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第10章酶促反应动力学 kineticsofenzyme catalyzedreactions 1 酶促反应动力学 是研究酶促反应的速率以及影响此速率的各种因素的科学 影响酶速率的各种因素1 底物浓度2 酶的抑制剂3 温度4 pH5 酶的激活剂 2 第一节底物浓度对酶反应速率的影响 3 底物浓度对速率影响的曲线图 当底物浓度较低时 表现为一级反应 其反应速率与浓度的关系能以单分子反应的动力学方程式表示 v dc dt kc 线性关系 随着底物浓度的增加 反应表现为混合级反应 当底物浓度达到相当高时 表现为零级反应 与底物浓度无关 4 为解释这一实验结果 Henri和Wurtz提出了酶底物中间络合物学说 该学说认为当酶催化某一化学反应时 酶首先和底物结合生成中间复合物 ES 然后生成产物 P 并释放出酶 反应式 S EESP E 5 二 酶促反应的动力学方程式 1 米氏方程式的推导 假设K4为0 k1k3k2k4对于ES的形成速度 d ES dt k1 E ES S 对于ES的分解速度 d ES dt k2 ES k3 ES S EESP E 6 二 酶促反应的动力学方程式 当酶体系处于动态平衡时 ES的形成速度和分解速度相等k1 E ES S k2 ES k3 ES 移项 E ES S ES k2 k3 k1令 Km k2 k3 k1 ES E S Km S 1 7 因为当底物浓度很高时 酶反应速率 v 与 ES 成正比 即v k3 ES 代入 1 式得 V k3 E S Km S 2 当底物浓度很高时所有的酶都被底物饱和而转变为ES复合物 即 E ES 酶促反应达到最大速度Vmax 所以Vmax k3 ES k3 E 3 V Vmax s Km S 米氏方程 Km米氏常数 8 该方程式表明 当已知Km及Vmax时 酶反应速率与底物浓度之间的定量关系 若以 S 作横坐标 v作纵坐标作图 可得到一条双曲线 v Km S 9 1 Km值的物理意义当反应速率达到最大速率一半时 即 1 2Vmax 可以得到 S KmKm值的物理意义 即Km值是当酶反应速率达到最大反应速率一半时的底物浓度 单位是mol l 三 Km值的意义 Vmax s Km S 10 三 Km值的意义 2 Km值是酶的一个特征常数 Km值的大小只与酶的性质有关 而与酶的浓度无关 因此 在一定条件下 可以通过Km值来区别不同的酶 Km值随测定的底物 反应的温度 pH及离子强度而改变 各种酶的Km值相差很大 大多数酶的Km值介于10 6 10 1mol L之间 Km k2 k3 k1 11 三 Km值的意义 3 Km值可以判断酶的专一性和天然底物有的酶可作用于几种底物 因此就有几个Km值 其中Km值最小的底物称为该酶的最适底物也就是天然底物 Km愈小 达到最大反应速率一半所需要的底物浓度就愈小 底物最适 12 三 Km值的意义 4 判断反应速率v和Vmax之间的关系 若已知某个酶的Km值 就可以计算出在某一底物浓度时 其反应速率v相当于Vmax的百分率 反之 V Vmax s Km S 13 三 Km值的意义 5 Km值可以帮助推断某一代谢反应的方向和途径 这对了解酶在细胞内的主要催化方向及生理功能有重要意义 催化可逆反应的酶 对正逆两向底物的Km值往往是不同的 测定这些Km值的差别以及细胞内正逆两向底物的浓度 可以大致推测该酶催化正逆两向反应的效率 14 四 Vmax的意义 在一定酶浓度下 酶对特定底物的Vmax也是一个常数 pH 温度和离子强度等因素也影响Vmax的数值 同一种酶对不同底物的Vmax也不同 15 转换数的定义 当底物浓度很高时 Vmax k3 ES k3 E k3表示当酶被底物饱和时 每秒钟每个酶分子转换底物的分子数 这个常数又叫做转换数 简称TN 又称为催化常数 catalyticconstant kcat kcat值越大 表示酶的催化效率越高 16 五 Km和Vmax值的测定 主要利用作图法测定 1 测定不同底物浓度的反应初速率 以v S 作图 可以得到Vmax 再从1 2Vmax 可求得相应的 S 即Km值 S v Km 17 五 Km和Vmax值的测定 2 