生物化學(xué)第8章酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)概述

1、主 要 內(nèi) 容 底物濃度對(duì)酶促反應(yīng)速率的影響底物濃度對(duì)酶促反應(yīng)速率的影響 酶的抑制作用酶的抑制作用 溫度對(duì)酶促反應(yīng)的影響溫度對(duì)酶促反應(yīng)的影響 pH對(duì)酶促反應(yīng)的影響對(duì)酶促反應(yīng)的影響 激活劑對(duì)酶促反應(yīng)的影響激活劑對(duì)酶促反應(yīng)的影響10.1 底物濃度底物濃度對(duì)酶促反應(yīng)速率的影響對(duì)酶促反應(yīng)速率的影響 酶促反應(yīng)中酶促反應(yīng)中,如果如果S大大過量大大過量, V與與E的關(guān)系如何？的關(guān)系如何？ 實(shí)際情況下，實(shí)際情況下，E穩(wěn)定，而穩(wěn)定，而S變化，變化，V與與S的關(guān)系如何？的關(guān)系如何？S + E = P + E10.1.1 中間絡(luò)合物學(xué)說中間絡(luò)合物學(xué)說 1903年年Henri用蔗糖酶水解蔗糖實(shí)驗(yàn)研用蔗糖酶水解蔗糖實(shí)驗(yàn)

2、研究底物濃度與反應(yīng)速率的關(guān)系。究底物濃度與反應(yīng)速率的關(guān)系。S為解釋此現(xiàn)象，提出了中間絡(luò)合物學(xué)說S + E ES P + EABC 19131913年，年，Michaelis and MentenMichaelis and Menten根據(jù)中根據(jù)中間復(fù)合物學(xué)說提出米氏方程。間復(fù)合物學(xué)說提出米氏方程。S+PEESE+KskSE, ES分解為產(chǎn)物的逆反應(yīng)忽略不計(jì) =VmaxSKs + S 19251925年，年，Briggs and HaldaneBriggs and Haldane提出了穩(wěn)提出了穩(wěn)態(tài)理論，對(duì)米氏方程做出了重要的修正。態(tài)理論，對(duì)米氏方程做出了重要的修正。E + SESk1k2ESE

3、+ Pk3k4（1）（2）ESES不僅與（不僅與（1 1）有關(guān)，也與）有關(guān)，也與(2)(2)有關(guān)。有關(guān)。10.1.2 米氏方程的推導(dǎo)米氏方程的推導(dǎo)E + SESE + Pk1k2k3k4當(dāng)反應(yīng)系統(tǒng)中當(dāng)反應(yīng)系統(tǒng)中ESES的生成速率與降解速率相等時(shí)，的生成速率與降解速率相等時(shí)，絡(luò)合物絡(luò)合物ESES的濃度保持不變，即達(dá)到的濃度保持不變，即達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)即：即：dESdt= 010.1.2 米氏方程的推導(dǎo)米氏方程的推導(dǎo)在反應(yīng)初始階段時(shí)，在反應(yīng)初始階段時(shí)，E+PES的速率極小，可以忽的速率極小，可以忽略不計(jì)，略不計(jì)，E+SES, 于是于是ES的生成速率可表示為：的生成速率可表示為：dESdt= k

4、1(E-ES)S (1)通常通常SE，即，即S-ES S，ES分解速率與分解速率與ESS+E 和和ESP+E 有關(guān)，于是有關(guān)，于是ES的分解速率可表示為：的分解速率可表示為：dESdt-= k2ES+k3ES (2)10.1.2 米氏方程的推導(dǎo)米氏方程的推導(dǎo)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，ES生成與分解速率相等：生成與分解速率相等： k1(E-ES)S = k2ES+k3ES（E-ES）SES=k2 + k3k1=KmES=ESKm + S(3)10.1.2 米氏方程的推導(dǎo)米氏方程的推導(dǎo)因?yàn)槊阜磻?yīng)速率（因?yàn)槊阜磻?yīng)速率（ ）與）與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： 由于反應(yīng)系統(tǒng)中由于反應(yīng)系統(tǒng)中SE，當(dāng)酶全部被飽和形成，當(dāng)酶全部被飽和形成ES時(shí)，時(shí)，E=ES酶促反應(yīng)達(dá)到最大反應(yīng)速率酶促反應(yīng)達(dá)到最大反應(yīng)速率Vmax，即，即Vmax=k3ES=k3E =VmaxSKm + S10.1.2 米氏方程的推導(dǎo)米氏方程的推導(dǎo)10.1.2 米氏方程的推導(dǎo)米氏方程的推導(dǎo)根據(jù)米氏方程：根據(jù)米氏方程：（1）當(dāng)）當(dāng)SKm時(shí)，時(shí)，v=Vmax，此條件下可正解測(cè)得酶活力，此條件下可正解測(cè)得酶活力（3）當(dāng)）當(dāng)S=Km時(shí)，時(shí)，v=Vmax/2v =VmaxSKm= K S10.1.3 Km的意義的意義1、Km是酶的特性常數(shù)是酶的特性常數(shù)Km

