蘭州大學(xué)酶促反應(yīng)動力學(xué)演示文稿

蘭州大學(xué)酶促反應(yīng)動力學(xué)演示文稿當(dāng)前第1頁\共有53頁\編于星期二\18點2023/6/12臺州學(xué)院生命科學(xué)與醫(yī)藥化工學(xué)院柯世省蘭州大學(xué)酶促反應(yīng)動力學(xué)當(dāng)前第2頁\共有53頁\編于星期二\18點一、化學(xué)動力學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)反應(yīng)的兩個基本問題：（1）反應(yīng)進(jìn)行的方向、可能性和限度；（2）反應(yīng)進(jìn)行的速率和反應(yīng)機(jī)制。（一）反應(yīng)速率及其測定反應(yīng)速率是以單位時間內(nèi)反應(yīng)物或生成物濃度的改變來表示。用瞬時速率表示反應(yīng)速率：

v=dc/dt反應(yīng)速率的測定實際上就是測定不同時間的反應(yīng)物或生成物的濃度。當(dāng)前第3頁\共有53頁\編于星期二\18點（二）反應(yīng)分子數(shù)和反應(yīng)級數(shù)1.反應(yīng)分子數(shù)：在反應(yīng)中真正相互作用的分子的數(shù)目。單分子反應(yīng)，雙分子反應(yīng)，……判斷一個反應(yīng)是單分子反應(yīng)還是雙分子反應(yīng)，應(yīng)先了解反應(yīng)機(jī)制，即反應(yīng)過程中各個單元反應(yīng)是如何進(jìn)行的。2.反應(yīng)級數(shù)：根據(jù)實驗結(jié)果，整個化學(xué)反應(yīng)的速率服從哪種分子反應(yīng)速率方程式，則這個反應(yīng)即為幾級反應(yīng)。一級反應(yīng)，二級反應(yīng)，……，零級反應(yīng)。當(dāng)前第4頁\共有53頁\編于星期二\18點（三）各級反應(yīng)的特征1.一級反應(yīng)凡是反應(yīng)速率只與反應(yīng)物的濃度的一次方成正比的，這種反應(yīng)就稱為一級反應(yīng)。速率常數(shù)與半衰期成反比，半衰期與反應(yīng)物的初濃度無關(guān)。2.二級反應(yīng)凡是反應(yīng)速率與反應(yīng)物濃度二次方（或兩種物質(zhì)濃度的乘積）成正比的，這種反應(yīng)就稱為二級反應(yīng)。半衰期與初濃度成反比。3.零級反應(yīng)凡是反應(yīng)速率與反應(yīng)物濃度無關(guān)而受它種因素影響而改變的反應(yīng)。半衰期與初始濃度成正比。當(dāng)前第5頁\共有53頁\編于星期二\18點二、底物濃度對酶反應(yīng)速率的影響（一）中間絡(luò)合物學(xué)說1903年，Henri用蔗糖酶水解蔗糖的實驗在低底物濃度時,反應(yīng)速度與底物濃度成正比，表現(xiàn)為一級反應(yīng)特征。當(dāng)?shù)孜餄舛冗_(dá)到一定值，反應(yīng)速度達(dá)到最大值（Vmax），此時再增加底物濃度，反應(yīng)速度不再增加，表現(xiàn)為零級反應(yīng)。當(dāng)前第6頁\共有53頁\編于星期二\18點酶與底物的中間絡(luò)合物學(xué)說（Henri和Wurtz）

S+EESP+E中間產(chǎn)物假說證據(jù)：（1）ES復(fù)合物已被電子顯微鏡和X射線晶體結(jié)構(gòu)分析直接觀察到。（2）酶和底物的光譜特性在形成ES后發(fā)生變化。（3）酶的物理性質(zhì)經(jīng)常在形成ES后發(fā)生變化。（4）已分離得到ES復(fù)合物。（5）平衡透析時，底物濃度在半透膜內(nèi)外不等。當(dāng)前第7頁\共有53頁\編于星期二\18點（二）酶促反應(yīng)的動力學(xué)方程式1.米氏方程式的推導(dǎo)推導(dǎo)原則：從酶被底物飽和的現(xiàn)象出發(fā)，按照“穩(wěn)態(tài)平衡”假說的設(shè)想進(jìn)行推導(dǎo)。米氏方程:米氏常數(shù):當(dāng)前第8頁\共有53頁\編于星期二\18點米氏方程的推導(dǎo)令：將（4）代入（3），則：[ES]生成速度：，[ES]分解速度：即：則：(1)經(jīng)整理得：由于酶促反應(yīng)速度由[ES]決定，即，所以(2)將（2）代入（1）得：(3)當(dāng)酶反應(yīng)體系處于恒態(tài)時：當(dāng)[E]=[ES]時，(4)所以

