均相酶反应动力学优选ppt资料

均相酶反应(fǎnyìng)动力学第一页，共92页。第三章均相酶催化反应动力学酶催化反应的基本特征简单的酶催化反应动力学有抑制(yìzhì)的酶催化反应动力学多底物酶催化机理第二页，共92页。实例(shílì)：脂肪酶催化酯化反应：生物柴油油料甘油+脂肪酸甲醇(jiǎchún)NaOH生物(shēngwù)柴油高果糖浆：淀粉浆液α-淀粉酶糊精糖化酶葡萄糖葡萄糖异构酶果糖第三页，共92页。化学反应(huàxuéfǎnyìng)的基础知识反应进行(jìnxíng)的方向反应进行(jìnxíng)的可能性反应进行(jìnxíng)的限度化学(huàxué)热力学反应进行的速率反应机制化学动力学第四页，共92页。反应(fǎnyìng)速率及其测定反应速率：单位时间(shíjiān)内反应物或生物浓度的改变。设瞬时dt内反应物浓度的很小改变为ds，则：若用单位时间内生成物浓度(nóngdù)的增加来表示，则：第五页，共92页。反应(fǎnyìng)分子数反应分子数：是在反应中真正相互作用的分子的数目。如：AP属于单分子反应根据质量(zhìliàng)作用定律，单分子反应的速率方程式是：双如：A+BC+D属于双分子反应(fǎnyìng)其反应(fǎnyìng)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。第六页，共92页。反应(fǎnyìng)级数根据实验结果，整个化学反应(huàxuéfǎnyìng)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。又如某一反应：A+BC+D式中K为反应(fǎnyìng)速率常数符合双分子反应(fǎnyìng)的表达式，为二级反应(fǎnyìng)。

