生物化學第8章酶促反應動力學概述

1、主 要 內 容 底物濃度對酶促反應速率的影響底物濃度對酶促反應速率的影響 酶的抑制作用酶的抑制作用 溫度對酶促反應的影響溫度對酶促反應的影響 pH對酶促反應的影響對酶促反應的影響 激活劑對酶促反應的影響激活劑對酶促反應的影響10.1 底物濃度底物濃度對酶促反應速率的影響對酶促反應速率的影響 酶促反應中酶促反應中,如果如果S大大過量大大過量, V與與E的關系如何？的關系如何？ 實際情況下，實際情況下，E穩(wěn)定，而穩(wěn)定，而S變化，變化，V與與S的關系如何？的關系如何？S + E = P + E10.1.1 中間絡合物學說中間絡合物學說 1903年年Henri用蔗糖酶水解蔗糖實驗研用蔗糖酶水解蔗糖實驗

2、研究底物濃度與反應速率的關系。究底物濃度與反應速率的關系。S為解釋此現(xiàn)象，提出了中間絡合物學說S + E ES P + EABC 19131913年，年，Michaelis and MentenMichaelis and Menten根據(jù)中根據(jù)中間復合物學說提出米氏方程。間復合物學說提出米氏方程。S+PEESE+KskSE, ES分解為產(chǎn)物的逆反應忽略不計 =VmaxSKs + S 19251925年，年，Briggs and HaldaneBriggs and Haldane提出了穩(wěn)提出了穩(wěn)態(tài)理論，對米氏方程做出了重要的修正。態(tài)理論，對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，也與）有關，也與(2)(2)有關。有關。10.1.2 米氏方程的推導米氏方程的推導E + SESE + Pk1k2k3k4當反應系統(tǒng)中當反應系統(tǒng)中ESES的生成速率與降解速率相等時，的生成速率與降解速率相等時，絡合物絡合物ESES的濃度保持不變，即達到的濃度保持不變，即達到穩(wěn)定狀態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)即：即：dESdt= 010.1.2 米氏方程的推導米氏方程的推導在反應初始階段時，在反應初始階段時，E+PES的速率極小，可以忽的速率極小，可以忽略不計，略不計，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，于是有關，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 米氏方程的推導米氏方程的推導達到動態(tài)平衡時，達到動態(tài)平衡時，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 米氏方程的推導米氏方程的推導因為酶反應速率（因為酶反應速率（ ）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： 由于反應系統(tǒng)中由于反應系統(tǒng)中SE，當酶全部被飽和形成，當酶全部被飽和形成ES時，時，E=ES酶促反應達到最大反應速率酶促反應達到最大反應速率Vmax，即，即Vmax=k3ES=k3E =VmaxSKm + S10.1.2 米氏方程的推導米氏方程的推導10.1.2 米氏方程的推導米氏方程的推導根據(jù)米氏方程：根據(jù)米氏方程：（1）當）當SKm時，時，v=Vmax，此條件下可正解測得酶活力，此條件下可正解測得酶活力（3）當）當S=Km時，時，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有關，而與酶濃度無關，但與底物、溫度、pH及離子強度有關。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、當k3k2時，時，Km=k2/k1，Km=Ks（解離常數(shù)），嚴格地說是1/Ks表示酶與底物的親和力，當k3極小時，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的反應速率可求在某一底物濃度時的反應速率 如當如當S=4Km時，時，V=80%Vmax； 當當S=10Km時，時，V=91%Vmax5、Km可幫助推斷某一代謝反應的方向和途徑可幫助推斷某一代謝反應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，酶對特定底物的、在一定酶濃度下，酶對特定底物的Vmax也是一常數(shù)。也是一常數(shù)。

