均相酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)第1頁(yè)/共43頁(yè)

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：氧化還原酶、轉(zhuǎn)移酶、水解酶、裂合酶、異構(gòu)酶、合成酶。

第2頁(yè)/共43頁(yè)第3頁(yè)/共43頁(yè)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，稱為一個(gè)酶單位，或稱為國(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4頁(yè)/共43頁(yè)平衡假設(shè)

與底物濃度[S]相比，酶的濃度[E]很小，因而可忽略由于生成中間復(fù)合物ES而消耗的底物。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)。

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5頁(yè)/共43頁(yè)絕對(duì)專一性：一種酶只能催化一種化合物進(jìn)行一種反應(yīng)

相對(duì)專一性：一種酶能夠催化一類具有相同化學(xué)鍵或基團(tuán)的物質(zhì)進(jìn)行某種類型的反應(yīng)

反應(yīng)專一性：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)

底物專一性：一種酶只能催化一種底物

立體專一性：一種酶只能作用于所有立體異構(gòu)體中的一種

第6頁(yè)/共43頁(yè)第二節(jié)簡(jiǎn)單的酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

第7頁(yè)/共43頁(yè)一、Michaelis-Menten方程

方程推導(dǎo)三點(diǎn)假設(shè)：①與底物濃度CS相比，酶的濃度CI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在反應(yīng)過(guò)程中，酶濃度保持恒定。CE0＝CE＋CES③產(chǎn)物的濃度很低，因而產(chǎn)物的抑制作用可以忽略。生成產(chǎn)物一步的速率要慢于底物與酶生成復(fù)合物的可逆反應(yīng)的速率，因此，生成產(chǎn)物一步的速率決定整個(gè)酶的催化反應(yīng)速率，而生成復(fù)合物的可逆反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)。第8頁(yè)/共43頁(yè)第9頁(yè)/共43頁(yè)二、Briggs－Haldane方程G．E．Briggs和B．J．Haldane對(duì)上述第3點(diǎn)假設(shè)進(jìn)行了修正，提出了“擬穩(wěn)態(tài)”假設(shè)。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，這就是“擬穩(wěn)態(tài)”假設(shè)。這是從反應(yīng)機(jī)理推導(dǎo)動(dòng)力學(xué)方程又一重要假設(shè)。

第10頁(yè)/共43頁(yè)第11頁(yè)/共43頁(yè)第12頁(yè)/共43頁(yè)三、動(dòng)力學(xué)特征與參數(shù)求解rs~Cs的三個(gè)不同動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)的區(qū)域：第13頁(yè)/共43頁(yè)1.當(dāng)Cs《Km，即底物濃度比Km值小得很多時(shí)，該曲線近似為一直線。這表示反應(yīng)速率與底物濃度近似成正比的關(guān)系，此時(shí)酶催化反應(yīng)可近似看作為一級(jí)反應(yīng)：式中Cs0——底物的初始濃度，Mol／L第14頁(yè)/共43頁(yè)2.當(dāng)Cs》Km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，因而即使提高底物的濃度，也不能提高其反應(yīng)速率。第15頁(yè)/共43頁(yè)3.當(dāng)Cs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16頁(yè)/共43頁(yè)參數(shù)求解：(1)

Lineweaver—Burk法(簡(jiǎn)稱L—B法)。將M—M方程取其倒數(shù)得到下式:

第17頁(yè)/共43頁(yè)（2）Hanes—Woolf法(簡(jiǎn)稱H—W法)。兩邊均乘以Cs，得到

第18頁(yè)/共43頁(yè)（3）Eadie—Hofstee法(簡(jiǎn)稱E—H法)。將M—M方程重排為第19頁(yè)/共43頁(yè)（4）積分法

第20頁(yè)/共43頁(yè)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)稱為抑制劑。抑制作用分為可逆抑制與不可逆抑制兩大類。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，則此類抑制稱為可逆抑制，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21頁(yè)/共43頁(yè)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。這種抑制稱為競(jìng)爭(zhēng)性抑制，該物質(zhì)稱為競(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22頁(yè)/共43頁(yè)式中：I為抑制劑；(EI)為非活性復(fù)方物。上述反應(yīng)中底物的反應(yīng)速率方程應(yīng)為根據(jù)穩(wěn)態(tài)假設(shè)，可列出下述方程：第23頁(yè)/共43頁(yè)競(jìng)爭(zhēng)性抑制動(dòng)力學(xué)的主要特點(diǎn)米氏常數(shù)值的改變。當(dāng)CI增加，或KI減小，都將使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。第24頁(yè)/共43頁(yè)第25頁(yè)/共43頁(yè)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[SED]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。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26頁(yè)/共43頁(yè)非競(jìng)爭(zhēng)性抑制的普遍機(jī)理式可表示為

第27頁(yè)/共43頁(yè)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（1十CI/KI）倍，并且CI增加、KI減小都使其抑制程度增加。

第28頁(yè)/共43頁(yè)第29頁(yè)/共43頁(yè)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30頁(yè)/共43頁(yè)第31頁(yè)/共43頁(yè)第32頁(yè)/共43頁(yè)第33頁(yè)/共43頁(yè)抑制百分?jǐn)?shù)i:表示抑制劑對(duì)酶催化反應(yīng)的抑制程度.i值愈大，表示抑制的程度愈大；i值愈小，抑制程度愈小。0≤i≤1。第34頁(yè)/共43頁(yè)第35頁(yè)/共43頁(yè)五、底物的抑制動(dòng)力學(xué)

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)方程第36頁(yè)/共43頁(yè)或第37頁(yè)/共43頁(yè)第38頁(yè)/共43頁(yè)例：在含有相同酶濃度的五個(gè)反應(yīng)物系中，分別加入不同濃度的底物，并測(cè)定其初始速率，然后再在同樣五個(gè)反應(yīng)物系中分別加入濃度為2.2×10-1mmol／L的抑制劑，并測(cè)其初始的反應(yīng)速率，其數(shù)據(jù)見(jiàn)下表。第3