把反应速率与反应物浓度无关的反应叫做零级反应。第七页，共92页。反应(fǎnyìng)分子数和反应(fǎnyìng)级数对简单的基元反应(fǎnyìng)来说是一致的，但对某些反应(fǎnyìng)来说是不一致的。例如：是双分子(fēnzǐ)反应，但却符合一级反应方程式。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。第八页，共92页。酶促反应(fǎnyìng)动力学基础——反应(fǎnyìng)速率零级(línɡjí)反应一级反应(fǎnyìng)ABK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=lnA0，最后得到：A=A0e-kt一级反应第九页，共92页。二级反应(fǎnyìng)A+BCKK指反应的速率常数反应速率与反应物的性质和浓度、温度、压力(yālì)、催化剂及溶剂性质有关第十页，共92页。酶促反应(fǎnyìng)动力学基础——平衡常数平衡：可逆反应(fǎnyìng)的正向反应(fǎnyìng)和逆向反应(fǎnyìng)仍在继续进行，但反应(fǎnyìng)速率相等。反应(fǎnyìng)的平衡常数与酶的活性无关，与反应(fǎnyìng)速率的大小无关，而与反应(fǎnyìng)体系的温度、反应(fǎnyìng)物及产物浓度有关。平衡常数（K）的计算：例：A+3B2C+D第十一页，共92页。酶的基本概念酶可加快反应速率降低反应的活化能（E0）不能改变(gǎibiàn)反应的平衡常数K不能改变(gǎibiàn)反应的自由能变化（ΔG）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第十二页，共92页。第十三页，共92页。酶与底物的作用(zuòyòng)机理LockandkeyModel第十四页，共92页。Induced-FitModel象手与手套的关系。当底物接近酶的活性中心并与之结合(jiéhé)时，酶的构象能发生改变，更适合于底物的结合(jiéhé)。第十五页，共92页。酶促反应(fǎnyìng)动力学基础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(jièdiànchánɡshù)，离子强度等）内部因素（效应物，酶的结构）第十六页，共92页。酶反应(fǎnyìng)动力学酶反应动力学的两点基本(jīběn)假设：反应物在容器中混合良好反应速率采用初始速率第十七页，共92页。单底物(dǐwù)酶促反应动力学＋k1k2ESES＋Ek3Pk4快速平衡学说的几点假设条件：酶和底物(dǐwù)生成复合物[ES]，酶催化反应是经中间复合物完成的。底物(dǐwù)浓度[S]远大于酶的浓度[E]，因此[ES]的形成不会降低底物(dǐwù)浓度[S]，底物(dǐwù)浓度以初始浓度计算。不考虑P+EES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。第十八页，共92页。快速平衡学说(xuéshuō)对于单底物的酶促反应：由假设(jiǎshè)4可得到：由假设3可得到产物的合成(héchéng)速率：(1)(2)第十九页，共92页。反应(fǎnyìng)体系中酶量守恒：由前面(qiánmian)的公式（1）得：代入公式(gōngshì)（3），变换后得：对于酶复合物ES的解离平衡过程来说，其解离常数可以表示为，即，代入公式（2）得到（3）（4）（5）第二十页，共92页。当反应初始时刻(shíkè)，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：代入式（5）得：式中：Vp,max：最大反应速率如果酶的量发生改变，最大反应速率相应改变。Ks：解离常数，饱和(bǎohé)常数低Ks值意味着酶与底物结合力很强。（6）第二十一页，共92页。稳态学说(xuéshuō)1.酶和底物生成复合物[ES]，酶催化反应(fǎnyìng)是经中间复合物完成的。2.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。3.在反应(fǎnyìng)的初始阶段，产物浓度很低，P+EES这个可逆反应(fǎnyìng)的速率极小，可以忽略不计。4.[ES]的生成速率与其解离速率相等，其浓度不随时间而变化。第二十二页，共92页。当反应系统中[ES]的生成(shēnɡchénɡ)速率与分解速率相等时，[ES]浓度保持不变的状态成为稳态。Experimentaldatademonstratedtheconcentrationprofiles.第二十三页，共92页。由于(yóuyú)[S]>>[E0]，所以[S]>>[ES]，[S]-[ES]≈[S]根据(gēnjù)稳态假说，(7)(3)(8)第二十四页，共92页。(9)(10)式中：Km米氏常数(chángshù)Michaelis-Menten第二十五页，共92页。第二十六页，共92页。快速平衡(pínghéng)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。MixedorderwithrespecttoS第二十七页，共92页。底物浓度与反应(fǎnyìng)速率的关系第二十八页，共92页。反应速率、底物浓度(nóngdù)与时间的关系第二十九页，共92页。米氏常数(chángshù)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能影响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=0.75Vmax。Km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(tuīcè)该酶催化正逆两向反应的效率。第三十页，共92页。问题为什么只有初始(chūshǐ)反应速率可以使用？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(tǐxì)中的一些杂质可能会影响到酶的活性……为什么说低Km值意味着酶与底物(dǐwù)的结合力强？考虑一下km的定义：第三十一页，共92页。动力学参数(cānshù)的求解作图法（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(chǔlǐ)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）第三十二页，共92页。L-B双倒数(dǎoshù)法将米氏方程式两侧取双倒数，得到(dédào)下列方程式：以作图,得到(dédào)一直线缺点：实验点过分集中在直线的左下方，影响Km和Vmax的准确测定。第三十三页，共92页。积分法分批酶反应(fǎnyìng)体系中[S]随时间的变化过程可以用表示为：积分(jīfēn)得到,或,与对应作图，得到一直线(zhíxiàn)，斜率为-Km,截距为Vm。第三十四页，共92页。例1：如果要求反应速度达到Vmax的99%，求其底物(dǐwù)浓度。

解：例2：过氧化氢(ɡuòyǎnɡhuàqīnɡ)酶的Km值为25mmol/L，当底物过氧化氢(ɡuòyǎnɡhuàqīnɡ)浓度为100mmol/L时，求在此底物浓度下过氧化氢(ɡuòyǎnɡhuàqīnɡ)酶被底物饱和的百分数。解：得，即，认为有80%的酶已与底物作用(zuòyòng)生成了中间产物，故过氧化氢酶在此时被底物饱和的百分数为80%。第三十五页，共92页。例3有一均相酶催化反应，Km值为2×10-3mol/L，当底物的初始浓度[S0]为1×10-5mol/L时，若反应进行(jìnxíng)1min，则有2%的底物转化为产物。试求出：（1）当反应进行(jìnxíng)3min，底物转化为产物的百分数是多少？此时底物和产物的浓度分别为多少？（2）当[S0]为1×10-6mol/L时，也反应了3min，底物和产物的浓度是多少？（3）最大反应速率Vmax值为多少？

