均相酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

均相酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)第一頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五

第一節(jié)

酶催化反應(yīng)的基本特征

酶是生物提高其生化反應(yīng)效率而產(chǎn)生的生物催化劑，其化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)。在生物體內(nèi)，所有的反應(yīng)均在酶的催化作用下完成，幾乎所有生物的生理現(xiàn)象都與酶的作用緊密聯(lián)系。生物酶分為六大類(lèi)：氧化還原酶、轉(zhuǎn)移酶、水解酶、裂合酶、異構(gòu)酶、合成酶。

第二頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五一、酶的催化共性

酶參與生物化學(xué)反應(yīng)，它能降低反應(yīng)的活化能（分子參與化學(xué)反應(yīng)時(shí)所需要的最低能量），加快生化反應(yīng)的速率，但它不改變反應(yīng)的方向和平衡關(guān)系，即它不能改變反應(yīng)的平衡常數(shù)，而只能加快反應(yīng)達(dá)到平衡的速率；酶在反應(yīng)過(guò)程中，其主體結(jié)構(gòu)和離子價(jià)態(tài)可以發(fā)生某種變化，但在反應(yīng)結(jié)束時(shí)，一般酶本身不消耗，并恢復(fù)到原來(lái)狀態(tài)。

第三頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五二、酶的催化特性

（1）較高的催化效率

（2）很強(qiáng)的專(zhuān)一性

（3）具有溫和的反應(yīng)條件

（4）易變性與失活

第四頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五較高的催化效率

酶活力表示方法酶的分子活力：在最適宜條件下，每1mol酶在單位時(shí)間內(nèi)所能催化底物的最大量（mol）酶的催化中心活力：在單位時(shí)間內(nèi)，每一個(gè)酶的催化中心所催化底物的量（mol）酶活力：在特定條件下，每1min能催化1mol底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物時(shí)所需要的酶量，稱(chēng)為一個(gè)酶單位，或稱(chēng)為國(guó)際單位，用U表示。酶活力還可用比活力表示。比活力系指每1mg酶所具有的酶單位數(shù)，用U/mg表示。

第五頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五

酶催化反應(yīng)和化學(xué)催化反應(yīng)的轉(zhuǎn)換數(shù)大小的比較

催化劑反應(yīng)轉(zhuǎn)換數(shù)mol/（中心點(diǎn)·S）溫度℃酶催化劑菠蘿蛋白酶木瓜蛋白酶胰蛋白酶碳酸肝酶

肽的水解肽的水解肽的水解羰基化合物的可逆反應(yīng)

4×10-3~5×10-18×10-2~1×103×10-3~1×1028×10-1~6×105

0~370~370~370~37化學(xué)催化劑硅膠－氧化鋁硅膠－氧化鋁二氧化釩二氧化釩異丙基苯裂解異丙基苯裂解環(huán)己烷脫氫環(huán)己烷脫氫

3×10-82×1047×10-111×102

2542025350第六頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五很強(qiáng)的專(zhuān)一性

酶催化反應(yīng)有很高的選擇性，一種酶僅能作用于一種物質(zhì)或一類(lèi)結(jié)構(gòu)相似的物質(zhì)進(jìn)行某一種反應(yīng)，這種特性稱(chēng)為酶的專(zhuān)一性或選擇性。

第七頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五絕對(duì)專(zhuān)一性：一種酶只能催化一種化合物進(jìn)行一種反應(yīng)

相對(duì)專(zhuān)一性：一種酶能夠催化一類(lèi)具有相同化學(xué)鍵或基團(tuán)的物質(zhì)進(jìn)行某種類(lèi)型的反應(yīng)

反應(yīng)專(zhuān)一性：一種酶只能催化某化合物在熱力學(xué)上可能進(jìn)行的許多反應(yīng)中的一種反應(yīng)

底物專(zhuān)一性：一種酶只能催化一種底物

立體專(zhuān)一性：一種酶只能作用于所有立體異構(gòu)體中的一種

第八頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五具有溫和的反應(yīng)條件酶催化反應(yīng)溫度一般在生理溫度25~37℃的范圍，僅有少數(shù)酶反應(yīng)可在較高溫度下進(jìn)行。同時(shí)，酶催化反應(yīng)一般是在接近中性的pH值條件下進(jìn)行。

