酶促反應(yīng)動力學(xué)多底物動力學(xué)

1、 第二節(jié)第二節(jié) 多底物反應(yīng)及其動力學(xué)多底物反應(yīng)及其動力學(xué)一一 反應(yīng)機(jī)制的分類：反應(yīng)機(jī)制的分類： (一一) cleland表示法的基本符號和概念：表示法的基本符號和概念：v底物：依照底物與酶結(jié)合的順序依次用底物：依照底物與酶結(jié)合的順序依次用 a、b、c、d表示表示v產(chǎn)物：根據(jù)產(chǎn)物從酶上脫落的順序用產(chǎn)物：根據(jù)產(chǎn)物從酶上脫落的順序用 p、q、r、s 表示表示v游離酶：游離酶：e、f、gv抑制常數(shù)：抑制常數(shù)：kia 、kib ; kip 、 kiq v米氏常數(shù)：米氏常數(shù)：kma、kmb; kmp 、 kmq v抑制劑：抑制劑：i v修飾劑：修飾劑：x或或yv反應(yīng)分子數(shù)反應(yīng)分子數(shù): uni(單單) 、b

2、i(雙雙)、 ter(三三) 、quad(四四)v酶反應(yīng)中間物：分為兩類酶反應(yīng)中間物：分為兩類 (1) 穩(wěn)態(tài)中間物穩(wěn)態(tài)中間物： 指酶和底物以共價(jià)鍵結(jié)合形成的較為穩(wěn)定的中間物。可指酶和底物以共價(jià)鍵結(jié)合形成的較為穩(wěn)定的中間物。可以發(fā)生雙分子反應(yīng)而不能自身解離。例如：某些以發(fā)生雙分子反應(yīng)而不能自身解離。例如：某些ser蛋白酶蛋白酶在催化過程中形成的?；钢虚g物在催化過程中形成的酰化酶中間物 包括：共價(jià)結(jié)合的包括：共價(jià)結(jié)合的es中間物；自由酶中間物；自由酶 (2) 過渡態(tài)復(fù)合物過渡態(tài)復(fù)合物： 非穩(wěn)定的酶中間物，本身可以單分子解離或異構(gòu)化之后非穩(wěn)定的酶中間物，本身可以單分子解離或異構(gòu)化之后再解離出產(chǎn)物或

3、底物。再解離出產(chǎn)物或底物。 分為分為: 非中心復(fù)合物：酶未完全被底物飽和非中心復(fù)合物：酶未完全被底物飽和 中心復(fù)合物：中心復(fù)合物： 酶已經(jīng)完全被底物飽和，酶已經(jīng)完全被底物飽和， (eab epq); (ea ep) (二二) 反應(yīng)機(jī)制的分類和命名反應(yīng)機(jī)制的分類和命名 (以雙底物雙產(chǎn)物反應(yīng)為例）：以雙底物雙產(chǎn)物反應(yīng)為例）： 1. 序列序列(sequential)反應(yīng)機(jī)制反應(yīng)機(jī)制: 酶必需與所有底物都結(jié)合之后才有產(chǎn)物放出。對于雙酶必需與所有底物都結(jié)合之后才有產(chǎn)物放出。對于雙底物雙產(chǎn)物反應(yīng)，必有酶底物雙產(chǎn)物反應(yīng)，必有酶-底物三元復(fù)合物形成。底物三元復(fù)合物形成。v 根據(jù)底物及產(chǎn)物與酶的結(jié)合及釋放是否有

4、序分為根據(jù)底物及產(chǎn)物與酶的結(jié)合及釋放是否有序分為: (1) 有序雙雙雙底物雙產(chǎn)物反應(yīng)有序雙雙雙底物雙產(chǎn)物反應(yīng)(ordered bi bi) ： a b p q e ea (eabepq) eq e v ea、eq : 非中心復(fù)合物；非中心復(fù)合物； (eab epq) : 中心復(fù)合物中心復(fù)合物v a：領(lǐng)先底物；：領(lǐng)先底物； b：隨后底物：隨后底物 例如：許多以例如：許多以nad+或或nadp+為輔酶的脫氫酶類，為輔酶的脫氫酶類， 乳酸脫氫酶（乳酸脫氫酶（ldh)、蘋果酸脫氫酶、蘋果酸脫氫酶(mdh)等等 nad+ 蘋果酸蘋果酸(ma) 草酰乙酸草酰乙酸(oaa) nadh ma oaa e en

