高中生物竞赛课件生物化学酶3酶促动力学

第十一章酶促动力学1主要内容米氏方程影响酶促反应的因素酶促反应动力学是研究酶促反应的速度及影响此速度的各种因素的科学。2（一）反应速度及其测定酶促反应速度一般采用测定单位时间内产物的生成量；在酶促反应开始以后，于不同时间测定反应体系中产物的量，以产物的生产量对时间作图。不同时间的反应速度就是时间为不同值时曲线的斜率。由图可以看出，在开始一段时间内，反应速度几何维持恒定，即产物的生成量合时间成直线关系。随着时间延长，曲线斜率下降，反应速度降低。酶反应的速度在不停地变，只有反应初速度的测定才有意义。3（二）如何解释[S]与v曲线？在酶浓度、PH和温度等条件固定不变的情况下，1.底物浓度对酶促反应速度的影响4当底物浓度较低时反应速度与底物浓度成正比；反应为一级反应。[S]VVmax5随着底物浓度的增高反应速度不再成正比例加速；反应为混合级反应。[S]VVmax6当底物浓度高达一定程度反应速度不再增加，达最大速度；反应为零级反应。[S]VVmax7酶促反应速度合底物浓度之间的这种关系，可利用中间产物学说加以说明，即酶作用时，酶E先与底物S结合成一中间产物ES，然后再分解为产物P并游离出酶。E+S===ES

E+P8在底物浓度低时，只有部分酶与底物形成中间产物ES，若增加底物浓度，则有更多的ES生成，因而反应速度也随之增加。当底物浓度很大时，每一瞬间，反应体系中的酶分子都已与底物结合生成ES，此时底物浓度虽再增加，但已无游离的酶与之结合，故无更多的ES生成，因而反应速度不变。9（三）酶浓度对酶作用的影响当[S]＞＞[E]，酶可被底物饱和的情况下，反应速度与酶浓度成正比，关系式为：V=K[E]102.米氏方程Michaelis&Menten根据中间产物学说推导出表示酶促反应中底物浓度与反应速度关系的公式称~。

米氏方程：

式中：Vmax为最大反应速度；

[S]为底物浓度

Km为米氏常数。Km+[S]Vmax

[S]V

=11（1）稳态平衡假说对米氏方程的推导：根据中间产物学说：

式中K1,K2,K3分别为各反应平衡常数，可知：

ES形成速度=K1[E][S]

ES分解速度=(K2+K3)[ES]当反应达恒稳态时，二速度相等，即:

K1[E][S]=(K2+K3)[ES]①②S+E→ES→E+PK1K2K312整理并令：

Km为米氏常数由于[E]与[ES]之和为总的酶浓度[Et],即:[Et]=[E]+[ES][E]=[Et]－[ES]将④代入③:[ES]K1==[E][S](K2+K3)Km③④[ES]=([Et]－[ES])[S]．KmKm=K1K2+K313整理得:∵酶促反应速度由有效的酶浓度[ES]决定,而v=K3[ES]∴[ES]=将⑥代入⑤整理得:[ES]=[Et]．[S]Km+[S]⑤vK3⑥=[Et]．[S]Km+[S]vK3．⑦14当[S]升高，所有E为S所饱和时,即:

[Et]=[ES]

此时达到最大反应速度Vmax:

Vmax=K3[Et]⑧将⑧代入⑦,得米氏方程:⑨=．[S]Km+[S]vVmax151）Km

＞＞[S]时：

v=Vm[S]/Km

初速度与[S]成正比的一级反应。2）若Km

<<[S]时：

v=Vm

零级反应3）若Km=[S]时：

v=½Vm

酶反应速度与[S]的关系（2）米氏方程的讨论：=．[S]Km+[S]vVmax[S]Km[S]16（3）Km与Ks、Kcat1）Km称米氏常数：

Km=（K2+K3）／K1从某种意义上讲，Km是ES分解速度（K2+K3）与形成速度（K1）的比值，它包含:1）ES解离趋势（K2／K1）2)产物形成趋势（K3／K1）。S+E→ES→E+PK2K1K3172）Ks：是底物常数或ES的解离常数：当K1、K2＞＞K3时，

Ks=k2/k1

它只反映ES解离趋势，因此，1/Ks可以表示酶与底物的亲和力大小（ES形成趋势），不难看出，底物亲和力大不一定反应速度大（因为产物形成趋势＝k3／k1）KsK1K2K1K3K2Km≈+=≈18