8、 同一種酶對不同的底物的同一種酶對不同的底物的Vmax不一樣，不一樣，pH、溫度和離、溫度和離 強度等也會影響強度等也會影響Vmax的值。的值。2、當、當S很大時，很大時，Vmax=k3E， k3是一級反應速率常數(shù)；是一級反應速率常數(shù)； 因此因此k3表示當酶被底物飽和時每秒鐘每個酶分子轉換底表示當酶被底物飽和時每秒鐘每個酶分子轉換底 物的分子數(shù)，又稱轉換系數(shù)（物的分子數(shù)，又稱轉換系數(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、生理條件下、生理條件下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反應形成產(chǎn)物的表觀二級速度常數(shù)，單反應形成產(chǎn)物的表觀二級速度常數(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。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的初速度的底物依賴關系，制備為了確定某酶的催化反應的初速度的底物依賴關系，制備了一系列的了一系列的l00mll00ml含有不同底物濃度的反應混合物。向每含有不同底物濃度的反應混合物。向每個混合物加入相同量的酶后便開始反應。通過測定每單位個混合物加入相同量的酶后便開始反應。通過測定每單位時間（分鐘）所形成的產(chǎn)物量而獲得催化反應的初速度，時間（分鐘）所形成的產(chǎn)物量而獲得催化反應的初速度，其結果如下表所示。其結果如下表所示。 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)表達式。計算每個反應混合物的的代數(shù)表達式。計算每個反應混合物的KmKm。 KmKm值取決于底物濃度嗎值取決于底物濃度嗎? ? 當?shù)孜餄舛葹楫數(shù)孜餄舛葹?.1mol0.1molL L1 1和和l ll0l07 7molmolL L1 1時，計算它們的初速度。時，計算它們的初速度。 反應混合物保溫反應

12、混合物保溫2 2分鐘后確定反應的初速度。分鐘后確定反應的初速度。當初始底物濃度為當初始底物濃度為1 110102 2molmolL L1 1時，計算產(chǎn)時，計算產(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換被轉換? ? 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 可逆抑制作用動力學可逆抑制作用動力學 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 凡是使酶蛋白質變性而引起酶活力凡是使酶蛋白質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；由于酶必需基團化學性質的改變，但酶未必需基團化學性質的改變，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 相對活力分數(shù)相對活力分數(shù) 相對活力百分數(shù)相對活力百分數(shù) 抑制分數(shù)抑制分數(shù) 抑制百分數(shù)抑制百分數(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以共價鍵相結合引起抑制劑與酶的必需基團以共價鍵相結合引起酶活力喪失，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以非共價鍵相結合引抑制劑與酶的必需基團以非共價鍵相結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：競爭性抑制、非制劑的影響。它分為三

15、種：競爭性抑制、非競爭性抑制和反競爭性抑制。競爭性抑制和反競爭性抑制。酶的競爭性抑制作用酶的競爭性抑制作用 大部分競爭性抑制劑（大部分競爭性抑制劑（competitive inhibitor）與底物結構類似，因此能與酶活性部位結合，與底物結構類似，因此能與酶活性部位結合，與酶形成可逆的與酶形成可逆的EI復合物，但復合物，但EI不能分解成產(chǎn)不能分解成產(chǎn)物物P，酶反應速率下降，它可以通過增加底物，酶反應速率下降，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爭性抑制劑酶的競爭性抑制劑。E + S ES P + E+ IEI P + E酶的競

16、爭性抑制作用酶的競爭性抑制作用酶的競爭性抑制作用酶的競爭性抑制作用酶的非競爭性抑制作用酶的非競爭性抑制作用E + S ES P + E+IEI + S ESI P + E+I底物和抑制劑同時和酶結合，兩者無競爭作用。I與S結構無共同之處，酶活性降低或被抑制，不能用增加底物濃度來解除抑制。酶的非競爭性抑制作用酶的非競爭性抑制作用酶的反競爭性抑制作用酶的反競爭性抑制作用酶只有與底物結合后才能與抑制劑結合。L-Phe，L-Arg等對堿性磷酸酶的作用是反競爭性抑制，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 -競爭性抑制作用動力學競爭性抑制作用動力學E = Ef + ES + EIVmax = k3 E v = k3ESVmaxv=Ef + ES + EIESKm =EfSESEf=ESKmSKi =EfIEIEI=EfIKi10.2.5- 競爭性抑制作用動力學競爭性抑制作用動力學10.2.5- 非競爭性抑制作用動力學非競爭性抑制作用動力學10.2.5- 反競爭性抑制作用動力學反競爭性抑制作用動力學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競爭性抑制競爭性抑制不變不變增加增加非競爭性抑制非競爭性抑制減小減小不變不變反競爭性抑制反競爭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：有機磷化合物、有機汞砷化合物、 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砷化合物：與酶的巰基結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爭性抑制劑苯甲脒10.2.6 一些重要的酶抑制劑一些重要的酶抑制劑對氨基苯磺酰胺是二氫葉酸合成酶的競爭性抑制劑（在細菌中催化對氨基苯甲酸合成二氫葉酸）H2NCOOHH2NSO2NH2對氨基苯甲酸對氨基苯磺酰胺磺胺類藥物可與對氨基苯甲酸競爭二氫葉酸合成酶，影響FH2的合成，導致細菌生長繁殖受抑制，達到治病效果。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爭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爭性抑制劑酵母醛縮酶反應磷酸