第一章酶促反应动力学ppt课件

第一章均相酶催化反应动力学 Lysozyme 2 各节学时分布 第一节酶催化反应概论 0 5第二节简单的酶催化反应动力学 2 5第三节有抑制的酶催化反应动力学 2 5第四节复杂的酶催化反应动力学 1第五节反应条件对酶催化反应速率的影响 1 5 3 什么是均相酶催化反应 酶分子和反应物系 底物分子 产物分子等 处于同一相 液相中的反应 4 均相酶催化反应的主要特征 不存在相间的物质传递 不用考虑传质过程的影响 分子水平上的反应 是本征动力学 5 酶催化动力学的研究历史 1903年 Henri提出酶与底物作用的中间复合物学说 1913年 Michaelis和Menten提出了酶催化反应动力学基本模型 米氏方程 1925年 Briggs和Haldane对米氏方程做了修正 提出稳态学说 6 第一节酶催化反应概论 7 酶的催化反应特性 酶有很强的专一性较高的催化效率反应条件温和酶易失活需要辅因子的参与 酶可加快反应速率降低反应的活化能 Ea 不能改变反应的平衡常数K不能改变反应的自由能变化 G 8 酶的催化反应机制 酶的活性部位活性部位 直接结合底物必需基团 活性部位内 外结合部位与催化部位 结合底物与催化底物 可为同一部位 9 酶反应的专一性机制 LockandKeyModel 10 Induced FitModel 手与手套的关系 当底物接近酶的活性中心并与之结合时 酶的构象能发生改变 更适合于底物的结合 11 酶反应的高效性机制广义的酸碱催化 供给或接受质子共价催化 形成不稳定的共价中间配合物邻近及定向效应 底物分子与酶扭曲变形和构象变化效应 底物敏感键变形或扭曲多元催化与协同效应 不同侧链基团综合作用 12 第二节简单的酶催化反应动力学 13 酶促反应动力学基础 反应速率 反应速率 单位时间内反应物或生成物浓度的改变 设瞬时dt内反应物浓度的很小的改变为dS 则 若用单位时间内生成物浓度的增加来表示 则 14 反应分子数 反应分子数 反应中真正相互作用的分子数目 如 A P属于单分子反应根据质量作用定律 单分子反应的速率方程式是 双分子 如 A B C D属于双分子反应其反应速率方程可表示为 判断一个反应是单分子反应还是双分子反应 必须先了解反应机制 即了解反应过程中各个单元反应是如何进行的 反应机制往往很复杂 不易弄清楚 但是反应速率与浓度的关系可用实验方法来确定 从而帮助推论反应机制 15 反应级数 又如某一反应 A B C D 式中k为反应速率常数 根据实验结果 整个化学反应的速率服从哪种分子反应速率方程式 则这个反应即为几级反应 例 对于某一反应其总反应速率能以单分子反应的速率方程式表示 那么这个反应为一级反应 符合双分子反应的表达式 为二级反应 16 反应速率与反应物浓度无关的反应叫做零级反应 v k 反应分子数和反应级数对简单的基元反应来说是一致的 但对某些反应来说是不一致的 例如 Sucrose H2O Glucose Frucose是双分子反应 但却符合一级反应方程式 Sucrase 因为蔗糖的稀水溶液中 水的浓度比蔗糖浓度大得多 水浓度的减少与蔗糖比较可以忽略不计 因此 反应速率只决定于蔗糖的浓度 v k S 17 一级反应A B积分后得 k是反应速率常数 C是积分常数若反应开始 t 0 时 A A0 则C A0 最后得到 A A0e kt k1 18 二级反应A B C k 反应速率与反应物的性质和浓度 温度 压力 催化剂及溶剂性质有关 19 酶促反应动力学基础 平衡常数 平衡 可逆反应的正向反应和逆向反应仍在继续进行 但反应速率相等的动态过程 反应的平衡常数与酶的活性无关 与反应速率的大小无关 而与反应体系的温度 反应物及产物浓度有关 平衡常数 K 的计算 例 A 3B2C D 20 影响酶促反应的主要因素浓度因素 酶浓度 底物浓度 产物浓度等 外部因素 温度 压力 pH 溶液的介电常数 离子强度等 内部因素 底物及效应物浓度 酶的结构 21 米氏方程的建立 两点基本假设 反应物在容器中混合良好反应速率采用初始速率 22 23 k 1 k 1 E S ES E 快速平衡 k 2 假设条件 酶和底物生成复合物 ES 酶催化反应是经中间复合物完成的 反应过程中酶的浓度保持恒定 底物浓度 S 远大于酶的浓度 E 因此 ES 的形成不会降低底物浓度 S 底物浓度以初始浓度计算 忽略产物的抑制作用 不考虑P E ES这个可逆反应的存在 ES 在反应开始后与E及S迅速达到动态平衡 ES分解生成产物的速度不足以破坏这个平衡 P 24 E S ES E 由假设3可得到产物的合成速率为 对于单底物的酶促反应 2 1 P 由假设4可得到 25 对于酶复合物ES的解离平衡过程 其解离常数可以表示为 4 反应体系中酶量守恒 3 由前面的公式 1 得 代入公式 3 变换后得 即 代入公式 2 得到 5 26 代入式 5 得 6 式中 Vp max 最大反应速率如果酶量发生改变 最大反应速率相应改变 KS 解离常数 饱和常数低KS值意味着酶与底物结合力很强 看看KS的公式就知道了 当反应初始时刻 底物 S E 几乎所有的酶都与底物结合成复合物 ES 因此 E0 ES 反应速率最大 此时产物的最大合成速率为 27 k 1 k 1 E S ES E k 2 拟稳态 P 假设条件 酶和底物生成复合物 ES 酶催化反应是经中间复合物完成的 底物浓度 S 远大于酶的浓度 E 因此 ES 的形成不会降低底物浓度 S 底物浓度以初始浓度计算 在反应的初始阶段 产物浓度很低 P E ES这个可逆反应的速率极小 可以忽略不计 ES 的生成速率与其解离速率相等 