简明生物化学原理 课件 第5章 酶化学-2 酶促反应动力学

第5章酶化学-2

酶促反应动力学简明生物化学原理

化学反应的两个基本问题：反应进行的方向、可能性和限度反应进行的速率和反应机制化学热力学化学动力学一、化学动力学基础1、化学动力学基础：了解反应速率及其测定、反应分子数和反应级数、各级反应的特征（351页）。酶的催化作用与分子活化能化学反应自由能方程式ΔG=ΔH-TΔS（ΔG是总自由能的变化，ΔH

是总热能的变化，ΔS是熵的变化）当ΔG＞0，反应不能自发进行。当ΔG＜0，反应能自发进行。酶反应速度的测量

用一定时间内底物减少或产物生成的量来表示酶促反应速度。测定反应的初速度。

102030405060min产物生成量酶反应进程曲线2、什么叫酶促反应动力学？(Kineticsofenzyme-catalyzedreaction)

酶促反应动力学是研究酶促反应的速度以及影响此速度的各种因素的科学，是酶工程研究中的一个重要内容。活化能：分子由常态转变为活化状态所需的能量。是指在一定温度下，1mol反应物全部进入活化状态所需的自由能。

酶和一般催化剂的作用就是降低化学反应所需的活化能，从而使活化分子数增多，反应速度加快。二、底物浓度对酶反应速度的影响1、底物浓度对酶促反应速度的影响（一）底物对酶促反应的饱和现象[S]VVmax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。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]VVmax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]VVmax

（二）反应级数[S]vVmax一级反应

v=k[S]零级反应

v=k[E]混合级反应（1）当[S]很低时，υ与[S]成正比，表现一级反应。（2）随[S]的增加，υ也随[S]的增加而增加，但不成正比。（3）当[S]很大时，υ达到最大值Vm，[S]增加υ不再增加，表现零级反应

理论解释——“中间产物”假说(--米氏学说)

酶被底物饱和现象和“中间复合物”假说第一步:E+SES第二步:ES→E+PV∝[ES]

1913年Michaelis和Menten提出反应速度与底物浓度关系的数学方程式，即米－曼氏方程式，简称米氏方程(Michaelisequation)。2、米氏方程的推导Km即为米氏常数，Vmax为最大反应速度When[S]isverylow(<<Km),Vo=Vmax[S]/Kmwhen[S]isveryhigh(>>Km),Vo=Vmax二、底物浓度对酶反应速度的影响米氏方程：底物浓度与酶促反应速度的关系米氏方程的推导：

E+SESE+Pk1

k2k3

假设：酶与产物（E+P）的逆向反应形成ES复合物的速率不明显。K1,K2,K3为反应的速率常数那么：ES的生成速率：v1=K1([E0]-[ES])[S]ES的分解速率：v2=K2[ES]+K3[ES]当反应达到平衡时：v1=v2即

K1([E0]-[ES])[S]=（K2+K3

）[ES]=([E0]-[ES])[S][ES]K2+K3K1令K2+K3K1Km=([E0]-[ES])[S][ES]Km=①

则化简①式得：②

[ES]=

[E0][S]Km+[S]由于酶的反应速度v=K3[ES]③将②式代入③式得v=

K3

[E0][S]Km+[S]④

当底物浓度很高时，[E0]=[ES]，酶促反应达到最大速度

即Vmax=K3[ES]=K3[E0]⑤⑤式代入④式得：v=Vmax[S]

Km+[S]二、底物浓度对酶反应速度的影响3．米氏常数的意义米氏常数的单位为mol/L。

（1）当ν=Vmax/2时，Km=[S]。因此，Km等于酶促反应速度达最大值一半时的底物浓度。有关米氏常数（Km）的几点说明（2）Km值是酶的特征常数之一，跟只跟酶的性质有关，而与酶的浓度无关。有关米氏常数（Km）的几点说明