双倒数作图法将米氏方程式两侧取双倒数 以1 v 1 s 作图 得出一直线 18 五 Km和Vmax值的测定 3 Hanes Woolf作图法将前式两边均乘以 S 得 以 s v s 作图 得一直线 横轴的截距为 Km 斜率为1 Vmax 19 第二节酶的抑制作用 20 抑制与失活之间的关系 失活作用 inactivation 使酶蛋白变性而引起酶活力丧失的作用 变性剂对酶的变性作用无选择性 抑制作用 inhibition 酶的必需基团化学性质的改变 但酶未变性 而引起酶活力的降低或丧失一种抑制剂只能使一种酶或一类酶产生抑制作用 因此抑制剂对酶的抑制作用是有选择性的 21 抑制与失活之间关系的总结 22 一 抑制程度的表示方法 酶受抑制后活力降低的程度一般用反应速率的变化来表示 vi 加入抑制剂后的速度 v0 不加抑制剂时的速度 1 相对活力分数 残余活力分数 a vi v0 2 相对活力百分数 残余活力百分数 a vi v0 x100 3 抑制分数 指被抑制而失去活力的分数 i 1 a 4 抑制百分数 i 1 a x100 通常所谓抑制率是指抑制分数或抑制百分数 23 二 抑制作用的类型 根据抑制作用是否可逆 1 不可逆的抑制作用 抑制剂与酶的必需基团以共价键结合而引起酶活力丧失 不能用透析 超滤等物理方法除去抑制剂而使酶复活的作用 2 可逆的抑制作用 抑制剂与酶以非共价键结合而引起酶活力降低或丧失 能用物理方法除去抑制剂而使酶复活 抑制作用是可逆的 v E 1 2 24 根据可逆抑制剂与底物的关系 可逆抑制作用分为3种类型 1 竞争性抑制 抑制剂 I 和底物 S 竞争酶的活性部位 一般抑制剂与底物类似 解除方法 其抑制程度取决于底物及抑制剂的相对浓度 这种抑制作用可以通过增加底物浓度而解除 25 2 非竞争性抑制 这类抑制作用的特点是底物和抑制剂同时和酶结合 2者没有竞争作用 EI S ESI或ES I ESI 但三元复合物不能分解为产物 这类抑制剂与酶活性部位以外的基团相结合 其结构与底物无共同之处 3 反竞争性抑制 酶只有与底物结合后 才能与抑制剂结合 即ES I ESI 不能分解为产物 26 三 可逆抑制作用动力学 1 竞争性抑制底物或抑制剂与酶的结合都是可逆的 存在着下面平衡式 Ki 为抑制剂常数Ki Ki2 Ki1 27 1 竞争性抑制曲线图 1 V下降 发生抑制 2 Vmax不变 底物浓度增大 抑制剂结合机率减小 3 Km增大 亲和力下降 28 1 竞争性抑制曲线图 29 2 非竞争性抑制 30 2 非竞争性抑制曲线 1 V下降 发生抑制 2 Vmax减小 一部分酶始终失活 3 Km不变 酶与底物亲和力不受影响 31 2 非竞争性抑制曲线 32 3 反竞争性抑制 这类抑制作用的特点是酶先与底物结合 然后才与抑制剂结合 存在以下平衡 33 3 反竞争性抑制的曲线 34 总结 35 四 一些重要的抑制剂 抑制剂 使酶活性降低的物质 抑制剂作用分可逆抑制剂与不可逆抑制剂可逆的依据 能否用透析 超滤等物理方法除去抑制剂 使酶复活机理 实际上是底物的类似物 专一地作用于某一种酶活性部位的必需基团而导致酶的失活 36 第三节温度对酶反应的影响 37 温度对酶反应的影响 最适温度 机理 温度导致酶蛋白变性 38 温度对酶反应的影响 在最适温度之前 一般温度越高 反应速度就越快 Q10 温度系数 反应温度提高10 其反应速率与原来反应速率之比 对大多数酶来讲 温度系数Q10多为2 酶的固体状态比在溶液中对温度的耐受力要高 通常酶制剂以固体保存为佳 39 第四节pH对酶反应的影响 40 pH对酶反应的影响 41 pH影响酶活力的原因 1 过酸或过碱可以使酶的空间结构破坏 引起酶构象的改变 酶活性丧失 2 当pH改变不很剧烈时 酶虽未变性 但活力受到影响 影响了底物的解离状态 影响酶分子活性部位上有关基团的解离 影响到中间络合物ES的解离状态 不利于催化生成产物 42 第五节激活剂对酶反应的影响 43 1 激活剂 activator 激活剂 凡是能提高酶活性的物质 其中大部分是无机离子或简单有机化合物 金属离子有K Na Ca2 Mg2 等离子 如Mg2 是多数激酶及合成酶的激活剂 无机阴离子如 Cl Br I 等都可作为激活剂 如Cl 是唾液淀粉酶的激