生物學酶促反應動力學輔導版課件

1、第9章 酶促反應動力學一、化學動力學基礎二、底物濃度對酶反應速率的影響三、酶的抑制作用四、溫度對酶反應的影響五、pH對酶反應的影響六、激活劑對酶反應的影響(kinetics of enzyme-catalyzed reaction) 第1頁，共33頁。研究酶促反應動力學的意義 酶促反應動力學是研究酶促反應的速率以及影響酶反應速率的各種因素的科學。在研究酶的結構與功能的關系以及酶的作用機制時，需要動力學提供實驗證據(jù)；為發(fā)揮酶催化反應的高效率，尋找最有利的反應條件；為了解酶在代謝中的作用和某些藥物的作用機制等，都需要掌握酶促反應速率的規(guī)律。 第2頁，共33頁。二、底物濃度對酶反應速率的影響第3頁，

2、共33頁。酶反應速率對底物濃度作圖第4頁，共33頁。中間復合物學說 為了解釋這個現(xiàn)象，Henri和Wurtz提出了酶底物復合物學說。該學說認為，當酶催化反應時，酶首先與底物結合，生成酶底物復合物，然后生成產(chǎn)物，并釋放出酶。反應用下式表示： S + E ES P + E 第5頁，共33頁。酶底物中間復合物存在的證據(jù)電子顯微鏡和X光衍射直接觀察到酶與底物的復合物。酶與底物結合后光譜發(fā)生變化。溶解度或熱穩(wěn)定性在加入底物后發(fā)生變化。分離到了酶底物復合物。超離心沉降過程中，可觀察到酶和底物共沉降的現(xiàn)象。平衡透析時，觀察到底物在半透膜兩側濃度不相同(半透膜的一側有酶，另一側無酶，有酶一側底物濃度高于無酶一

3、側)。 第6頁，共33頁。（1）平衡學說（Henri，Michaelis和Menten方程） 1902年Henri和Brown提出了酶催化的反應機理 1913年Michaelis和Menten完善了這個理論，他們認為酶反應的第一步是快速可逆的平衡，第二步慢，為限速反應。第7頁，共33頁。平衡學說推導反應速度方程的假設前提 在推導動力學方程時，有幾點假設： 第一步迅速平衡，第二步慢，即 k3 E，S ES。 酶以E和ES兩種狀態(tài)存在。 第8頁，共33頁。平衡法推導出的米氏方程其中 米氏方程是一個雙曲線方程，若以S為自變量，V為因變量，可以作出雙曲線，與實驗測得的結果相符。 第9頁，共33頁。（2

4、）穩(wěn)態(tài)理論 1925年，Briggs和Haldane提出了穩(wěn)態(tài)（steady state）理論，對米氏方程做了一項很重要的修正： 在 反應式中，k3值不小，后一步驟不是限速步驟。 所謂穩(wěn)態(tài)是指反應進行一段時間后，系統(tǒng)中的酶底物復合物濃度由零逐漸增加到一定數(shù)值，然后保持不變，即處于穩(wěn)態(tài)水平，此時ES的解離和分解速率之和等于ES的形成速率，第10頁，共33頁。穩(wěn)態(tài)法推導出的米氏方程其中第11頁，共33頁。兩個米氏方程的區(qū)別 這兩個方程的區(qū)別就在于快速平衡法推導的方程中米氏常數(shù)是Ks，而穩(wěn)態(tài)法推導的米氏方程中米氏常數(shù)是Km。 Ks是ES的解離平衡常數(shù)。當 時， 轉化成 。第12頁，共33頁。米氏方程

5、的幾個特點從米氏方程中可以看出：當S Km時， ，反應速率達到最大，并與底物濃度無關，屬零級反應；當S = Km時， ，所以，Km的意義是使反應速率達到最大反應速率一半時的底物濃度。第13頁，共33頁。米氏方程曲線第14頁，共33頁。米氏常數(shù)的意義 Km是酶的特征性常數(shù)，其單位是濃度單位。在一定的反應條件下，對于一定的底物，Km是定值。 Km可以判斷酶的天然底物。有些酶可以作用于幾個底物，其中Km最小的底物是天然底物。 當k3 k2時，Km = Ks，可以作為判斷酶與底物親和力的指標，Km越小，酶與底物的親和力越大。第15頁，共33頁。多底物的酶促反應（酶促反應按底物分子數(shù)的分類）底物數(shù)酶分類

6、催化反應酶種類占總酶百分數(shù)單底物單向單底物假單底物異構酶裂合酶水解酶A BA B + CA-B + H2O AOH + BH5%12%26%雙底物氧化還原酶轉移酶AH2 B A + BH2A2+ + B3+ A3+ + B2+A + BX AX + B27%24%三底物連接酶A + B + ATP AB + ADP + Pi A + B + ATP AB + AMP + PPi6%第16頁，共33頁。三、酶的抑制作用 因酶蛋白變性而酶活力喪失稱為酶的失活作用，而因為某種物質與酶結合使酶活力下降或喪失稱為酶的抑制作用，酶受抑制喪失活力時酶蛋白并沒有變性。能抑制酶活力的物質稱為酶的抑制劑（inhi

