酶促反应动力学

关于酶促反应动力学2各节学时分布第一节酶催化反应概论：0.5第二节简单的酶催化反应动力学：2.5第三节有抑制的酶催化反应动力学：2.5第四节复杂的酶催化反应动力学：1第五节反应条件对酶催化反应速率的影响：1.5第2页,共109页，2024年2月25日，星期天3什么是均相酶催化反应？酶分子和反应物系(底物分子、产物分子等)处于同一相－－液相中的反应第3页,共109页，2024年2月25日，星期天4均相酶催化反应的主要特征不存在相间的物质传递，不用考虑传质过程的影响分子水平上的反应，是本征动力学第4页,共109页，2024年2月25日，星期天5酶催化动力学的研究历史1903年，Henri提出酶与底物作用的中间复合物学说。1913年，Michaelis和Menten提出了酶催化反应动力学基本模型---米氏方程。1925年，Briggs和Haldane对米氏方程做了修正，提出稳态学说。第5页,共109页，2024年2月25日，星期天6第一节

酶催化反应概论第6页,共109页，2024年2月25日，星期天7酶的催化反应特性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需要辅因子的参与酶可加快反应速率降低反应的活化能(Ea)不能改变反应的平衡常数K不能改变反应的自由能变化(ΔG)第7页,共109页，2024年2月25日，星期天8酶的催化反应机制

酶的活性部位

活性部位：直接结合底物必需基团：活性部位内、外结合部位与催化部位：结合底物与催化底物，可为同一部位第8页,共109页，2024年2月25日，星期天9酶反应的专一性机制LockandKeyModel第9页,共109页，2024年2月25日，星期天10Induced-FitModel手与手套的关系.当底物接近酶的活性中心并与之结合时，酶的构象能发生改变，更适合于底物的结合。第10页,共109页，2024年2月25日，星期天11

酶反应的高效性机制广义的酸碱催化：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多元催化与协同效应：不同侧链基团综合作用第11页,共109页，2024年2月25日，星期天12第二节

简单的酶催化反应动力学第12页,共109页，2024年2月25日，星期天13酶促反应动力学基础-反应速率反应速率：单位时间内反应物或生成物浓度的改变。设瞬时dt内反应物浓度的很小的改变为dS，则：若用单位时间内生成物浓度的增加来表示，则：tPtS第13页,共109页，2024年2月25日，星期天14反应分子数反应分子数：反应中真正相互作用的分子数目。如：A→P属于单分子反应根据质量作用定律，单分子反应的速率方程式是：双分子,如：A＋B→C＋D属于双分子反应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的关系可用实验方法来确定，从而帮助推论反应机制。第14页,共109页，2024年2月25日，星期天15反应级数又如某一反应：A+B→C+D式中k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。符合双分子反应的表达式，为二级反应。第15页,共109页，2024年2月25日，星期天16反应速率与反应物浓度无关的反应叫做零级反应。

v=k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：Sucrose+H2O─→Glucose+Frucose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，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。

v=k[S]第16页,共109页，2024年2月25日，星期天17一级反应A─→B 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=A0,最后得到:A=A0e-ktk1AtA0一级反应第17页,共109页，2024年2月25日，星期天18二级反应A+B─→Ck反应速率与反应物的性质和浓度、温度、压力、催化剂及溶剂性质有关第18页,共109页，2024年2月25日，星期天19酶促反应动力学基础-平衡常数平衡：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。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。平衡常数(K)的计算：例：A+3B

2C+D第19页,共109页，2024年2月25日，星期天20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，离子强度等）内部因素（底物及效应物浓度，酶的结构）第20页,共109页，2024年2月25日，星期天21米氏方程的建立两点基本假设：

