酶催化反应动力学PPT课件

-,1,酶催化反应动力学,-,2,1.酶催化作用特性,用量少而催化效率高；在反应中其本身不被消耗，极少量就可大大加速化学反应的进行。它能够改变化学反应的速度，但不能改变化学反应平衡。缩短平衡到达的时间，而不改变反应的平衡点。它对化学反应正逆两个方向的催化作用是相同的。酶能够稳定底物形成的过渡状态，降低反应的活化能，从而加速反应的进行。,酶和一般催化剂的共性,-,3,酶的催化作用可使反应速度提高107-1013倍。极少量酶就可催化大量反应物发生转变。例如：2H2O22H2O+O2用Fe+催化，1mol铁离子可催化10-5mol双氧水分解。在相同条件下，1mol过氧化氢酶却可催化5105mol的双氧水分解。用-淀粉酶催化淀粉水解，1克结晶酶在65C条件下可催化2吨淀粉水解。,A.高效性,酶与其他催化剂比较具有显著的特性,-,4,酶反应的活化能,过氧化氢催化分解的势能图,-,5,又称为特异性，是指酶在催化生化反应时对底物的选择性.一种酶只能催化一种或一类化合物或化学键，进行一定的化学反应，产生一定的产物，称Specificity.如，蛋白酶只能催化蛋白质的水解，酯酶只催化酯类的水解，而淀粉酶只能催化淀粉的水解。若用一般催化剂，对作用物的要求就不那么严格，以上三类物质都可以在酸或碱的催化下水解。,B.酶的专一性,-,6,绝对专一性,酶只作用于特定结构的底物，进行一种专一的反应，生成一种特定结构的产物。如：,-,7,这类酶具有高度的专一性。它们对底物的要求很严格，甚至有时只能催化一种底物，进行一种化学反应。例如脲酶只能作用于尿素，催化其水解产生氨及二氧化碳。而对尿素的各种衍生物，一般均不起作用。,-,8,相对特异性,酶作用于一类化合物或一种化学键。这种选择性不太严格（专一性相对较差）。如：,相对特异性分为：基团特异性键特异性,-,9,键专一性这种酶只对底物分子中其所作用的键要求严格，而不管键两端所连基团的性质。例如，酯酶可以水解任何酸与醇所形成的酯，它不受酯键两端基团R和R的限制。,-,10,基团专一性有些酶对底物的要求较高，它们不但要求底物具有一定的化学键，而且对键的某一端所连的基团也有一定的要求。如，-D-葡萄糖苷酶要求底物必须是D-葡萄糖通过-糖苷键所形成的糖苷，但并不要求R基团的性质。胰蛋白酶能够催化水解碱性氨基酸，如精氨酸或赖氨酸的羧基所形成的肽键，而对此肽键氨基端的氨基酸残基没有什么要求。,-,11,立体异构专一性,几乎所有的酶对于立体异构体都具有高度的专一性。即酶只能催化一种立体异构体发生某种化学反应，而对另一种立体异构体则无作用。例如乳酸脱氢酶能催化L-乳酸脱氢变为丙酮酸，对D-乳酸则无作用。,-,12,酶作用专一性机理,锁与钥匙学说：(lockandkeythoery)：将酶的活性中心比喻作锁孔，底物分子象钥匙，底物能专一性地插入到酶的活性中心。,-,13,诱导契合学说(induced-fithypothesis)：酶的活性中心在结构上具柔性，底物接近活性中心时，可诱导酶蛋白构象发生变化，这样就使酶活性中心有关基团正确排列和定向，使之与底物成互补形状有机的结合而催化反应进行。,-,14,常温、常压、pH=7酶促反应一般在pH5-8水溶液中进行，反应温度范围为20-40C。高温或其它苛刻的物理或化学条件，将引起酶的失活。,C反应条件温和,-,15,D.酶活力可调节控制,通过对酶活性的激活或抑制，对反应途径中的关键酶进行调节。也可对酶合成进行诱导或阻遏作用对酶进行的调节。如抑制剂调节、共价修饰调节、反馈调节、酶原激活及激素控制等。