5、ad+ (enad+ e nadh) e nadh e v nad+ / nadh 形成形成外底物對外底物對v機(jī)制：由于底物機(jī)制：由于底物a與酶結(jié)合后改變了酶的構(gòu)象，使與酶結(jié)合后改變了酶的構(gòu)象，使 原來隱蔽的原來隱蔽的b結(jié)合位點(diǎn)暴露，結(jié)合位點(diǎn)暴露， b才能結(jié)合上去。才能結(jié)合上去。 暗示：暗示：a與與b可能結(jié)合在酶的不同部位。可能結(jié)合在酶的不同部位。 (2) theorell- chance (t-c 機(jī)制機(jī)制)： a b p q e ea eq e 第二個(gè)底物第二個(gè)底物b結(jié)合及釋放非常快，沒有明顯的三元復(fù)合結(jié)合及釋放非常快，沒有明顯的三元復(fù)合物變構(gòu)過程?？煽醋魇侨獜?fù)合物濃度極低的序列有序機(jī)制

6、。物變構(gòu)過程?？煽醋魇侨獜?fù)合物濃度極低的序列有序機(jī)制。 例如：馬肝醇脫氫酶：例如：馬肝醇脫氫酶： nad+ 乙醇乙醇 乙醛乙醛 nadh e enad+ e nadh e(3)隨機(jī)雙雙隨機(jī)雙雙(random bi bi)： a b p q ea eq e （eabepq） e b a q pv 產(chǎn)物從酶上的釋放及底物和酶的結(jié)合無一定順序。產(chǎn)物從酶上的釋放及底物和酶的結(jié)合無一定順序。v少數(shù)脫氫酶和一些磷酸激酶屬于該類，例如肌酸激少數(shù)脫氫酶和一些磷酸激酶屬于該類，例如肌酸激酶酶: 肌酸肌酸 + atp 磷酸肌酸磷酸肌酸+ adpv機(jī)制：酶蛋白上的機(jī)制：酶蛋白上的a、b結(jié)合位均處于暴露狀態(tài)，結(jié)合位

7、均處于暴露狀態(tài)， 兩者與底物的結(jié)合即互不干擾，也不互相依賴。兩者與底物的結(jié)合即互不干擾，也不互相依賴。ebep2 乒乓機(jī)制乒乓機(jī)制(ping-pang bi bi)： 各種底物全部和酶結(jié)合以前各種底物全部和酶結(jié)合以前 ，已經(jīng)有一種或多種，已經(jīng)有一種或多種底物放出，不形成三元復(fù)合物。底物放出，不形成三元復(fù)合物。 a p b q e (eafp) f (fbeq) ev屬于該機(jī)制的酶大多數(shù)具有輔酶，如轉(zhuǎn)氨酶、黃素屬于該機(jī)制的酶大多數(shù)具有輔酶，如轉(zhuǎn)氨酶、黃素酶等。谷草轉(zhuǎn)氨酶屬于典型的乒乓機(jī)制：酶等。谷草轉(zhuǎn)氨酶屬于典型的乒乓機(jī)制： asp oaa akg glu echo (echoasp enh2

8、(enh2akg echo enh2oaa) echoglu) v總結(jié)：總結(jié)： 有序機(jī)制有序機(jī)制 序列反應(yīng)機(jī)制序列反應(yīng)機(jī)制 t-c 機(jī)制機(jī)制 隨機(jī)機(jī)制隨機(jī)機(jī)制 乒乓反應(yīng)機(jī)制乒乓反應(yīng)機(jī)制二二 king-altman法法速度方程圖示法速度方程圖示法(一一)kappa表示法表示法: e + a k1 ea 1 k-1 2 vf= k1 a e ; vr= k-1 eav kappa()= 速度常數(shù)項(xiàng)速度常數(shù)項(xiàng) 底物底物(產(chǎn)物產(chǎn)物)濃度項(xiàng)濃度項(xiàng) 正向反應(yīng)的正向反應(yīng)的kappa：12 =k1 a 逆向反應(yīng)的逆向反應(yīng)的kappa：21 =k-1 反應(yīng)速度：反應(yīng)速度：vf= 12 e ; vr= 21 ea