反应物在容器中混合良好反应速率采用初始速率第21页,共109页，2024年2月25日，星期天22第22页,共109页，2024年2月25日，星期天23＋k+1k-1ESES＋E快速平衡k+2假设条件：酶和底物生成复合物[ES]，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。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。忽略产物的抑制作用，不考虑P+E→ES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,ES分解生成产物的速度不足以破坏这个平衡。P第23页,共109页，2024年2月25日，星期天24＋k+1k-1ESES＋Ek+2由假设3可得到产物的合成速率为：对于单底物的酶促反应:(2)(1)P由假设4可得到：第24页,共109页，2024年2月25日，星期天25对于酶复合物ES的解离平衡过程其解离常数可以表示为ES

E+Sk-1k+1(4)反应体系中酶量守恒：(3)由前面的公式(1)得：代入公式(3),变换后得：即,代入公式(2)得到(5)第25页,共109页，2024年2月25日，星期天26代入式(5)得：(6)式中：Vp,max:最大反应速率如果酶量发生改变，最大反应速率相应改变。KS:解离常数，饱和常数

低KS值意味着酶与底物结合力很强

(看看KS的公式就知道了)。当反应初始时刻，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：第26页,共109页，2024年2月25日，星期天27＋k+1k-1ESES＋Ek+2拟稳态P假设条件：酶和底物生成复合物[ES]，酶催化反应是经中间复合物完成的。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。在反应的初始阶段，产物浓度很低，P+E→ES这个可逆反应的速率极小，可以忽略不计。[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27页,共109页，2024年2月25日，星期天28Experimentaldatademonstratedtheconcentrationprofiles.当反应系统中[ES]的生成速率与分解速率相等时，[ES]浓度保持不变的状态称为稳态。第28页,共109页，2024年2月25日，星期天29由于[S]>>[E0],所以[S]>>[ES],[S]-[ES]≈[S]＋k+1k-1ESES＋Ek+2P根据稳态假说，(7)(3)(8)第29页,共109页，2024年2月25日，星期天30(Km米氏常数)(9)(10)式中：第30页,共109页，2024年2月25日，星期天31k+1k-1k+2第31页,共109页，2024年2月25日，星期天32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。第32页,共109页，2024年2月25日，星期天33米氏方程的动力学特征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(底物过量)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。第33页,共109页，2024年2月25日，星期天34底物浓度与反应速率的关系底物浓度反应速率Vm第34页,共109页，2024年2月25日，星期天35反应速率、底物浓度与时间的关系反应速率反应时间底物浓度反应时间第35页,共109页，2024年2月25日，星期天36动力学参数rmax和Km

全部酶呈复合物状态时的反应速率，即最大初始反应速率。催化活性中心速率常数kcat: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，即酶的最大转换速率。单底物酶催化：kcat=k+2第36页,共109页，2024年2月25日，星期天37米氏常数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和离子强度等因素会影响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=0.75VmaxKm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，可以大致推测该酶催化正逆两向反应的效率。第37页,共109页，2024年2月25日，星期天38第38页,共109页，2024年2月25日，星期天39MixedorderwithrespecttoS第39页,共109页，2024年2月25日，星期天40问题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中的一些杂质可能会影响到酶的活性…….为什么说低KS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第40页,共109页，2024年2月25日，星期天41M-M方程动力学参数的确定作图法(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41页,共109页，2024年2月25日，星期天42L-B双倒数法将米氏方程式两侧取双倒数，得到下列方程式：以作图,得到一直线缺点：底物浓度低时不适用此法。第42页,共109页，2024年2月25日，星期天43第43页,共109页，2024年2月25日，星期天44积分法分批酶反应体系中[S]随时间的变化过程可以用表示为：积分得到,或,与对应作图，得到一直线，斜率为-Km,截距为Vm第44页,共109页，2024年2月25日，星期天45例1-1：将底物和酶加入到反应器中,底物初始浓度为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：即：积分得到：转化率为90%，即([S0]-[S])/[S0]=0.9,[S]=0.2(mmol/L.min)第45页,共109页，2024年2月25日，星期天46例1-2：假设某酶有两个活性中心，它的反应机制可用下图表示，试根据快速平衡假设，求其速率方程式E+S[ES]+SE+P[ESS]KmKSI[ES]+Pk+2k+2解：根据解离平衡过程可得根据酶的质量守恒可得将上面两式变换后可得第46页,共109页，2024年2月25日，星期天47变换方程可以得到以下两式：当反应速率达到最大时，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47页,共109页，2024年2月25日，星期天48例1-3：某酶催化反应，其Km=0.01mol/L,现测得该反应进行到10min时，底物浓度为3.4×10-5mol/L,已知[S0]=3.4×10-4

mol/L.假定该反应可用M-M方程表示。求：

(1)最大反应速率是多少?

