《生物化學(xué)》酶促反應(yīng)動力學(xué)

1、第二單元 酶化學(xué)第8章 酶通論第9章 酶促反應(yīng)動力學(xué)第10章 酶的作用機(jī)制和酶的調(diào)節(jié)第9章 酶促反應(yīng)動力學(xué) 一、化學(xué)動力學(xué)基礎(chǔ)(P351)二、底物濃度對酶反應(yīng)速率的影響(P355)三、酶的抑制作用(P368)四、溫度對酶反應(yīng)的影響(P378)五、pH對酶反應(yīng)的影響(P379)六、激活劑對酶反應(yīng)的影響(P380) 一、化學(xué)動力學(xué)基礎(chǔ)（一)反應(yīng)速率及其測定（二)反應(yīng)分子數(shù)和反應(yīng)級數(shù)（三)各級反應(yīng)的特征（一）反應(yīng)速率及其測定反應(yīng)速率以單位時間內(nèi)反應(yīng)物或生成物濃度的改變來表示。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，反應(yīng)物逐漸消耗，分子碰撞的機(jī)會也逐漸減小，因此反應(yīng)速率也隨著減慢。因?yàn)槊恳凰查g的反應(yīng)速率都不相同，所以用瞬時速

2、率表示反應(yīng)速率。用反應(yīng)物濃度的減少來表示： dc V= - dt用生成物濃度的增加來表示： dc V= + dt反應(yīng)速率與時間的關(guān)系tv（二）反應(yīng)分子數(shù)和反應(yīng)級數(shù) 在化學(xué)動力學(xué)中研究化學(xué)反應(yīng)速率與反應(yīng)物濃度的關(guān)系時，有兩種分類方法：即以反應(yīng)分子數(shù)和反應(yīng)級數(shù)來分類。 1、反應(yīng)分子數(shù) 2、反應(yīng)級數(shù)1、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數(shù)目。 僅有一個反應(yīng)分子參加的反應(yīng)稱為單分子反應(yīng)，如有機(jī)反應(yīng)中的分子重排及同分異構(gòu)體的相互轉(zhuǎn)變等。該反應(yīng)的速率方程式為： dc V = - = kc dt （c代表反應(yīng)物濃度，k為比例常數(shù)） dc V = - = kc1c2 dt （c1、c2代表反應(yīng)

3、物濃度，k為比例常數(shù)） 有兩個反應(yīng)分子參加的反應(yīng)稱為雙分子反應(yīng)，如乙酸的酯化反應(yīng)，H2和I2化合反應(yīng)等。依此類推。實(shí)際上大多數(shù)反應(yīng)都是單分子或雙分子反應(yīng)。 該反應(yīng)的速率方程式為：2、反應(yīng)級數(shù) 根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，整個化學(xué)反應(yīng)的速率服從哪種分子反應(yīng)速率方程式，則這個反應(yīng)即為幾級反應(yīng)。 如某反應(yīng)總反應(yīng)速率與濃度的關(guān)系能以單分子反應(yīng)的速率方程式來表示，則該反應(yīng)為一級反應(yīng)。如能用雙分子反應(yīng)的速率方程式來表示，則該反應(yīng)為二級反應(yīng)。（三）各級反應(yīng)的特征1、一級反應(yīng)反應(yīng)速率只與反應(yīng)物濃度的一次方呈正比的反應(yīng)。2、二級反應(yīng)反應(yīng)速率與反應(yīng)物濃度的二次方（或兩種物質(zhì)濃度的乘積）呈正比的反應(yīng)。3、零級反應(yīng)反應(yīng)速率與反應(yīng)物

4、濃度無關(guān)而受它種因素影響而改變的反應(yīng)。二、底物濃度對酶促反應(yīng)速率的影響 (一) 中間絡(luò)合物學(xué)說 (二) 酶促反應(yīng)的動力學(xué)方程式 (三) 多底物的酶促反應(yīng)動力學(xué)（一）中間絡(luò)合物學(xué)說 Henri等人研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)其它條件（如酶濃度、溫度、pH）不變的情況下，在底物濃度很低時，反應(yīng)速率與底物濃度成正比，當(dāng)?shù)孜餄舛仍黾拥?一定程度后，所有的酶均與底物 結(jié)合以后，反應(yīng)速率不再隨著底 物濃度的增加而增加。 (一級反應(yīng)） 0Sv（一）中間絡(luò)合物學(xué)說 Henri等人根據(jù)這一研究結(jié)果提出了中間絡(luò)合物學(xué)說: 當(dāng)酶催化某一化學(xué)反應(yīng)時,酶首先和底物結(jié)合生成中間復(fù)合物(ES),然后生成產(chǎn)物(P),并釋放出酶. 中間絡(luò)合物

