生物化学第8章酶促反应动力学概述

1、主 要 内 容 底物浓度对酶促反应速率的影响底物浓度对酶促反应速率的影响 酶的抑制作用酶的抑制作用 温度对酶促反应的影响温度对酶促反应的影响 pH对酶促反应的影响对酶促反应的影响 激活剂对酶促反应的影响激活剂对酶促反应的影响10.1 底物浓度底物浓度对酶促反应速率的影响对酶促反应速率的影响 酶促反应中酶促反应中,如果如果S大大过量大大过量, V与与E的关系如何？的关系如何？ 实际情况下，实际情况下，E稳定，而稳定，而S变化，变化，V与与S的关系如何？的关系如何？S + E = P + E10.1.1 中间络合物学说中间络合物学说 1903年年Henri用蔗糖酶水解蔗糖实验研用蔗糖酶水解蔗糖实验

2、研究底物浓度与反应速率的关系。究底物浓度与反应速率的关系。S为解释此现象，提出了中间络合物学说S + E ES P + EABC 19131913年，年，Michaelis and MentenMichaelis and Menten根据中根据中间复合物学说提出米氏方程。间复合物学说提出米氏方程。S+PEESE+KskSE, ES分解为产物的逆反应忽略不计 =VmaxSKs + S 19251925年，年，Briggs and HaldaneBriggs and Haldane提出了稳提出了稳态理论，对米氏方程做出了重要的修正。态理论，对米氏方程做出了重要的修正。E + SESk1k2ESE

3、+ Pk3k4（1）（2）ESES不仅与（不仅与（1 1）有关，也与）有关，也与(2)(2)有关。有关。10.1.2 米氏方程的推导米氏方程的推导E + SESE + Pk1k2k3k4当反应系统中当反应系统中ESES的生成速率与降解速率相等时，的生成速率与降解速率相等时，络合物络合物ESES的浓度保持不变，即达到的浓度保持不变，即达到稳定状态稳定状态即：即：dESdt= 010.1.2 米氏方程的推导米氏方程的推导在反应初始阶段时，在反应初始阶段时，E+PES的速率极小，可以忽的速率极小，可以忽略不计，略不计，E+SES, 于是于是ES的生成速率可表示为：的生成速率可表示为：dESdt= k

4、1(E-ES)S (1)通常通常SE，即，即S-ES S，ES分解速率与分解速率与ESS+E 和和ESP+E 有关，于是有关，于是ES的分解速率可表示为：的分解速率可表示为：dESdt-= k2ES+k3ES (2)10.1.2 米氏方程的推导米氏方程的推导达到动态平衡时，达到动态平衡时，ES生成与分解速率相等：生成与分解速率相等： k1(E-ES)S = k2ES+k3ES（E-ES）SES=k2 + k3k1=KmES=ESKm + S(3)10.1.2 米氏方程的推导米氏方程的推导因为酶反应速率（因为酶反应速率（ ）与）与ES成正比，即成正比，即 = k3 ES=k3ES=k3ESKm

5、+ S代入方程（代入方程（3 3）得：）得： 由于反应系统中由于反应系统中SE，当酶全部被饱和形成，当酶全部被饱和形成ES时，时，E=ES酶促反应达到最大反应速率酶促反应达到最大反应速率Vmax，即，即Vmax=k3ES=k3E =VmaxSKm + S10.1.2 米氏方程的推导米氏方程的推导10.1.2 米氏方程的推导米氏方程的推导根据米氏方程：根据米氏方程：（1）当）当SKm时，时，v=Vmax，此条件下可正解测得酶活力，此条件下可正解测得酶活力（3）当）当S=Km时，时，v=Vmax/2v =VmaxSKm= K S10.1.3 Km的意义的意义1、Km是酶的特性常数是酶的特性常数Km

6、的大小只与酶的性质有关，而与酶浓度无关，但与底物、温度、pH及离子强度有关。2、Km可判断酶的专一性和天然底物可判断酶的专一性和天然底物Km最小的底物称为该酶的最适底物或天然底物。1/km近似表示酶与底物的亲和力。3、当、当k3k2时，时，Km=k2/k1，Km=Ks（解离常数），严格地说是1/Ks表示酶与底物的亲和力，当k3极小时，1/Km才表示酶与底物的亲和力。10.1.3 Km的意义的意义酶 底物Km/moLL-1谷氨酸脱氢酶 谷氨酸 1.2 10-4 -酮戊二酸 2.0 10-3 NAD+ 2.5 10-5 NADH 1.8 10-5丙酮酸羧化酶 丙酮酸 4.0 10-4 HCO3-

7、1.0 10-3 ATP 6.0 10-510.1.3 Km的意义的意义4、已知、已知Km可求在某一底物浓度时的反应速率可求在某一底物浓度时的反应速率 如当如当S=4Km时，时，V=80%Vmax； 当当S=10Km时，时，V=91%Vmax5、Km可帮助推断某一代谢反应的方向和途径可帮助推断某一代谢反应的方向和途径丙酮酸乳酸脱氢酶丙酮酸脱氢酶丙酮酸脱羧酶丙酮酸丙酮酸乳酸 Km=1.7 10-5乙酰辅酶A Km=1.3 10-3乙醛 Km=1.0 10-310.1.4 Vmax和和K3的意义的意义1、在一定酶浓度下，酶对特定底物的、在一定酶浓度下，酶对特定底物的Vmax也是一常数。也是一常数。