Km不等于Ks，只有特殊情况下，即k2＞＞k3，

Km=Ks此时Km可表示酶与底物亲和力的大小；1/Km小，E与S亲和力弱，反应速度慢；

1/Km大，E与S亲和力强，反应速度快。KsK1K2K1K3K2Km≈+=≈19

3.Kcat1）当保持其它因素不变，则[Et]与v成正比，其斜率就是酶的转换数。

v=Vmax=k3

[Et]K3为一级反应常数，单位为S-1，表示：

当酶被S饱和时每个酶分子转化底物的分子数，即催化常数kcat

。

Vmax

=

kcat

[Et]202）kcat/

Km的意义：当[S]＜＜Km时：

kcat/

Km表示酶促反应的表观二级速度常数，也称专一性常数。kcat/Km比值大者的底物是酶优先选择的对象。当[S]＞＞Km时：

kcat/

Km

表示酶促反应的效率。=．[S]Km+[S]vkcat

[Et][S]Km[S]21概念：

Km：反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度。单位：

mol/L或mmol/L

意义：

①Km是酶的特征性物理常数。只与E性质有关，与[E]无关；②测Km可鉴别酶：如：某一底物有几种酶，各有一定的Km值。（3）米氏常数的意义：22③当K2、K1＞＞K3时，Km≈Ks可近似的表示酶与底物的亲和力：

Km小，E与S亲和力强；

Km大，E与S亲和力弱。④可判断酶的专一性、天然底物和反应方向：同一E,有几个S就有几个Km，其中Km最小的为最适S或天然S；

在体内，同一底物可被多种酶催化，走哪条途径取决于Km最小的酶。Km值只是在固定的底物，一定的温度和pH条件下，一定的缓冲体系中测定的，不同条件下具有不同的Km值。23

（4）实际用途：

1）可由所要求的V求[S]；例：求反应速度达最大反应速度99%时的底物浓度

2）根据已知[S]，求该反应V。Vm[S]99%Vm=Km+[S][S]=99Km24（5）测米氏常数的方法

1Km11

=

+

V

Vmax[S]Vmax双倒数作图法将米氏方程两侧取倒数，以1/v对1/[S]作图得直线;

Km求法:量横轴截距量任一轴的截距结合斜率256、双底物反应动力学

A+B P+Q

双底物反应按动力学机制可分为两大类:双底物双产物的反应序列反应（sequentialreactions）乒乓反应（pingpongreactions）有序反应（orderdreactions）随机反应（randomreactions261、序列反应(sequential)或单置换反应（Single-displacement）：随机（random)反应(写作RandomBiBi)：两个底物随机结合，产物随机释放。有序（ordered)反应（写作OrderedBiBi）

:S1与酶结合后才能使S2结合，产物依次释放。随机反应有序反应272、乒乓反应(ping-pongreaction写作

uniunipingpongorPingPongBiBi

)：特点：E与S1的产物在E与S2结合前就释放出来；然后酶被修饰成E’，再与S2结合释放产物并再生成E形式。28Glu：草酰乙酸氨基转移酶是符合双-置换、双底物反应机制的酶谷氨酸天冬谷氨酸α-酮戊二酸草酰乙酸29双底物动力学方程米氏方程：

Vmax[A][B]

Km

[B]+Km[A]+[A][B]双倒数方程：v=ABv=1Vmax[A]KmA+(1+Km[B]B)Vmax130酶促反应速度V达到最大反应速度Vmax的80%时，底物浓度[S]为（）A 1KmB2Km C 3Km D 4Km E 5Km己糖激酶与D-葡萄糖激酶对葡萄糖的Km分别为0.05mmol/L和10mmol/L，试问哪个酶催化活力高，为什么？

31（四）影响酶促反应的各种因素除[E]、[S]外，外界因素：温度pH激活剂抑制剂影响酶促反应的强度和方向。321.PH最适pH：

在一定的pH下,酶具有最大的催化活性,通常称此pH为最适pH。超出则酶活下降。一定条件下，最适pH为酶特性之一。但不是常数，受各种因素影响。33pH影响的机理：环境过酸、过碱能使酶本身变性失活；pH改变能影响酶分子活性部位上有关基团的解离；pH能影响底物的解离。不同酶的pH活性曲线342.温度（1）曲线：在一定范围内（0-40℃）

E活性随温度上升而加快；温度达到一定高度（60℃以上）E活性不再增高，反而下降。（2）酶促反应最适温度每一种酶，在某一温度，其活力最大，催化的酶促反应速度达到最大，这个温度称-。353.激活剂（1）概念：凡能提高酶活力的物质称激活剂。（2）种类：

1）无机离子的激活作用：如：Mg2+、Ca2+、Co2+、Mn2+、Cl-等。是酶的辅助因子，成为活性部位的组分，参与反应中电子传递；可与酶分子肽链上侧链基团结合，稳定酶分子的活性构象；通过生成螯合物，在酶与底物结合中起桥梁作用。362）中等大小的有机分子：包括还原剂Cys和GSH（使二硫键还原，能激活某些活性中心含有—SH的酶）、EDTA（去除重金属杂质，解除抑制作用）等。3）蛋白质类大分子物质：激活酶原、解除抑制剂的抑制作用。如：pr与重金属离子结合，解除抑制剂的抑制。374.抑制剂（一）概念抑制剂（inhibitor,I)：凡与E结合后，使E的活性部位结构和性质改变而引起E活性降低或丧失的物质，叫~。抑制作用(inhibition)：任何使E活性降低或丧失的作用统称为~。抑制作用与变性作用是不同的：（1）不引起酶变性（2）对酶的抑制作用有选择性

