa VII VIIIVIIIa 组织因子 X Xa X V Va 凝血酶原(IIII)凝血酶(IIaIIa)血纤蛋白原(I I)血纤蛋白(IaIa)XIII XIIIa 交联血纤蛋白凝块 创伤第30页/共54页C.某些蛋白激素的激活v胰岛素、甲状旁腺素、胰高血糖素、促肾上腺皮质激素等;胰岛素、甲状旁腺素、胰高血糖素、促肾上腺皮质激素等;v胰岛素:前胰岛素原(胰岛素:前胰岛素原(N端切除端切除20信号肽)信号肽)-胰岛素原(进入内质网腔,
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