8、 同一种酶对不同的底物的同一种酶对不同的底物的Vmax不一样，不一样，pH、温度和离、温度和离 强度等也会影响强度等也会影响Vmax的值。的值。2、当、当S很大时，很大时，Vmax=k3E， k3是一级反应速率常数；是一级反应速率常数； 因此因此k3表示当酶被底物饱和时每秒钟每个酶分子转换底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，又称转换系数（物的分子数，又称转换系数（TN）或催化常数（）或催化常数（Kcat）, Kcat越大，表示催化效率越高。越大，表示催化效率越高。10.1.4 Vmax和和K3的意义的意义3、生理条件下、生理条件下S Km， Vmax = kcat E 代

9、入米氏方程代入米氏方程 v = kcat E S / Km + S = kcat E S / Km得出：得出：v = kcat / KmES kcat / Km为为E和和S反应形成产物的表观二级速度常数，单反应形成产物的表观二级速度常数，单位：位：L/mol s。 kcat / Km大小可以比较不同酶或同一种酶催化不同底物的催大小可以比较不同酶或同一种酶催化不同底物的催化效率。化效率。 10.1.5 Km和和Vmax的求法的求法 Lineweaver-Burk双倒数作图法双倒数作图法 Eadie-Hofstee作图法作图法10.1.5 Km和和Vmax的求法的求法双倒数作图法双倒数作图法010

10、.1.5 Km和和Vmax的求法的求法 Eadie-Hofstee作图法作图法0例题 为了确定某酶的催化反应的初速度的底物依赖关系，制备为了确定某酶的催化反应的初速度的底物依赖关系，制备了一系列的了一系列的l00mll00ml含有不同底物浓度的反应混合物。向每含有不同底物浓度的反应混合物。向每个混合物加入相同量的酶后便开始反应。通过测定每单位个混合物加入相同量的酶后便开始反应。通过测定每单位时间（分钟）所形成的产物量而获得催化反应的初速度，时间（分钟）所形成的产物量而获得催化反应的初速度，其结果如下表所示。其结果如下表所示。 底物浓度(mol/L) 1106 5106 1105 1104 11

11、03 1102 初速度 (mol/min) 0.08 0.25 0.33 0.48 0.50 0.50 把表中的数据绘制成图，在给出的酶量下的把表中的数据绘制成图，在给出的酶量下的VmaxVmax是多少是多少? ? 根据米氏方程，用根据米氏方程，用VmaxVmax、和和S S推演出推演出KmKm的代数表达式。计算每个反应混合物的的代数表达式。计算每个反应混合物的KmKm。 KmKm值取决于底物浓度吗值取决于底物浓度吗? ? 当底物浓度为当底物浓度为0.1mol0.1molL L1 1和和l ll0l07 7molmolL L1 1时，计算它们的初速度。时，计算它们的初速度。 反应混合物保温反应

12、混合物保温2 2分钟后确定反应的初速度。分钟后确定反应的初速度。当初始底物浓度为当初始底物浓度为1 110102 2molmolL L1 1时，计算产时，计算产物的生成量。在物的生成量。在2 2分钟后底物总量的百分之几分钟后底物总量的百分之几被转换被转换? ? 10.2 酶的抑制作用酶的抑制作用 酶的失活与抑制的区别酶的失活与抑制的区别 酶抑制程度的表示方法酶抑制程度的表示方法 酶抑制作用的类型酶抑制作用的类型 可逆与不可逆抑制作用的鉴别可逆与不可逆抑制作用的鉴别 可逆抑制作用动力学可逆抑制作用动力学 一些重要的抑制剂一些重要的抑制剂10.2 酶的抑制作用酶的抑制作用10.2.1 酶的失活与抑

13、制的区别酶的失活与抑制的区别 凡是使酶蛋白质变性而引起酶活力凡是使酶蛋白质变性而引起酶活力丧失的作用称为丧失的作用称为失活作用失活作用；由于酶；由于酶必需基团化学性质的改变，但酶未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变性，而引起酶活力的降低或丧失而称为而称为抑制作用抑制作用。10.2.2 酶抑制程度的表示方法酶抑制程度的表示方法 相对活力分数相对活力分数 相对活力百分数相对活力百分数 抑制分数抑制分数 抑制百分数抑制百分数a = vivoa% = vivo100%i = 1- a = 1-vivoi %= (1- a) 100% =(1- ) 100% vivo10.2

14、.3 酶抑制作用的类型酶抑制作用的类型 不可逆抑制作用（不可逆抑制作用（Irreversible inhibition） 抑制剂与酶的必需基团以共价键相结合引起抑制剂与酶的必需基团以共价键相结合引起酶活力丧失，不能用透析、超滤等物理方法酶活力丧失，不能用透析、超滤等物理方法去除抑制剂的影响。去除抑制剂的影响。 可逆抑制作用（可逆抑制作用（ Reversible inhibition ） 抑制剂与酶的必需基团以非共价键相结合引抑制剂与酶的必需基团以非共价键相结合引起酶活力下降或丧失，能用物理方法去除抑起酶活力下降或丧失，能用物理方法去除抑制剂的影响。它分为三种：竞争性抑制、非制剂的影响。它分为三