某些酶催化活力与辅酶、辅基及金属离子有关。,-,16,研究各种因素对酶促反应速度的影响，对阐明酶作用的机理和建立酶的定量方法都是重要的。影响因素包括有酶浓度、底物浓度、pH、温度、抑制剂、激活剂等。,研究某一因素对酶反应速度的影响时，必须使酶反应体系中的其他因素维持不变，而单独变动所要研究的因素。,2.酶促反应动力学,-,17,单底物、单产物反应酶促反应速度用单位时间内底物的消耗量和产物的生成量来表示反应速度取其初速度(指酶促反应开始时的速度)，即底物的消耗量很小（一般在5以内）时的反应速度。只有初速度才与酶浓度成正比，而且反应产物及其他因素对酶促反应速度的影响也最小。,研究前提,-,18,酶反应与底物浓度的关系,2.1底物浓度对酶催化反应速度的影响,1902年，Henri用蔗糖酶水解蔗糖的实验中观察到：在蔗糖酶浓度一定的条件下测定底物（蔗糖）浓度对酶反应速度的影响,它们之间的关系呈现矩形双曲线。,-,19,-,20,-,21,酶催化的中间产物理论,k4,-,22,1913年Michaelis和Menten根据酶促反应的中间络合物学说，推导出一个数学方程式，用来表示底物浓度与酶反应速度之间的量化关系，即米曼氏方程式，简称米氏方程(Michaelisequation)。,S：底物浓度V：不同S时的反应速度Vmax：最大反应速度(maximumvelocity)m：米氏常数(Michaelisconstant),-,23,从米氏方程可知：当底物浓度很低时SKm，此时VVmax，反应速度达最大速度，底物浓度再增高也不影响反应速度。,-,24,米氏方程式推导基于三点假说,测定的速度为反应的初速度，底物消耗很少，在反应测定所需时间内，产物生成很少，逆反应可忽略.底物浓度S显著超过酶浓度E，ES的生成不会显著降低底物浓度S，底物浓度S以起始浓度计算。酶和底物结合成ES的速度显著快于ES形成P+E的速度。,-,25,米氏常数是反应速度为最大值一半时的底物浓度。因此，米氏常数的单位为mol/L。,Km可以近似地代表E与S的亲和力,*Km越小，表示E与S亲和力越大，酶的催化活性高；Km值大表示亲和程度小，酶的催化活性低。,米氏常数（Km）意义,当v=Vmax/2时,KmS,-,26,Km值对于特定的反应条件而言是一个特征常数。只与酶的性质，酶所催化的底物和酶促反应条件(如温度、pH、有无抑制剂等)有关，与酶的浓度无关。不同的酶，具有不同的Km值。不同条件下具有不同的Km值。多底物酶，它对每一个底物都有一个Km。Km值小的底物为该酶的最适底物。Km值可以判断酶的专一性和天然底物。,-,27,Km在实际应用中的作用,鉴定酶:鉴别不同来源或相同来源但在不同发育阶段、不同生理状态下催化相同反应的酶是否属于同一种酶。判断酶的最适底物:如果一种酶可作用于多个底物,就有几个Km值，其中Km最小对应的底物就是酶的天然底物。如蔗糖酶既可催化蔗糖水解(Km=28mmol/L),也可催化棉子糖水解(Km=350mmol/L),蔗糖为该酶的天然底物。计算一定反应速度下的底物浓度:如某一反应要求的反应速度达到最大反应速度的99%，则S=99Km,-,28,了解酶的底物在体内具有的浓度水平：一般地，体内酶的天然底物S体内Km，如果S体内Km，那么VVmax，底物浓度失去生理意义，也不符合实际状态。