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第九章 酶促反应动力学

第九章 酶促反应动力学. Enzyme. 一、化学动力学基础. 1 、化学动力学基础：了解反应速率及其测定、反应分子数和反应级数、各级反应的特征（ 351 页）。 酶的催化作用与分子活化能. 化学反应自由能方程式 ΔG = ΔH - TΔS. （ ΔG 是总自由能的变化， ΔH 是总热能的变化， ΔS 是熵的变化）. 当 ΔG ＞ 0 ，反应不能自发进行。 当 ΔG ＜ 0 ，反应能自发进行。. 产物生成量. 酶反应进程曲线. 10 20 30 40 50 60 min. 酶反应速度的测量.

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第九章 酶促反应动力学

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  1. 第九章 酶促反应动力学 Enzyme

  2. 一、化学动力学基础 1、化学动力学基础：了解反应速率及其测定、反应分子数和反应级数、各级反应的特征（351页）。 酶的催化作用与分子活化能 化学反应自由能方程式ΔG =ΔH -TΔS （ ΔG是总自由能的变化， ΔH是总热能的变化，ΔS是熵的变化） 当ΔG＞0，反应不能自发进行。 当ΔG＜0，反应能自发进行。

  3. 产物生成量 酶反应进程曲线 10 20 30 40 50 60 min 酶反应速度的测量 用一定时间内底物减少或产物生成的量来表示酶促反应速度。测定反应的初速度。

  4. 一、化学动力学基础 2、什么叫酶促反应动力学？(Kinetics of enzyme-catalyzed reaction ) 酶促反应动力学是研究酶促反应的速度以及影响此速度的各种因素的科学，是酶工程研究中的一个重要内容。 活化能：分子由常态转变为活化状态所需的能量。是指在一定温度下，1mol反应物全部进入活化状态所需的自由能。 酶和一般催化剂的作用就是降低化学反应所需的活化能，从而使活化分子数增多，反应速度加快。

  5. 二、底物浓度对酶反应速度的影响 1、底物浓度对酶促反应速度的影响

  6. Vmax v [S] • 在低底物浓度时, 反应速度与底物浓度成正比，表现为一级反应特征。 • 当底物浓度达到一定值，几乎所有的酶都与底物结合后，反应速度达到最大值（Vmax），此时再增加底物浓度，反应速度不再增加，表现为零级反应。 反应级数 零级反应 v = k [E] 混合级反应 一级反应 v = k [S]

  7. 第一步: E+S ES 理论解释 酶被底物饱和现象和“中间复合物”假说 第二步: ES→E+P V∝ [ES] 1913年Michaelis 和 Menten提出并推导了酶促动力学方方程 ——米氏方程

  8. 二、底物浓度对酶反应速度的影响 2、米氏方程的推导 • Km 即为米氏常数， • Vmax为最大反应速度 When [S] is very low (<<Km), Vo=Vmax[S]/Km when [S] is very high (>>Km), Vo=Vmax

  9. 米氏方程的推导： 根据中间产物学说，酶促反应分两步进行:

  10. 二、底物浓度对酶反应速度的影响 3．米氏常数的意义 米氏常数的物理意义 • 当反应速度等于最大速度一半时,即V = 1/2 Vmax, Km = [S] • 上式表示,米氏常数是反应速度为最大值的一半时的底物浓度。 • 因此,米氏常数的单位为mol/L。 • Km值表示酶与底物之间的亲和程度：Km值大表示亲和程度小，酶的催化活性低; Km值小表示亲和程度大,酶的催化活性高。

  11. 有关米氏常数（Km）的几点说明 （1）Km值是酶的特征常数之一，跟只跟酶的性质有关，而与酶的浓度无关（359页）。

  12. 有关米氏常数（Km）的几点说明 （2）如酶能催化几种不同的底物，对每种底物都有一个特定的Km值，其中Km值最小的称该酶的最适底物。 （3）Km除了与底物类别有关，还与pH、温度有关，所以Km是一个物理常数，是对一定的底物、一定的pH、一定的温度而言的。 （4）Km与Ks：Km不等于Ks，只有在特殊情况下即 k2>>k3，Km=Ks。在Km=Ks 时，Km可表示酶 和底物的亲和力。

  13. [S] v 1000km 0.999V 100km 0.99V 10km 0.91V 3km 0.75V 1km 0.50V 0.33km 0.25V 0.10km 0.091V Km值应用例一 从km的大小，可以知道正确测定酶活力时所需的底物浓度。

  14. Vmax · [S] v = —————— km + [S] 从米氏方程中求得： 当反应速度达到最大反应速度的90%，则 90%V =100%V[S]/(km +[S]) 即 [S] = 9km 在进行酶活力测定时，通常用4km的底物浓度即可。

  15. Km值应用例二 km还可以推断某一代谢物在体内可能的代谢途径。 乳酸脱氢酶（1.7×10-5） 乳酸 丙酮酸脱氢酶（1.3×10-3） 丙酮酸 乙酰CoA 丙酮酸脱羧酶（1.0×10-3） 乙醛 当丙酮酸浓度较低时，代谢走哪条途径决定于km最小的酶。