解：（1）根据题意，[S0]＜0.01Km，

所以V=Vmax[S0]/Km=-ds/dt

即，ln([S0]/[S])=Vmax/Kmt

反应进行(jìnxíng)1min时，[S]=（1-2%）×[S0]=0.98×10-5mol/L

∴Vmax/Km=0.2min-1

反应进行(jìnxíng)3min时，ln([S0]/[S])=0.2×3=0.0606

∴[S]=0.94×10-5mol/L，XS=6%

……第三十六页，共92页。抑制剂对酶促反应速率(sùlǜ)的影响几个概念失活与抑制【失活】(inactivation)：由于酶蛋白分子(fēnzǐ)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(fēnzǐ)发生别构作用的物质叫效应物，通常为小分子(fēnzǐ)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。第三十七页，共92页。竞争性抑制(yìzhì)非竞争性抑制(yìzhì)反竞争性抑制(yìzhì)可逆抑制(yìzhì)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(jiéhé)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。不可逆抑制抑制第三十八页，共92页。竞争性抑制(yìzhì)(competitiveinhibitions)ESIEIXP抑制剂是底物(dǐwù)的类似物E+S+I[ES]E+P[EI]KIKm’第三十九页，共92页。利用快速(kuàisù)平衡假说:和酶的浓度(nóngdù)方程,产物(chǎnwù)速率方程,综合以上方程,消除[ES]得到：where

and

。第四十页，共92页。Theneteffectofcompetitiveinhibitionsisan

increasedvalueofwith

reduced

reactionrate,but

samemaximumreactionrate.Furthermore,thecompetitiveinhibition

canbeovercome

byhighsubstrateconcentration.竞争性抑制(yìzhì)(competitiveinhibitions)第四十一页，共92页。非竞争性抑制(yìzhì)(Non-competitiveInhibitions)ESEISIXP这种抑制剂能结合于酶的非活性中心，但能降低(jiàngdī)酶与底物的亲和力。E+S+I[ES]+IE+P[EI]+S[ESI]Km’Km’KIKI第四十二页，共92页。Withsimilarequationsandderivationsasbefore,Where.wecanget,第四十三页，共92页。Theneteffectofnon-competitiveinhibitionsisa

reductionin

with

same

Michaelis-Mentenconstant.Highsubstrateconcentration

wouldnot

overcomenon-competitiveinhibitions.

Otherreagents

needtobeaddedtoblockbindingofittotheenzyme.PlotsonNon-competitiveInhibitions第四十四页，共92页。反竞争性抑制(yìzhì)(UncompetitiveInhibitions)SEI+ESESIXP这种抑制剂仅能与ES复合物结合，而与游离(yóulí)酶不能直接结合。E+S[ES]+IE+P[ESI]Km’KI第四十五页，共92页。Withsimilarequationsandderivativesasbefore,whereand.

wecanget,第四十六页，共92页。因此，反应速率只决定于蔗糖的浓度。令得到(dédào),Michaelis-Menten米氏常数(chángshù)Km的意义？whereand。快速平衡(pínghéng)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。产物(chǎnwù)速率方程,Rearrangement,第八十三页，共92页。RandomsequentialmechanismsFixedsubstrateconcentrationdependenceforenzymesdisplayingping-pongmechanisms反应体系(tǐxì)中的一些杂质可能会影响到酶的活性第二十三页，共92页。根据质量(zhìliàng)作用定律，单分子反应的速率方程式是：和酶的浓度(nóngdù)方程,当底物接近酶的活性中心并与之结合(jiéhé)时，酶的构象能发生改变，更适合于底物的结合(jiéhé)。PlotsonUncompetitiveInhibitionsObviously,theneteffectofuncompetitiveinhibitionsisa

