均相酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)理論和應(yīng)用

1、均相酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)理論和應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)的基礎(chǔ)知識(shí)反應(yīng)進(jìn)行的方向反應(yīng)進(jìn)行的可能性反應(yīng)進(jìn)行的限度反應(yīng)進(jìn)行的速率反應(yīng)機(jī)制化學(xué)熱力學(xué)化學(xué)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)速率及其測(cè)定反應(yīng)速率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)反應(yīng)物或生成物濃度的改變。設(shè)瞬時(shí)dt內(nèi)反應(yīng)物濃度的很小的改變?yōu)閐S，則：若用單位時(shí)間內(nèi)生成物濃度的增加來表示，則：tPtv3反應(yīng)分子數(shù)反應(yīng)分子數(shù)：是在反應(yīng)中真正相互作用的分子的數(shù)目。如：A P屬于單分子反應(yīng)根據(jù)質(zhì)量作用定律，單分子反應(yīng)的速率方程式是：雙如：AB CD屬于雙分子反應(yīng)其反應(yīng)速率方程可表示為：判斷一個(gè)反應(yīng)是單分子反應(yīng)還是雙分子反應(yīng)，必須先了解反應(yīng)機(jī)制，即了解反應(yīng)過程中各個(gè)單元反應(yīng)是如何進(jìn)行的。反應(yīng)機(jī)制往往很復(fù)雜，不易

2、弄清楚，但是反應(yīng)速率與濃度的關(guān)系可用實(shí)驗(yàn)方法來確定，從而幫助推論反應(yīng)機(jī)制。反應(yīng)級(jí)數(shù)又如某一反應(yīng)：A + B C + D式中k為反應(yīng)速率常數(shù)根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，整個(gè)化學(xué)反應(yīng)的速率服從哪種分子反應(yīng)速率方程式，則這個(gè)反應(yīng)即為幾級(jí)反應(yīng)。例：對(duì)于某一反應(yīng)其總反應(yīng)速率能以單分子反應(yīng)的速率方程式表示，那么這個(gè)反應(yīng)為一級(jí)反應(yīng)。符合雙分子反應(yīng)的表達(dá)式，為二級(jí)反應(yīng)。把反應(yīng)速率與反應(yīng)物濃度無關(guān)的反應(yīng)叫做零級(jí)反應(yīng)。v = k反應(yīng)分子數(shù)和反應(yīng)級(jí)數(shù)對(duì)簡(jiǎn)單的基元反應(yīng)來說是一致的，但對(duì)某些反應(yīng)來說是不一致的。例如：Sucrose + H2O Glucose + Frucose是雙分子反應(yīng)，但卻符合一級(jí)反應(yīng)方程式。Sucrase因?yàn)?/p>

3、蔗糖的稀水溶液中，水的濃度比蔗糖濃度大得多，水濃度的減少與蔗糖比較可以忽略不計(jì)。因此，反應(yīng)速率只決定于蔗糖的濃度。 v = k S酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)反應(yīng)速率零級(jí)反應(yīng)一級(jí)反應(yīng)A B積分后得：這兒：k是反應(yīng)速率常數(shù)，C是積分常數(shù)若反應(yīng)開始(t=0)時(shí),A=A0,則C=A0, 最后得到: A=A0e-ktk1AtA0一級(jí)反應(yīng)7二級(jí)反應(yīng)A+B Ckk指反應(yīng)的速率常數(shù)。反應(yīng)速率與反應(yīng)物的性質(zhì)和濃度、溫度、壓力、催化劑及溶劑性質(zhì)有關(guān)酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)平衡常數(shù)平衡：可逆反應(yīng)的正向反應(yīng)和逆向反應(yīng)仍在繼續(xù)進(jìn)行，但反應(yīng)速率相等的動(dòng)態(tài)過程。反應(yīng)的平衡常數(shù)與酶的活性無關(guān)，與反應(yīng)速率的大小無關(guān)，而與反應(yīng)體系的溫度、反應(yīng)

4、物及產(chǎn)物濃度有關(guān)。平衡常數(shù)(K)的計(jì)算：例：A+3B2C+D9酶的基本概念酶有很強(qiáng)的專一性較高的催化效率反應(yīng)條件溫和酶易失活酶可加快反應(yīng)速率降低反應(yīng)的活化能(Ea)不能改變反應(yīng)的平衡常數(shù)K不能改變反應(yīng)的自由能變化(G)10酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)影響酶促反應(yīng)的主要因素濃度因素（酶濃度，底物濃度，產(chǎn)物濃度等）外部因素（溫度，壓力，pH，溶液的介電常數(shù)，離子強(qiáng)度等）內(nèi)部因素（底物及效應(yīng)物濃度，酶的結(jié)構(gòu)）11酶與底物的作用機(jī)理Lock and Key Model12Induced-Fit Model象手與手套的關(guān)系.當(dāng)?shù)孜锝咏傅幕钚灾行牟⑴c之結(jié)合時(shí)，酶的構(gòu)象能發(fā)生改變，更適合于底物的結(jié)合。13酶反應(yīng)動(dòng)力