  16. 4、米氏常数的求法 （1）v对[S]作图

  17. Vmax · [S] v = —————— km + [S] 4、米氏常数的求法（362页） （2）双倒数作图法（Lineweaver-Burk作图法） 将米氏方程改写成 1 Km 1 1  =  +  VVmax [S] Vmax

  18. 双倒数作图法 斜率=Km/Vmax -1/Km 1/Vmax

  19. 4、米氏常数的求法（362页） （3）v对 作图（Eadie-Hofstee法）

  20. 4、米氏常数的求法（362页） （4） [S]/v 对[S]作图（Hanes-Woolf法）

  21. 4、米氏常数的求法（362页） （5）直接线性作图法 （Eisenthal和Cornish-Bowden法）

  22. 二、底物浓度对酶反应速度的影响 5、双底物双产物反应 E + A + B === EAB===E + P + Q 双底物双产物的反应按动力学机制可分为两大类 : 有序反应 （orderd reactions） 序列反应 （sequential reactions） 双底物双产物的反应 随机反应 （random reactions） 乒乓反应 （ping pong reactions）

  23. （1）序列有序反应（ordered reactions 写作 ordered Bi Bi）

  24. （2）序列随机反应（random reactions， 写作Random Bi Bi）

  25. （3）乒乓反应（ping pong reactions）

  26. v 三、 pH对酶反应速度的影响 1.最适pH 最适pH（optimum pH） 表现出酶最大活力的pH值 2.pH稳定性 在一定的pH范围内酶是稳定的 pH pH对酶作用的影响机制：1.环境过酸、过碱使酶变性失活；2.影响酶活性基团的解离；3.影响底物的解离。

  27. 四、 温度对酶反应速度的影响 • 一方面是温度升高,酶促反应速度加快。 • 另一方面,温度升高,酶的高级结构将发生变化或变性，导致酶活性降低甚至丧失。 • 因此大多数酶都有一个最适温度。 在最适温度条件下,反应速度最大。

  28. 五、酶浓度对酶反应速度的影响 如果底物浓度足够大，足以使酶饱和，则反应速度与酶浓度成正比。 v = k [E] [S]>>[E] V∝[E]

  29. V与[E] 关系的几点讨论

  30. 六、抑制剂对酶活性的影响 • 使酶的活性降低或丧失的现象，称为酶的抑制作用。 • 能够引起酶的抑制作用的化合物则称为抑制剂。　 • 酶的抑制剂一般具备两个方面的特点： • a.在化学结构上与被抑制的底物分子或底物的过渡状态相似。 • b.能够与酶的活性中心以非共价或共价的方式形成比较稳定的复合体或结合物。

  31. [I]  [E] 六、抑制剂对酶活性的影响 抑制剂的作用方式 • 1.不可逆抑制 • 抑制剂与酶反应中心的活性基团以共价形式结合，引起酶的永久性失活。且不能采用透析等简单方法使酶活性恢复的抑制作用就是不可逆抑制作用。

  32. 例: DFP（DIFP）对胰凝乳蛋白酶的抑制

  33. [I]  [E] 六、抑制剂对酶活性的影响 2. 可逆抑制 • 抑制剂与酶蛋白以非共价方式结合，引起酶活性暂时性丧失。抑制剂可以通过透析等方法被除去，并且能部分或全部恢复酶的活性。 • 根椐抑制剂与酶结合的情况，又可以分为三类： • 竞争性、反竞争性、和非竞争性抑制

  34. 六、抑制剂对酶活性的影响 (1) 竟争性抑制 2. 可逆抑制 • 某些抑制剂的化学结构与底物相似，因而能与底物竟争与酶活性中心结合。当抑制剂与活性中心结合后，底物被排斥在反应中心之外，其结果是酶促反应被抑制了。 • 竟争性抑制通常可以通过增大底物浓度，即提高底物的竞争能力来消除。

  35. + + + E S ES E P I k+1 k+2 + k+3 k-3 E + S ES E + P k-1 EI EI E I

  36. 例: 丙二酸对琥珀酸脱氢酶的抑制作用

  37. ① 竞争性抑制作用动力学方程的推导 竞争性抑制作用可用下式表示 : EI+S → no reaction 推导的要点 推导出的方程

  38. ② 竞争性抑制作用动力学方程的讨论 A、与标准米氏方程比较 B、当[ I ]→0时，方程还原成米氏方程。 [ I ]→∞时，

  39. C、取方程的倒数，进行双倒数作图 D、抑制程度:

  40. ≈ ≈0 当[S]→ 很大很大

  41. 六、抑制剂对酶活性的影响 (2) 非竟争性抑制 • 酶可同时与底物及抑制剂结合，引起酶分子构象变化，并导至酶活性下降。由于这类物质并不是与底物竞争与活性中心的结合，所以称为非竞争性抑制剂。 • 如某些金属离子（Cu2+、Ag+、Hg2+）以及EDTA等，通常能与酶分子的调控部位中的-SH基团作用，改变酶的空间构象，引起非竞争性抑制。

  42. ① 非竞争性抑制作用动力学公式推导 非竞争性抑制作用可用下式表示 : 经推导后得方程 :

  43. ② 非竞争性抑制作用动力学方程讨论 A、与米氏方程比较 B、 当[I]→0 [I]→∞

  44. C、取方程倒数，进行双倒数作图 D、抑制程度:

  45. （3）反竞争性抑制作用（uncompetitive inhibition） 动力学方程 :

  46. 动力学方程的讨论 A、与米氏方程比较 B、双倒数作图

  47. （4）三种可逆抑制作用的总结

  48. （1） 竞争性抑制 可逆抑制作用的动力学特征 • 加入竞争性抑制剂后，Km变大， Vmax不变。 竞争性抑制剂 1/Vmax 无抑制剂

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