reduction

inbothand,andthenetresultis

a

reduction

inreactionrate.第四十七页，共92页。各种(ɡèzhǒnɡ)抑制的比较竞争性抑制(yìzhì)非竞争性抑制(yìzhì)反竞争性抑制第四十八页，共92页。例在含有相同酶浓度的五个反应物系中，分别加入不同浓度的底物，并测定(cèdìng)其初始速率，然后再在同样五个反应物系中分别加入浓度为2.2×10-1mmol/L的抑制剂，并测其初始的反应速率，其数据见下表。底物初始浓度mmol/L无抑制时速率mmol/(L﹒min)有抑制时速率mmol/(L﹒min)0.1028180.1536240.2043300.5063510.707463试根据上述数据(shùjù)决定其抑制类型及动力学参数值。第四十九页，共92页。解：将上述实验(shíyàn)数据分别取其倒数，以1/v-1/[S]作图，得到下图的两条直线，他们在纵轴上有一共同点，这表明该抑制为竞争性抑制。1/Vsi-1/[S]1/Vs0-1/[S]第五十页，共92页。Vmax=1/0.010=100mmol/LKm=1/(0.0104/0.0026)=0.25mmol/LKmI=1/(0.0108/0.0045)=0.42mmol/LKI=0.27mmol/L第五十一页，共92页。底物(dǐwù)抑制(SubstrateInhibitions)高浓度的底物会抑制一些(yīxiē)酶促反应。EES+SSESSXPE+S[ES]+SE+P[ESS]Km’KSIk+2第五十二页，共92页。Withsimilarequationsandderivationsasbefore,变换(biànhuàn)方程得：Then,wecanget,第五十三页，共92页。即为,.即,则

或

即,,则

或

DiscussionsaboutSubstrateInhibitions反应速率最大时,其底物(dǐwù)浓度为:低物浓度(nóngdù)很低时,即为没有抑制剂存在情况(qíngkuàng)下的米氏方程.

底物浓度很高时,底物的抑制性就很明显.第五十四页，共92页。Atlowsubstrateconcentration,therateexpressionapproximatestotheMichaelis-Mentenequation,thenthecurveindouble-reciprocal(双倒数(dǎoshù))plotisparallel(平行)withthelinearlinedenotedtheinstancewithoutsubstrateinhibition.Similarly,

athighsubstrateconcentration,thecurveindouble-reciprocalplot

isin

hyperbolic(双曲线)

mode.PlotsonSubstrateInhibitions第五十五页，共92页。产物(chǎnwù)抑制(productinhibitions)EESEPPSPE+S+P[ES]E+P[EP]Km’KPk+2第五十六页，共92页。影响(yǐngxiǎng)酶催化反应速率的因素影响(yǐngxiǎng)酶催化反应速率的因素有很多，它们会影响(yǐngxiǎng)到酶的结构或化学状态。pH温度表面张力化学试剂(醇,脲和过氧化物)辐射(光,微波,离子化,g射线等)第五十七页，共92页。pH对酶促反应(fǎnyìng)的影响一些酶的活性中心存在离子基团(jītuán)，因此VariationofpH另一方面，底物分子(fēnzǐ)中包含离子基团，反应体系的pH也有可能会影响到底物与酶结合的亲和力。Ionicform(离子形式)ModifiesReactionrateChanges

Enzymeactivity(酶活)Influences

第五十八页，共92页。ForCASEI(IonicEnzyme):Thereactionschemeisasfollow:Wherethemeaningsofthedenotationsare:EH:activeformE-,EH2+:inactiveformE-:deprotonationform(还原(huányuán)态)EH2+:protonationform(氧化态)第五十九页，共92页。Withsimilaranalysisandderivationsasbefore,wecanget,where第六十页，共92页。考虑到酶发挥最佳的活力状态(zhuàngtài)是EH，最佳pH应该是唯一的，而在最佳pH时，EH的浓度应该达到最大。为什么酶反应(fǎnyìng)的最佳pH会是在pK1和pK2之间?因此，我们现在只要考察酶与质子H+的相互作用。根据解离常数的定义和酶的质量守恒可得：第六十一页，共92页。消除(xiāochú)[E-]和[EH2+]项，可得到：令得到(dédào),即,第六十二页，共92页。ForCASEII(IonicSubstrate)Thereactionschemeisasfollow:Similarly,wecanget,