第九頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五易變性與失活酶的化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)，因而具有蛋白質(zhì)的所有性質(zhì)。其中，容易變性的性質(zhì)，使得酶在應(yīng)用時(shí)，常因變性而使活力下降，甚至完全失去活力，即失活。酶的變性多數(shù)為不可逆。

第十頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五第二節(jié)簡(jiǎn)單的酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)單的酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)是指由一種反應(yīng)物(底物)參與的不可逆反應(yīng)。屬于此類(lèi)反應(yīng)的有酶催化的水解反應(yīng)和異構(gòu)化反應(yīng)。這種簡(jiǎn)單的單底物酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，是酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)。第十一頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五一、Michaelis-Menten方程

方程推導(dǎo)三點(diǎn)假設(shè)(平衡假設(shè)

)：

①與底物濃度[S]相比，酶的濃度[E]是很小的，因而可忽略由于生成中間復(fù)合物[ES]而消耗的底物。②不考慮這個(gè)逆反應(yīng)的存在。若要忽略該反應(yīng)的存在，則必須是產(chǎn)物P為零，換言之，該方程適用于反應(yīng)的初始狀態(tài)。③認(rèn)為基元反應(yīng)的反應(yīng)速率最慢，為該反應(yīng)速率的控制步驟，而這一反應(yīng)速率最快，并很快達(dá)到平衡狀態(tài)。

第十二頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五對(duì)酶催化反應(yīng)過(guò)程的機(jī)理，得到大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果支持的是活性中間復(fù)合物學(xué)說(shuō)，該學(xué)說(shuō)認(rèn)為酶催化反應(yīng)至少包括兩步，首先是底物S和酶E相結(jié)合形成中間復(fù)合物[ES]，然后該復(fù)合物分解成產(chǎn)物P，并釋放出酶E。

例如：酶反應(yīng)其反應(yīng)機(jī)理可表示為第十三頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五根據(jù)化學(xué)動(dòng)力學(xué)，反應(yīng)速率通常以單位時(shí)間、單位反應(yīng)體系中某一組分的變量來(lái)表示。對(duì)均相酶的催化反應(yīng)，單位反應(yīng)體系常用單位體積表示。反應(yīng)的速率可表示為

rs：底物S的消耗速率（mol/L﹒s）rp：產(chǎn)物P生成速率（mol/L﹒s）v：反應(yīng)體系的體積（L）

ns、np：底物S和產(chǎn)物P的質(zhì)量（mol）t：時(shí)間（s）

第十四頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五根據(jù)質(zhì)量作用定律，P的生成速率可表示為：

速率控制步驟在反應(yīng)動(dòng)力學(xué)中是一個(gè)重要的概念。在一個(gè)多步驟的反應(yīng)體系中，其中反應(yīng)速率最慢的一步稱(chēng)為速率的控制步驟，并且控制步驟的速率決定了該反應(yīng)的速率。

第十五頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五根據(jù)上述假定（3），可列出

KS

為解離常數(shù)（mol/l）反應(yīng)體系中酶的總濃度為

第十六頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五

代入得米氏方程或稱(chēng)M—M方程

rp,max：P的最大生成速率[E0]：酶的總濃度，亦為酶的初始濃度

第十七頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五G．E．Briggs和J．B．Haldane對(duì)上述第三點(diǎn)假設(shè)進(jìn)行修正，提出了“擬穩(wěn)態(tài)”假設(shè)。認(rèn)為由于反應(yīng)體系中底物濃度要比酶的濃度高得多，中間復(fù)合物分解時(shí)所得到的酶又立即與底物相結(jié)合，從而使反應(yīng)體系中復(fù)合物的濃度維持不變，即中間復(fù)合物的濃度不再隨時(shí)間而變化。消去得

km：米氏常數(shù)(mol/l)

第十八頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五km與ks的關(guān)系為由兩種推導(dǎo)方法所得速率方程式形式基本相同，不同的是ks值代表反應(yīng)的平衡常數(shù)，而km值稱(chēng)為米氏常數(shù)，它代表動(dòng)態(tài)的平衡常數(shù)，表示實(shí)際的恒態(tài)時(shí)的濃率關(guān)系。當(dāng)<<時(shí)，km值才接近于ks第十九頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五第二十頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五km是酶的特征性常數(shù)，測(cè)定km值具有重要的意義。km值代表反應(yīng)速率為最大反應(yīng)速率一半時(shí)的基質(zhì)濃度，其單位為濃度單位。