當(dāng)前第9頁\共有53頁\編于星期二\18點酶反應(yīng)速度與底物濃度的關(guān)系曲線當(dāng)[S]<<Km時當(dāng)[S]＞＞Km時當(dāng)[S]=Km時當(dāng)前第10頁\共有53頁\編于星期二\18點2.動力學(xué)參數(shù)的意義（1）米氏常數(shù)的意義a.不同的酶具有不同Km值，它是酶的一個重要的特征物理常數(shù),只與酶的性質(zhì)有關(guān)，而與其濃度無關(guān)。b.Km值只是在固定的底物，一定的溫度和pH條件下，一定的緩沖體系中測定的，不同條件下具有不同的Km值。c.Km值表示酶與底物之間的親和程度：Km值大表示親和程度小，酶的催化活性低;Km值小表示親和程度大,酶的催化活性高。（同一種酶有幾種底物就有幾個Km值，其中Km值最小的底物一般稱為該酶的最適底物或天然底物）一般情況下，1/Km可以近似地表示酶對底物的親和力大小，1/Km愈大，表明親和力愈大。當(dāng)前第11頁\共有53頁\編于星期二\18點所以1/Km表示形成ES的趨勢大小特例：Km=K2/K1=Ks(在K3K1，K2時)d.Km與Ks

Km不等于Ks。在K3<<K1、K2時，Km看作Ks，也只有此時1/Km

才可以近似表示酶與底物結(jié)合的難易程度。

e.Km與Km無抑制劑時，ES的分解速度與形成速度的比值符合米氏方程，為Km;而有抑制劑時發(fā)生變化，則不符合米氏方程，為Km。當(dāng)前第12頁\共有53頁\編于星期二\18點f.Km和米氏方程的實際應(yīng)用若已知某個酶的Km值，可以計算在某一個底物濃度時，反應(yīng)速度相當(dāng)于最大反應(yīng)速度的百分率。g.Km可以幫助推斷某一反應(yīng)的方向和途徑當(dāng)前第13頁\共有53頁\編于星期二\18點（2）Vmax和k3(kcat)的意義在一定的酶濃度下，Vmax是一個常數(shù)，它只與底物的種類及反應(yīng)條件有關(guān)。當(dāng)[S]很大時，Vmax=K3[E]K3代表酶被底物飽和時每秒鐘每個酶分子轉(zhuǎn)換底物的分子數(shù)，稱為轉(zhuǎn)換數(shù)（或催化常數(shù)，Kcat），表明酶的最大催化效率。轉(zhuǎn)換數(shù)的倒數(shù)即為催化周期：一個酶分子每催化一個底物分子所需的時間。乳糖脫氫酶轉(zhuǎn)換數(shù)為1000/秒，則它的催化周期為10-3秒當(dāng)前第14頁\共有53頁\編于星期二\18點（3）Kcat/Km

的意義在生理條件下，[S]/Km=0.01～1.0[S]<<Km時：Kcat/Km的上限是K1，即生成ES復(fù)合物的速度(酶促反應(yīng)的速度不會超過ES的形成速度K1，在水相中不會超過108～109）當(dāng)前第15頁\共有53頁\編于星期二\18點只有Kcat/Km可以客觀地比較不同的酶或同一種酶催化不同底物的催化效率當(dāng)前第16頁\共有53頁\編于星期二\18點3.利用作圖法測定Km和Vmax值（1）

