酶促反应动力学.ppt

酶的作用机理和酶促反应动力学 酶的作用机理酶促反应动力学 酶的作用机理 一 酶的催化作用与活化能 酶之所以具有很高的催化效率就在于酶降低了化学反应的活化分子所需要的能量 二 中间产物理论 1913 Michaaelic Menten 酶降低活化能的原因是酶参加了反应 与底物结合为不稳定的中间产物 三 酶的活性中心 酶在催化反应时 只是酶的活化中心在起作用 活化能 酶反应与活化能 活化能是指一般分子成为能参加化学反应的活化分子所需要的能量 要使反应进行迅速 途径 1 外加能量 2 降低活化能 中间络合物学说 1 在酶催化反应SP时 酶E先与底物S结合成中间产物ES ES转变为E和P 表示为E SESE P2 实际的酶反应要复杂得多 参加的底物不只一种 酶和底物结合以及转化为底物和酶的步骤有几步 酶反应与活化能 酶的活性部位 酶的活性中心 在酶促反应中 与底物分子结合的酶分子中的一小部分 酶的活性中心由酶蛋白的某些氨基酸残基组成 辅酶 辅基 常参与组成酶的活力中心 酶的活性中心包括两部分 酶与底物结合的部位 结合部位 决定酶的专一性 及参与催化反应的部位 转变部位 决定酶的催化能力 锁 钥匙模型和诱导 契合模型 活性部位 只占相当小的部分 1 2 活性部位是一个三维实体底物与酶相互作用的 诱导契合 位于酶分子表面的一个裂缝内底物通过次级键较弱的力结合到酶上活性部位具有柔性或可运动性酶分子中的其它部位为活性部位的形成提供了结构的基础 S S 活性中心外必需基团 结合基团催化基团 活性中心必需基团 底物 肽链 活性中心 酶活性中心示意图 诱导 契合模型 1 当底物和活力中心结合时 酶蛋白的构象发生了一定的变化 2 催化基团正确地定向 才能使底物发生转变 3 酶蛋白构象的变化使得底物能诱导催化基团正确地定向 S E E S复合物 a b c a b c 诱导契合假说 induced fithypothesis E S 酶的作用机制 酶与反应的过渡态互补 Pauling 酶与底物的过渡态互补 亲和力最强 释放出结合能使ES的过渡态能级降低 有利于底物分子跨越能垒 加快反应速度抗体酶免疫球蛋白 催化性抗体 为酶的过渡态理论提供了有力的实验证据 酶具有高催化效率的因素 邻近效应和定向效应邻近效应使底物与底物之间 底物与酶之间结合于同一分子而使有效浓度升高定向反应使反应基团和催化基团之间正确取位底物的形变与诱导契合酸碱催化 酶具有高催化效率的因素 共价催化金属离子催化多元催化和协同效应活性部位微环境的影响 邻近效应和定向效应 酶 A B 趋近效应与定向作用 proximityeffect orientationarrange 酶将2个底物拉近 以准确的方向碰撞 实际上是将分子间的反应变成类似于分子内的反应 张力效应 过渡态 多元催化 multielementcatalysis 酶的多元催化作用 多个基元催化形式的协同作用 一般包括酸 碱催化 共价催化 亲核催化 亲电子催化 等 如凝乳蛋白酶 Ser 195亲核催化 His 57碱催化等 酸 碱催化 通过暂时提供 或接受 一个质子以稳定过渡态达到催化反应的目的 共价催化 亲核催化 亲电子催化 通过催化剂与底物的共价键结合 形成过渡态来加速反应 共价催化具有亲核 亲电过程 亲核催化 分别带有多电子的原子如O S和N 可以提供电子去攻击底物上相对带正电子的原子 如羰基碳 即所谓的亲核攻击 亲电催化 是由亲电试剂 具有接受电子对的原子 引起的催化反应 是亲核催化的反过程 酶活性中心广义酸碱基团 溶菌酶酸 碱催化反应示意图 可作为酸碱催化的功能基团 金属离子催化 1 3的酶催化活性需金属离子金属酶 含紧密结合的金属离子 多属过渡金属金属 激活酶 含松散结合的金属离子 为碱和碱土金属离子金属离子以3种途径参加催化过程通过结合底物为反应定向通过可逆地改变金属离子的氧化态调节氧化还原反应通过静电稳定或屏蔽负电荷 酶促反应动力学 