高等生物化學代謝調控第1頁，共23頁，2023年，2月20日，星期二大綱10.1總述10.2反饋抑制10.3磷酸化10.4蛋白激酶A10.5水解酶切割10.6酶原激活級聯第2頁，共23頁，2023年，2月20日，星期二10.1總述酶活性的調節：變構（別構）調節。小分子引起跨亞基傳遞的構象變化。例：天冬氨酸轉氨甲酰酶（ATCase），催化嘧啶生物合成第一步，受到其終產物胞苷三磷酸的反饋抑制。調控蛋白的促進和抑制。促進和抑制蛋白以及小分子對酶活性的調節。例：鈣調蛋白激活抗血友病因子；蛋白激酶A受胞內信使cAMP調控。可逆共價修飾調節。磷酸基團的共價結合改變酶活性。例：糖原磷酸化酶的激活；蛋白激酶A的調控。蛋白水解激活。通過水解前體酶原或前酶使無活性的酶不可逆地變成有活性的形式。例：消化酶類。第3頁，共23頁，2023年，2月20日，星期二10.2反饋抑制天冬氨酸轉氨甲酰酶（ATCase）：催化天冬氨酸與氨甲酰磷酸反應生成N-氨甲酰天冬氨酸。受到合成途徑終產物CTP

的反饋抑制。CTP通過降低ATCase與底物的親和性抑制其活性，但不影響其Vmax，ATP與CTP在調節位點上競爭結合，可阻止CTP對此酶的抑制。生理意義。第4頁，共23頁，2023年，2月20日，星期二10.2反饋抑制天冬氨酸轉氨甲酰酶由分離的催化和調節亞基組成：用羥基汞苯甲酸處理，可將ATCase解離為兩種亞基，具有不同的沉降系數。大亞基為催化亞基，有催化活性，但對ATP和CTP不響應；小亞基沒有催化活性，但能結合ATP或CTP。催化亞基有3條c鏈，調節亞基有2條r鏈，可在體外結合形成天然酶結構。第5頁，共23頁，2023年，2月20日，星期二10.2反饋抑制天冬氨酸轉氨甲酰酶的亞基排布。催化位點CTP結合位點第6頁，共23頁，2023年，2月20日，星期二10.2反饋抑制在N-氨甲酰天冬氨酸形成的過程中，氨甲酰磷酸首先結合，通過靜電和氫鍵作用，隨后天冬氨酸結合。形成一個四面體的過渡態。用此復合物的類似物PALA可強力抑制酶活性。第7頁，共23頁，2023年，2月20日，星期二10.2反饋抑制ATCase的變構：超速離心實驗表明，底物結合導致ATCase沉降系數降低3%；雙底物類似物PALA的結合，使兩個催化三聚體移開了12?，并且轉動了10°。另外，在二重對稱軸上，每一個調節二聚體轉動了15°。每條催化鏈含有一個氨甲酰磷酸結合結構域（N端）和一個天冬氨酸結合結構域（C端）。兩底物的結合使這兩個結構域靠近2?，誘導其向R構象轉變。第8頁，共23頁，2023年，2月20日，星期二10.2反饋抑制齊變模型：分子中所有亞基同時從T態轉變到R態。隨著底物濃度增加，fR比Y增加得快些。序變模型：只有結合了配體的亞基才能從T到R轉變。fR與Y的比例是相等的。第9頁，共23頁，2023年，2月20日，星期二10.2反饋抑制ATP和CTP通過改變T與R的平衡來調節ATCase的活性：第10頁，共23頁，2023年，2月20日，星期二10.3磷酸化磷酸化是一種可逆的共價修飾調節方式。ATP末端的磷酸基團被一類蛋白激酶轉移到特異的絲氨酸和蘇氨酸殘基上，被另一類蛋白激酶轉移到特異的酪氨酸殘基上。蛋白磷酸化反應的受體位于ATP豐富的細胞內。蛋白磷酸酯酶水解結合在蛋白質上的磷酸基團來逆轉激酶產生的效應。第11頁，共23頁，2023年，2月20日，星期二10.3磷酸化由于結構、熱力學和動力學等方面的原因，磷酸化作用是控制蛋白質活性高度有效的方式。一個磷酸基團對修飾蛋白增加了兩個負電荷；一個磷酸基團可以形成三個氫鍵；磷酸化的自由能較大；磷酸化和去磷酸化能在不到1s內發生，也可以進行數小時；磷酸化經常產生高度的放大效應。第12頁，共23頁，2023年，2月20日，星期二10.4蛋白激酶AcAMP激活PKA的機制：當兩個調節亞基各結合兩個cAMP分子，可導致R2C2解離成一個R2亞基和2個C亞基。