（3）如酶能催化几种不同的底物，对每种底物都有一个特定的Km值，其中Km值最小的称该酶的最适底物。

（4）Km除了与底物类别有关，还与pH、温度有关，所以Km是一个物理常数，是对一定的底物、一定的pH、一定的温度而言的。

（5）Km与Ks：Km不等于Ks，只有在特殊情况下即k2>>k3，Km=Ks。在Km=Ks时，Km可表示酶和底物的亲和力。Km值应用例一从km的大小，可以知道正确测定酶活力时所需的底物浓度。[S]v1000km0.999V100km0.99V10km0.91V3km0.75V1km0.50V0.33km0.25V0.10km0.091V从米氏方程中求得：当反应速度达到最大反应速度的90%，则90%V=100%V[S]/(km+[S])v=——————Vmax·[S]km+[S]即[S]=9km在进行酶活力测定时，通常用4km的底物浓度即可。Km值应用例二km还可以推断某一代谢物在体内可能的代谢途径。丙酮酸乳酸乙酰CoA乙醛丙酮酸脱氢酶（1.3×10-3）丙酮酸脱羧酶（1.0×10-3）乳酸脱氢酶（1.7×10-5）一底物多酶反应丙酮酸浓度较低时：代谢哪条途径决定于Km最小的酶4、米氏常数的求法（1）v对[S]作图4、米氏常数的求法（202页）（2）双倒数作图法（Lineweaver-Burk作图法）将米氏方程改写成

1Km11

=

+

V

Vmax[S]Vmaxv=——————Vmax·[S]km+[S]双倒数作图法斜率=Km/Vmax-1/Km1/Vmax5.9、双底物双产物反应E+A+B===EAB===E+P+Q二、底物浓度对酶反应速度的影响

双底物双产物的反应按动力学机制可分为两大类:

序列反应（sequentialreactions）

乒乓反应

（pingpongreactions）

有序反应（orderdreactions）

随机反应（randomreactions）双底物双产物的反应（1）序列有序反应（orderedreactions

写作orderedBiBi）（2）序列随机反应（randomreactions，写作RandomBiBi）（3）乒乓反应（pingpongreactions）三、pH对酶反应速度的影响v最适pH（optimumpH）pH1.最适pH表现出酶最大活力的pH值2.pH稳定性在一定的pH范围内酶是稳定的pH对酶作用的影响机制：1.环境过酸、过碱使酶变性失活；2.影响酶活性基团的解离；3.影响底物的解离。四、温度对酶反应速度的影响一方面是温度升高,酶促反应速度加快。另一方面,温度升高,酶的高级结构将发生变化或变性，导致酶活性降低甚至丧失。

因此大多数酶都有一个最适温度。在最适温度条件下,反应速度最大。五、酶浓度对酶反应速度的影响

如果底物浓度足够大，足以使酶饱和，则反应速度与酶浓度成正比。

v=k[E][S]>>[E] V∝[E]V与[E]关系的几点讨论六、抑制剂对酶活性的影响使酶的活性降低或丧失的现象，称为酶的抑制作用。能够引起酶的抑制作用的化合物则称为抑制剂。酶的抑制剂一般具备两个方面的特点：a.在化学结构上与被抑制的底物分子或底物的过渡状态相似。b.能够与酶的活性中心以非共价或共价的方式形成比较稳定的复合体或结合物。按照抑制剂的抑制作用，可将其分为不可逆抑制作用(irreversibleinhibition)和可逆抑制作用(reversibleinhibition)两大类。抑制剂的作用方式1.不可逆抑制抑制剂与酶反应中心的活性基团以共价形式结合，引起酶的永久性失活。且不能采用透析等简单方法使酶活性恢复的抑制作用就是不可逆抑制作用。包括专一性抑制和非专一性抑制（如有机磷农药对胆碱酯酶的抑制、有机汞对巯基酶的抑制等）两种。六、抑制剂对酶活性的影响[E]

[I]例:DFP（DIFP）对胰凝乳蛋白酶的抑制2.可逆抑制抑制剂与酶蛋白以非共价方式结合，引起酶活性暂时性丧失。抑制剂可以通过透析等方法被除去，并且能部分或全部恢复酶的活性。根椐抑制剂与酶结合的情况，又可以分为三类：竞争性、反竞争性、和非竞争性抑制六、抑制剂对酶活性的影响[E]

