第一章酶促反应动力学PPT课件

1、2021/7/241第一章 均相酶催化反应动力学Lysozyme2021/7/2422021/7/243 酶分子和反应物系酶分子和反应物系( (底物分子、产物底物分子、产物分子等分子等) )处于同一相液相中的反处于同一相液相中的反应应2021/7/244 不存在相间的物质不存在相间的物质传递，不用考虑传传递，不用考虑传质过程的影响质过程的影响 分子水平上的反应，分子水平上的反应，是本征动力学是本征动力学2021/7/245 19031903年，年，HenriHenri提出酶与底物作用的中间提出酶与底物作用的中间复合物学说。复合物学说。 19131913年，年，MichaelisMichaeli

2、s和和MentenMenten提出了酶催提出了酶催化反应动力学基本模型化反应动力学基本模型-米氏方程。米氏方程。 19251925年，年，BriggsBriggs和和HaldaneHaldane对米氏方程做对米氏方程做了修正，提出稳态学说。了修正，提出稳态学说。2021/7/2462021/7/247酶有很强的专一性酶有很强的专一性较高的催化效率较高的催化效率反应条件温和反应条件温和酶易失活酶易失活需要辅因子的参与需要辅因子的参与l酶可加快反应速率l降低反应的活化能(Ea)l不能改变反应的平衡常数Kl不能改变反应的自由能变化(G)2021/7/248 酶的活性部位酶的活性部位 活性部位：直接结

3、合底物活性部位：直接结合底物 必需基团：活性部位内、外必需基团：活性部位内、外 结合部位与催化部位：结合底物与催化底物，结合部位与催化部位：结合底物与催化底物，可为同一部位可为同一部位2021/7/249 Lock and Key Model2021/7/24102021/7/2411 酶反应的高效性机制酶反应的高效性机制广义的酸碱催化：供给或接受质子广义的酸碱催化：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扭曲变形和构象变化效应：底物敏感键变形或扭曲

4、多元催化与协同效应：不同侧链基团综合作用多元催化与协同效应：不同侧链基团综合作用2021/7/24122021/7/2413 反应速率：单位时间内反反应速率：单位时间内反应物或生成物浓度的改变。应物或生成物浓度的改变。 设瞬时设瞬时dt内反应物浓度的内反应物浓度的很小的改变为很小的改变为dS，则：，则： 若用单位时间内生成物浓若用单位时间内生成物浓度的增加来表示，则：度的增加来表示，则：tSvddtPvddtPtStPvdd2021/7/2414 反应分子数反应分子数：反应中真正相互作用的分子数目。：反应中真正相互作用的分子数目。 如：如：A PA P属于单分子反应属于单分子反应 根据质量作用

5、定律，单分子反应的速率方程式是：根据质量作用定律，单分子反应的速率方程式是： 双分子双分子, ,如：如：A AB CB CD D属于双分子反应属于双分子反应 其反应速率方程可表示为：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，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。的关系可用实验方法来确定，从而帮助推论

6、反应机制。Akv BAkv 2021/7/2415又如某一反应：又如某一反应：A + B C + DA + B C + DkvBA式中式中k k为反应速率常数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。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，那么这个反应为率方程式表示，那么这个反应为一级反应一级反应。符合双分子反应的表达式，为符合双分子反应的表达式，为二级反应二级反应。2021/7/2416

7、反应分子数和反应级数对简单的基元反应来说是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：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。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，因为蔗糖的稀水溶液中，水的浓度比蔗糖浓度大得多水的浓度比蔗糖浓度大得多，水，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。于蔗糖的浓度。 v = k S2021/7/2417

8、一级反应一级反应A B积分后得：积分后得：k是反应速率常数，是反应速率常数，C是积分常数是积分常数若反应开始若反应开始(t=0)时时,A=A0,则则C=A0, 最后得到最后得到: A=A0e-ktkAddAtvk1CkAlntAtA0tddA一级反应一级反应2021/7/2418 二级反应二级反应A+B CABvkk反应速率与反应速率与反应物的性质和浓度、反应物的性质和浓度、温度、压力、催化剂及溶剂性质温度、压力、催化剂及溶剂性质有关有关2021/7/2419 平衡：可逆反应的正向反应和逆向反应仍在继续进行，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。但反应速率相

