高等生物化学代谢调控

高等生物化学代谢调控第1页，共23页，2023年，2月20日，星期二大纲10.1总述10.2反馈抑制10.3磷酸化10.4蛋白激酶A10.5水解酶切割10.6酶原激活级联第2页，共23页，2023年，2月20日，星期二10.1总述酶活性的调节：变构（别构）调节。小分子引起跨亚基传递的构象变化。例：天冬氨酸转氨甲酰酶（ATCase），催化嘧啶生物合成第一步，受到其终产物胞苷三磷酸的反馈抑制。调控蛋白的促进和抑制。促进和抑制蛋白以及小分子对酶活性的调节。例：钙调蛋白激活抗血友病因子；蛋白激酶A受胞内信使cAMP调控。可逆共价修饰调节。磷酸基团的共价结合改变酶活性。例：糖原磷酸化酶的激活；蛋白激酶A的调控。蛋白水解激活。通过水解前体酶原或前酶使无活性的酶不可逆地变成有活性的形式。例：消化酶类。第3页，共23页，2023年，2月20日，星期二10.2反馈抑制天冬氨酸转氨甲酰酶（ATCase）：催化天冬氨酸与氨甲酰磷酸反应生成N-氨甲酰天冬氨酸。受到合成途径终产物CTP

的反馈抑制。CTP通过降低ATCase与底物的亲和性抑制其活性，但不影响其Vmax，ATP与CTP在调节位点上竞争结合，可阻止CTP对此酶的抑制。生理意义。第4页，共23页，2023年，2月20日，星期二10.2反馈抑制天冬氨酸转氨甲酰酶由分离的催化和调节亚基组成：用羟基汞苯甲酸处理，可将ATCase解离为两种亚基，具有不同的沉降系数。大亚基为催化亚基，有催化活性，但对ATP和CTP不响应；小亚基没有催化活性，但能结合ATP或CTP。催化亚基有3条c链，调节亚基有2条r链，可在体外结合形成天然酶结构。第5页，共23页，2023年，2月20日，星期二10.2反馈抑制天冬氨酸转氨甲酰酶的亚基排布。催化位点CTP结合位点第6页，共23页，2023年，2月20日，星期二10.2反馈抑制在N-氨甲酰天冬氨酸形成的过程中，氨甲酰磷酸首先结合，通过静电和氢键作用，随后天冬氨酸结合。形成一个四面体的过渡态。用此复合物的类似物PALA可强力抑制酶活性。第7页，共23页，2023年，2月20日，星期二10.2反馈抑制ATCase的变构：超速离心实验表明，底物结合导致ATCase沉降系数降低3%；双底物类似物PALA的结合，使两个催化三聚体移开了12Å，并且转动了10°。另外，在二重对称轴上，每一个调节二聚体转动了15°。每条催化链含有一个氨甲酰磷酸结合结构域（N端）和一个天冬氨酸结合结构域（C端）。两底物的结合使这两个结构域靠近2Å，诱导其向R构象转变。第8页，共23页，2023年，2月20日，星期二10.2反馈抑制齐变模型：分子中所有亚基同时从T态转变到R态。随着底物浓度增加，fR比Y增加得快些。序变模型：只有结合了配体的亚基才能从T到R转变。fR与Y的比例是相等的。第9页，共23页，2023年，2月20日，星期二10.2反馈抑制ATP和CTP通过改变T与R的平衡来调节ATCase的活性：第10页，共23页，2023年，2月20日，星期二10.3磷酸化磷酸化是一种可逆的共价修饰调节方式。ATP末端的磷酸基团被一类蛋白激酶转移到特异的丝氨酸和苏氨酸残基上，被另一类蛋白激酶转移到特异的酪氨酸残基上。蛋白磷酸化反应的受体位于ATP丰富的细胞内。蛋白磷酸酯酶水解结合在蛋白质上的磷酸基团来逆转激酶产生的效应。第11页，共23页，2023年，2月20日，星期二10.3磷酸化由于结构、热力学和动力学等方面的原因，磷酸化作用是控制蛋白质活性高度有效的方式。一个磷酸基团对修饰蛋白增加了两个负电荷；一个磷酸基团可以形成三个氢键；磷酸化的自由能较大；磷酸化和去磷酸化能在不到1s内发生，也可以进行数小时；磷酸化经常产生高度的放大效应。