其浓度不随时间而变化 28 Experimentaldatademonstratedtheconcentrationprofiles 当反应系统中 ES 的生成速率与分解速率相等时 ES 浓度保持不变的状态称为稳态 29 由于 S E0 所以 S ES S ES S 根据稳态假说 7 3 8 30 Km米氏常数 9 10 式中 31 32 快速平衡学说与稳态学说在动力学方程形式上是一致的 但Km和KS表示的意义是不同的 当k 2 k 1时 Km KS 这意味着生成产物的速率远远慢于 ES 复合物解离的速率 这对于许多酶反应也是正确的 33 米氏方程的动力学特征 反应速率与酶和底物浓度的关系反应速率与酶浓度成正比 底物过量 底物浓度对反应速率的影响 非线性 底物浓度较低 反应速率随底物浓度提高而增加 底物浓度较高 反应速率随底物浓度的提高而趋于稳定 34 底物浓度与反应速率的关系 35 反应速率 底物浓度与时间的关系 36 动力学参数rmax和Km全部酶呈复合物状态时的反应速率 即最大初始反应速率 催化活性中心速率常数kcat 酶的活性中心在单位时间内能转化底物分子为产物的最大数量 即酶的最大转换速率 单底物酶催化 kcat k 2 37 米氏常数Km的意义 Km值代表反应速率达到Vmax 2时的底物浓度 Km是酶的一个特性常数 Km的大小只与酶的性质有关 而与酶浓度无关 但底物种类 反应温度 pH和离子强度等因素会影响Km值 因此可以用Km值来鉴别酶 Km值可以判断酶的专一性和天然底物 当k 2 k 1时 Km KS 那么Km可以作为酶和底物结合紧密程度的一个度量 表示酶和底物结合的亲合力大小 若已知Km值 可以计算出某一底物浓度时 其反应速率相当于Vmax的百分率 例如 当 S 3Km时 代入米氏方程后可求得v 0 75VmaxKm值可以帮助推断某一代谢反应的方向和途径 催化可逆反应的酶 对正逆两向底物的Km值往往是不同的 例如谷氨酸脱氢酶 NAD 的Km值为2 5 10 5mol L 而NADH为1 8 10 5mol L 测定这些Km值的差别及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 38 39 MixedorderwithrespecttoS 40 问题 产物的积累使逆反应的影响不可忽略产物可能会抑制或激活酶的活力随着反应的进行 酶的活力可能会失活反应体系中的一些杂质可能会影响到酶的活性 为什么说低KS值意味着酶与底物的结合力强 为什么只有初始反应速率适用 41 M M方程动力学参数的确定 作图法 通过方程变换 将方程线性化 L B法H W法E H法积分法非线性最小二乘法回归处理信赖域法 Matlab的优化工具箱 遗传算法 不依赖于初值 可并行计算 42 L B双倒数法 将米氏方程式两侧取双倒数 得到下列方程式 以作图 得到一直线缺点 底物浓度低时不适用此法 43 44 积分法 分批酶反应体系中 S 随时间的变化过程可以用表示为 积分得到 或 与对应作图 得到一直线 斜率为 Km 截距为Vm 45 例1 1 将底物和酶加入到反应器中 底物初始浓度为2mmol L 经反应 转化率为90 求反应所需的时间t 已知反应速率方程为 解 即 积分得到 转化率为90 即 S0 S S0 0 9 S 0 2 mmol L min 46 例1 2 假设某酶有两个活性中心 它的反应机制可用下图表示 试根据快速平衡假设 求其速率方程式 解 根据解离平衡过程可得 根据酶的质量守恒可得 将上面两式变换后可得 47 变换方程可以得到以下两式 当反应速率达到最大时 所有的酶都以复合物的形式存在 则 E0 ES ESS Vmax k 2 ES ESS k 2 E0 48 例1 3 某酶催化反应 其Km 0 01mol L 现测得该反应进行到10min时 底物浓度为3 4 10 5mol L 已知 S0 3 4 10 4mol L 假定该反应可用M M方程表示 求 1 最大反应速率是多少 2 反应20min后 底物浓度为多少 解 已知米氏方程及题中条件知 S0 Km则米氏方程可表示为 10min时 S 3 4 10 5 代入上式可得 Vmax 0 01 ln10 10 0 0023molL 1min 1当t 20min ln S ln S0 Vmaxt Km ln 3 4X10 4 0 0023X20 0 01 S 20min 3 42X10 6mol L 49 第三节有抑制的酶催化反应动力学 50 抑制剂对酶促反应速率的影响 几个概念失活与抑制 失活 inactivation 由于酶蛋白分子变性而引起的酶活力丧失的现象称为失活 抑制 inhibition 由于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 称为抑制作用底物与效应物 效应物 Effecter 凡能使酶分子发生别构作用的物质叫效应物 通常为小分子代谢物或辅因子 如因别构导致酶活性降低的物质称为负效应物 51 竞争性抑制非竞争性抑制反竞争性抑制 可逆抑制 可逆抑制和不可逆抑制 如铅和汞等重金属 可逆抑制 reversibleinhibition 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性 这种抑制作用是可逆的 称为可逆抑制 不可逆抑制 抑制 52 竞争性抑制 competitiveinhibitions 抑制剂是底物的类似物 53 利用快速平衡假说 和酶的浓度方程 产物速率方程 综合以上方程 消除 ES 得到 whereand 54 拟稳态 55 