酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

第10章酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

kineticsofenzyme—catalyzedreactions第一頁(yè)，共四十五頁(yè)。

酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué):是研究酶促反應(yīng)的速率以及影響此速率的各種因素的科學(xué)。影響酶速率的各種因素1.底物濃度

2.酶的抑制劑3.溫度4.pH5.酶的激活劑第二頁(yè)，共四十五頁(yè)。第一節(jié)

底物濃度對(duì)酶反應(yīng)

速率的影響

第三頁(yè)，共四十五頁(yè)。底物濃度對(duì)速率影響的曲線圖當(dāng)?shù)孜餄舛容^低時(shí)，表現(xiàn)為一級(jí)反應(yīng)（其反應(yīng)速率與濃度的關(guān)系能以單分子反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程式表示：v=dc/dt=kc（線性關(guān)系）隨著底物濃度的增加，反應(yīng)表現(xiàn)為混合級(jí)反應(yīng)。當(dāng)?shù)孜餄舛冗_(dá)到相當(dāng)高時(shí)，表現(xiàn)為零級(jí)反應(yīng)（與底物濃度無關(guān)）。

第四頁(yè)，共四十五頁(yè)。為解釋這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果，Henri和Wurtz提出了酶底物中間絡(luò)合物學(xué)說。該學(xué)說認(rèn)為當(dāng)酶催化某一化學(xué)反應(yīng)時(shí)，酶首先和底物結(jié)合生成中間復(fù)合物(ES)，然后生成產(chǎn)物(P)，并釋放出酶。反應(yīng)式：

S+EESP+E第五頁(yè)，共四十五頁(yè)。

二、酶促反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程式

1．米氏方程式的推導(dǎo)（假設(shè)K4為0）k1k3k2k4對(duì)于ES的形成速度：d[ES]/dt=k1([E]—[ES])*[S]對(duì)于ES的分解速度：-d[ES]/dt=k2[ES]+k3[ES]S+EESP+E第六頁(yè)，共四十五頁(yè)。二、酶促反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程式當(dāng)酶體系處于動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，ES的形成速度和分解速度相等k1([E]—[ES])*[S]=k2[ES]+k3[ES]移項(xiàng)([E]—[ES])*[S]/[ES]=(k2+k3)/k1令：Km=(k2+k3)/k1

[ES]=[E]*[S]Km+[S]（1）第七頁(yè)，共四十五頁(yè)。因?yàn)楫?dāng)?shù)孜餄舛群芨邥r(shí)，酶反應(yīng)速率（v）與[ES]成正比，即v=k3[ES],代入（1）式得：V=k3[E][S]/(Km+[S])（2）當(dāng)?shù)孜餄舛群芨邥r(shí)所有的酶都被底物飽和而轉(zhuǎn)變?yōu)镋S復(fù)合物，即[E]=[ES]，酶促反應(yīng)達(dá)到最大速度Vmax，所以Vmax=k3[ES]=k3[E]（3）V=Vmax*[s]

Km+[S]米氏方程，Km米氏常數(shù)第八頁(yè)，共四十五頁(yè)。該方程式表明：當(dāng)已知Km及Vmax時(shí)，酶反應(yīng)速率與底物濃度之間的定量關(guān)系。若以[S]作橫坐標(biāo)，v作縱坐標(biāo)作圖，可得到一條雙曲線vVmax?VmaxKm[S]第九頁(yè)，共四十五頁(yè)。

1.Km值的物理意義當(dāng)反應(yīng)速率達(dá)到最大速率一半時(shí)，即υ=1/2Vmax,可以得到[S]=KmKm值的物理意義，即Km值是當(dāng)酶反應(yīng)速率達(dá)到最大反應(yīng)速率一半時(shí)的底物濃度，單位是mol／l。三、Km值的意義

υ=Vmax*[s]

Km+[S]第十頁(yè)，共四十五頁(yè)。三、Km值的意義2.Km值是酶的一個(gè)特征常數(shù)：Km值的大小只與酶的性質(zhì)有關(guān)，而與酶的濃度無關(guān)。因此，在一定條件下，可以通過Km值來區(qū)別不同的酶。Km值隨測(cè)定的底物、反應(yīng)的溫度、pH及離子強(qiáng)度而改變。各種酶的Km值相差很大，大多數(shù)酶的Km值介于10-6~10-1mol/L之間。

酶底物Km(mmol/L)脲酶尿素25溶菌酶6-N-乙酰葡萄糖胺0.006葡萄糖-6-磷酸脫氫酶6-磷酸-葡萄糖0.058胰凝乳蛋白酶苯甲酰酪氨酰胺2.5甲酰酪氨酰胺12.0乙酰酪氨酰胺32.0Km=(k2+k3)/k1第十一頁(yè)，共四十五頁(yè)。三、Km值的意義3.Km值可以判斷酶的專一性和天然底物