[I][E]v1231.反应体系中不加I。2.反应体系中加入一定量的不可逆抑制剂。3.反应体系中加入一定量的可逆抑制剂。(1)竟争性抑制某些抑制剂的化学结构与底物相似，因而能与底物竟争与酶活性中心结合。当抑制剂与活性中心结合后，底物被排斥在反应中心之外，其结果是酶促反应被抑制了。竟争性抑制通常可以通过增大底物浓度，即提高底物的竞争能力来消除。六、抑制剂对酶活性的影响2.可逆抑制EESIESEIEP++++IEIk+3k-3k+2E+SE+PESk+1k-1例:丙二酸对琥珀酸脱氢酶的抑制作用①竞争性抑制作用动力学方程的推导竞争性抑制作用可用下式表示:EI+S→noreaction推导的要点推导出的方程②竞争性抑制作用动力学方程的讨论A、与标准米氏方程比较B、当[I]→0时，方程还原成米氏方程。[I]→∞时，C、取方程的倒数，进行双倒数作图D、抑制程度:当[S]→很大很大≈

≈0(2)非竟争性抑制酶可同时与底物及抑制剂结合，引起酶分子构象变化，并导至酶活性下降。由于这类物质并不是与底物竞争与活性中心的结合，所以称为非竞争性抑制剂。如某些金属离子（Cu2+、Ag+、Hg2+）以及EDTA等，通常能与酶分子的调控部位中的-SH基团作用，改变酶的空间构象，引起非竞争性抑制。六、抑制剂对酶活性的影响①非竞争性抑制作用动力学公式推导非竞争性抑制作用可用下式表示:经推导后得方程:②非竞争性抑制作用动力学方程讨论A、与米氏方程比较B、当[I]→0[I]→∞C、取方程倒数，进行双倒数作图D、抑制程度:（3）反竞争性抑制作用（uncompetitiveinhibition）动力学方程:动力学方程的讨论A、与米氏方程比较B、双倒数作图（4）三种可逆抑制作用的总结

可逆抑制作用的动力学特征加入竞争性抑制剂后，Km

变大，Vmax不变。（1）竞争性抑制无抑制剂竞争性抑制剂1/Vmax

竞争性抑制的特点：⑴竞争性抑制剂往往是酶的底物类似物或反应产物；⑵抑制剂与酶的结合部位与底物与酶的结合部位相同；⑶抑制剂浓度越大，则抑制作用越大；但增加底物浓度可使抑制程度减小；⑷动力学参数：Km值增大，Vm值不变。加入非竞争性抑制剂后，Km

虽然不变，但由于Vmax减小，所以酶促反应速度也下降了。（2）非竞争性抑制无抑制剂非竞争性抑制剂-1/km非竞争性抑制的特点：⑴非竞争性抑制剂的化学结构不一定与底物的分子结构类似；⑵底物和抑制剂分别独立地与酶的不同部位相结合；⑶抑制剂对酶与底物的结合无影响，故底物浓度的改变对抑制程度无影响；⑷动力学参数：Km值不变，Vm值降低。

（3）反竞争性抑制抑制剂不能与游离酶结合，但可与ES复合物结合并阻止产物生成，使酶的催化活性降低，称酶的反竞争性抑制。k-3k+3+IESIk+2E+SE+PESk+1k-1反应模式反竞争性抑制的作用模式图++ESESESIEP反竞争性抑制的特点：⑴反竞争性抑制剂的化学结构不一定与底物的分子结构类似；⑵抑制剂与底物可同时与酶的不同部位结合；⑶必须有底物存在，抑制剂才能对酶产生抑制作用；抑制程度随底物浓度的增加而增加；⑷动力学参数：Km减小，Vm降低。（5）一些重要的抑制剂及其实际意义①不可逆抑制剂：E+I→EIA有机磷化合物化学结构通式:或R1、R2:烷基;X:-F,-CN等

有机磷化合物中常用的是DFP以及有机磷杀虫剂，如1605、敌百虫、敌敌畏、乐果等。

这些有机磷化合物能抑制某些蛋白酶及酯酶的活力，特别是强烈抑制胆碱酯酶。胆碱＋乙酸乙酰胆碱乙酰胆碱酶胆碱酯酶B