Lineweaver-Burk

雙倒數(shù)作圖法米氏方程的雙倒數(shù)形式：基本原則：將米氏方程變化成相當(dāng)于y=ax+b的直線方程，再用作圖法求出Km。1Km11—=——.—+——

vVmax

[S]Vmax

當(dāng)前第17頁\共有53頁\編于星期二\18點（2）Eadie-Hofstee作圖法v～v/[S]作圖法v=Vmax

－Km·——v[S]v[S]vVmax-Km當(dāng)前第18頁\共有53頁\編于星期二\18點（3）Hanes-Woolf作圖法——＝——＋——[S][S]vVmaxVmaxKm1Km11—=——.—+——

vVmax

[S]Vmax

在兩邊均乘以[S]：以～[S]作圖[S]v-Km[S]v[S]Vmax1當(dāng)前第19頁\共有53頁\編于星期二\18點（4）Eisenthal作圖法當(dāng)前第20頁\共有53頁\編于星期二\18點（三）多底物的酶促反應(yīng)1.多底物酶促反應(yīng)按動力學(xué)機(jī)制分類①有序反應(yīng)只有Leadingsubstrate(領(lǐng)先底物A)首先與酶結(jié)合，然后B才能與酶結(jié)合，形成的三元復(fù)合物EAB（ternarycomplex)轉(zhuǎn)變?yōu)镋PQ，B的產(chǎn)物P先釋放，A的產(chǎn)物Q后釋放?！镌谌鄙貯時，B不能與E結(jié)合E+A+B→AEB→PEQ→E+P+Q（1）序列反應(yīng)當(dāng)前第21頁\共有53頁\編于星期二\18點E→AE→AEB→QEP→QE→EABPQPEAAEAEBQEPBQEQA與其產(chǎn)物Q相互競爭地結(jié)合E，但A和B互不竟?fàn)幏磻?yīng)的總方向決定于A、Q的濃度和反應(yīng)的平衡常數(shù)當(dāng)前第22頁\共有53頁\編于星期二\18點NAD＋與NADH相互競爭E上的NAD＋結(jié)合部位當(dāng)前第23頁\共有53頁\編于星期二\18點②隨機(jī)反應(yīng)底物A、B與酶結(jié)合的順序是隨機(jī)的，形成的三元復(fù)合物AEB→QEP，產(chǎn)物P、Q的釋放順序也是隨機(jī)的。限速步驟是AEB→QEPA與Q相互競爭E上的底物結(jié)合部位A，B與P相互競爭E上的底物結(jié)合部位B反應(yīng)的總方向決定于A、B、Q、P的濃度和反應(yīng)的平衡常數(shù)當(dāng)前第24頁\共有53頁\編于星期二\18點（2）乒乓反應(yīng)底物A先與E結(jié)合成AE二元復(fù)合物，AE→PF（修飾酶形式），釋放第一個產(chǎn)物P，接著底物B與F形成FB，F(xiàn)B→EQ，釋放第二個產(chǎn)物Q。A與Q競爭自由酶形式E，B與P競爭修飾酶形式F。整個反應(yīng)歷程中只有二元復(fù)合物形式，沒有三元復(fù)合物形式。當(dāng)前第25頁\共有53頁\編于星期二\18點2.雙底物反應(yīng)的動力學(xué)方程（1）乒乓機(jī)制的動力學(xué)方程KmA：[B]達(dá)到飽和濃度時A的米氏常數(shù)KmA′：A的表觀米氏常數(shù)Vmax：[A][B]都達(dá)到飽和濃度時的最大反應(yīng)速度當(dāng)前第26頁\共有53頁\編于星期二\18點★乒乓機(jī)制的動力學(xué)曲線是兩組平行直線★表觀米氏常數(shù)KmA′（KmB′）隨[B]（[A]）濃度的增大而增大★表觀最大反應(yīng)速度Vmax′隨[B]（[A]）的增大而增大當(dāng)前第27頁\共有53頁\編于星期二\18點（2）序列機(jī)制的底物動力學(xué)方程當(dāng)前第28頁\共有53頁\編于星期二\18點★序列機(jī)制的動力學(xué)曲線是兩組相交直線（交于X軸負(fù)側(cè)）★交點在X軸：表觀KmA′（KmB′）不隨[[B]（[A]）濃度變化而變化（KmA′=KmA、KmB′=KmB）★交點在X軸上：表觀KmA′（KmB′）隨[[B]（[A]）濃度的增加而減小★交點在X軸下：表觀KmA′（KmB′）隨[[B]（[A]）濃度的增加而增大★表觀最大反應(yīng)速度Vmax′隨[B]（[A]）的增大而增大當(dāng)前第29頁\共有53頁\編于星期二\18點三、酶的抑制作用變性作用(denaturation)：抑制作用(inhibiton)：使酶活力下降或喪失但并不引起酶蛋白變性變性劑沒有選擇性抑制劑有不同程度的選擇性研究抑制劑對酶的作用有重大的意義：（1）藥物作用機(jī)理和抑制劑型藥物的設(shè)計與開發(fā)（2）了解生物體的代謝途徑，進(jìn)行人為調(diào)控或代謝控制發(fā)酵（3）通過抑制劑試驗研究酶活性中心的構(gòu)象及其化學(xué)功能基團(tuán)，不僅可以設(shè)計藥物，而且也是酶工程和化學(xué)修飾酶、酶工業(yè)的基礎(chǔ)當(dāng)前第30頁\共有53頁\編于星期二\18點（一）抑制程度的兩種表示方法1、相對活力★相對活力分?jǐn)?shù)★相對活力百分?jǐn)?shù)2、抑制率★抑制分?jǐn)?shù)★抑制百分?jǐn)?shù)當(dāng)前第31頁\共有53頁\編于星期二\18點（二）抑制作用的類型1、不可逆的抑制作用抑制劑與酶活性中心（外）的必需基團(tuán)共價結(jié)合，使酶的活性下降，無法用透析、超濾等物理方法除去抑制劑而使酶復(fù)活。2、可逆的抑制作用

