酶促反应动力学

1、第10章 酶促反应动力学,kinetics of enzymecatalyzed reactions,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. pH 5. 酶的激活剂,第一节 底物浓度对酶反应速率的影响,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）。,为解释这一实验结果，Henri和Wu

2、rtz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+E ES P+E,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） k1 k3 k2 k4 对于ES的形成速度： dES / dt =k1(E ES) * S 对于ES的分解速度： - dES / dt = k2ES + k3ES,S+E ES P+E,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 = k2ES + k3ES 移项 (E ES) * S / ES =

3、(k2+k3) / k1 令：Km = (k2+k3) / k1 ES= E*S Km+S （1）,因为当底物浓度很高时，酶反应速率（v）与ES成正比，即 v = k3ES ,代入（1）式得： V = k3ES / (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 = k3ES = k3E （3） V = Vmax *s Km +S 米氏方程，Km米氏常数,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,1. Km值的物

4、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 = Km Km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moll。,三、Km值的意义, = Vmax *s Km +S,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10-610-1mol/L之间。,Km = (k2+k3) / k1,三、Km值的意义,3. Km值可以判断酶的专一性和天然

5、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。,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,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

6、大致推测该酶催化正逆两向反应的效率，,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。,转换数的定义,当底物浓度很高时，Vmax = k3ES = k3E，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(catalytic constant，kcat)。 kcat值越大，表示酶的催化效率越高。,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1/2

7、Vmax，可求得相应的S，即Km值。,S,v,Km,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.,五、Km和Vmax值的测定,(3) HanesWoolf作图法 将前式两边均乘以S得：以s/ vs作图，得一直线，横轴的截距为 -Km，斜率为1/ Vmax,第二节 酶的抑制作用,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

8、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.,抑制与失活之间关系的总结,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 x 100% (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) x 100% 通常所谓抑制率是指抑制分数或抑制百分数。,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

9、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,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。,(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+SESI或ES+IESI。但三元复合物不能分解为

10、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。,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 / Ki1,1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,1竞争性抑制曲线图,2非竞争性抑制,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

11、响,2非竞争性抑制曲线,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：,3反竞争性抑制的曲线,总 结,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，,第三节 温度对酶反应的影响,温度对酶反应的影响,最适温度,机理：温度导致酶蛋白变性,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

12、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。,第四节 pH对酶反应的影响,pH对酶反应的影响,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。,第五节 激活剂对酶反应的 影响,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