5、S+E ES P + E底物濃度對酶催化反應(yīng)初速率的影響零級反應(yīng)混合級反應(yīng)一級反應(yīng)SvVmax (二)酶促反應(yīng)的動力學(xué)方程式 Vmax . S Km + S 1、米氏方程推導(dǎo)2、動力學(xué)參數(shù)的意義3、利用作圖法測定 Km和 Vmax 值0SvLeonor Michaelis（18751949）Maud Menten（18791960）米氏方程式：1、米氏方程推導(dǎo)各種符號所表示的含意：E：酶的總濃度S：底物濃度ES：酶與底物結(jié)合的中間復(fù)合物的濃度E- ES：未與底物結(jié)合的游離狀態(tài)的酶濃度1、米氏方程推導(dǎo)（1）推導(dǎo)依據(jù)：中間產(chǎn)物學(xué)說 只有S生成 ES,才能生成 P, k3反應(yīng)為限速反應(yīng)。k41、米氏

6、方程推導(dǎo) 反應(yīng)為初速度 P + E ES 可忽略(2)兩點(diǎn)假設(shè)： SE S ES SES Sk4E SE- ES S - ES ES k4在穩(wěn)態(tài)下,ES的生成速率與分解速率相等,達(dá)到動態(tài)平衡即: VES生成 = VES分解 k1(E- ES) S=(k2+ k3) ES令Km = (k2+ k3)/ k1,則 (E- ES) S/ ES= (k2+ k3)/ k1= Km 穩(wěn)態(tài)時, E S ES = (1) ( Km + S) (3)推導(dǎo)過程-1由中間產(chǎn)物學(xué)說可知，酶促反應(yīng)分兩步進(jìn)行(3)推導(dǎo)過程-2 k3反應(yīng)是限速反應(yīng) ，酶反應(yīng)速率v與ES成正比， 即： v= k3ES （2） 由(1) (

7、2) 知: v= k3ES /（Km+S） （3） S E, 當(dāng)S很高時,所有的酶都被S飽和成ES, 即E = ES, 酶促反應(yīng)速率達(dá)到最大值Vmax 由(2)可得: Vmax= k3ES = k3E (4) (4)代入(3)得: VmaxS v= （米氏方程) Km +S米氏方程對酶促動力學(xué)曲線的解釋（1）當(dāng)SKm時, v = Vmax反應(yīng)速率達(dá)到最大值，V與S無關(guān)，符合零級動力學(xué)，只有在此條件下才能正確測得酶活力。 Vmax . S Km + S(3) 當(dāng)v=Vmax/2 時, S=Km反應(yīng)速率為最大反應(yīng)速率的一半, Km值就代表反應(yīng)速率達(dá)到最大反應(yīng)速率一半時的底物濃度。 Vmax . S

8、 Km + SVES生成 主要與 E+S ES 和 P+E ES有關(guān) 在反應(yīng)初速度階段，產(chǎn)物濃度極低 P + E ES 可以忽略 (假設(shè)2) VES生成=k1（ E- ES ）（S-ES） S E S ES （S-ES） S (假設(shè)1) VES生成= k1（ E- ES ）SES的生成速率 dES/dt = VES生成k1k4k4ES的分解速率 -dES/dt = VES分解VES分解與以下反應(yīng)有關(guān)： ES E+S ES E+P VES分解 =（k2+k3）ESk2k32、動力學(xué)參數(shù)的意義（1）米氏常數(shù)的意義（2） Vmax和Kcat的意義（3） Kcat/Km的意義(1) 米氏常數(shù)（ Km