where

SH+

+

E+S

+

H+H+ESH+Km'E

+

HP+k2K1EH++SKm'第六十三页，共92页。一般来说中，酶促反应的最佳pH还是很难预测的，通常需要通过(tōngguò)实验来确定。pH-activityprofilesoftwoenzymes.(A)胃蛋白酶(wèidànbáiméi);(B)延胡索酸酶(以苹果酸为底物时)第六十四页，共92页。温度对酶促反应(fǎnyìng)的影响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(yǐshàng)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(shēnɡɡāo)，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。第六十五页，共92页。温度激活作用(zuòyòng)(上升区)酶催化反应速率常数(chángshù)中的k2与温度的关系符合Arrhenius方程:即,

式中[E]活性酶的浓度; Ea是反应活化能(kcal/mol).R是气体常数T是绝对温度(juéduìwēndù)，A是前因子第六十六页，共92页。热失活作用(下降(xiàjiàng)区)(酶的热变性(biànxìng)作用)酶的热变性失活符合一级反应动力学方程：式中[E0]酶的初始浓度;kd变性常数.积分得到,

此外(cǐwài),式中

Edisthedenaturationenergy(kcal/mol).第六十七页，共92页。例2-1：将底物和酶加入到分批式反应器中，底物初始(chūshǐ)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：在分批式反应器中

即：积分(jīfēn)得到：转化率为90%，即([S0]-[S])/[S0]=0.9,[S]=0.2第六十八页，共92页。例2-2：假设某酶有两个活性中心，它的反应机制(jīzhì)可用下图表示，试根据稳态假设，求其速率方程式E+S[ES]+SE+P[ESS]KmKSI[ES]+Pk+2k+2解：根据(gēnjù)解离平衡过程可得根据(gēnjù)酶的质量守恒可得将上面两式变换后可得

第六十九页，共92页。变换方程(fāngchéng)可以得到以下两式：当反应速率(sùlǜ)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]第七十页，共92页。例2-3：某酶催化反应(fǎnyìng)，其Km=0.01mol/L,现测得该反应(fǎnyìng)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(fǎnyìng)可用M-M方程表示。试求：

(1)最大反应(fǎnyìng)速率是多少?

(2)反应(fǎnyìng)20min后，底物浓度为多少？解：已知米氏方程(fāngchéng)及题中条件知[S0]<<Km则米氏方程(fāngchéng)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第七十一页，共92页。Two-SubstrateReactionsRandomsequentialmechanisms(随机机制)Orderedsequentialmechanisms(顺序(shùnxù)机制)Ping-Pongmechanisms(乒乓机制)第七十二页，共92页。所有(suǒyǒu)底物(A和B)与酶结合后，反应才能发生；各底物与酶的结合次序及产物与酶的释放次序是随机的。I.RandomsequentialBiBimechanisms反应(fǎnyìng)底物(dǐwù)A,B与酶E结合产物P,Q从酶的结合点释放第七十三页，共92页。I.RandomsequentialBiBimechanismsBimolecularsubstratesBimolecularproducts第七十四页，共92页。AusefulrelationshipexistsamongaboveconstantsRearrangement,(a)第七十五页，共92页。Relationshipofvand[A]Fromeq(a),then第七十六页，共92页。Relationshipofvand[B]第七十七页，共92页。Fixedsubstrateconcentrationdependenceforenzymesdisplayingrandomsequentialmechanisms.DependenceofV’maxon[A]DependenceofK’on[A]DependenceofV’maxon[B]DependenceofK’on[B]第七十八页，共92页。II.OrderedsequentialBiBimechanisms所有底物(A和B)与酶结合后，反应才能发生；各底物与酶的结合及产物与酶的释放(shìfàng)是按一定次序进行的。反应底物A,B与酶E结合产物P,Q从酶的结合点释放第七十九页，共92页。Rearrangement,第八十页，共92页。Relationshipofvand[B]第八十一页，共92页。Relationshipofvand[A]第八十二页，共92页。FixedsubstrateconcentrationdependenceforenzymesdisplayingorderedsequentialmechanismsdependenceofV’maxon[B]dependenceof