抑制劑與酶蛋白非共價鍵結(jié)合，可以用透折、超濾等物理方法除去抑制劑而使酶復(fù)活。當(dāng)前第32頁\共有53頁\編于星期二\18點（1）競爭性抑制（Competitiveinhibition）

抑制劑具有與底物類似的結(jié)構(gòu)，競爭酶的活性中心，并與酶形成可逆的EI復(fù)合物，阻止底物與酶結(jié)合?？梢酝ㄟ^增加底物濃度而解除此種抑制。當(dāng)前第33頁\共有53頁\編于星期二\18點（2）非競爭性抑制（noncompetitiveinhibition）底物和抑制劑可以同時與酶結(jié)合，但是，中間的三元復(fù)合物ESI不能進(jìn)一步分解為產(chǎn)物，因此，酶的活性降低。抑制劑與酶活性中心以外的基團(tuán)結(jié)合，其結(jié)構(gòu)可能與底物無關(guān)。不能通過增加底物濃度的辦法來消除非競爭性抑制作用。當(dāng)前第34頁\共有53頁\編于星期二\18點（3）反競爭性抑制酶只有在與底物結(jié)合后，才能與抑制劑結(jié)合。E+S→ES+I→ESI≠P常見于多底物的酶促反應(yīng)中當(dāng)前第35頁\共有53頁\編于星期二\18點（三）可逆抑制作用與不可逆抑制作用的鑒別1、通過透析、超濾、凝膠過濾等2、通過v-E速度曲線[E]v123(1)反應(yīng)體系中不加I。(2)反應(yīng)體系中加入一定量的不可逆抑制劑。(3)反應(yīng)體系中加入一定量的可逆抑制劑。當(dāng)前第36頁\共有53頁\編于星期二\18點[E]v不可逆抑制劑的作用[E]v

可逆抑制劑的作用[I]增高→[I]增高3、通過可逆抑制劑的動力學(xué)曲線可以區(qū)分三種可逆抑制作用當(dāng)前第37頁\共有53頁\編于星期二\18點（四）可逆抑制作用動力學(xué)1、競爭性抑制動力學(xué)方程：（Ki為EI的解離常數(shù)）★Vmax不變;Km變大，而且隨[I]濃度的增大而增大。當(dāng)前第38頁\共有53頁\編于星期二\18點2、非競爭性抑制動力學(xué)方程：★Km不變，Vmax降至Vmax/（1+[I]/Ki）當(dāng)前第39頁\共有53頁\編于星期二\18點3、反競爭性抑制動力學(xué)方程：★Km及Vmax都變小當(dāng)前第40頁\共有53頁\編于星期二\18點可逆抑制的動力學(xué)比較抑制類型Vmax變化Km變化無抑制劑//競爭性抑制作用不變變大非競爭性抑制作用變小不變