9、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。关，而与反应体系的温度、反应物及产物浓度有关。 平衡常数平衡常数(K)的计算：的计算：例：例：A+3B2C+D32BADCK2021/7/2420 影响酶促反应的主要因素影响酶促反应的主要因素浓度因素浓度因素（酶浓度，底物浓度，产物浓度等）（酶浓度，底物浓度，产物浓度等）外部因素（温度，压力，外部因素（温度，压力，pH，溶液的介电常数，溶液的介电常数，离子强度等）离子强度等）内部因素（底物及效应物浓度，酶的结构）内部因素（底物及效应物浓度

10、，酶的结构）2021/7/2421两点基本假设： 反应物在容器中混合良好反应物在容器中混合良好 反应速率采用初始速率反应速率采用初始速率2021/7/24222021/7/2423k+1k-1ESESEk+2假设条件：假设条件： 酶和底物生成复合物酶和底物生成复合物ESES，酶催化反应是经中间复合，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。物完成的，反应过程中酶的浓度保持恒定。 底物浓度底物浓度SS远大于酶的浓度远大于酶的浓度EE，因此，因此ESES的形成不的形成不会降低底物浓度会降低底物浓度SS，底物浓度以初始浓度计算。，底物浓度以初始浓度计算。 忽略产物的抑制作用，不考虑

11、忽略产物的抑制作用，不考虑P+EESP+EES这个可逆反应的这个可逆反应的存在。存在。1.1.ESES在反应开始后与在反应开始后与E E及及S S迅速达到动态平衡迅速达到动态平衡, ES, ES分解分解生成产物的速度不足以破坏这个平衡。生成产物的速度不足以破坏这个平衡。P2021/7/2424k+1k-1ESESEk+2ddESktPvP2由假设由假设3可得到产物的合成速率为：可得到产物的合成速率为：对于单底物的酶促反应对于单底物的酶促反应:(2)00ttdtdSdtdP (1)PESkSEk11由假设由假设4可得到：可得到：2021/7/2425对于酶复合物对于酶复合物ES的的解离平衡过程解

12、离平衡过程其其解离常数解离常数可以表示为可以表示为ESSEkkKS11ESE + Sk-1k+1(4)ESEE0反应体系中反应体系中酶量守恒酶量守恒：(3)由前面的公式由前面的公式(1)得：得：代入公式代入公式(3),变换后得：变换后得：11-SkESkE110kkSSEES即即,SKSSEES0代入公式代入公式(2)得到得到SKSSEkvP02(5)2021/7/2426ddmaxSKSVSKSEktPvSPSP02代入式代入式(5)得：得：(6)式中：式中：Vp,max: 最大反应速率最大反应速率 如果酶量发生改变，最大反应速率相应改变。如果酶量发生改变，最大反应速率相应改变。KS: 解离

13、常数解离常数，饱和常数，饱和常数 低低KS值意味着酶与底物结合力值意味着酶与底物结合力很强很强 (看看看看KS的公式就知道了的公式就知道了)。max02EkVP当反应初始时刻，底物当反应初始时刻，底物SE,几乎所有的酶都与底物结合成几乎所有的酶都与底物结合成复合物复合物ES，因此，因此E0ES,反应速率最大，此时产物的最大反应速率最大，此时产物的最大合成速率为：合成速率为：2021/7/2427k+1k-1ESESEk+2拟稳态拟稳态P假设条件：假设条件：酶和底物生成复合物酶和底物生成复合物ES，酶催化反应是经中间复合物完，酶催化反应是经中间复合物完成的。成的。底物浓度底物浓度S远大于酶的浓度

14、远大于酶的浓度E，因此，因此ES的形成不会降低的形成不会降低底物浓度底物浓度S，底物浓度以初始浓度计算。，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，在反应的初始阶段，产物浓度很低，P+EES这个可逆反这个可逆反应的速率极小，可以忽略不计。应的速率极小，可以忽略不计。1. ES的生成速率与其解离速率相等，其浓度不随时间而变的生成速率与其解离速率相等，其浓度不随时间而变化。化。2021/7/2428Experimental data demonstrated the concentration profiles.当反应系统中当反应系统中 ES的生成速率与分解速率相等时，的生成速率与分

15、解速率相等时，ES浓度浓度保持不变的状态称为稳态。保持不变的状态称为稳态。2021/7/24290dtESd由于由于SE0,所以所以SES, S-ESSk+1k-1ESESEk+2P根据稳态假说，根据稳态假说，0211ddESkESkSEktESESEE0(7)SkkkSEES1210(3)(8)2021/7/2430dd2ESktPvPddmaxSKSVSkkkSEktPvmPP1210212121kkKkkkKSmmax02EkVP(Km米氏常数米氏常数)(9)(10)式中：式中：2021/7/2431项目 快速平衡学说 稳态学说 酶和底物生成不稳定复合物ES，酶催化反应是经该中间复合物完