第二十一頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五km值是酶的一個(gè)很基本的特性常數(shù)，它和酶的濃度無(wú)關(guān)，但和溫度、pH等因素有關(guān)。根據(jù)km值可以推斷酶和底物的親和力。如果酶的專(zhuān)一性不高，可催化幾種底物發(fā)生反應(yīng)時(shí)，km值最小的就表示酶與這一底物的親和力最大，反之，則最小。第二十二頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五根據(jù)km值，可以估計(jì)胞內(nèi)基質(zhì)濃度，如<<時(shí)，。那么只要稍微改變基質(zhì)濃度，的變化就很大，即反應(yīng)速率對(duì)基質(zhì)濃度改變的敏感性很大，如果或時(shí)，基質(zhì)濃度相差1000倍，但反應(yīng)速率只增加一倍，即在生理上保持>>是沒(méi)有意義的。第二十三頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五

另一個(gè)動(dòng)力學(xué)參數(shù)為最大反應(yīng)速率，根據(jù)定義，，它表示當(dāng)全部的酶都是復(fù)合物狀態(tài)時(shí)的反應(yīng)速率。k+2表示單位時(shí)間內(nèi)一個(gè)酶分子所能催化底物發(fā)生反應(yīng)的分子數(shù)。因此它表示了酶催化反應(yīng)能力的大小，不同的酶催化反應(yīng)，其值不同。

第二十四頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五從~[S]圖的關(guān)系曲線可以看出，該曲線表示了三個(gè)不同的動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)的區(qū)域。當(dāng)<<，即底物濃度比km值小很多時(shí)，該曲線近似為一條直線，這表示反應(yīng)速率與底物濃度近似正比關(guān)系，此時(shí)酶催化反應(yīng)可近似看作一級(jí)反應(yīng)。式中為總反應(yīng)的一級(jí)反應(yīng)常數(shù)。

第二十五頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五

這是因?yàn)楫?dāng)km值很大時(shí)，大部分酶為游離態(tài)的酶，而[ES]的量很少。若要提高反應(yīng)速率，只有通過(guò)提高[S]值，進(jìn)而提高[ES]，才能使反應(yīng)速率加快。因而此時(shí)的反應(yīng)速率主要取決于底物濃度的變化。

或

k值可以表示瞬時(shí)時(shí)間內(nèi)基質(zhì)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的份數(shù)，或在瞬時(shí)時(shí)間內(nèi)有多少份數(shù)的基質(zhì)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物。

第二十六頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五：底物的初始濃度(mol/l)第二十七頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五或其中

第二十八頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五

當(dāng)>>時(shí)，該曲線近似為一水平線，表示當(dāng)?shù)孜餄舛壤^續(xù)增加時(shí)，反應(yīng)速率變化不大。此時(shí)，酶催化反應(yīng)可視為零級(jí)反應(yīng)，反應(yīng)速率將不隨底物濃度的變化而變化。這是因?yàn)楫?dāng)km值很小時(shí)，絕大多數(shù)酶呈復(fù)合物狀態(tài)，反應(yīng)體系內(nèi)游離的酶很少。所以即使提高底物濃度，也不能提高其反應(yīng)速率?！嗉椿?/p>

第二十九頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五

當(dāng)[S]與km的數(shù)量關(guān)系處于上述兩者之間的范圍時(shí)，則符合M—M方程所表示的關(guān)系式。

第三十頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五例4-1：有一均相酶催化反應(yīng)，km值為2×10-3mol/l，當(dāng)?shù)孜锏某跏紳舛萚S0]為1×10-5mol/l時(shí)，若反應(yīng)進(jìn)行1min，則有2%的底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物。試求：（1）當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行了3min，底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的百分?jǐn)?shù)是多少？此時(shí)底物和產(chǎn)物的濃度分別為多少？（2）當(dāng)[S0]為1×10-6mol/l時(shí)，也反應(yīng)了3min，底物和產(chǎn)物的濃度又是多少？（3）最大反應(yīng)速率rmax值為多少？

第三十一頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五解：（1）根據(jù)題意，﹤，此時(shí)一般可認(rèn)為按一級(jí)反應(yīng)處理，其動(dòng)力學(xué)方程可表示為：

時(shí)，

∴mol/l第三十二頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五將已知數(shù)據(jù)代入上式中，求得

min-1

當(dāng)

t=3min時(shí)，可以求得

mol/l

xS=6%

mol/l第三十三頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五（2）當(dāng)mol/l時(shí)，仍可視為一級(jí)反應(yīng)，∴t=3min時(shí)，同樣可求得

xS=6%

mol/l

mol/l第三十四頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五（3）據(jù)