有的酶可作用于幾種底物，因此就有幾個(gè)Km值，其中Km值最小的底物稱為該酶的最適底物也就是天然底物。Km愈小，達(dá)到最大反應(yīng)速率一半所需要的底物濃度就愈小，底物最適。第十二頁(yè)，共四十五頁(yè)。三、Km值的意義4.判斷反應(yīng)速率v和Vmax之間的關(guān)系：若已知某個(gè)酶的Km值，就可以計(jì)算出在某一底物濃度時(shí)，其反應(yīng)速率v相當(dāng)于Vmax的百分率。反之。

V=Vmax*[s]

Km+[S]第十三頁(yè)，共四十五頁(yè)。三、Km值的意義5.Km值可以幫助推斷某一代謝反應(yīng)的方向和途徑，這對(duì)了解酶在細(xì)胞內(nèi)的主要催化方向及生理功能有重要意義。

催化可逆反應(yīng)的酶，對(duì)正逆兩向底物的Km值往往是不同的，測(cè)定這些Km值的差別以及細(xì)胞內(nèi)正逆兩向底物的濃度，可以大致推測(cè)該酶催化正逆兩向反應(yīng)的效率，第十四頁(yè)，共四十五頁(yè)。四、Vmax的意義

在一定酶濃度下，酶對(duì)特定底物的Vmax也是一個(gè)常數(shù)。pH、溫度和離子強(qiáng)度等因素也影響Vmax的數(shù)值，同一種酶對(duì)不同底物的Vmax也不同。第十五頁(yè)，共四十五頁(yè)。轉(zhuǎn)換數(shù)的定義當(dāng)?shù)孜餄舛群芨邥r(shí)，Vmax=k3[ES]=k3[E]，k3表示當(dāng)酶被底物飽和時(shí)，每秒鐘每個(gè)酶分子轉(zhuǎn)換底物的分子數(shù)，這個(gè)常數(shù)又叫做轉(zhuǎn)換數(shù)(簡(jiǎn)稱TN)，又稱為催化常數(shù)(catalyticconstant，kcat)。kcat值越大，表示酶的催化效率越高。第十六頁(yè)，共四十五頁(yè)。五、Km和Vmax值的測(cè)定主要利用作圖法測(cè)定(1)測(cè)定不同底物濃度的反應(yīng)初速率，以v-[S]作圖，可以得到Vmax，再?gòu)?/2Vmax，可求得相應(yīng)的[S]，即Km值。

Vmax?Vmax[S]vKm第十七頁(yè)，共四十五頁(yè)。五、Km和Vmax值的測(cè)定(2)雙倒數(shù)作圖法將米氏方程式兩側(cè)取雙倒數(shù)，以1/v-1/[s]作圖，得出一直線.第十八頁(yè)，共四十五頁(yè)。五、Km和Vmax值的測(cè)定(3)Hanes—Woolf作圖法將前式兩邊均乘以[S]得：以[s]/v～[s]作圖，得一直線，橫軸的截距為-Km，斜率為1/Vmax第十九頁(yè)，共四十五頁(yè)。第二節(jié)酶的抑制作用第二十頁(yè)，共四十五頁(yè)。抑制與失活之間的關(guān)系失活作用(inactivation):使酶蛋白變性而引起酶活力喪失的作用,變性劑對(duì)酶的變性作用無選擇性.抑制作用(inhibition):酶的必需基團(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一種抑制劑只能使一種酶或一類酶產(chǎn)生抑制作用，因此抑制劑對(duì)酶的抑制作用是有選擇性的.第二十一頁(yè)，共四十五頁(yè)。抑制與失活之間關(guān)系的總結(jié)失活抑制酶蛋白變性未變性機(jī)理酶蛋白結(jié)構(gòu)解體必需基團(tuán)性質(zhì)改變變性劑或抑制劑無選擇性有選擇性第二十二頁(yè)，共四十五頁(yè)。一、抑制程度的表示方法

酶受抑制后活力降低的程度一般用反應(yīng)速率的變化來表示(vi-加入抑制劑后的速度;v0-不加抑制劑時(shí)的速度)

(1)相對(duì)活力分?jǐn)?shù)(殘余活力分?jǐn)?shù));a=vi/v0(2)相對(duì)活力百分?jǐn)?shù)(殘余活力百分?jǐn)?shù));a%=vi/v0x100%(3)抑制分?jǐn)?shù)：指被抑制而失去活力的分?jǐn)?shù);i=1-a(4)抑制百分?jǐn)?shù);i%=(1-a)x100%通常所謂抑制率是指抑制分?jǐn)?shù)或抑制百分?jǐn)?shù)。

第二十三頁(yè)，共四十五頁(yè)。二、抑制作用的類型

根據(jù)抑制作用是否可逆:

1．不可逆的抑制作用:抑制劑與酶的必需基團(tuán)以共價(jià)鍵結(jié)合而引起酶活力喪失，不能用透析、超濾等物理方法除去抑制劑而使酶復(fù)活的作用.