反競爭性抑制作用變小變小當(dāng)前第41頁\共有53頁\編于星期二\18點（五）一些重要的抑制劑1、不可逆抑制劑：（1）非專一性不可逆抑制劑

與酶的活性中心以及活性中心外的某一類或幾類必需基團(tuán)反應(yīng)①有機(jī)磷的酰化物二異丙基磷酰氟（DFP，神經(jīng)毒氣）和許多有機(jī)磷農(nóng)藥。抑制機(jī)理：與蛋白酶及酯酶活性中心Ser的—OH形成磷脂鍵。毒理：強(qiáng)烈抑制乙酰膽堿脂酶（神經(jīng)毒劑）。

解毒劑：PAM（解磷定）可以把酶上的磷?；鶊F(tuán)除去。當(dāng)前第42頁\共有53頁\編于星期二\18點②有機(jī)汞、有機(jī)砷化合物抑制機(jī)理：使酶的巰基烷化毒理：主要與還原型硫辛酸輔酶反應(yīng)，抑制丙酮酸氧化酶系統(tǒng)。解毒劑：二巰基丙醇（BAL）、Cys、GSH等過量的巰基化合物。當(dāng)前第43頁\共有53頁\編于星期二\18點③重金屬Ag、Cu、Hg、Cd、Pb能使大多數(shù)酶失活，EDTA可解除。④、烷化物★含鹵素的烷化物（碘乙酸、碘乙酰胺、鹵乙酰苯等）常用于鑒定酶中巰基。⑤氰化物、硫化物、CO與含鐵卟啉的酶中的Fe2+結(jié)合，阻抑細(xì)胞呼吸當(dāng)前第44頁\共有53頁\編于星期二\18點⑥青霉素不可逆抑制糖肽轉(zhuǎn)肽酶⑦還原劑巰基乙醇、二硫蘇糖醇等巰基試劑還原酶的二硫鍵、含活潑雙鍵試劑（與—ＳＨ、—ＮＨ２反應(yīng)）Ｎ—乙基順丁烯二酰亞胺

⑧親電試劑四硝基甲烷，可使Tyr硝基化。

當(dāng)前第45頁\共有53頁\編于星期二\18點（2）專一性不可逆抑制劑此類抑制劑僅僅和某一種酶的活性部位的必需基團(tuán)反應(yīng)。①Ks型不可逆抑制劑（親和標(biāo)記試劑，親和修飾試劑）具有與底物相似的結(jié)構(gòu)，同時還帶有一個能與酶活性中心或活性中心外的必需基團(tuán)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的活潑基團(tuán)。專一性程度取決于它與活性中心及活性中心外的的Ks之比。胰乳蛋白酶的最佳底物：對-甲苯磺酰-L-苯丙氨酸甲酯Ks型不可逆抑制劑：對－甲苯磺酰-L-苯丙氨酰氯甲烷（TPCK）-CH2-Cl與酶活性部位的一個His-咪唑基距離很近，很易使之烷基化。當(dāng)前第46頁\共有53頁\編于星期二\18點②Kcat型不可逆抑制劑（自殺性底物）具有與底物相似的結(jié)構(gòu)，不僅能與酶結(jié)合，而且潛伏的反應(yīng)基團(tuán)（latentreactivegroup）能被酶催化而活化，并與酶活性中心必需基團(tuán)進(jìn)行不可逆結(jié)合。

當(dāng)前第47頁\共有53頁\編于星期二\18點2、可逆抑制劑★競爭性抑制劑

許多代謝類似物都是競爭性抑制劑，可用作抗菌藥和抗癌藥物?！锘前奉愃幬锛捌渥饔脵C(jī)理對氨基苯磺酰胺或其衍生物對氨基苯甲酸的結(jié)構(gòu)類似物，競爭