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第9章酶促反应动力学 一 化学动力学基础二 底物浓度对酶反应速率的影响三 酶的抑制作用四 温度对酶反应的影响五 pH对酶反应的影响六 激活剂对酶反应的影响 kineticsofenzyme catalyzedreaction 研究酶促反应动力学的意义 酶促反应动力学是研究酶促反应的速率以及影响酶反应速率的各种因素的科学 在研究酶的结构与功能的关系以及酶的作用机制时 需要动力学提供实验证据 为发挥酶催化反应的高效率 寻找最有利的反应条件 为了解酶在代谢中的作用和某些药物的作用机制等 都需要掌握酶促反应速率的规律 二 底物浓度对酶反应速率的影响 酶反应速率对底物浓度作图 中间复合物学说 为了解释这个现象 Henri和Wurtz提出了酶 底物复合物学说 该学说认为 当酶催化反应时 酶首先与底物结合 生成酶 底物复合物 然后生成产物 并释放出酶 反应用下式表示 S EES P E 酶底物中间复合物存在的证据 电子显微镜和X光衍射直接观察到酶与底物的复合物 酶与底物结合后光谱发生变化 溶解度或热稳定性在加入底物后发生变化 分离到了酶底物复合物 超离心沉降过程中 可观察到酶和底物共沉降的现象 平衡透析时 观察到底物在半透膜两侧浓度不相同 半透膜的一侧有酶 另一侧无酶 有酶一侧底物浓度高于无酶一侧 1 平衡学说 Henri Michaelis和Menten方程 1902年Henri和Brown提出了酶催化的反应机理1913年Michaelis和Menten完善了这个理论 他们认为酶反应的第一步是快速可逆的平衡 第二步慢 为限速反应 平衡学说推导反应速度方程的假设前提 在推导动力学方程时 有几点假设 第一步迅速平衡 第二步慢 即k3 E S ES 酶以E和ES两种状态存在 平衡法推导出的米氏方程 其中 米氏方程是一个双曲线方程 若以 S 为自变量 V为因变量 可以作出双曲线 与实验测得的结果相符 2 稳态理论 1925年 Briggs和Haldane提出了稳态 steadystate 理论 对米氏方程做了一项很重要的修正 在反应式中 k3值不小 后一步骤不是限速步骤 所谓稳态是指反应进行一段时间后 系统中的酶 底物复合物浓度由零逐渐增加到一定数值 然后保持不变 即处于稳态水平 此时ES的解离和分解速率之和等于ES的形成速率 稳态法推导出的米氏方程 其中 两个米氏方程的区别 这两个方程的区别就在于快速平衡法推导的方程中米氏常数是Ks 而稳态法推导的米氏方程中米氏常数是Km Ks是 ES 的解离平衡常数 当时 转化成 米氏方程的几个特点 从米氏方程中可以看出 当 S Km时 反应速率达到最大 并与底物浓度无关 属零级反应 当 S Km时 所以 Km的意义是使反应速率达到最大反应速率一半时的底物浓度 米氏方程曲线 米氏常数的意义 Km是酶的特征性常数 其单位是浓度单位 在一定的反应条件下 对于一定的底物 Km是定值 Km可以判断酶的天然底物 有些酶可以作用于几个底物 其中Km最小的底物是天然底物 当k3 k2时 Km Ks 可以作为判断酶与底物亲和力的指标 Km越小 酶与底物的亲和力越大 多底物的酶促反应 酶促反应按底物分子数的分类 三 酶的抑制作用 因酶蛋白变性而酶活力丧失称为酶的失活作用 而因为某种物质与酶结合使酶活力下降或丧失称为酶的抑制作用 酶受抑制丧失活力时酶蛋白并没有变性 能抑制酶活力的物质称为酶的抑制剂 inhibitor 研究酶的抑制作用是研究酶的结构和功能 酶的催化机制 以及阐明代谢途径的基本手段 也可以为医药设计新药物和为新农药的研制提供理论依据 抑制程度的表示方法 1 相对活力分数 残余活力分数 2 相对活力百分数 残余活力百分数 3 抑制分数 被抑制而失去活力的分数 4 抑制百分数 抑制作用的类型 1 不可逆抑制作用 irreversibleinhibition 抑制剂与酶活性中心的基团以共价键结合 不能用透析 超滤 凝胶过滤等物理方法去除 2 可逆抑制作用 reversibleinhibition 抑制剂与酶活性中心的基团以非共价键结合 可以用透析 超滤 凝胶过滤等物理方法去除而使酶恢复活力 可逆抑制作用的3种类型 1 竞争性抑制 competitiveinhibition I和S竞争与酶的活性中心结合 二者只能结合一个 竞争性抑制剂通常是底物类似物 它可以与酶结合 但不能被酶催化发生反应 竞争性抑制剂举例 可逆抑制作用的3种类型 2 非竞争性抑制 noncompetitiveinhibition I与S可以分别与酶结合 谁先结合都可以 形成ESI三元复合物 但ESI中的S不能转变成产物 这类抑制剂是与酶活性中心之外的某个部位结合 竞争性和非竞争性抑制剂的抑制机理 可逆抑制作用的3种类型 3 反竞争性抑制剂 uncompetitiveinhibition I只与ES结合 只有ES能分解出产物 ESI中的S不能转变成产物 由于I的存在促进了E和S的结合 所以称为反竞争性抑制 ES I ESI P E I 一些重要的不可逆抑制剂 1 非专一性不可逆抑制剂 有机磷化合物 有机汞 有机砷化合物 重金属盐 烷化试剂 氰化物 硫化物和CO 青霉素 2 专一性不可逆抑制剂 Ks型不可逆抑制剂 Kcat型不可逆抑制剂 四 温度对酶反应的影响 在较低温度范围内 酶反应速率随着温度的升高而增加 当温度高到一定程度时 酶开始变性失活 反应速率反而下降 所以对于酶反应来说 有一个最适反应温度 一般来说 动物细胞内酶的最适反应温度在35 40 植物细胞中的酶可达40 50 也有一些生长在堆肥 温泉中的微生物酶的最适温度更高 如TaqDNA聚合酶的最适温度可高达70 需要注意的是 最适温度值不是酶的特征性常数 此值随着反应时间的延长而有所下降 温度对酶反应速率的影响 五 pH对酶反应的影响 酶的活力受环境pH的影响 存在一个最适反应pH 酶的最适反应pH也不是一个特征性常数 而是受到底物种类和浓度 缓冲液种类和浓度的不同而改变 4种酶的pH 酶活性曲线 胃蛋白酶木瓜蛋白酶胆碱酯酶胰蛋白酶 pH影响酶活力的原因 pH影响酶活力的原因有以下几方面 过酸或过碱使酶变性失活 pH偏离最适pH不多时 酶分子中及底物分子中各可解离基团的解离状态发生了变化 不利于底物与酶的结合及催化反应 由于酶分子可解离基团的解离状态发生了改变 导致酶分子构象发生改变 不利于底物与酶的结合及催化反应 最适反应pH示意图 六 激活剂对酶反应的影响 有些物质与酶结合后可以提高酶活力 这些物质称为酶的激活剂 activator 或活化剂 它们大部分是无机离子或小分子化合物 少数是大分子物质如蛋白质 作为激活剂的金属离子有K Na Ca2 Mg2 Zn2 Fe2 等 它们与酶蛋白