9、 v 具有方向性，是一個(gè)矢量。其方向與酶形式的具有方向性，是一個(gè)矢量。其方向與酶形式的 流向有關(guān)流向有關(guān)(二二)king-altman 法步驟法步驟: (1)首先寫出反應(yīng)歷程，然后將反應(yīng)歷程安排成封首先寫出反應(yīng)歷程，然后將反應(yīng)歷程安排成封閉環(huán)形式。環(huán)的角數(shù)就是酶存在形式數(shù)目，用閉環(huán)形式。環(huán)的角數(shù)就是酶存在形式數(shù)目，用n表表示。然后在各角之間連線上標(biāo)出各步反應(yīng)的示。然后在各角之間連線上標(biāo)出各步反應(yīng)的。 e + a k1 ea k2 ep k3 e + p k-1 k-2 k-3 e k1a ea k-1 k-3p k3 k2 k-2 ep e = k-1k3 + k-1k-2 + k2k3 ea

10、= k1k3 a + k1k-2a + k-2k-3p ep = k-1k-3p + k1k2a + k2k-3p e k1a ea k-3p k3 k-1 k2 k-2 ep e :ea:ep:（2）畫出畫出king-altman 圖形，即：所有流向各種酶形式的圖形，即：所有流向各種酶形式的n1 線矢量圖，再將各步反應(yīng)的線矢量圖，再將各步反應(yīng)的標(biāo)到矢量圖上標(biāo)到矢量圖上, ,并并寫出流向?qū)懗隽飨?各種酶形式的各種酶形式的乘積之和。乘積之和。k-1 k3k-2k-1k3 k2k1ak3k1ak-2k-3pk-2k-3pk-1k1ak2k-3pk2（3）速度方程推導(dǎo)）速度方程推導(dǎo): v 各種酶形式

11、的濃度與其各種酶形式的濃度與其乘積之和成正比乘積之和成正比: e e ; ea ea; ep ep e0 = e + ea + ep e = e e0 e = （e）e0 ea = ea e0 ea=（ea）e0 ep = ep e0 ep=（ep）e0 v = k3 epk-3 e p = (k3ep / k-3 pe/ )e0 = (k1k2k3 a k-1k-2 k-3 p ) e0 (k-1k3+k-1k-2+k2k3)+k1(k2+k-2+ k3)a+k-3 (k-1+ k-2+k2)p = num1a num2p const + coefa a + coefp p num1 : 分

12、子中分子中a項(xiàng)之前的系數(shù)乘以項(xiàng)之前的系數(shù)乘以e0 num2 : 分子中分子中p項(xiàng)之前的系數(shù)乘以項(xiàng)之前的系數(shù)乘以e0 const : 分母常數(shù)項(xiàng)分母常數(shù)項(xiàng) coefa : 分母中分母中a項(xiàng)之前的系數(shù)項(xiàng)之前的系數(shù) coefp : 分母中分母中p項(xiàng)之前的系數(shù)項(xiàng)之前的系數(shù) e k1a ea k-3p k3 k-1 k2 k-2 ep (三三) 注意注意: 矢量圖數(shù)目的計(jì)算矢量圖數(shù)目的計(jì)算 : n-1線矢量圖數(shù)目線矢量圖數(shù)目= m! (n-1)!(m-n+1)! n=角數(shù)角數(shù); m=封閉環(huán)的線數(shù)封閉環(huán)的線數(shù) n=3; m=3; n-1線矢量圖數(shù)目線矢量圖數(shù)目= 3! =3 (3-1)!(3-3+1)!