9、）的意義 1、米氏常數(shù)是酶的特征性物理常數(shù)。 2、一個酶有幾個底物就有幾個米氏常數(shù)，其中Km最小 的為最適底物。 3、可作為酶和底物相結(jié)合緊密程度的度量，表示酶和 底物結(jié)合的親和力大小。 4、已知Km,可計算某底物濃度下的反應(yīng)速率。 5、推斷某一代謝反應(yīng)的方向和途徑。 （正逆反應(yīng) Km不同，S也可不同）（2）Vmax和k3(Kcat)的意義 一定酶濃度下酶對特定底物的Vmax 也是一個常數(shù)。同一酶對不同底物的Vmax 也不同，pH、溫度和離子強(qiáng)度等因素也影響Vmax 。 k3又稱為催化常數(shù) Kcat (catalytic constant)，表示當(dāng)酶被底物飽和時，每秒鐘每個酶分子轉(zhuǎn)換底物的分子

10、數(shù)，又稱為轉(zhuǎn)換數(shù)，其值越大表示酶的催化效率越高。（3）Kcat/Km的意義 Kcat/Km是E和S反應(yīng)形成產(chǎn)物的表觀二級速率常數(shù)，有時也稱為專一性常數(shù)，作為酶催化效率的參數(shù)，其大小可以比較不同酶或同一種酶催化不同底物的催化效率。 這是延用了反應(yīng)速率常數(shù)的詞匯。表觀化學(xué)反應(yīng)速率方程是依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)將一些與化學(xué)反應(yīng)有關(guān)的宏觀物理量進(jìn)行關(guān)聯(lián)得到的方程，稱為表觀動力學(xué)方程。這種表觀動力學(xué)方程沒有具體的物理意義，只有各物理量的數(shù)量關(guān)系。其速率常數(shù)只是一個比例系數(shù)。而從物理的本質(zhì)出發(fā)得到的速率方程稱為本征動力學(xué)方程，有具體的物理意義。所以本征動力學(xué)方程中的速率常數(shù)是有物理意義的。 Km = (k2+ k3)

11、/ k1Kcat/Km= k3 k1/ (k2+ k3)3、利用作圖法測定Km和 Vmax 值(1)米氏方程雙倒數(shù)作圖法 Vmax . S Km + S(2)由米氏方程直接測定 Vmax Vmax . S ， 所以 S=Km 2 Km + S由米氏方程可以看出,當(dāng)反應(yīng)速率達(dá)到最大反應(yīng)速率的一半時,三、酶的抑制作用 (Inhibition)(一)抑制程度的表示方法(二)抑制作用的類型(三)可逆抑制作用和不可逆抑制作用的鑒別(四)可逆抑制作用動力學(xué)(五)一些重要的抑制劑(Inhibitors)(一)抑制程度的表示方法 一般用反應(yīng)速率的變化來表示酶受抑制后活力降低的程度.若不加抑制劑時的反應(yīng)速率為v

12、0,加入抑制劑后的反應(yīng)速率為vi,則酶受抑制程度可用下列方法表示:1、相對活力分?jǐn)?shù)： a= vi/ v02、相對活力百分?jǐn)?shù)： a%= vi/ v0 100%3、抑制分?jǐn)?shù)：指被抑制而失去活力的分?jǐn)?shù) i = 1- a = 1- vi/ v04、抑制百分?jǐn)?shù)： i%= （1- a） 100% = （1-vi/ v0） 100%（二）抑制作用的類型 抑制劑： 凡使酶的必需基團(tuán)或酶的活性部位中的基團(tuán)的化學(xué)性質(zhì)改變而降低酶活力甚至使酶完全喪失活性的物質(zhì)，稱為抑制劑，用I表示，其作用稱為抑制作用。 抑制作用一般分為: 不可逆抑制作用和可逆抑制作用兩類。1、不可逆的抑制作用 抑制劑與酶的必需基團(tuán)以共價鍵結(jié)合而引

13、起酶活力喪失，不能用透析、超濾等物理方法除去抑制劑而使酶復(fù)活，稱為不可逆抑制（irreversible inhibition）。2、可逆抑制作用 （1）競爭性抑制 （2）非競爭性抑制 （3）反競爭性抑制 抑制劑與酶的必需基團(tuán)以非共價鍵結(jié)合而引起酶活力喪失，能用透析、超濾等物理方法除去抑制劑而使酶復(fù)活，稱為可逆抑制（reversible inhibition）競爭性抑制： 底物和抑制劑結(jié)合在酶的相同位點(diǎn)上。英文Reversible enzyme inhibitors： S and I bind to same site on E中文反競爭性抑制: 酶只有與底物結(jié)合后才能與抑制劑結(jié)合.英文Unco