6、的大小只與酶的性質(zhì)有關(guān)，而與酶濃度無(wú)關(guān)，但與底物、溫度、pH及離子強(qiáng)度有關(guān)。2、Km可判斷酶的專一性和天然底物可判斷酶的專一性和天然底物Km最小的底物稱為該酶的最適底物或天然底物。1/km近似表示酶與底物的親和力。3、當(dāng)、當(dāng)k3k2時(shí)，時(shí)，Km=k2/k1，Km=Ks（解離常數(shù)），嚴(yán)格地說是1/Ks表示酶與底物的親和力，當(dāng)k3極小時(shí)，1/Km才表示酶與底物的親和力。10.1.3 Km的意義的意義酶 底物Km/moLL-1谷氨酸脫氫酶 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的意義的意義4、已知、已知Km可求在某一底物濃度時(shí)的反應(yīng)速率可求在某一底物濃度時(shí)的反應(yīng)速率 如當(dāng)如當(dāng)S=4Km時(shí)，時(shí)，V=80%Vmax； 當(dāng)當(dāng)S=10Km時(shí)，時(shí)，V=91%Vmax5、Km可幫助推斷某一代謝反應(yīng)的方向和途徑可幫助推斷某一代謝反應(yīng)的方向和途徑丙酮酸乳酸脫氫酶丙酮酸脫氫酶丙酮酸脫羧酶丙酮酸丙酮酸乳酸 Km=1.7 10-5乙酰輔酶A Km=1.3 10-3乙醛 Km=1.0 10-310.1.4 Vmax和和K3的意義的意義1、在一定酶濃度下，酶對(duì)特定底物的、在一定酶濃度下，酶對(duì)特定底物的Vmax也是一常數(shù)。也是一常數(shù)。

8、 同一種酶對(duì)不同的底物的同一種酶對(duì)不同的底物的Vmax不一樣，不一樣，pH、溫度和離、溫度和離 強(qiáng)度等也會(huì)影響強(qiáng)度等也會(huì)影響Vmax的值。的值。2、當(dāng)、當(dāng)S很大時(shí)，很大時(shí)，Vmax=k3E， k3是一級(jí)反應(yīng)速率常數(shù)；是一級(jí)反應(yīng)速率常數(shù)； 因此因此k3表示當(dāng)酶被底物飽和時(shí)每秒鐘每個(gè)酶分子轉(zhuǎn)換底表示當(dāng)酶被底物飽和時(shí)每秒鐘每個(gè)酶分子轉(zhuǎn)換底 物的分子數(shù)，又稱轉(zhuǎn)換系數(shù)（物的分子數(shù)，又稱轉(zhuǎn)換系數(shù)（TN）或催化常數(shù)（）或催化常數(shù)（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的意義的意義3、生理?xiàng)l件下、生理?xiàng)l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為為E和和S反應(yīng)形成產(chǎn)物的表觀二級(jí)速度常數(shù)，單反應(yīng)形成產(chǎn)物的表觀二級(jí)速度常數(shù)，單位：位：L/mol s。 kcat / Km大小可以比較不同酶或同一種酶催化不同底物的催大小可以比較不同酶或同一種酶催化不同底物的催化效率?；?。 10.1.5 Km和和Vmax的求法的求法 Lineweaver-Burk雙倒數(shù)作圖法雙倒數(shù)作圖法 Eadie-Hofstee作圖法作圖法10.1.5 Km和和Vmax的求法的求法雙倒數(shù)作圖法雙倒數(shù)作圖法010

10、.1.5 Km和和Vmax的求法的求法 Eadie-Hofstee作圖法作圖法0例題 為了確定某酶的催化反應(yīng)的初速度的底物依賴關(guān)系，制備為了確定某酶的催化反應(yīng)的初速度的底物依賴關(guān)系，制備了一系列的了一系列的l00mll00ml含有不同底物濃度的反應(yīng)混合物。向每含有不同底物濃度的反應(yīng)混合物。向每個(gè)混合物加入相同量的酶后便開始反應(yīng)。通過測(cè)定每單位個(gè)混合物加入相同量的酶后便開始反應(yīng)。通過測(cè)定每單位時(shí)間（分鐘）所形成的產(chǎn)物量而獲得催化反應(yīng)的初速度，時(shí)間（分鐘）所形成的產(chǎn)物量而獲得催化反應(yīng)的初速度，其結(jié)果如下表所示。其結(jié)果如下表所示。 底物濃度(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 把表中的數(shù)據(jù)繪制成圖，在給出的酶量下的把表中的數(shù)據(jù)繪制成圖，在給出的酶量下的VmaxVmax是多少是多少? ? 根據(jù)米氏方程，用根據(jù)米氏方程，用VmaxVmax、和和S S推演出推演出KmKm的代數(shù)表達(dá)式。計(jì)算每個(gè)反應(yīng)混合物的的代數(shù)表達(dá)式。計(jì)算每個(gè)反應(yīng)混合物的KmKm。 KmKm值取決于底物濃度嗎值取決于底物濃度嗎? ? 當(dāng)?shù)孜餄舛葹楫?dāng)?shù)孜餄舛葹?.1mol0.1molL L1 1和和l ll0l07 7molmolL L1 1時(shí)，計(jì)算它們的初速度。時(shí)，計(jì)算它們的初速度。 反應(yīng)混合物保溫反應(yīng)