判断反应方向或趋势：催化可逆反应的酶对正/逆两向底物Km不同Km较小者为主要底物,-,29,m值与max值的测定,双倒数作图法(doublereciprocalplot)，又称为林-贝氏(Lineweaver-Burk)作图法,（林贝氏方程）,-,30,AnEadie-Hofsteeplot将双倒数形式方程两边同乘VVmax，整理可得,V对V/S作图为一直线,-,31,1、当酶促反应进行的速率为Vmax的80%时，Km和S之间有何关系？2、由酶反应SP测得下列数据S/mol/Lv/nmolL-1min-16.2510-615.07.5010-556.251.0010-460.01.0010-374.91.0010-275.01）计算Km和Vmax2）当S=5.010-5mol/L时，酶催化反应的速率是多少？,-,32,2.2温度对酶促反应速度的影响,温度对酶促化学反应速度的影响主要表现在两个方面：一是当温度升高时，反应速度加快。化学反应中温度每增加10反应速度增加的倍数称为温度系数Q10。一般的化学反应的Q10为23，而酶促反应的Q10为12。即温度每升高10，酶促化学反应速度为原反应速度的2倍。,-,33,其二是由于酶的本质是蛋白质，因此随着温度逐渐升高，酶蛋白会因逐渐变性而失活，从而导致酶促化学反应速度下降。酶所表现的最适温度是上述两种影响综合作用的结果。,-,34,在较低的温度范围内，酶催化反应速率会随着温度的升高而加快，超过某一温度，即酶被加热到生理允许温度以上时，酶的反应速率反而随着温度的升高而下降。,这是由于温度升高，虽然可加速酶的催化反应速率，同时也加快了酶的热失活速率。,-,35,只有在某一温度条件下，酶促化学反应速度达到最大值，通常把这个温度称为酶促化学反应的最适温度(optimumtemperature)。在一定条件下每种酶都有其催化反应的最适温度。,图温度对酶促反应速度的影响,-,36,最适温度不是酶的特征物理常数，相反它常常受到其他各种条件如底物种类、作用时间、pH和离子强度等因素影响。如最适温度随酶促反应进行时间的长短而改变，这是因为温度使酶蛋白发生变性效应是随时间而逐步累加的。一般而言，酶促反应进行时间长时酶的最适温度低，酶促反应进行时间短则最适温度高，所以只有在规定的酶促反应时间内才可确定酶的最适温度。,-,37,酶在固体状态下比在溶液中对温度的耐受力更高。酶的冰冻干粉制剂通常在冰箱中可存放几个月以上，而酶溶液一般在冰箱中只能保存数周。所以酶制剂以固体保存为佳。,-,38,2.3pH对酶促反应速度的影响,通常在一定pH下，酶会表现出最大活力，而一旦高于或低于此pH，酶活力就会降低，把表现出酶最大活力时的pH称为该酶的最适pH.,-,39,图pH对酶活力的影响,在不同pH条件下进行某种酶促化学反应，然后将所测得的酶促反应速度相对于pH来作图，即可得到钟罩形曲线。,-,40,-,41,各种酶在一定条件下都有其特定的最适pH，因此最适pH是酶的特性之一。但是酶的最适pH并不是一个常数，它受诸如底物种类和浓度、缓冲液种类和浓度等众多因素的影响，因此只有在一定条件下最适pH才有意义。,-,42,绝大多数酶的最适pH在58之间，动物体内的酶最适pH多在6.58.0之间，植物及微生物中的酶最适pH多在4.56.5左右。但并不排除例外，如胃蛋白酶的最适pH为1.9，肝中精氨酸酶最适pH为9.7等等。,-,43,pH影响酶活力的原因可能包括以下几个方面：(1)过酸或过碱使酶的空间结构遭到破坏，酶活性随之丧失。(2)当pH改变不是十分剧烈时，酶虽未发生变性，但其活力已经受到影响。这是由于pH影响了底物的解离状态或酶分子活性部位上有关基团的解离状态或酶-底物复合物的解离状态，而使底物不能与酶结合形成酶-底物复合物，或者形成酶-底物复合物后不能生成产物，使酶活性降低。