得

mol/l·min第三十五頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五二、酶動(dòng)力學(xué)圖解法

要建立一個(gè)完整的動(dòng)力學(xué)方程，必須通過(guò)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)確定其動(dòng)力學(xué)參數(shù)。對(duì)Michaelis-Menten方程，就是要確定rmax（或k+2）和km值。但直接應(yīng)用Michaelis-Menten方程求取動(dòng)力學(xué)參數(shù)所遇到的主要困難在于該方程為非線性方程。為此常將該方程加以線性化，通過(guò)作圖法直接求取動(dòng)力學(xué)參數(shù)。

第三十六頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五1.雙倒數(shù)圖解法（LineweaverBurk圖解）

將M—M方程取其倒數(shù)得到下式:以值對(duì)應(yīng)于作圖：

第三十七頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五雙倒數(shù)法應(yīng)用廣泛，但有兩個(gè)缺點(diǎn)：1、選用基質(zhì)濃度不宜等量增加，否則在作圖時(shí)，點(diǎn)都會(huì)集中在縱軸附近，難于正確作圖?；|(zhì)濃度以選用1.0、1.11、1.25、1.43、1.67、2.0、2.5、3.33，5和10等為宜，這樣倒數(shù)值幾乎是等量遞增的。2、反應(yīng)速率測(cè)定稍有誤差，其倒數(shù)值誤差必將擴(kuò)大，特別是在低濃度基質(zhì)測(cè)定時(shí)，引起的誤差更大，這樣將影響直線斜率，影響rmax及Km值

的測(cè)定。第三十八頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五2.圖解法（HanesWoolf圖解）

將M—M方程變換成下式:以為縱坐標(biāo)，為橫坐標(biāo)，此方程為一直線方程，直線斜率為，與縱軸交點(diǎn)為，與橫軸交點(diǎn)為。

第三十九頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五3.圖解法（Woolf-AugustinessonHofstee圖解）

將M—M方程變換成下式:上式為直線方程式，r為縱坐標(biāo)，為橫坐標(biāo)，直線的斜率為，與縱坐標(biāo)交于，于橫坐標(biāo)交于，根據(jù)直線與兩坐標(biāo)的交點(diǎn)可求出及值，但在選用基質(zhì)濃度時(shí)，也須注意，要在值的附近。

第四十頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五4.圖解法（EadleScatchard圖解）

將M—M方程變換成下式:此直線方程式，斜率為，與坐標(biāo)交于，與r坐標(biāo)交于。

第四十一頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五5.HenriMichaelisMenten積分方程式

有時(shí)在酶反應(yīng)過(guò)程中，基質(zhì)或產(chǎn)物的濃度可以測(cè)得，但反應(yīng)初速度則難以測(cè)定。這時(shí)，就可選用積分方程式來(lái)測(cè)定酶的及值。

第四十二頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五式中：[S]為時(shí)間t時(shí)的基質(zhì)濃度([S]0-[P]),

([S]0-[P])為時(shí)間t內(nèi)所用去的基質(zhì)濃度，也為時(shí)間t內(nèi)所生成的產(chǎn)物濃度[P]。上式可改寫(xiě)為:

上式也是直線方程式，斜率為，直線交點(diǎn)于縱坐標(biāo)，與橫坐標(biāo)交于。第四十三頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五例4-1：在pH=5.1，15℃時(shí)測(cè)得葡萄糖淀粉酶水解麥芽糖的初速度為：5.558.3311.1113.6916.6622.2227.771.632.112.412.763.013.393.47試從測(cè)定結(jié)果求這個(gè)酶反應(yīng)的和值。解：從表S及r值，計(jì)算得及值，作圖。從連接各點(diǎn)所得的直線，求得

第四十四頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五第三節(jié)有抑制的酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