(2)反应20min后，底物浓度为多少？解：已知米氏方程及题中条件知[S0]<<Km则米氏方程可表示为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48页,共109页，2024年2月25日，星期天49第三节

有抑制的酶催化反应动力学第49页,共109页，2024年2月25日，星期天50抑制剂对酶促反应速率的影响几个概念失活与抑制

【失活】(inactivation)：由于酶蛋白分子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)：凡能使酶分子发生别构作用的物质叫效应物，通常为小分子代谢物或辅因子。如因别构导致酶活性降低的物质称为负效应物。第50页,共109页，2024年2月25日，星期天51竞争性抑制非竞争性抑制反竞争性抑制可逆抑制

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51页,共109页，2024年2月25日，星期天52竞争性抑制(competitiveinhibitions)

ESIEIXP抑制剂是底物的类似物E+S+I[ES]E+P[EI]KIKm’第52页,共109页，2024年2月25日，星期天53利用快速平衡假说:和酶的浓度方程,产物速率方程,综合以上方程,消除[ES]得到：whereand.第53页,共109页，2024年2月25日，星期天54拟稳态：第54页,共109页，2024年2月25日，星期天55TheneteffectofcompetitiveinhibitionsisanincreasedvalueofKm﹡

withreducedreactionrate,butsamemaximumreactionrate.Furthermore,thecompetitiveinhibitioncanbeovercomebyhighsubstrateconcentration.第55页,共109页，2024年2月25日，星期天56动力学参数的求解（L-B法）第56页,共109页，2024年2月25日，星期天57第57页,共109页，2024年2月25日，星期天58竞争性抑制的抑制百分数i：第58页,共109页，2024年2月25日，星期天59非竞争性抑制(Non-competitiveInhibitions)ESEISIXP这种抑制剂能结合于酶的非活性中心，但能降低酶与底物的亲和力。E+S+I[ES]+IE+P[EI]+S[ESI]Km’Km’KIKI第59页,共109页，2024年2月25日，星期天60Withsimilarequationsandderivationsasbefore,

Where.wecanget,第60页,共109页，2024年2月25日，星期天61拟稳态：第61页,共109页，2024年2月25日，星期天62Theneteffectofnon-competitiveinhibitionsisareductioninrmaxwithsameMichaelis-Mentenconstant.Highsubstrateconcentrationwouldnotovercomenon-competitiveinhibitions.Otherreagentsneedtobeaddedtoblockbindingofittotheenzyme.﹡第62页,共109页，2024年2月25日，星期天63动力学参数的求解（L-B法）第63页,共109页，2024年2月25日，星期天64第64页,共109页，2024年2月25日，星期天65非竞争性抑制的抑制百分数i：第65页,共109页，2024年2月25日，星期天66反竞争性抑制(UncompetitiveInhibitions)SEI+ESESIXP这种抑制剂仅能与ES复合物结合，而与游离酶不能直接结合。E+S[ES]+IE+P[ESI]Km’KI第66页,共109页，2024年2月25日，星期天67Withsimilarequationsandderivativesasbefore,whereand.wecanget,第67页,共109页，2024年2月25日，星期天68拟稳态：第68页,共109页，2024年2月25日，星期天69Obviously,theneteffectofuncompetitiveinhibitionsisareductioninbothKm﹡andr﹡max,andthenetresultisareductioninreactionrate.第69页,共109页，2024年2月25日，星期天70动力学参数的求解(L-B法)第70页,共109页，2024年2月25日，星期天71反竞争性抑制的抑制百分数i：第71页,共109页，2024年2月25日，星期天72三种抑制的比较动力学参数曲线的相互关系抑制百分率第72页,共109页，2024年2月25日，星期天73动力学参数的比较