14、mpetitive. I binds only to ES (inactivates E)中文非競爭性抑制： 抑制劑既可以和酶結(jié)合又可以和酶與底物 的復(fù)合物結(jié)合，從而抑制酶的活性。英文Noncompetitive. I binds to either E or ES to inactivate the enzyme中文0Ev1231、無抑制劑，2、不可逆抑制劑，3、可逆抑制劑可逆抑制劑與不可逆抑制劑的區(qū)別（一）（三）可逆抑制作用與不可逆抑制作用的鑒別可逆抑制劑與不可逆抑制劑的區(qū)別（二）v0Ev0EII可逆抑制劑的作用不可逆抑制劑的作用增加增加(四)可逆抑制作用動力學(xué)（1）競爭性抑制（2）非競爭

15、性抑制（3）反競爭性抑制競爭性抑制英文V=VmaxSKm(1+ I / ki)+SVmax 不變 Km增加ki 為抑制劑常數(shù)V=VmaxSKm(1+I / ki)+SVmax 不變 Km增加Competitive inhibition. (a) Kinetic scheme. (b) Lineweaver-Burk plot中文反競爭性抑制V=VmaxSKm+ S(1+I / ki)Vmax 減小 Km減小英文 Uncompetitive inhibitionV=VmaxSKm+(1+I / ki) SVmax 減小 Km減小中文非競爭性抑制V=VmaxS(Km+S)(1+I / ki)Vma

16、x 減小 Km不變英文 Noncompetitive inhibitionV=VmaxS(Km+S)(1+I/ki)Vmax 減小 Km不變中文（五）一些重要的抑制劑（P373）1、不可逆抑制劑（1）非專一性不可逆抑制劑 有機(jī)磷化合物、有機(jī)汞或砷化合物（SH)、重金屬 鹽、 氰化物、青霉素（糖肽轉(zhuǎn)肽酶Ser-OH)（2）專一性不可逆抑制劑 Ks型（底物結(jié)構(gòu)）、Kcat型（催化過程）2、可逆抑制劑 最常見的是競爭性抑制劑(P377) （5-氟尿嘧啶，磺胺藥物）四、溫度對酶反應(yīng)的影響 溫度對酶的作用有兩種不同的影響： 與化學(xué)反應(yīng)相同，酶反應(yīng)在一定的溫度范圍（0 - 40）內(nèi)，其速度隨溫度升高而加快

17、。根據(jù)一般經(jīng)驗(yàn)，溫度每升高10，反應(yīng)速度約增加1倍。 酶遇熱易變性失去活性，絕大多數(shù)酶在60以上即失去活性。 在低溫范圍內(nèi)，前一種作用占主要地位，因此隨著溫度升高，反應(yīng)速度加快。但當(dāng)溫度升到一定限度時，后一種作用明顯產(chǎn)生影響。在一定條件下，每一種酶在某一定溫度，其活力最大，這個溫度稱為酶的最適溫度。 (如圖所示)溫度對酶活力的影響五、pH對酶反應(yīng)的影響pH對酶作用影響的機(jī)制很復(fù)雜，主要有以下幾方面：1.環(huán)境過酸、過堿能使酶本身變性失活。2. pH改變能影響酶分子活性部位上有關(guān)基團(tuán)的解離。在最適pH時，酶分子上活性基團(tuán)的解離狀態(tài)最適于與底物結(jié)合，pH高于或低于最適pH時，活性基團(tuán)的解離狀態(tài)發(fā)生改變，酶和底物的結(jié)合力降低，因而酶反應(yīng)速度降低。3.pH能影響底物的解離。 (如圖所示)610最適pHpHvpH對酶活力的影響六、激活劑對酶反應(yīng)的影響 激活劑(activator)： 凡是能夠提高酶活力的物質(zhì)都稱為酶的激活劑。許多酶的激活