這些游離出來的催化亞基具有了酶活性。每條R鏈上都含有RRAGI序列，與磷酸化位點相似，占據了催化亞基上的催化位點。cAMP與調節亞基結合，通過變構作用使價底物序列移出。第13頁，共23頁，2023年，2月20日，星期二10.5水解酶切割許多酶先以無活性的前體合成，然后被剪切一個或幾個特異的肽鍵而被激活。此無活性的前體叫做酶原或前酶。水解蛋白質的消化酶類在胃和胰中以酶原的形式合成；血液凝固時蛋白水解激活級聯系統所介導的；有些蛋白類以無活性的前體合成；如：胰島素。纖維狀蛋白膠原蛋白是皮膚和骨骼的主要組成成分。它是從一種可溶性的前膠原衍生而來的；許多發育過程都是酶原激活控制的。第14頁，共23頁，2023年，2月20日，星期二10.5水解酶切割討論三種主要的消化酶：胰凝乳蛋白酶：酶原為245個氨基酸殘基的單鏈，幾乎沒有活性。Arg15與Ile16之間的肽鍵被切割后，轉變成有活性的酶。特點為單個肽鍵的切割。通過胰凝乳蛋白酶原的三維結構，揭示其關鍵構型的變化：第15頁，共23頁，2023年，2月20日，星期二10.5水解酶切割新形成的16位的Ile氨基末端向內伸展，與194位的天冬氨酸作用。此氨基的質子化穩定了酶的活性形式，因為其活性依賴于pH。此靜電作用引發了一系列的構想變化。192位的Met移動到酶分子表面，187位和193位殘疾更為伸展。這些變化導致了對芳香和大極性基團的底物特異位點。此位點的一側是由189和192位殘基組成的。第16頁，共23頁，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體過渡態，通過底物中帶負電的羰基氧原子與酶主鏈的兩個NH基團形成氫鍵而穩定。其中一個NH基團在酶原中位置不適。氧負離子洞在酶原中不完整。分子其他部位的構象變化非常細微。因此，一個蛋白質的酶活性可通過水解單個肽鍵引起的分離的，高度局部化的構想變化來開啟。第17頁，共23頁，2023年，2月20日，星期二10.5水解酶切割胰蛋白酶的激活：其分子中的四個肽段的構象發生了顯著變化（激活結構域）。第18頁，共23頁，2023年，2月20日，星期二10.5水解酶切割酸性條件下胃蛋白酶原自身切割形成高活性的胃蛋白酶。pH5以下，可自發進行，16位的亮氨酸和17位的異亮氨酸之間肽鍵發生切割。胃蛋白酶的形成速率不依賴與酶原濃度，說明激活作用發生在分子內部。胃蛋白酶含有一個44個氨基酸殘基組成的氨基末端前體節段，此節段高度堿性，與活性位點形成鹽橋，并且與活性位點上的一對天冬氨酸殘基以靜電方式互作。酸性條件下，鹽橋被破壞，發生構象重排。暴露出的活性位點，催化水解前體與胃蛋白酶之間的肽鍵。第19頁，共23頁，2023年，2月20日，星期二10.5水解酶切割通過切割單個肽鍵激活蛋白酶原，是一種不可逆的激活機制。其終止是通過特異的蛋白酶抑制劑完成的。α1-抗胰蛋白酶就不可逆地封阻彈性蛋白酶的作用。此酶的活性不足可導致肺損傷和肺氣腫。第20頁，共23頁，2023年，2月20日，星期二10.6酶原激活級聯血液凝固是由一系列酶原激活造成的。在此酶級聯系統中，一種凝血因子的激活形式催化下一個因子的激活。分為內源性和外源性凝血途徑。第21頁，共23頁，2023年，2月20日，星期二10.6酶原激活級聯凝血過程中了解最清楚的是通過凝血酶將血纖蛋白原轉化為血纖蛋白。凝血酶是一種蛋白水解酶，將血纖蛋白原中部球狀區的4個Arg-Gly肽鍵切割，釋放出血纖肽（A肽和B肽），形成血纖蛋白單體。血纖蛋白單體自發形成有序纖維，可能是一種半交錯陣列。凝血酶與胰蛋白酶同源。凝血酶是由凝血酶原而來。第22頁，共23頁，2023年，2月20日，星期二10.6酶原激活級聯維生素K對凝血酶原和其