12、混合物保溫2 2分鐘后確定反應(yīng)的初速度。分鐘后確定反應(yīng)的初速度。當(dāng)初始底物濃度為當(dāng)初始底物濃度為1 110102 2molmolL L1 1時(shí)，計(jì)算產(chǎn)時(shí)，計(jì)算產(chǎn)物的生成量。在物的生成量。在2 2分鐘后底物總量的百分之幾分鐘后底物總量的百分之幾被轉(zhuǎn)換被轉(zhuǎn)換? ? 10.2 酶的抑制作用酶的抑制作用 酶的失活與抑制的區(qū)別酶的失活與抑制的區(qū)別 酶抑制程度的表示方法酶抑制程度的表示方法 酶抑制作用的類型酶抑制作用的類型 可逆與不可逆抑制作用的鑒別可逆與不可逆抑制作用的鑒別 可逆抑制作用動(dòng)力學(xué)可逆抑制作用動(dòng)力學(xué) 一些重要的抑制劑一些重要的抑制劑10.2 酶的抑制作用酶的抑制作用10.2.1 酶的失活與抑

13、制的區(qū)別酶的失活與抑制的區(qū)別 凡是使酶蛋白質(zhì)變性而引起酶活力凡是使酶蛋白質(zhì)變性而引起酶活力喪失的作用稱為喪失的作用稱為失活作用失活作用；由于酶；由于酶必需基團(tuán)化學(xué)性質(zhì)的改變，但酶未必需基團(tuán)化學(xué)性質(zhì)的改變，但酶未變性，而引起酶活力的降低或喪失變性，而引起酶活力的降低或喪失而稱為而稱為抑制作用抑制作用。10.2.2 酶抑制程度的表示方法酶抑制程度的表示方法 相對(duì)活力分?jǐn)?shù)相對(duì)活力分?jǐn)?shù) 相對(duì)活力百分?jǐn)?shù)相對(duì)活力百分?jǐn)?shù) 抑制分?jǐn)?shù)抑制分?jǐn)?shù) 抑制百分?jǐn)?shù)抑制百分?jǐn)?shù)a = vivoa% = vivo100%i = 1- a = 1-vivoi %= (1- a) 100% =(1- ) 100% vivo10.2

14、.3 酶抑制作用的類型酶抑制作用的類型 不可逆抑制作用（不可逆抑制作用（Irreversible inhibition） 抑制劑與酶的必需基團(tuán)以共價(jià)鍵相結(jié)合引起抑制劑與酶的必需基團(tuán)以共價(jià)鍵相結(jié)合引起酶活力喪失，不能用透析、超濾等物理方法酶活力喪失，不能用透析、超濾等物理方法去除抑制劑的影響。去除抑制劑的影響。 可逆抑制作用（可逆抑制作用（ Reversible inhibition ） 抑制劑與酶的必需基團(tuán)以非共價(jià)鍵相結(jié)合引抑制劑與酶的必需基團(tuán)以非共價(jià)鍵相結(jié)合引起酶活力下降或喪失，能用物理方法去除抑起酶活力下降或喪失，能用物理方法去除抑制劑的影響。它分為三種：競(jìng)爭(zhēng)性抑制、非制劑的影響。它分為三

15、種：競(jìng)爭(zhēng)性抑制、非競(jìng)爭(zhēng)性抑制和反競(jìng)爭(zhēng)性抑制。競(jìng)爭(zhēng)性抑制和反競(jìng)爭(zhēng)性抑制。酶的競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用酶的競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用 大部分競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑（大部分競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑（competitive inhibitor）與底物結(jié)構(gòu)類似，因此能與酶活性部位結(jié)合，與底物結(jié)構(gòu)類似，因此能與酶活性部位結(jié)合，與酶形成可逆的與酶形成可逆的EI復(fù)合物，但復(fù)合物，但EI不能分解成產(chǎn)不能分解成產(chǎn)物物P，酶反應(yīng)速率下降，它可以通過增加底物，酶反應(yīng)速率下降，它可以通過增加底物濃度而解除。濃度而解除。如丙二酸和戊二酸是琥珀酸脫氫如丙二酸和戊二酸是琥珀酸脫氫酶的競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑酶的競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑。E + S ES P + E+ IEI P + E酶的競(jìng)