影响酶促反应的因素温度 pH 酶的浓度 底物浓度 抑制剂与激活剂 酶浓度对反应速度的影响 对大多数酶促反应来说 在适宜的温度 pH和底物浓度条件下 反应速度至少在初始阶段与酶的浓度成正比 如反应继续下去 则速度将降低 底物浓度对反应速度的影响 米氏方程 1913 Michaelis Menten Vmax S V Ks S 1925 Briggs Haldane稳态理论 动力学参数Km 1 S Km 则为零级反应 2 Km是酶的一个特性常数 只与酶的性质有关 与酶的浓度无关 其随测定的底物 温度 pH及离子强度而改变 3 Km可以判断酶的反应专一性和天然底物 1 Km是酶和底物亲和力的量度 4 当反应速度是最大速度的一半时 米氏常数相当于此时的底物浓度 5 Km k2 k3 k1 若k3 k2 则Km近似于Ks 6 Km可帮助推断某一代谢反应的方向和途径 Vmax和k3 Vmax 当反应物浓度增加时 酶催化反应的速度趋于一个极限值 k3 kcat 当酶被底物饱和时每秒钟每个酶分子转换底物的分子数 转换数TN Vmax E k3 赖 布二氏作图法求Km Km是酶学中的一个重要常数 其倒数叫 亲和力常数 赖 布二氏作图法求Km 多底物反应动力学 序列反应 E A BEABEPQE P Q有序反应 随机反应 序列反应 有序反应ABPQEEAEABEPQEQE随机反应ABPQEEABEPQEBAQP 乒乓反应 酶同A的的反应产物是在酶同第二个底物B反应前释放出来 且酶E转变为修饰酶形式E 后再与底物B反应产生Q E 再生为E 序列机制 乒乓机制 激活剂对酶反应的影响 概念 一些无机离子起着使酶激活的作用 钠 镁 钙 锌 氯等 激活剂对酶的作用有选择性离子之间可能存在拮抗 激活剂对酶反应的影响 阳离子 1 是酶活力中心的组成部分 2 是辅基与辅酶结构中的必要成分 3 保持活力中心结构 4 是酶作用底物的组成成分 阴离子 较为一般 典型的为氯离子对 淀粉的激活能力 抗氧化物质 巯基为活性基团的酶 抑制剂对酶反应的影响 酶的失活 酶的抑制剂竞争性抑制剂 此抑制剂与酶的正常底物相似 可结合到酶的活力中心 生成酶 抑制剂络合物 E IEI I为抑制剂 非竞争性抑制剂 其与酶的底物并不类似 但可和酶结合形成酶 抑制剂络合物 重金属 氰化物 螯合剂 氧化剂及能与 SH作用的物质非竞争性抑制剂反竞争抑制 酶只有与底物结合后 才能与抑制剂结合 可逆抑制作用 不可逆抑制作用 竞争性抑制剂 竞争性抑制可能是由于底物与抑制剂结合在酶分子的同一部位上 也可能是由于底物或抑制剂中的一个酶结合后而引起酶发生变化 非竞争性抑制 反竞争性抑制剂 竞争性抑制 1 公式中a 1 I Ki 2 3 改变Km而不改变V 当底物浓度升高 抑制作用可被解除 竞争性抑制 非竞争抑制 非竞争性抑制改变Vmax而不改变Km非竞争性抑制剂可能是作用于酶活性部位中催化基团 也可能与维持酶构象的必需基团作用 降低酶活性 非竞争抑制 反竞争抑制 几种抑制剂 不可逆抑制剂非专一性 有机磷化合物 抑制蛋白酶和酯酶活力 有机汞 有机砷 与Cys的 SH 重金属盐 烷化试剂 氰化物 硫化物 CO 与酶中金属结合 青霉素 与糖肽转肽酶的Ser的 OH结合 专一性 Ks型 亲和标记试剂Kcat型 自杀性底物 几种抑制剂 可逆抑制剂 竞争性 5 氟尿嘧啶 磺胺药 过渡态底物类似物磺胺 竞争性抑制剂 对氨基苯磺酰胺 对氨基苯甲酸 叶酸 温度对酶反应速度的影响 温度对酶反应的影响有二 1 酶反应随温度升高而加速 2 酶因热变性而失活 大多数酶的最适温度在30 40 之间 50 失活 酶的最适温度是一个有条件的常数 pH 时间 底物浓度等 酶的热失活 酶的热失活 当温度升高时 由于酶蛋白的热变性使得酶的活力逐渐丧失 酶失活速度随着温度升高而很快上升 随着温度升高 酶热失活所需的时间很快减少 pH对酶作用的影响 大多数酶的最适pH值在4 5 8 0