7、bitor）。 研究酶的抑制作用是研究酶的結構和功能、酶的催化機制，以及闡明代謝途徑的基本手段，也可以為醫(yī)藥設計新藥物和為新農(nóng)藥的研制提供理論依據(jù)。第17頁，共33頁。抑制程度的表示方法（1）相對活力分數(shù)（殘余活力分數(shù)）（2）相對活力百分數(shù)（殘余活力百分數(shù)）（3）抑制分數(shù)（被抑制而失去活力的分數(shù)）（4）抑制百分數(shù)第18頁，共33頁。抑制作用的類型1不可逆抑制作用（irreversible inhibition） 抑制劑與酶活性中心的基團以共價鍵結合，不能用透析、超濾、凝膠過濾等物理方法去除。2可逆抑制作用（reversible inhibition） 抑制劑與酶活性中心的基團以非共價鍵結合，可

8、以用透析、超濾、凝膠過濾等物理方法去除而使酶恢復活力。第19頁，共33頁。可逆抑制作用的3種類型（1）競爭性抑制（competitive inhibition） I 和 S 競爭與酶的活性中心結合，二者只能結合一個。競爭性抑制劑通常是底物類似物，它可以與酶結合，但不能被酶催化發(fā)生反應。第20頁，共33頁。競爭性抑制劑舉例第21頁，共33頁。可逆抑制作用的3種類型（2）非競爭性抑制（noncompetitive inhibition） I 與 S 可以分別與酶結合，誰先結合都可以，形成 ESI 三元復合物，但 ESI 中的 S 不能轉變成產(chǎn)物。這類抑制劑是與酶活性中心之外的某個部位結合。第22頁

9、，共33頁。競爭性和非競爭性抑制劑的抑制機理第23頁，共33頁?？赡嬉种谱饔玫?種類型（3）反競爭性抑制劑（uncompetitive inhibition） I 只與 ES 結合，只有 ES 能分解出產(chǎn)物，ESI 中的 S 不能轉變成產(chǎn)物。由于 I 的存在促進了E和S的結合，所以稱為反競爭性抑制。 ES + I ESI P + E + I第24頁，共33頁。一些重要的不可逆抑制劑 （1）非專一性不可逆抑制劑 有機磷化合物 有機汞、有機砷化合物 重金屬鹽 烷化試劑 氰化物、硫化物和CO 青霉素（2）專一性不可逆抑制劑 Ks型不可逆抑制劑 Kcat型不可逆抑制劑 第25頁，共33頁。四、溫度對酶

10、反應的影響 在較低溫度范圍內(nèi)，酶反應速率隨著溫度的升高而增加，當溫度高到一定程度時，酶開始變性失活，反應速率反而下降。所以對于酶反應來說，有一個最適反應溫度。一般來說，動物細胞內(nèi)酶的最適反應溫度在3540，植物細胞中的酶可達4050，也有一些生長在堆肥、溫泉中的微生物酶的最適溫度更高，如Taq DNA聚合酶的最適溫度可高達70。 需要注意的是，最適溫度值不是酶的特征性常數(shù)，此值隨著反應時間的延長而有所下降。第26頁，共33頁。溫度對酶反應速率的影響第27頁，共33頁。五、pH對酶反應的影響 酶的活力受環(huán)境pH的影響，存在一個最適反應pH。酶的最適反應pH也不是一個特征性常數(shù)，而是受到底物種類和

11、濃度、緩沖液種類和濃度的不同而改變。第28頁，共33頁。4種酶的pH-酶活性曲線胃蛋白酶木瓜蛋白酶膽堿酯酶胰蛋白酶第29頁，共33頁。pH影響酶活力的原因pH影響酶活力的原因有以下幾方面： 過酸或過堿使酶變性失活。 pH偏離最適pH不多時，酶分子中及底物分子中各可解離基團的解離狀態(tài)發(fā)生了變化，不利于底物與酶的結合及催化反應。 由于酶分子可解離基團的解離狀態(tài)發(fā)生了改變，導致酶分子構象發(fā)生改變，不利于底物與酶的結合及催化反應。第30頁，共33頁。最適反應pH示意圖第31頁，共33頁。六、激活劑對酶反應的影響 有些物質與酶結合后可以提高酶活力，這些物質稱為酶的激活劑（activator）或活化劑，它們大部分是無機離子或小分子化合物，少數(shù)是大分子物質如蛋白質。作為激活劑的金屬離子有K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Zn2+、Fe2+ 等，它