2．可逆的抑制作用:抑制劑與酶以非共價(jià)鍵結(jié)合而引起酶活力降低或喪失，能用物理方法除去抑制劑而使酶復(fù)活，抑制作用是可逆的v[E]12第二十四頁(yè)，共四十五頁(yè)。根據(jù)可逆抑制劑與底物的關(guān)系，可逆抑制作用分為3種類型：(1)競(jìng)爭(zhēng)性抑制:抑制劑(I)和底物(S)競(jìng)爭(zhēng)酶的活性部位(一般抑制劑與底物類似)，解除方法:其抑制程度取決于底物及抑制劑的相對(duì)濃度，這種抑制作用可以通過增加底物濃度而解除。

第二十五頁(yè)，共四十五頁(yè)。(2)非競(jìng)爭(zhēng)性抑制:這類抑制作用的特點(diǎn)是底物和抑制劑同時(shí)和酶結(jié)合，2者沒有競(jìng)爭(zhēng)作用。EI+S—ESI或ES+I—ESI。但三元復(fù)合物不能分解為產(chǎn)物，這類抑制劑與酶活性部位以外的基團(tuán)相結(jié)合,其結(jié)構(gòu)與底物無共同之處.(3)反競(jìng)爭(zhēng)性抑制:酶只有與底物結(jié)合后，才能與抑制劑結(jié)合，即ES+I-ESI,不能分解為產(chǎn)物。

第二十六頁(yè)，共四十五頁(yè)。三、可逆抑制作用動(dòng)力學(xué)

1．競(jìng)爭(zhēng)性抑制底物或抑制劑與酶的結(jié)合都是可逆的，存在著下面平衡式：

Ki：為抑制劑常數(shù)Ki=Ki2/Ki1

第二十七頁(yè)，共四十五頁(yè)。

1．競(jìng)爭(zhēng)性抑制曲線圖

（1）V下降，發(fā)生抑制（2）Vmax不變（底物濃度增大，抑制劑結(jié)合機(jī)率減?。?/p>

（3）Km增大，親和力下降第二十八頁(yè)，共四十五頁(yè)。

1．競(jìng)爭(zhēng)性抑制曲線圖

第二十九頁(yè)，共四十五頁(yè)。2．非競(jìng)爭(zhēng)性抑制

第三十頁(yè)，共四十五頁(yè)。2．非競(jìng)爭(zhēng)性抑制曲線

（1）V下降，發(fā)生抑制（2）Vmax減小（一部分酶始終失活）（3）Km不變，酶與底物親和力不受影響

第三十一頁(yè)，共四十五頁(yè)。2．非競(jìng)爭(zhēng)性抑制曲線第三十二頁(yè)，共四十五頁(yè)。3．反競(jìng)爭(zhēng)性抑制

這類抑制作用的特點(diǎn)是酶先與底物結(jié)合，然后才與抑制劑結(jié)合，存在以下平衡：

第三十三頁(yè)，共四十五頁(yè)。3．反競(jìng)爭(zhēng)性抑制的曲線第三十四頁(yè)，共四十五頁(yè)?？偨Y(jié)第三十五頁(yè)，共四十五頁(yè)。四、一些重要的抑制劑抑制劑:使酶活性降低的物質(zhì)。抑制劑作用分可逆抑制劑與不可逆抑制劑可逆的依據(jù)：能否用透析、超濾等物理方法除去抑制劑，使酶復(fù)活機(jī)理：實(shí)際上是底物的類似物，專一地作用于某一種酶活性部位的必需基團(tuán)而導(dǎo)致酶的失活，第三十六頁(yè)，共四十五頁(yè)。第三節(jié)溫度對(duì)酶反應(yīng)的影響

第三十七頁(yè)，共四十五頁(yè)。

溫度對(duì)酶反應(yīng)的影響

最適溫度機(jī)理：溫度導(dǎo)致酶蛋白變性第三十八頁(yè)，共四十五頁(yè)。溫度對(duì)酶反應(yīng)的影響在最適溫度之前，一般溫度越高，反應(yīng)速度就越快。Q10（溫度系數(shù)）：反應(yīng)溫度提高10℃，其反應(yīng)速率與原來反應(yīng)速率之比，對(duì)大多數(shù)酶來講，溫度系數(shù)Q10多為2，酶的固體狀態(tài)比在溶液中對(duì)溫度的耐受力要高。通常酶制劑以固體保存為佳。第三十九頁(yè)，共四十五頁(yè)。第四節(jié)

pH對(duì)酶反應(yīng)的影響

第四十頁(yè)，共四十五頁(yè)。pH對(duì)酶反應(yīng)的影響第四十一頁(yè)，共四十五頁(yè)。

pH影響酶活力的原因：

(1)過酸或過堿可以使酶的空間結(jié)構(gòu)破壞，引起酶構(gòu)象的改變，酶活性喪失。(2)當(dāng)pH改變不很劇烈時(shí)，酶雖未變性，但活力受到影響。影響了底物的解離狀態(tài)；影響酶分子活性部位上有關(guān)基團(tuán)的解離；影響到中間絡(luò)合物ES的解離狀態(tài)，不利于催化生成產(chǎn)物。第四十二頁(yè)，共四十五頁(yè)。第五節(jié)

激活劑對(duì)酶反應(yīng)的影響

第四十三頁(yè)，共四十五頁(yè)。1.激活劑(activator)激活劑：凡是能提高酶活性的物質(zhì)。其中大部分是無機(jī)離子或簡(jiǎn)單有機(jī)化合物