在酶催化反應(yīng)中，由于某些外源化合物的存在而使反應(yīng)速率下降，這種物質(zhì)稱(chēng)為抑制劑。抑制作用分為可逆抑制與不可逆抑制兩大類(lèi)。如果某種抑制可用諸如透析等物理方法把抑制劑去掉而恢復(fù)酶的活性，則此類(lèi)抑制稱(chēng)為可逆抑制，此時(shí)酶與抑制劑的結(jié)合存在著解離平衡的關(guān)系。如果抑制劑與酶的基因成共價(jià)結(jié)合，則此時(shí)不能用物理方法去掉抑制劑。此類(lèi)抑制可使酶永久性地失活。例如重金屬離子Hg2+”、Pb2+”等對(duì)木瓜蛋白酶、菠蘿蛋白酶的抑制都是不可逆抑制。第四十五頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五根據(jù)產(chǎn)生抑制的機(jī)理不同，可逆抑制分為:競(jìng)爭(zhēng)性抑制非競(jìng)爭(zhēng)性抑制反競(jìng)爭(zhēng)性抑制混合性抑制。

第四十六頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五一、競(jìng)爭(zhēng)性抑制動(dòng)力學(xué)若在反應(yīng)體系中存在有與底物結(jié)構(gòu)相類(lèi)似的物質(zhì)，該物質(zhì)也能在酶的活性部位上結(jié)合，從而阻礙了酶與底物的結(jié)合，使酶催化底物的反應(yīng)速率下降。這種抑制稱(chēng)為競(jìng)爭(zhēng)性抑制，該物質(zhì)稱(chēng)為競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑。其主要特點(diǎn)是，抑制劑與底物競(jìng)爭(zhēng)酶的活性部位，當(dāng)抑制劑與酶的活性部位結(jié)合之后，底物就不能再與酶結(jié)合，反之亦然。在琥珀酸脫氫酶催化琥珀酸為延胡索酸時(shí)，丙二酸是其競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑。

第四十七頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五式中：I為抑制劑；(EI)為非活性復(fù)方物。底物的反應(yīng)速率方程為:又：

第四十八頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五經(jīng)整理后可得KI—抑制劑的解離常數(shù)

（mol/l）KmI—有競(jìng)爭(zhēng)性抑制時(shí)的米氏常數(shù)（mol/l）可以看出，競(jìng)爭(zhēng)性抑制動(dòng)力學(xué)的主要特點(diǎn)是米氏常數(shù)值的改變，rmax不受競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑的影響。由于有抑制劑的存在，須有較高的基質(zhì)濃度，才能維持一定的rmax值。

第四十九頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五

競(jìng)爭(zhēng)性抑制動(dòng)力學(xué)的主要特點(diǎn)：競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑的抑制程度取決于[S]，[I]，Km和KmI，當(dāng)[I]增加，或KI減小，都會(huì)使KmI值增大，使酶與底物的結(jié)合能力下降，活性復(fù)合物減少，因而使底物反應(yīng)速率下降。若[I]不變，增加[S]，抑制程度降低；若[S]不變，增加[I]，抑制程度增加。在一定的[S]和[I]條件下，KI值越低，抑制程度越大。

第五十頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五競(jìng)爭(zhēng)性抑制的s-r關(guān)系圖：第五十一頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五競(jìng)爭(zhēng)性抑制的雙倒數(shù)方程式

或第五十二頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五

以對(duì)作圖，得一直線，其斜率為，與縱坐標(biāo)的交點(diǎn)為，與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)為。

第五十三頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五

又

以KmI對(duì)[I]作圖，據(jù)此圖可求出Km和KI值

競(jìng)爭(zhēng)性抑制的KI與I關(guān)系圖

第五十四頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五抑制劑的解離常數(shù)

由此可看出，KI愈小，表明抑制劑與酶的結(jié)合力愈強(qiáng)，對(duì)酶催化反應(yīng)能力的抑制作用就越強(qiáng)。當(dāng)酶的活性部位與一個(gè)抑制劑分子相結(jié)合時(shí)，KmI與[I]的關(guān)系為一直線，可稱(chēng)為線型競(jìng)爭(zhēng)抑制；如果酶的活性部位與兩個(gè)以上的抑制劑分子相結(jié)合，則與的關(guān)系為一拋物線，可稱(chēng)為拋物線型競(jìng)爭(zhēng)抑制。