TheneteffectofcompetitiveinhibitionsisanincreasedvalueofKm withreducedreactionrate butsamemaximumreactionrate Furthermore thecompetitiveinhibitioncanbeovercomebyhighsubstrateconcentration 56 动力学参数的求解 L B法 57 58 竞争性抑制的抑制百分数i 59 非竞争性抑制 Non competitiveInhibitions 这种抑制剂能结合于酶的非活性中心 但能降低酶与底物的亲和力 60 Withsimilarequationsandderivationsasbefore Where wecanget 61 拟稳态 62 Theneteffectofnon competitiveinhibitionsisareductioninrmaxwithsameMichaelis Mentenconstant Highsubstrateconcentrationwouldnotovercomenon competitiveinhibitions Otherreagentsneedtobeaddedtoblockbindingofittotheenzyme 63 动力学参数的求解 L B法 64 65 非竞争性抑制的抑制百分数i 66 反竞争性抑制 UncompetitiveInhibitions 这种抑制剂仅能与ES复合物结合 而与游离酶不能直接结合 67 Withsimilarequationsandderivativesasbefore whereand wecanget 68 拟稳态 69 Obviously theneteffectofuncompetitiveinhibitionsisareductioninbothKm andr max andthenetresultisareductioninreactionrate 70 动力学参数的求解 L B法 71 反竞争性抑制的抑制百分数i 72 三种抑制的比较 动力学参数曲线的相互关系抑制百分率 73 动力学参数的比较 74 各种抑制的比较 竞争性抑制 非竞争性抑制 反竞争性抑制 75 L B图的比较 76 抑制百分数的比较 定义式竞争性抑制非竞争性抑制反竞争性抑制 77 底物抑制 SubstrateInhibitions X P 高浓度的底物会抑制一些酶促反应 k 2 78 Withsimilarequationsandderivationsasbefore 变换方程得 Then wecanget 79 when Namely thenor Namely thenor DiscussionsaboutSubstrateInhibitions Thesubstrateconcentrationatwhichthemaximumreactionrateachievescanbeobtainedbysetting andwecanget Lowsubstrateconcentration TheoriginMichaelis Mentenequationobtained thusnoinhibitionobserved Highsubstrateconcentration Theinhibitioneffectisdominant 80 底物抑制反应的优化 81 Atlowsubstrateconcentration therateexpressionapproximatestotheMichaelis Mentenequation thenthecurveindouble reciprocalplotisparallelwiththelinearlinedenotedtheinstancewithoutsubstrateinhibition Similarly athighsubstrateconcentration thecurveindouble reciprocalplotisinhyperbolicmode PlotsonSubstrateInhibitions 82 产物抑制 productinhibitions k 2 83 第四节复杂的酶催化反应动力学 84 一 双底物酶反应动力学 顺序机制乒乓机制随机机制 85 1 顺序机制 86 I Orderedsequentialmechanisms 87 2 乒乓机制 88 II ping pongmechanisms 89 90 III Randomsequentialmechanisms 91 92 二 变构酶 AllostericEnzyme 反应动力学 又称别构酶 调节酶 它是一种寡聚酶 由多个亚基组成 这类酶具有别构部位和活性部位 当底物分子与别构酶结合时 能诱导酶的结构改变 增加酶与底物的结合能力 表现出底物对酶的激活效应 如 已糖激酶 血红蛋白 93 AllostericEnzyme Therateexpression wherenisthecooperativitycoefficient 协同系数 andn 1indicatespositivecooperativity Byrearranging wehave n 1indicatesnegativecooperativity eg glyceraldehyde3 phosphatedehydrogenase 94 PlotsonAllostericEnzymes 95 动力学方程式 96 第五节反应条件对