16、爭(zhēng)性抑制作用酶的競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用酶的競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用酶的競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用酶的非競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用酶的非競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用E + S ES P + E+IEI + S ESI P + E+I底物和抑制劑同時(shí)和酶結(jié)合，兩者無(wú)競(jìng)爭(zhēng)作用。I與S結(jié)構(gòu)無(wú)共同之處，酶活性降低或被抑制，不能用增加底物濃度來(lái)解除抑制。酶的非競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用酶的非競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用酶的反競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用酶的反競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用酶只有與底物結(jié)合后才能與抑制劑結(jié)合。L-Phe，L-Arg等對(duì)堿性磷酸酶的作用是反競(jìng)爭(zhēng)性抑制，肼類化合物抑制胃蛋白酶、氰化物抑制芳香硫酸酯酶的作用也屬此類。10.2.4 可逆與不可逆抑制的鑒別可逆與不可逆抑制的鑒別Shi, G.,

17、et al. Environ Health Perspect, 2009. 117(3): p. 379-8610.2.5 -競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用動(dòng)力學(xué)競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用動(dòng)力學(xué)E = Ef + ES + EIVmax = k3 E v = k3ESVmaxv=Ef + ES + EIESKm =EfSESEf=ESKmSKi =EfIEIEI=EfIKi10.2.5- 競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用動(dòng)力學(xué)競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用動(dòng)力學(xué)10.2.5- 非競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用動(dòng)力學(xué)非競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用動(dòng)力學(xué)10.2.5- 反競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用動(dòng)力學(xué)反競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用動(dòng)力學(xué)10.2.5- Dixon作圖法求作圖法求Ki隨I的增加類型類型VmaxVma

18、xKmKm競(jìng)爭(zhēng)性抑制競(jìng)爭(zhēng)性抑制不變不變?cè)黾釉黾臃歉?jìng)爭(zhēng)性抑制非競(jìng)爭(zhēng)性抑制減小減小不變不變反競(jìng)爭(zhēng)性抑制反競(jìng)爭(zhēng)性抑制減小減小減小減小10.2.6 一些重要的酶抑制劑一些重要的酶抑制劑不可逆抑制劑： 非專一性抑制劑：有機(jī)磷化合物、有機(jī)汞砷化合物、 重金屬鹽、氰化物、硫化物、CO、青霉素等 專一性抑制劑：TLCK（對(duì)甲基苯磺酰-L-賴氨酰氯甲酮） -鹵代-D-Ala是丙氨酸消旋酶的抑制劑可逆抑制劑：磺胺藥（如對(duì)氨基苯磺酰胺）10.2.6 一些重要的酶抑制劑一些重要的酶抑制劑二異丙基氟磷酸：抑制膽堿酯酶活性，使乙酰膽堿不能被分解成乙酸和膽堿，引起乙酰膽堿的積累，使神經(jīng)處于過渡興奮狀態(tài)，因此此類化合物又稱神

19、經(jīng)毒氣。10.2.6 一些重要的酶抑制劑一些重要的酶抑制劑有機(jī)磷化合物：抑制蛋白酶或酯酶活性敵敵畏敵百蟲薩林10.2.6 一些重要的酶抑制劑一些重要的酶抑制劑有機(jī)砷化合物：與酶的巰基結(jié)合而抑制活性路易斯毒氣10.2.6 一些重要的酶抑制劑一些重要的酶抑制劑苯甲脒是胰蛋白酶的競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑苯甲脒10.2.6 一些重要的酶抑制劑一些重要的酶抑制劑對(duì)氨基苯磺酰胺是二氫葉酸合成酶的競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑（在細(xì)菌中催化對(duì)氨基苯甲酸合成二氫葉酸）H2NCOOHH2NSO2NH2對(duì)氨基苯甲酸對(duì)氨基苯磺酰胺磺胺類藥物可與對(duì)氨基苯甲酸競(jìng)爭(zhēng)二氫葉酸合成酶，影響FH2的合成，導(dǎo)致細(xì)菌生長(zhǎng)繁殖受抑制，達(dá)到治病效果。10.2.6 一些重要的酶抑制劑一些重要的酶抑制劑過渡態(tài)底物類似物作為酶的競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑腺苷次黃嘌呤腺苷羥化嘌呤核苷10.2.6 一些重要的酶抑制劑一些重要的酶抑制劑過渡態(tài)底物類似物作為酶的競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑酵母醛縮酶反應(yīng)磷酸