13、king- altman 圖形不包含封閉環(huán)形式：圖形不包含封閉環(huán)形式： e1 e2 e3 e4 v n=4，m=5 n-1線（線（3線）圖數(shù)目線）圖數(shù)目= 5！ =10個(gè)，個(gè)， (4-1)！(5-4+1)！ v 2個(gè)封閉環(huán)形式無效，應(yīng)去除。共有個(gè)封閉環(huán)形式無效，應(yīng)去除。共有8個(gè)有效的個(gè)有效的 king- altman 圖形圖形 反應(yīng)歷程中有時(shí)可能沒有逆反應(yīng)，此時(shí)有些反應(yīng)歷程中有時(shí)可能沒有逆反應(yīng)，此時(shí)有些 king-altman 圖形不存在。圖形不存在。 e + a k1 ea k2 ep k3 e + p k-1 k-2 此反應(yīng)若沒有此反應(yīng)若沒有k-3 線，則某些線，則某些king-altma

14、n 圖形不圖形不存在，反應(yīng)速度中凡是含存在，反應(yīng)速度中凡是含k-3 項(xiàng)項(xiàng) 者不存在。者不存在。k-3 e : k-1 k-1 k3 k3 k-2 k2 ea: k1a k1a k3 k-2 k-3p k-2 ep: k-1 k1a k-3p k2 k-3p k2 e = k-1k3 + k-1k-2 + k2k3 ea= k1k3 a + k1k-2a + k-2k-3p ep = k-1k-3p + k1k2a + k2k-3p e k1a ea k-3p k3 k-1 k2 k-2 ep v = k3 epk-3 e p = (k1k2k3 a k-1k-2 k-3 p ) e0 (k-1

15、k3+k-1k-2+k2k3)+k1(k2+k-2+ k3)a+k-3 (k-1+ k-2+k2)p = num1a num2p const + coefa a + coefp p 三三 雙底物反應(yīng)動力學(xué)雙底物反應(yīng)動力學(xué)(一一) 有序雙雙機(jī)制：有序雙雙機(jī)制： 1 方程的推導(dǎo)：方程的推導(dǎo)： e + a k1 ea + b k2 (eabepq) k3 eq + p k-1 k-2 k-3 k-4 k4 e + q e k1a ea k-1 k4 k-4q k-2 k2b k-3p eq (eabepq) k3v n=4, m=4, 則則n-1線線(3線線)矢量圖數(shù)目為矢量圖數(shù)目為4 e : ea

16、: eab: eq: k4 k1ak-3pk-1k1ak-4qk-4qk-3pk-3pk2bk2bk2bk-3pk-1k-1k-1 k4 k4 k4 k3k3k2bk-2k-2k-1k-1k1ak-4qk-4qk-4qk3k3k3k2bk2bk-2k1ak1ak1a k4 k4 k-4qk-3pk-3pk3k-2k-2k-2v=k4eq k-4eq =(k4eq k-4qe) e0 = num1ab - num2pq const + coefa a + coefbb + coefpp + coefqq + coefabab+coefapap+coefbqbq +coefpqpq + coefa

17、bpabp +coefbpqbpqv若不考慮產(chǎn)物的影響，即若不考慮產(chǎn)物的影響，即 p=0, q=0 初速度初速度v= num1ab const + coefaa + coefbb + coefabab2 動力學(xué)常數(shù)的定義：動力學(xué)常數(shù)的定義：v 最大反應(yīng)速度：最大反應(yīng)速度： 正向：正向：vmf= num1 逆向：逆向：vmr= num2 coefab coefabv 米氏常數(shù)：米氏常數(shù)： kma= coefb kmb= coefa coefab coefab kmp= coefq kmq= coefp coefpq coefpqv 解離常數(shù)：解離常數(shù)：kia = const kib = cons

18、t coefa coefb kip = const kiq = const coefp coefqv = num1ab const + coefaa + coefbb + coefabab = num1abcoefab const coefa + coefa a + coefb b + coefab ab coefa coefab coefab coefab coefab v = vmfab kia kmb + kmba + kmab + ab v 雙底物反應(yīng)中米氏常數(shù)的意義：雙底物反應(yīng)中米氏常數(shù)的意義： kma：是是b飽和時(shí)酶對底物飽和時(shí)酶對底物a的米氏常數(shù)的米氏常數(shù) kmb：是是a飽和時(shí)酶