5、學(xué)酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的兩點(diǎn)基本假設(shè)： 反應(yīng)物在容器中混合良好 反應(yīng)速率采用初始速率14k+1k-1ESESE單底物酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)k+2快速平衡學(xué)說的幾點(diǎn)假設(shè)條件：酶和底物生成復(fù)合物ES，酶催化反應(yīng)是經(jīng)中間復(fù)合物完成的。底物濃度S遠(yuǎn)大于酶的濃度E，因此ES的形成不會(huì)降低底物濃度S，底物濃度以初始濃度計(jì)算。不考慮P+EES這個(gè)可逆反應(yīng)的存在。ES在反應(yīng)開始后與E及S迅速達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。P15k+1k-1ESESEk+2快速平衡學(xué)說由假設(shè)3可得到產(chǎn)物的合成速率為：對(duì)于單底物的酶促反應(yīng):(2)(1)P由假設(shè)4可得到：16對(duì)于酶復(fù)合物ES的解離平衡過程來說，其解離常數(shù)可以表示為,ESE + Sk-1k+1(4)

6、反應(yīng)體系中酶量守恒：(3)由前面的公式(1)得：代入公式(3),變換后得：即,代入公式(2)得到(5)代入式(5)得：(6)式中：Vp,max: 最大反應(yīng)速率 如果酶的量發(fā)生改變，最大反應(yīng)速率相應(yīng)改變。KS: 解離常數(shù)，飽和常數(shù) 低KS值意味著酶與底物結(jié)合力很強(qiáng)， (看看KS的公式就知道了)。當(dāng)反應(yīng)初始時(shí)刻，底物SE,幾乎所有的酶都與底物結(jié)合成復(fù)合物ES，因此E0ES,反應(yīng)速率最大，此時(shí)產(chǎn)物的最大合成速率為：k+1k-1ESESEk+2穩(wěn)態(tài)學(xué)說P穩(wěn)態(tài)學(xué)說的幾點(diǎn)假設(shè)條件：酶和底物生成復(fù)合物ES，酶催化反應(yīng)是經(jīng)中間復(fù)合物完成的。底物濃度S遠(yuǎn)大于酶的濃度E，因此ES的形成不會(huì)降低底物濃度S，底物濃度

7、以初始濃度計(jì)算。在反應(yīng)的初始階段，產(chǎn)物濃度很低，P+EES這個(gè)可逆反應(yīng)的速率極小，可以忽略不計(jì)。ES的生成速率與其解離速率相等，其濃度不隨時(shí)間而變化。19Experimental data demonstrated the concentration profiles.當(dāng)反應(yīng)系統(tǒng)中 ES的生成速率與分解速率相等時(shí)，ES濃度保持不變的狀態(tài)稱為穩(wěn)態(tài)。由于SE0,所以SES, S-ESSk+1k-1ESESEk+2P根據(jù)穩(wěn)態(tài)假說，(7)(3)(8)21(Km米氏常數(shù))(9)(10)式中：k+1k-1k+223快速平衡學(xué)說與穩(wěn)態(tài)學(xué)說在動(dòng)力學(xué)方程形式上是一致的，但Km和KS表示的意義是不同的。當(dāng)k+2k

8、-1時(shí)，Km=KS這意味著生成產(chǎn)物的速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)慢于ES復(fù)合物解離的速率。這對(duì)于許多酶反應(yīng)也是正確的。Mixed order with respect to S反應(yīng)速率、底物濃度與時(shí)間的關(guān)系S, E底物濃度與反應(yīng)速率的關(guān)系底物濃度反應(yīng)速率Vm26反應(yīng)速率、底物濃度與時(shí)間的關(guān)系反應(yīng)速率反應(yīng)時(shí)間底物濃度反應(yīng)時(shí)間米氏常數(shù)Km的意義Km值代表反應(yīng)速率達(dá)到Vmax/2時(shí)的底物濃度。Km是酶的一個(gè)特性常數(shù)，Km的大小只與酶的性質(zhì)有關(guān)，而與酶濃度無關(guān)。但底物種類、反應(yīng)溫度、pH和離子強(qiáng)度等因素會(huì)影響Km值。因此可以用Km值來鑒別酶。Km值可以判斷酶的專一性和天然底物。當(dāng)k+21 indicates positi

9、ve cooperativity.By rearranging, we have,n1 indicates negative cooperativity. eg, glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase. Plots on Allosteric Enzymes雙曲線S形曲線影響酶催化反應(yīng)速率的因素影響酶催化反應(yīng)速率的因素有很多，它們會(huì)影響到酶的結(jié)構(gòu)或化學(xué)狀態(tài)。pH溫度 表面張力化學(xué)試劑(醇, 脲和過氧化物)輻射(光,微波,離子化, g 射線等)pH對(duì)酶促反應(yīng)的影響一些酶的活性中心存在離子基團(tuán)，因此Variation of pH另一方面，底物分子中包含離