第五十五頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五例4-2：在一定的酶濃度、pH和溫度條件下，沒(méi)有催化劑時(shí)，酶催化反的反應(yīng)速率為r0；當(dāng)抑制劑濃度為5×10-3M時(shí)，酶反應(yīng)速率為rsI，底物濃度與對(duì)應(yīng)的反應(yīng)結(jié)果如下表，求Km、KmI、rmax值。1.251.000.750.50r0(任意單位sI(任意單位)83.972.458.841.9第五十六頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五解：根據(jù)數(shù)據(jù)作圖。有抑制劑時(shí)，抑制作用為競(jìng)爭(zhēng)性抑制第五十七頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五二、非競(jìng)爭(zhēng)性抑制動(dòng)力學(xué)若抑制劑可以在酶的活性部位以外與酶相結(jié)合，并且這種結(jié)合與底物的結(jié)合沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，這種抑制稱(chēng)為非競(jìng)爭(zhēng)性抑制。此時(shí)抑制劑既可與游離的酶相結(jié)合，也可以與復(fù)合物ES相結(jié)合，生成了底物—酶—抑制劑的復(fù)合物SEI。絕大多數(shù)的情況是復(fù)合物SEI為一無(wú)催化活性的端點(diǎn)復(fù)合物，不能分解為產(chǎn)物，即使增大底物的濃度也不能解除抑制劑的影響。還有一種是三元復(fù)合物SEI也能分解為產(chǎn)物，但對(duì)酶的催化反應(yīng)速率仍然產(chǎn)生了抑制作用。如核苷對(duì)霉菌酸性磷酸酯酶的抑制屬于非競(jìng)爭(zhēng)性抑制。第五十八頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五

非競(jìng)爭(zhēng)性抑制的普遍機(jī)理式可表示為

第五十九頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五式中：為非競(jìng)爭(zhēng)性抑制時(shí)的最大反應(yīng)速率。

第六十頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五對(duì)非競(jìng)爭(zhēng)性抑制，由于抑制劑的作用使最大反應(yīng)速率降低了倍，并且增加[I]、KI減小都使其抑制程度增加。此時(shí)rSI對(duì)[S]的關(guān)系如圖。第六十一頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五根據(jù)L—B作圖法，上式可整理成

或以作圖，可得一直線，并求出Km和rI,max值。

第六十二頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五又根據(jù)式

可通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得不同[I]下rI,max的，進(jìn)而確定KI值。

第六十三頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五如果SEI也能分解為產(chǎn)物，同樣可整理出形式與類(lèi)似的速率方程式，所不同的只是rI,max所包含的參數(shù)上。如何判斷復(fù)合物SEI是否分解為產(chǎn)物，可通過(guò)改變抑制劑用量并測(cè)定底物的反應(yīng)速率來(lái)判斷。當(dāng)[I]增加到某一程度，rSI減小直至趨于0，則為SEI不能分解為產(chǎn)物；如果隨著[I]的增加，rSI趨于一定值，則SEI能分解為產(chǎn)物。第六十四頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五

非競(jìng)爭(zhēng)性抑制與競(jìng)爭(zhēng)性抑制的主要不同點(diǎn)是：對(duì)競(jìng)爭(zhēng)性抑制，隨著底物濃度的增大，抑制劑的影響可減弱；而對(duì)非競(jìng)爭(zhēng)性抑制，即使增大底物濃度也不能減弱抑制劑的影響。從這個(gè)意義上說(shuō)，競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用是可逆的，非競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用是不可逆的。

第六十五頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五例4-3：水楊酸抑制谷氨酸脫氫酶催化的脫氫反應(yīng)。試根據(jù)下列實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定抑制類(lèi)型Km和KI及值。又脫氫反應(yīng)速度r的單位是根據(jù)340nm波長(zhǎng)下光吸收速率的增加來(lái)表示的。谷氨酸脫氫酶的反應(yīng)結(jié)果谷氨酸，mmol

（含40mmol水楊酸）1.50.210.082.00.250.103.00.280.124.00.330.138.00.440.1616.00.400.18第六十六頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五解：以對(duì)和以對(duì)作圖結(jié)果如圖所示。顯然從圖中可以看出反應(yīng)為非競(jìng)爭(zhēng)性抑制。從橫坐標(biāo)截距得mol從縱坐標(biāo)截距得

把和/min代入，得mmol。第六十七頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五第六十八頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五三、反競(jìng)爭(zhēng)性抑制動(dòng)力學(xué)

反競(jìng)爭(zhēng)性抑制的特點(diǎn)是抑制劑不能直接與游離酶相結(jié)合，而只能與復(fù)合物ES相結(jié)合生成SEI復(fù)合物。

第六十九頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五據(jù)擬穩(wěn)態(tài)假設(shè)和物料平衡，經(jīng)整理后可得其速率方程為式中：