,-,44,(3)pH影响了与维持酶分子空间结构有关的基团解离，从而改变酶活性部位的构象，进而降低了酶的活性。,-,45,4.酶浓度对酶催化反应速度的影响,条件：无干扰因素存在，SKm,应用：酶活力测定（在一定时间内产物的数量与酶浓度呈正比）,-,46,条件：SE,E,-,47,5.抑制剂对酶促反应速度的影响,失活作用(inactivation)：酶的本质是蛋白质，凡可使酶蛋白变性而引起酶活力丧失的作用。抑制作用(inhibition)：由于酶必需基团的结构和性质发生改变，但酶并未发生变性，而引起酶活力降低或丧失的作用。导致酶发生抑制作用的物质称为抑制剂(inhibitor)。,-,48,抑制作用与变性作用从本质而言是不同的。变性剂对酶的变性作用无选择性抑制剂对酶的抑制作用是有选择性的，即一种抑制剂只能使某一种酶或对某一类酶产生抑制作用。,-,49,对酶抑制作用的探讨是研究酶的结构与功能、酶的催化机制以及阐明机体代谢途径的基本手段，也可以为医药产业中设计新药物和农业生产中设计新农药提供重要的理论依据.对酶抑制作用的研究不仅具有重要的理论意义，而且具有突出的实践价值。,-,50,抑制作用的类型巯基酶抑制剂*专一性抑制丝氨酸酶抑制剂不可逆抑制非专一性抑制抑制作用*竞争性抑制作用可逆性抑制非竞争性抑制作用反竞争性抑制作用,-,51,5.1不可逆抑制作用,irreversibleinhibitioni以共价键与E活性中心上的必需基团结合，从而抑制酶活性。这种i不能用透析、超滤等物理方法除去。常见抑制剂：丝氨酸酶抑制剂巯基酶抑制剂,-,52,丝氨酸酶抑制剂,抑制剂：有机磷化合物,丝氨酸酶,解磷定,-,53,乙酰胆碱+H2O,胆碱+乙酸,胆碱酯酶,有机磷杀虫剂,胆碱能神经过度兴奋,中毒,（心跳变慢、瞳孔缩小、流涎、多汗、呼吸困难）,-,54,巯基酶抑制剂,抑制剂：重金属离子Ag+、Hg2+、砷剂（As3+）等,Cu2+:是唾液淀粉酶的抑制剂,-,55,5.2可逆性抑制作用,reversibleinhibitioni与E或ES以非共价键结合，从而抑制酶活性。这种i可用透析、超滤等方法除去。*竞争性抑制作用分类：非竞争性抑制作用反竞争性抑制作用,-,56,竞争性抑制(competitiveinhibition),i结构与s结构相似，互相竞争与酶活性中心结合，从而抑制酶活性。,-,57,丙二酸对琥珀酸脱氢酶的竞争性抑制,琥珀酸脱氢酶,（-）,Succinate琥珀酸,Fumarate延胡索酸,Malonate丙二酸,-,58,磺胺类药物的竞争性抑制作用,磺胺药与PABA相互竞争与FH2合成酶结合,(p-aminobenzoicacid,PABA）,sulfadrugs,-,59,PABA,二氢蝶呤啶,谷氨酸,FH2合成酶,磺胺类药物,FH2,FH2还原酶,MTX,FH4,相互竞争,相互竞争,磺胺类药物的抑菌机理,（-）,（-）,氨甲蝶呤（methotrexate,MTX）,促进叶酸的合成,-,60,竞争性抑制作用特点1.i与S结构相似；2.i与S互相竞争与酶活性中心结合；3.抑制程度取决于i和S的相对比例；4.S，可以减少或去除抑制作用。5.（Km，Vmax不变）,-,61,非竞争性抑制作用(non-competitiveinhibition),i和s结构不相似，两者互不干扰同时与酶结合，从而抑制酶活性。E+SESE+P+IIEI+SESI,-,62,非竞争性抑制作用特点,1.i与S结构不相似；2.i与S互不干扰同时与酶结合；3.抑制程度只取决于i的浓度；4.S，不能去除抑制作用。