38（二）抑制作用的类型：非专一性抑制不可逆抑制专一性抑制竞争性抑制可逆抑制非竞争性抑制反竞争性抑制抑制作用39（1）不可逆抑制：（irreversibleinhibition)

通常I以较牢固的共价键与E蛋白中的基团结合，引起E失活。透析、超滤不能除去I。二异丙基氟磷酸

DIFP40种类：

专一性~：专一作用于某酶活性中心的必需基团。

非专一性~：作用于酶的一类或几类基团（包括必需基团）。411）非专一性不可逆抑制剂：种类：有机磷化合物、氰化物等都是酶的不可逆抑制剂。有机磷化合物抑制机理：有机磷化合物可以与水解酶活性部位的丝氨酸反应，使酶失活。这些水解酶称之丝氨酸蛋白酶或丝氨酸酯酶。

42有机磷杀虫剂-Ser-OH-Ser-OPO-RO-ROPO-RO-ROX43临床上可用肟化物（羟胺类）取代结合在酶上的磷酸基，解除对酶的抑制。44有机汞、有机砷化合物抑制巯基酶45过量的巯基化合物(Cys、GSH)可解除对巯基酶的抑制46重金属盐：高浓度，酶变性失活；低浓度，抑制酶活。如：含Ag+、Cu2+、Hg2+、Pb2+等金属盐可用金属螯合剂（EDTA)解除。氰化物抑制金属酶：与酶中金属离子（如铁卟啉）形成络合物而抑制。47青霉素抑制细菌的机理482）专一性不可逆抑制剂①Ks型不可逆抑制剂：具有和底物类似的结构，通过对酶的亲和力来对酶进行修饰的。亲和力：它们能与特定的酶共价结合，它们的结构中还带有一个活泼的化学基团可以与酶分子活性中心外的必需基团起反应，使酶活力受到抑制。49胰蛋白酶的Ks型不可逆抑制剂

抑制剂与胰蛋白酶的最佳底物结构相似，酶His57通过与对甲苯磺酰-L-赖氨酰基的强亲和力，把TLCK误作底物而与之共价结合，引起酶不可逆失活。底物Ks型抑制剂50②Kcat型不可逆抑制剂这种抑制剂是根据酶的催化过程来设计的，它们与底物类似，既能与酶结合，也能被催化发生反应。在其分子中具有潜伏反应基团（latentreactivegroup），该基团会被酶催化而暴露或活化并与E活性中心的必需基团或辅基共价结合，使酶不可逆失活。此种抑制专一性极强，又是经酶催化后引起，被称为自杀性底物（suicidesubstrate)。51

β-卤代-D-Ala是磷酸吡哆醛酶类的自杀性底物：Ala消旋酶可使Ala由L-转为D-，D-Ala是细菌肽聚糖中的组分。∴β-卤代-D-Ala是抗菌药物。潜伏反应基团暴露与E活性中心共价结合522）可逆抑制I与E的结合往往是非共价键结合，是可逆结合。可用透析法除去I。可逆抑制根据I与S的关系分三类：

竞争性抑制非竞争性抑制反竞争性抑制53竞争性抑制I在分子结构上与S类似，

I与S竞争性与E结合，使酶促反应速度下降。特点：I与S结构类似；抑制程度取决于[I]和[S]以及与E的亲和力；可通过增加[S]来减轻或解除抑制。54竞争性抑制机理：I占了S的位子；

E与I或者S结合后构象发生变化，产生不利于另一个结合的构象。55

反应通式：与米氏方程比较56双倒数作图直线相交于纵轴。

Vmax不变Km变大，且随[I]增加而增大。竞争性抑制动力学方程：1v=KmVmax[S](1+)+[I]Ki1Vmax双倒数方程：[S]57应用：药物设计的依据58氨甲喋呤四氢叶酸59丙二酸竞争性抑制琥珀酸脱氢酶60非竞争抑制S与I可同时结合在酶的不同部位上，形成ESI，因此酶活性降低。此类I与E活性中心以外的基团结合，其结构与S无关。61非竞争抑制的特点：通过I与E或与ES的结合，改变酶结构和性质62双倒数作图直线相交于横轴；Vmax减小、Km不变；抑制作用取决于[I]。v=(Km+[S])Vmax[S](1+)[I]Ki(1+)+

[I]Ki1v=KmVmax[S]1Vmax(1+)[I]Ki非竞争性抑制动力学方程双倒数方程63反竞争抑制酶只有与底物结合才能与抑制剂结合。64反竞争抑制的特点Vmax

、Km都减小、且随[I]增加而减小。双倒数作图为一组平行线。(1+)[I]Ki1v=KmVmax[S]

+1Vmax双倒数方程65几种抑制的动力学区别：

VmaxKm增加[S]竞争性抑制

不变增大可克服非竞争性抑制

减小不变不可克服反竞争性抑制

减小减小不可克服66研究抑制剂和抑制作用有重要的理论与实际意义：为医药新药和农药的设计提供理论依据；有利于研究酶结构与功能以及酶作用的机理；研究代谢途径的基本方法；对生物体的代谢途径进行人为调控，如控制发酵。67竞争性抑制剂对酶促反应影响具有下列哪项特性？（