,,

第七十頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五以rSI

對(duì)[S]作圖第七十一頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五據(jù)L--—B作圖法，方程為第七十二頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五直線斜率為與縱坐標(biāo)交點(diǎn)為；與橫坐標(biāo)交點(diǎn)為，在不同的[I]濃度下得一系列平行線。在飽和抑制劑濃度下，反應(yīng)速率幾乎為0。若以～[I]作圖，或以～[I]作圖，均為直線。

第七十三頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五四、線性混合型抑制動(dòng)力學(xué)線形混合型的最簡(jiǎn)單機(jī)制可表示為：第七十四頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五

上式基本上與非競(jìng)爭(zhēng)性抑制的模型相同，可不同的是，當(dāng)EI與S結(jié)合生成SEI時(shí)，由于抑制劑的存在影響了EI與S的結(jié)合，因而其解離常數(shù)由KS變?yōu)椋瑯覧S與I結(jié)合時(shí)，其解離常數(shù)由KI變?yōu)椤?/p>

第七十五頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五上式中：根據(jù)上述機(jī)理式，可推出其速率方程為對(duì)此種抑制，

式中為KS和KI的修正系數(shù)。當(dāng)，時(shí)，上述抑制實(shí)為非競(jìng)爭(zhēng)性抑制。

第七十六頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五以上介紹了競(jìng)爭(zhēng)性抑制、非競(jìng)爭(zhēng)性抑制、反競(jìng)爭(zhēng)性抑制及混合型抑制的動(dòng)力學(xué)方程，雖然各具特點(diǎn)，但可用一普遍化的機(jī)制和公式來(lái)表示。普遍化的機(jī)制可用下圖表示：

第七十七頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五若無(wú)SEI存在，則為競(jìng)爭(zhēng)性抑制；若E和EI與S有同等的結(jié)合力，且SEI無(wú)反應(yīng)活性，則為非競(jìng)爭(zhēng)性抑制；若無(wú)EI存在，且SEI無(wú)反應(yīng)活性，則為反競(jìng)爭(zhēng)性抑制。普遍化的公式為式中：KIS和KSI分別為EI與S和ES與I相結(jié)合形成SEI的解離常數(shù)。第七十八頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五當(dāng)時(shí)，為非競(jìng)爭(zhēng)性抑制；當(dāng)時(shí)為競(jìng)爭(zhēng)性抑制，當(dāng)時(shí)為反競(jìng)爭(zhēng)性抑制，當(dāng)且均為常數(shù)值時(shí)，稱(chēng)為混合抑制。

第七十九頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五例4-4：某酶的Km值為4.7×10-5mol/L，如果rmax值為2.2×10-5mol/L·min，在底物濃度為2×10-4mol/L和在（1）競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑與（2）非競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑的濃度均為5×10-4mol/L情況下，其反應(yīng)速率分別為多大？假定在上述情況下KI值均為3×10-4mol/L，則在上述兩種抑制情況下的抑制程度各有多大？解：（1）對(duì)競(jìng)爭(zhēng)性抑制，可列出下式

第八十頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五（2）對(duì)非競(jìng)爭(zhēng)性抑制，可列出下式

mol/L·min

（3）求抑制程度當(dāng)無(wú)抑制劑存在時(shí)的反應(yīng)速率為

mol/L·min

第八十一頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五所以上述兩種抑制的抑制程度應(yīng)分別為競(jìng)爭(zhēng)性抑制非競(jìng)爭(zhēng)性抑制

第八十二頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五五．底物的抑制動(dòng)力學(xué)

有些酶催化反應(yīng)，在底物濃度增加時(shí)，反應(yīng)速率反而會(huì)下降，這種由底物濃度增大而引起反應(yīng)速率下降的作用稱(chēng)為底物抑制作用。反應(yīng)機(jī)理式為第八十三頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五SES為不具有催化反應(yīng)活性，不能分解為產(chǎn)物的三元復(fù)合物。應(yīng)用穩(wěn)態(tài)法處理，可得到底物抑制的酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程為其中：rSS為底物抑制的反應(yīng)速率mol/l?s Ks為底物抑制的解離常數(shù)mol/l第八十四頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五當(dāng)?shù)孜镆种茣r(shí)，rss與S的關(guān)系表示在圖中。速率曲線有一最大值，即為最大底物消耗速率。相對(duì)應(yīng)的底物濃度值可通過(guò)下式求出在點(diǎn)（）處可微分且有極值，則為最佳底物濃度