10、子基團(tuán)，反應(yīng)體系的pH也有可能會(huì)影響到底物與酶結(jié)合的親和力。Ionic formModifies Reaction rateChanges Enzyme activityInfluences For CASE I (Ionic Enzyme):The reaction scheme is as follow:Where the meanings of the denotations are:EH: active formE-, EH2+: inactive formE-: deprotonation formEH2+: protonation formWith similar analysis

11、 and derivations as before, we can get,where 考慮到酶發(fā)揮最佳的活力狀態(tài)是EH，最佳pH應(yīng)該是唯一的，而在最佳pH時(shí)，EH的濃度應(yīng)該達(dá)到最大。為什么酶反應(yīng)的最佳pH會(huì)是在pK1和pK2之間? 因此，我們現(xiàn)在只要考察酶與質(zhì)子H+的相互作用。根據(jù)解離常數(shù)的定義和酶的質(zhì)量守恒可得：消除 E- 和 EH2+ 項(xiàng)，可得到：令 得到,即,For CASE II (Ionic Substrate)The reaction scheme is as follow:Similarly, we can get, where SH+ + ES + H+ESH+KmE +

12、HP+k2K160一般來說中，酶促反應(yīng)的最佳pH還是很難預(yù)測(cè)的，通常需要通過實(shí)驗(yàn)來確定。pH-activity profiles of two enzymes. (A)胃蛋白酶; (B) 延胡索酸酶(以蘋果酸為底物時(shí)) 溫度對(duì)酶促反應(yīng)的影響 在較低的溫度范圍內(nèi)，酶催化反應(yīng)速率會(huì)隨著溫度的升高而加快，超過某一溫度，即酶被加熱到生理允許溫度以上時(shí)，酶的反應(yīng)速率反而隨著溫度的升高而下降。這是由于溫度升高，雖然可加速酶的催化反應(yīng)速率，同時(shí)也加快了酶的熱失活速率。溫度激活作用 (上升區(qū)).酶催化反應(yīng)速率常數(shù)中的k2與溫度的關(guān)系符合Arrhenius方程:即, 式中 E 活性酶的濃度; Ea 是反應(yīng)活化能

13、 (kcal/mol). R 是氣體常數(shù) T 是絕對(duì)溫度，A是前因子熱失活作用 (下降區(qū)). (酶的熱變性作用)酶的熱變性失活符合一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程：式中 E0 酶的初始濃度; kd 變性常數(shù).積分得到, 此外, 式中 Ed is the denaturation energy (kcal/mol).例2-1：將底物和酶加入到分批式反應(yīng)器中,底物初始濃度為2mmol/L,經(jīng)反應(yīng),轉(zhuǎn)化率為90%,求反應(yīng)所需的時(shí)間和t.已知反應(yīng)速率方程為:解：在分批式反應(yīng)器中 即：積分得到：轉(zhuǎn)化率為90%，即(S0-S)/S0例2-2：假設(shè)某酶有兩個(gè)活性中心，它的反應(yīng)機(jī)制可用下圖表示，試根據(jù)快速平衡假設(shè)，求其速率

14、方程式E + SES + SE + PESSKmKSIES + Pk+2k+2解：根據(jù)解離平衡過程可得 根據(jù)酶的質(zhì)量守恒可得 將上面兩式變換后可得 變換方程可以得到以下兩式： 當(dāng)反應(yīng)速率達(dá)到最大時(shí)，所有的酶都以復(fù)合物的形式存在，則 E0=ES+ESS, Vmax=k+2(ES+ESS)=k+2E067例2-3：某酶催化反應(yīng)，其Km=0.01 mol/L,現(xiàn)測(cè)得該反應(yīng)進(jìn)行到10 min時(shí)，底物濃度為3.410-5,已知S0=3.410-4mol/L.假定該反應(yīng)可用M-M方程表示。試求：(1)最大反應(yīng)速率是多少?(2)反應(yīng)20min后，底物濃度為多少？解：已知米氏方程及題中條件知S0Km則米氏方程

15、可表示為10 min時(shí),S= 3.410-5,代入上式可得：Vmaxln10)/10=0.0023 mol L-1 min-1當(dāng)t=20 min, lnS=lnS0-Vmaxt/Km -4 S20min-6 mol/LTwo-Substrate ReactionsI. Random sequential mechanisms底物70Figure. Fixed substrate concentration dependence for enzymes displaying randomsequential mechanisms: (a) Dependence of V max on A; (b) dependence of K on A; (c) dependence of V max on B; (d) dependence of K on B71II. Ordered sequential mechanisms72III. pi