16、成的，即： E+S ES E + P ES在反应开始后与 E 及 S 迅速达到动态平衡 11kkKS ES的生成速率与其解离速率相等，其浓度不随时间而变化 0ddtCES 假设 底物浓度远高于酶的浓度。CS CE 酶量守恒 CE0=CE+CES 产物生成速率 ES2ddCktP 动力学方程 ddmaxSKSVtPSP ddmaxSKSVtPmP KS与 Km 11kkKS 121kkkKS k+1k-1k+22021/7/2432快速平衡学说与稳态学说在动力学方程形式上是一致快速平衡学说与稳态学说在动力学方程形式上是一致的，但的，但Km和和KS表示的意义是不同的。表示的意义是不同的。当当k+2

17、k-1时，时，Km=KS。这意味着生成产物的速率远远这意味着生成产物的速率远远慢于慢于ES复合物解离的速率。这对于许多酶反应也是复合物解离的速率。这对于许多酶反应也是正确的。正确的。2021/7/2433反应速率与酶和底物浓度的关系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反应速率与酶浓度成正比( (底物过量底物过量) )底物浓度对反应速率的影响：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。的提高而趋于稳定。2021/

18、7/24340.00.40.80.000.060.120.180.24vS,mvS (mmol/L/h)S (mmol/L)vS,maxKm底物浓度底物浓度反应速率反应速率mV21Vm2021/7/24350246810120.000.050.100.150.20 vS (mmol/L/h)time (h)反应速率反应速率反应时间反应时间0246810120.00.20.40.60.81.01.2 S (mmol/L)time (h)底物浓度底物浓度反应时间反应时间2021/7/2436动力学参数动力学参数r rmaxmax和和K Km m 全部酶呈复合物状态时的反应速率，即最大初全部酶呈复合

19、物状态时的反应速率，即最大初始反应速率。始反应速率。 催化活性中心速率常数催化活性中心速率常数k kcatcat: :酶的活性中心在单位时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。速率。 单底物酶催化：单底物酶催化： k kcatcat=k=k+2+2max02EkVP2021/7/2437 Km值代表反应速率达到值代表反应速率达到Vmax/2时的底物浓度。时的底物浓度。 Km是酶的一个特性常数，是酶的一个特性常数，Km的大小的大小只与酶的性质有关只与酶的性质有关，而与酶，而与酶浓度无关。但底物种类、反应温度

20、、浓度无关。但底物种类、反应温度、pH和离子强度等因素会影和离子强度等因素会影响响Km值。因此可以用值。因此可以用Km值来鉴别酶。值来鉴别酶。 Km值可以判断值可以判断酶的专一性酶的专一性和天然底物。和天然底物。 当当k+2k-1时，时， Km KS ，那么，那么Km可以作为酶和底物结合紧密可以作为酶和底物结合紧密程度的一个度量，表示程度的一个度量，表示酶和底物结合的亲合力酶和底物结合的亲合力大小。大小。 若已知若已知Km值，可以计算出某一底物浓度时，其值，可以计算出某一底物浓度时，其反应速率反应速率相当于相当于Vmax的百分率。例如的百分率。例如:当当S=3 Km时，代入米氏方程后可求得时，

21、代入米氏方程后可求得v=0.75Vmax Km值可以帮助值可以帮助推断某一代谢反应的方向和途径。推断某一代谢反应的方向和途径。催化可逆反应催化可逆反应的酶，对正逆两向底物的的酶，对正逆两向底物的Km值往往是不同的，例如谷氨酸脱氢值往往是不同的，例如谷氨酸脱氢酶，酶，NAD+的的Km值为值为2.510-5mol/L，而，而NADH为为1.810-5 mol/L。测定这些。测定这些Km值的差别及正逆两向底物的浓度，可以大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。致推测该酶催化正逆两向反应的效率。2021/7/24382021/7/2439Mixed order with

22、 respect to S2021/7/2440 产物的积累使逆反应的影响不可忽略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反应体系中的一些杂质可能会影响到酶的活性的活性a.为什么说低为什么说低KS值意味着酶与底物的结合力强？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为什么只有初始反应速率适用2021/7/2441l作图法作图法(通过方程变换，将方程线性化通过方程变换，将方程线性化)L-B法法H-W法法E-H法法积分法积分法l非线