（Km不变，Vmax）,-,63,由于这类抑制剂与酶活性部位以外的基团相结合，因此其结构与底物结构并无相似之处，而且不能用增加底物浓度的方法来解除这种抑制作用，故称非竞争性抑制。这类抑制最典型的例子是亮氨酸是精氨酸酶的一种非竞争性抑制剂。还有某些重金属离子如Ag+、Cu2+、Hg2+、Pb2+等对酶的抑制作用也属于这一类。,-,64,反竞争性抑制作用,抑制剂仅与酶-底物复合物ES结合，使酶失去催化活性。,-,65,这种抑制作用在单底物反应中比较少见，而常见于多底物反应中。目前已经证明，肼类化合物对胃蛋白酶的抑制作用、氰化物对芳香硫酸酯酶的抑制作用、L-苯丙氨酸和L-精氨酸等多种氨基酸对碱性磷酸酶的抑制作用都属于反竞争性抑制。,-,66,可逆抑制作用动力学,对于可逆抑制剂与酶结合后产生的抑制作用，可以根据米氏学说基本原理加以推导，来定量说明可逆抑制剂对酶促反应速度的影响。,-,67,竞争性抑制,在竞争性抑制中，底物(S)或抑制剂(I)与酶(E)的结合都是可逆的，因此存在着如下的化学平衡式：,-,68,-,69,斜率,斜率,-,70,Km变大，Vmax不变,-,71,在加入竞争性抑制剂后，Vmax不变，Km变大，KmKm，而且Km随抑制剂浓度I的增加而增加。双倒数作图所得直线相交于纵轴，这是竞争性抑制作用的特点。,-,72,非竞争性抑制,在非竞争性抑制中，抑制剂(I)与酶(E)或酶-底物复合物(ES)以及底物(S)与酶-抑制剂复合物(EI)的结合都是可逆的，因此存在着如下的化学平衡式：,-,73,-,74,截距,-,75,Km不变，Vmax变小,-,76,在加入非竞争性抑制剂后，Vmax变小，Vmax随I的增加而减小，Km值不变，而且Km=Km。双倒数作图所得直线相交于横轴，这是非竞争性抑制作用的特点。,-,77,反竞争性抑制,反竞争性抑制的特点是，酶(E)必须先与底物(S)结合，然后才与抑制剂(I)结合，即抑制剂(I)与酶-底物复合物(ES)的结合是可逆的，因此存在着如下的化学平衡式：,-,78,-,79,Km、Vmax都变小,-,80,在加入反竞争性抑制剂后，Km及Vmax都变小，而且KmKm，VmaxVmax，即表观Km及表观Vmax都随I的增加而减小。双倒数作图为一组平行线，这是反竞争性抑制作用的特点。,-,81,图3-7反竞争性抑制曲线,-,82,现将无抑制剂和有抑制剂等不同情况下的米氏方程和Vmax及Km的变化总结归纳在表中。,-,83,-,84,图3-3酶与底物或抑制剂结合的中间物,-,85,6.3可逆抑制作用和不可逆抑制作用的鉴别,鉴别可逆抑制作用和不可逆抑制作用：用透析、超滤和凝胶过滤等物理方法能否除去抑制剂来判断还可采用化学动力学的方法来区分。在测定酶活力的系统中加入一定量的抑制剂，然后测定不同酶浓度条件下的酶促反应初速度，以酶促反应初速度对酶浓度作图。,-,86,不加抑制剂时，以酶促反应初速度对酶浓度作图得到曲线1所示的一条通过原点的直线；加入一定量的不可逆抑制剂时，由于抑制剂会使一定量的酶失活，只有加入的酶量大于不可逆抑制剂的量时，才表现出酶活力。曲线2所示的一条与曲线1平行的相交于横坐标正侧的直线，所以不可逆抑制剂的作用相当于把原点向右移动；加入一定量的可逆抑制剂时，由于抑制剂的量是恒定的，因此以酶促反应初速度对酶浓度作图得到一条通过原点，但斜率较低于曲线1的直线。,-,87,图3-4可逆抑制剂与不可逆抑制剂的区别（一）曲线1，无抑制剂；曲线2，不可逆抑制剂；曲线3，可逆抑制剂,-,88,I,I,-,89,6.激活剂对酶促反应