第八十五頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五第四節(jié)

復(fù)雜的酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

復(fù)雜的酶催化反應(yīng)包括可逆反應(yīng)、多底物反應(yīng)和產(chǎn)物抑制等。一、可逆酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)以最簡(jiǎn)單的單底物可逆酶反應(yīng)為例，其反應(yīng)機(jī)理可表示為若將生成P反應(yīng)看作正反應(yīng)，其速率為若將生成反應(yīng)視為逆反應(yīng)，其速率為第八十六頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五反應(yīng)的凈速率則為

根據(jù)穩(wěn)態(tài)假設(shè)和物料平衡關(guān)系，并令KmP和KmS分別為正、逆反應(yīng)的米氏常數(shù)。rP,max和rS,max分別為正、逆反應(yīng)的最大速率。

第八十七頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五反應(yīng)的凈速率式為

若令：Ke為反應(yīng)平衡常數(shù)，則

第八十八頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五二、產(chǎn)物抑制的酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

與上述可逆反應(yīng)不同，產(chǎn)物抑制系指當(dāng)產(chǎn)物與酶形成復(fù)合物EP后，就停止繼續(xù)進(jìn)行反應(yīng)的情況，特別是當(dāng)產(chǎn)物濃度較高時(shí)有可能出現(xiàn)這種抑制。其反應(yīng)機(jī)理式為其中EP為無(wú)活性的端點(diǎn)復(fù)合物第八十九頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五應(yīng)用穩(wěn)態(tài)法推導(dǎo)出下列反應(yīng)速率方程式

，稱(chēng)為產(chǎn)物抑制解離常數(shù)。與無(wú)抑制相比較，最大反應(yīng)速率值rmax不變，米氏常數(shù)增大了倍，同競(jìng)爭(zhēng)性抑制一樣，使反應(yīng)速率下降。

第九十頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五

三、多底物酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

對(duì)于一般的酶催化反應(yīng)可用下列通式表示：

在這種情況下，動(dòng)力學(xué)方程中包含A、B、C…及P、Q、R…的濃度項(xiàng)，因而非常復(fù)雜，動(dòng)力學(xué)參數(shù)也很多。屬于這類(lèi)多底物反應(yīng)的酶有氧化酶、轉(zhuǎn)移酶、連接酶等。這里僅涉及雙底物酶催化反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)。

第九十一頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五對(duì)雙底物酶催化反應(yīng)的機(jī)理，一般認(rèn)為要讓兩個(gè)底物同時(shí)與酶的活性部位相結(jié)合形成復(fù)合物似乎不太可能，而是雙底物酶反應(yīng)系統(tǒng)中復(fù)合物的形成有三種最簡(jiǎn)單的情況，即隨機(jī)機(jī)制、順序機(jī)制和乒乓機(jī)制。第九十二頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五1、隨機(jī)機(jī)制

兩個(gè)底物S1和S2隨機(jī)地與酶相結(jié)合，產(chǎn)物P1和P2也隨機(jī)地釋放出來(lái)。許多激酶類(lèi)的催化機(jī)制屬于此種。其機(jī)理可表示為第九十三頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五反應(yīng)速率可表示為

第九十四頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五當(dāng)假定[S2]恒定時(shí)，經(jīng)推導(dǎo)可得

其中

第九十五頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五當(dāng)假定[S1]恒定時(shí)，同樣可推導(dǎo)得

其中

解離常數(shù)：

第九十六頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五2、順序機(jī)制

兩個(gè)底物S1和S2與酶結(jié)合形成復(fù)合物是有順序的，酶先與底物S1結(jié)合形成ES1復(fù)合物，然后ES1再與S2結(jié)合形成具有催化活性的ES1S2。按同樣的方法推導(dǎo)出下列方程式式中的Km：S1為單底物時(shí)的米氏常數(shù)；KmS1：S2濃度飽和時(shí)，S1的米氏常數(shù)；KmS2：S1濃度飽和時(shí)，S2的米氏常數(shù)。大部分脫氫酶屬于順序機(jī)制。第九十七頁(yè)，共一百零九頁(yè)，編輯于2023年，星期五3．乒乓機(jī)制

最主要的特點(diǎn)是底物S1和S2始終不同時(shí)與酶結(jié)合，其機(jī)理式第九十八頁(yè)，共