23、性最小二乘法回归处理非线性最小二乘法回归处理信赖域法信赖域法(Matlab的优化工具箱的优化工具箱)遗传算法遗传算法(不依赖于初值，可并行计算不依赖于初值，可并行计算)2021/7/2442 将米氏方程式两侧取双将米氏方程式两侧取双倒数，得到下列方程式：倒数，得到下列方程式： 以作图以作图,得到一得到一直线直线 缺点：底物浓度低时不缺点：底物浓度低时不适用此法。适用此法。maxmaxVSVKvm111S1 1对vv11SmaxV1mK12021/7/24432021/7/2444分批酶反应体系中分批酶反应体系中S随时间的变化过程可以用表示为：随时间的变化过程可以用表示为：SKSVdtSdvmm

24、S积分得到积分得到,ln00SSKSStVmm或或,与与 对应作图，得到一直线，对应作图，得到一直线，斜率为斜率为-Km ,截距为截距为Vmln10SSttSS0 ln1 00SStKVtSSmm2021/7/2445解：解：SSvS1ddSStSvS1即：即：d 1 dSSStSSt00积分得到：积分得到：)(lnSSSSt00转化率为转化率为90%，即，即(S0-S)/S0=0.9, S=0.2min .).(.ln14202202t2021/7/2446E + SES + SE + PESSKmKSIES + Pk+2k+2解：根据解离平衡过程可得解：根据解离平衡过程可得 ,ESSSES

25、KESSEKSIm根据酶的质量守恒可得根据酶的质量守恒可得 ESSESEE0将上面两式变换后可得将上面两式变换后可得 SImKSESESSESKE02021/7/2447变换方程可以得到以下两式：变换方程可以得到以下两式： SImSISISImKSSKKSEKSESESSKSSKEES ,1100dd ESSkESktP22SImSIKSSKKSVtPv)(ddmax111120202ddSKSKKEkKSSKEktPSISImSIm当反应速率达到最大时，当反应速率达到最大时，所有的酶都以复合物的形式存在，所有的酶都以复合物的形式存在，则则 E0=ES+ESS, Vmax=k+2(ES+ESS

26、)=k+2E02021/7/2448解：已知米氏方程解：已知米氏方程及题中条件知及题中条件知S01 indicates positive cooperativity.By rearranging, we have,mmKSnvVv lnlnlnn1 indicates negative cooperativity. eg, glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase. 2021/7/2494Plots on Allosteric Enzymes双曲线S形曲线2021/7/2495 动力学方程式动力学方程式nSHnSSCKCrrmax2021/7/24962

27、021/7/2497影响酶催化反应速率的因素有很多，它们会影响到酶的结影响酶催化反应速率的因素有很多，它们会影响到酶的结构或化学状态。构或化学状态。pH温度温度 表面张力表面张力化学试剂化学试剂(醇醇, 脲和过氧化物脲和过氧化物)辐射辐射(光光,微波微波,离子化离子化, g g 射线等射线等)2021/7/2498一些酶的活性中心存在一些酶的活性中心存在离子基团离子基团，因此，因此Variation of pH另一方面，底物分子中包含另一方面，底物分子中包含离子基团离子基团，反应体系的，反应体系的pH也也有可能会影响到底物与酶结合的有可能会影响到底物与酶结合的亲和力亲和力。Ionic form

28、Modifies Reaction rateChanges Enzyme activityInfluences 2021/7/24992021/7/24100 考虑到酶发挥最佳的活力状态是考虑到酶发挥最佳的活力状态是EH，最佳，最佳pH应该是唯一应该是唯一的，而在最佳的，而在最佳pH时，时，EH的浓度应该达到最大的浓度应该达到最大。为什么为什么酶反应的最佳酶反应的最佳pH会是在会是在pK1和和pK2之间之间? 因此，我们现在只要考察酶与质子因此，我们现在只要考察酶与质子H+的相互作用。的相互作用。E- + H+K2EH+EH2+H+K1EHHEKEHHEHK22120EHEHEE根据根据解离常数解离常数的定义和酶的质量守恒可得：的定义和酶的质量守恒可得：2021/7/24101消除消除 E- 和和 EH2+ 项，可得到：项，可得到：11210HKKHEEH令令 得到得到,00ddHEEH21KKHopt即即,)(opt2121pKpKpH2021/7/24102一般来说，酶促反应的最佳一般来说，酶促反应的最佳pHpH还是很难预测的，通还是很难预测的，通常需要通过常需要通过实验实验来确定。来确定。pH-activity profi