15、种：竞争性抑制、非竞争性抑制和反竞争性抑制。竞争性抑制和反竞争性抑制。酶的竞争性抑制作用酶的竞争性抑制作用 大部分竞争性抑制剂（大部分竞争性抑制剂（competitive inhibitor）与底物结构类似，因此能与酶活性部位结合，与底物结构类似，因此能与酶活性部位结合，与酶形成可逆的与酶形成可逆的EI复合物，但复合物，但EI不能分解成产不能分解成产物物P，酶反应速率下降，它可以通过增加底物，酶反应速率下降，它可以通过增加底物浓度而解除。浓度而解除。如丙二酸和戊二酸是琥珀酸脱氢如丙二酸和戊二酸是琥珀酸脱氢酶的竞争性抑制剂酶的竞争性抑制剂。E + S ES P + E+ IEI P + E酶的竞

16、争性抑制作用酶的竞争性抑制作用酶的竞争性抑制作用酶的竞争性抑制作用酶的非竞争性抑制作用酶的非竞争性抑制作用E + S ES P + E+IEI + S ESI P + E+I底物和抑制剂同时和酶结合，两者无竞争作用。I与S结构无共同之处，酶活性降低或被抑制，不能用增加底物浓度来解除抑制。酶的非竞争性抑制作用酶的非竞争性抑制作用酶的反竞争性抑制作用酶的反竞争性抑制作用酶只有与底物结合后才能与抑制剂结合。L-Phe，L-Arg等对碱性磷酸酶的作用是反竞争性抑制，肼类化合物抑制胃蛋白酶、氰化物抑制芳香硫酸酯酶的作用也属此类。10.2.4 可逆与不可逆抑制的鉴别可逆与不可逆抑制的鉴别Shi, G.,

17、et al. Environ Health Perspect, 2009. 117(3): p. 379-8610.2.5 -竞争性抑制作用动力学竞争性抑制作用动力学E = Ef + ES + EIVmax = k3 E v = k3ESVmaxv=Ef + ES + EIESKm =EfSESEf=ESKmSKi =EfIEIEI=EfIKi10.2.5- 竞争性抑制作用动力学竞争性抑制作用动力学10.2.5- 非竞争性抑制作用动力学非竞争性抑制作用动力学10.2.5- 反竞争性抑制作用动力学反竞争性抑制作用动力学10.2.5- Dixon作图法求作图法求Ki随I的增加类型类型VmaxVma

18、xKmKm竞争性抑制竞争性抑制不变不变增加增加非竞争性抑制非竞争性抑制减小减小不变不变反竞争性抑制反竞争性抑制减小减小减小减小10.2.6 一些重要的酶抑制剂一些重要的酶抑制剂不可逆抑制剂： 非专一性抑制剂：有机磷化合物、有机汞砷化合物、 重金属盐、氰化物、硫化物、CO、青霉素等 专一性抑制剂：TLCK（对甲基苯磺酰-L-赖氨酰氯甲酮） -卤代-D-Ala是丙氨酸消旋酶的抑制剂可逆抑制剂：磺胺药（如对氨基苯磺酰胺）10.2.6 一些重要的酶抑制剂一些重要的酶抑制剂二异丙基氟磷酸：抑制胆碱酯酶活性，使乙酰胆碱不能被分解成乙酸和胆碱，引起乙酰胆碱的积累，使神经处于过渡兴奋状态，因此此类化合物又称神

19、经毒气。10.2.6 一些重要的酶抑制剂一些重要的酶抑制剂有机磷化合物：抑制蛋白酶或酯酶活性敌敌畏敌百虫萨林10.2.6 一些重要的酶抑制剂一些重要的酶抑制剂有机砷化合物：与酶的巯基结合而抑制活性路易斯毒气10.2.6 一些重要的酶抑制剂一些重要的酶抑制剂苯甲脒是胰蛋白酶的竞争性抑制剂苯甲脒10.2.6 一些重要的酶抑制剂一些重要的酶抑制剂对氨基苯磺酰胺是二氢叶酸合成酶的竞争性抑制剂（在细菌中催化对氨基苯甲酸合成二氢叶酸）H2NCOOHH2NSO2NH2对氨基苯甲酸对氨基苯磺酰胺磺胺类药物可与对氨基苯甲酸竞争二氢叶酸合成酶，影响FH2的合成，导致细菌生长繁殖受抑制，达到治病效果。10.2.6 一些重要的酶抑制剂一些重要的酶抑制剂过渡态底物类似物作为酶的竞争性抑制剂腺苷次黄嘌呤腺苷羟化嘌呤核苷10.2.6 一些重要的酶抑制剂一些重要的酶抑制剂过渡态底物类似物作为酶的竞争性抑制剂酵母醛缩酶反应磷酸