19、對底物飽和時(shí)酶對底物b的米氏常數(shù)的米氏常數(shù)3 有序機(jī)制動力學(xué)常數(shù)的求取有序機(jī)制動力學(xué)常數(shù)的求取(二次作圖法二次作圖法)：v第一次為雙倒數(shù)作圖，一般固定其中一個(gè)底物的濃度，變化第一次為雙倒數(shù)作圖，一般固定其中一個(gè)底物的濃度，變化另一個(gè)（例如：固定另一個(gè)（例如：固定b，變化，變化a）。將有序機(jī)制的動力學(xué)）。將有序機(jī)制的動力學(xué)方程進(jìn)行雙倒數(shù)處理：方程進(jìn)行雙倒數(shù)處理： 1 = kma ( 1+ kmbkia ) 1 + 1 (1+ kmb) v vm kmab a vm bv若將若將b固定于不同的濃度，則以固定于不同的濃度，則以 1/v 1/a 作圖可得一組相交于第二作圖可得一組相交于第二 或第三象限

20、的直線，其交點(diǎn)座標(biāo)為：或第三象限的直線，其交點(diǎn)座標(biāo)為： - 1 1 ( 1- kma ) kia , vm kia1/v1/ab1b2b3 縱截距為：縱截距為： 1 ( 1+ kmb ) vm bv第二次作圖：縱截距第二次作圖：縱截距1/b作圖作圖v由第二次的作圖可知由第二次的作圖可知 kmb和和vm, 代入交點(diǎn)坐標(biāo)中可知代入交點(diǎn)坐標(biāo)中可知kmav若若a (a飽和時(shí)飽和時(shí))： 1 = 1 (1 + kmb ) v vm b 轉(zhuǎn)化為米氏方程轉(zhuǎn)化為米氏方程v若若b (b飽和時(shí)飽和時(shí)): 1 = 1 (1 + kma ) v vm av這就是水解反應(yīng)可看作是單底物反應(yīng)的原因，因?yàn)榱硪坏孜镞@就是水解反

21、應(yīng)可看作是單底物反應(yīng)的原因，因?yàn)榱硪坏孜锸撬?，其濃度可看作是飽和。是水，其濃度可看作是飽和?縱截距縱截距 ： 1 ( 1+ kmb ) vm b1/b1/vm - 1 kmb(二二) 隨機(jī)雙雙：隨機(jī)雙雙： 1 動力學(xué)方程推導(dǎo)：動力學(xué)方程推導(dǎo)： m=8, n=6, n-1=5線圖：線圖：56個(gè)個(gè) 封閉環(huán)：封閉環(huán)：24個(gè)個(gè) 有效圖形：有效圖形：32個(gè)個(gè) eaebepeqe(eabepq) v假設(shè)反應(yīng)過程第一個(gè)底物與酶結(jié)合或第一個(gè)產(chǎn)物從酶假設(shè)反應(yīng)過程第一個(gè)底物與酶結(jié)合或第一個(gè)產(chǎn)物從酶釋放是迅速平衡過程釋放是迅速平衡過程迅速平衡隨機(jī)雙雙迅速平衡隨機(jī)雙雙: v= num1ab - num2pq con

22、st + coefa a + coefbb + coefpp + coefqq + coefabab+coefpqpqv 若若p=0 q=0 則則 : v = num1ab const + coefa a + coefbb + coefabab v = vmfab kia kmb + kmba + kmab + abv 此方程與有序機(jī)制相同，稱為序列機(jī)制的總方程。此方程與有序機(jī)制相同，稱為序列機(jī)制的總方程。 (三三) 乒乓雙雙機(jī)制：乒乓雙雙機(jī)制：1 速度方程速度方程: 乒乓機(jī)制的乒乓機(jī)制的king-altman環(huán)形表達(dá)式為：環(huán)形表達(dá)式為： e k1a (eafp) k-1 k4 k-4q k2 k-2p (eqfb) k-3 f k3b vm=4 n=4，每種酶都有，每種酶都有4種種3線圖。線圖。 v= num1ab - num2pq coefa a + coefbb + coefpp + coefqq + coefabab+coefapap+coefbqbq+ coefpqpq v若不計(jì)產(chǎn)物影響，若不計(jì)產(chǎn)物影響，p=0 q=0，則：，則： v= n