第73页,共109页，2024年2月25日，星期天74各种抑制的比较竞争性抑制非竞争性抑制反竞争性抑制第74页,共109页，2024年2月25日，星期天75L-B图的比较

第75页,共109页，2024年2月25日，星期天76抑制百分数的比较

定义式竞争性抑制非竞争性抑制反竞争性抑制第76页,共109页，2024年2月25日，星期天77EE底物抑制(SubstrateInhibitions)S+SXPSESS高浓度的底物会抑制一些酶促反应。E+S[ES]+SE+P[ESS]Km’KSIk+2第77页,共109页，2024年2月25日，星期天78Withsimilarequationsandderivationsasbefore,变换方程得：Then,wecanget,第78页,共109页，2024年2月25日，星期天79when,.Namely,thenorNamely,thenorDiscussionsaboutSubstrateInhibitionsThesubstrateconcentrationatwhichthemaximumreactionrate achievescanbeobtainedbysetting,andwecanget,LowsubstrateconcentrationTheoriginMichaelis-Mentenequationobtained,thusnoinhibitionobserved.HighsubstrateconcentrationTheinhibitioneffectisdominant.第79页,共109页，2024年2月25日，星期天80底物抑制反应的优化第80页,共109页，2024年2月25日，星期天81Atlowsubstrateconcentration,therateexpressionapproximatestotheMichaelis-Mentenequation,thenthecurveindouble-reciprocalplotisparallelwiththelinearlinedenotedtheinstancewithoutsubstrateinhibition.Similarly,athighsubstrateconcentration,thecurveindouble-reciprocalplot

isinhyperbolicmode.PlotsonSubstrateInhibitions第81页,共109页，2024年2月25日，星期天82产物抑制(productinhibitions)EESEPPSPE+S+P[ES]E+P[EP]Km’KPk+2第82页,共109页，2024年2月25日，星期天83第四节

复杂的酶催化反应动力学第83页,共109页，2024年2月25日，星期天84一、双底物酶反应动力学顺序机制乒乓机制随机机制第84页,共109页，2024年2月25日，星期天851.顺序机制第85页,共109页，2024年2月25日，星期天86I.Orderedsequentialmechanisms第86页,共109页，2024年2月25日，星期天872.乒乓机制第87页,共109页，2024年2月25日，星期天88II.ping-pongmechanisms第88页,共109页，2024年2月25日，星期天89第89页,共109页，2024年2月25日，星期天90III.Randomsequentialmechanisms第90页,共109页，2024年2月25日，星期天91第91页,共109页，2024年2月25日，星期天92二、变构酶（AllostericEnzyme）反应动力学又称别构酶，调节酶，它是一种寡聚酶(由多个亚基组成)。这类酶具有别构部位和活性部位。当底物分子与别构酶结合时，能诱导酶的结构改变，增加酶与底物的结合能力，表现出底物对酶的激活效应。如：已糖激酶、血红蛋白第92页,共109页，2024年2月25日，星期天93AllostericEnzymeTherateexpression:wherenisthecooperativitycoefficient(协同系数),andn>1indicatespositivecooperativity.Byrearranging,wehave,n<1indicatesnegativecooperativity.eg,glyceraldehyde3-phosphatedehydrogenase.第93页,共109页，2024年2月25日，星期天94PlotsonAllostericEnzymes双曲线S形曲线第94页,共109页，2024年2月25日，星期天95动力学方程式第95页,共109页，2024年2月25日，星期天96第五节

反应条件对酶催化反应速率的影响第96页,共109页，2024年2月25日，星期天97影响酶催化反应速率的因素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。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97页,共109页，2024年2月25日，星期天98一pH对酶促反应的影响一些酶的活性中心存在离子基团，因此VariationofpH另一方面，底物分子中包含离子基团，反应体系的pH也有可能会影响到底物与