第12页，共23页，2023年，2月20日，星期二10.4蛋白激酶AcAMP激活PKA的机制：当两个调节亚基各结合两个cAMP分子，可导致R2C2解离成一个R2亚基和2个C亚基。这些游离出来的催化亚基具有了酶活性。每条R链上都含有RRAGI序列，与磷酸化位点相似，占据了催化亚基上的催化位点。cAMP与调节亚基结合，通过变构作用使价底物序列移出。第13页，共23页，2023年，2月20日，星期二10.5水解酶切割许多酶先以无活性的前体合成，然后被剪切一个或几个特异的肽键而被激活。此无活性的前体叫做酶原或前酶。水解蛋白质的消化酶类在胃和胰中以酶原的形式合成；血液凝固时蛋白水解激活级联系统所介导的；有些蛋白类以无活性的前体合成；如：胰岛素。纤维状蛋白胶原蛋白是皮肤和骨骼的主要组成成分。它是从一种可溶性的前胶原衍生而来的；许多发育过程都是酶原激活控制的。第14页，共23页，2023年，2月20日，星期二10.5水解酶切割讨论三种主要的消化酶：胰凝乳蛋白酶：酶原为245个氨基酸残基的单链，几乎没有活性。Arg15与Ile16之间的肽键被切割后，转变成有活性的酶。特点为单个肽键的切割。通过胰凝乳蛋白酶原的三维结构，揭示其关键构型的变化：第15页，共23页，2023年，2月20日，星期二10.5水解酶切割新形成的16位的Ile氨基末端向内伸展，与194位的天冬氨酸作用。此氨基的质子化稳定了酶的活性形式，因为其活性依赖于pH。此静电作用引发了一系列的构想变化。192位的Met移动到酶分子表面，187位和193位残疾更为伸展。这些变化导致了对芳香和大极性基团的底物特异位点。此位点的一侧是由189和192位残基组成的。第16页，共23页，2023年，2月20日，星期二10.5水解酶切割胰凝乳蛋白酶催化的四面体过渡态，通过底物中带负电的羰基氧原子与酶主链的两个NH基团形成氢键而稳定。其中一个NH基团在酶原中位置不适。氧负离子洞在酶原中不完整。分子其他部位的构象变化非常细微。因此，一个蛋白质的酶活性可通过水解单个肽键引起的分离的，高度局部化的构想变化来开启。第17页，共23页，2023年，2月20日，星期二10.5水解酶切割胰蛋白酶的激活：其分子中的四个肽段的构象发生了显著变化（激活结构域）。第18页，共23页，2023年，2月20日，星期二10.5水解酶切割酸性条件下胃蛋白酶原自身切割形成高活性的胃蛋白酶。pH5以下，可自发进行，16位的亮氨酸和17位的异亮氨酸之间肽键发生切割。胃蛋白酶的形成速率不依赖与酶原浓度，说明激活作用发生在分子内部。胃蛋白酶含有一个44个氨基酸残基组成的氨基末端前体节段，此节段高度碱性，与活性位点形成盐桥，并且与活性位点上的一对天冬氨酸残基以静电方式互作。酸性条件下，盐桥被破坏，发生构象重排。暴露出的活性位点，催化水解前体与胃蛋白酶之间的肽键。第19页，共23页，2023年，2月20日，星期二10.5水解酶切割通过切割单个肽键激活蛋白酶原，是一种不可逆的激活机制。其终止是通过特异的蛋白酶抑制剂完成的。α1-抗胰蛋白酶就不可逆地封阻弹性蛋白酶的作用。此酶的活性不足可导致肺损伤和肺气肿。第20页，共23页，2023年，2月20日，星期二10.6酶原激活级联血液凝固是由一系列酶原激活造成的。在此酶级联系统中，一种凝血因子的激活形式催化下一个因子的激活。分为内源性和外源性凝血途径。第21页，共23页，2023年，2月20日，星期二10.6酶原激活级联凝血过程中了解最清楚的是通过凝血酶将血纤蛋白原转化为血纤蛋白。凝血酶是一种蛋白水解酶，将血纤蛋白原中部球状区的4个Arg-Gly肽键切割，释放出血纤肽（A肽和B肽），形成血纤蛋白单体。血纤蛋白单体自发形成有序纤维，可能是一种半交错阵列。凝血酶与胰蛋白酶同源。凝血酶是由凝血酶原而来。第22页，共23页，2023年，2月20日，星期二10.6酶原激活级联维生素K对凝血酶原和其