1、第10章 酶促反應(yīng)動力學(xué),kinetics of enzymecatalyzed reactions,酶促反應(yīng)動力學(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. pH 5. 酶的激活劑,第一節(jié) 底物濃度對酶反應(yīng)速率的影響,底物濃度對速率影響的曲線圖,當(dāng)?shù)孜餄舛容^低時，表現(xiàn)為一級反應(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)為混合級反應(yīng)。 當(dāng)?shù)孜餄舛冗_(dá)到相當(dāng)高時，表現(xiàn)為零級反應(yīng)（與底物濃度無關(guān)）。,為解釋這一實驗結(jié)果，Henri和Wu

2、rtz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，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+E ES P+E,二、酶促反應(yīng)的動力學(xué)方程式,1米氏方程式的推導(dǎo) （假設(shè)K4為0） k1 k3 k2 k4 對于ES的形成速度： dES / dt =k1(E ES) * S 對于ES的分解速度： - dES / dt = k2ES + k3ES,S+E ES P+E,二、酶促反應(yīng)的動力學(xué)方程式,當(dāng)酶體系處于動態(tài)平衡時，ES的形成速度和分解速度相等 k1(E ES) * S = k2ES + k3ES 移項 (E ES) * S / ES =

3、(k2+k3) / k1 令：Km = (k2+k3) / k1 ES= E*S Km+S （1）,因為當(dāng)?shù)孜餄舛群芨邥r，酶反應(yīng)速率（v）與ES成正比，即 v = k3ES ,代入（1）式得： V = k3ES / (Km+S) （2） 當(dāng)?shù)孜餄舛群芨邥r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 = k3ES = k3E （3） V = Vmax *s Km +S 米氏方程，Km米氏常數(shù),該方程式表明：當(dāng)已知Km及Vmax時，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,v,Km,S,1. Km值的物

4、理意義 當(dāng)反應(yīng)速率達(dá)到最大速率一半時，即= 1/2Vmax,可以得到 S = Km Km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)速率一半時的底物濃度，單位是moll。,三、Km值的意義, = Vmax *s Km +S,三、Km值的意義,2. Km值是酶的一個特征常數(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值隨測定的底物、反應(yīng)的溫度、pH及離子強度而改變。各種酶的Km值相差很大，大多數(shù)酶的Km值介于10-610-1mol/L之間。,Km = (k2+k3) / k1,三、Km值的意義,3. Km值可以判斷酶的專一性和天然

5、底物 有的酶可作用于幾種底物，因此就有幾個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。,三、Km值的意義,4. 判斷反應(yīng)速率v和Vmax之間的關(guān)系： 若已知某個酶的Km值，就可以計算出在某一底物濃度時，其反應(yīng)速率v相當(dāng)于Vmax的百分率。反之。,V = Vmax *s Km +S,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，對正逆兩向底物的Km值往往是不同的，測定這些Km值的差別以及細(xì)胞內(nèi)正逆兩向底物的濃度，可以

6、大致推測該酶催化正逆兩向反應(yīng)的效率，,四、Vmax的意義,在一定酶濃度下，酶對特定底物的Vmax也是一個常數(shù)。 pH、溫度和離子強度等因素也影響Vmax的數(shù)值， 同一種酶對不同底物的Vmax也不同。,轉(zhuǎn)換數(shù)的定義,當(dāng)?shù)孜餄舛群芨邥r，Vmax = k3ES = k3E，k3表示當(dāng)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)，這個常數(shù)又叫做轉(zhuǎn)換數(shù)(簡稱TN)，又稱為催化常數(shù)(catalytic constant，kcat)。 kcat值越大，表示酶的催化效率越高。,五、Km和Vmax值的測定,主要利用作圖法測定 (1) 測定不同底物濃度的反應(yīng)初速率，以v-S作圖，可以得到Vmax，再從1/2

7、Vmax，可求得相應(yīng)的S，即Km值。,S,v,Km,五、Km和Vmax值的測定,(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.,五、Km和Vmax值的測定,(3) HanesWoolf作圖法 將前式兩邊均乘以S得：以s/ vs作圖，得一直線，橫軸的截距為 -Km，斜率為1/ Vmax,第二節(jié) 酶的抑制作用,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

8、或一類酶產(chǎn)生抑制作用，因此抑制劑對酶的抑制作用是有選擇性的.,抑制與失活之間關(guān)系的總結(jié),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- 不加抑制劑時的速度) (1) 相對活力分?jǐn)?shù)(殘余活力分?jǐn)?shù));a=vi / v0 (2) 相對活力百分?jǐn)?shù)(殘余活力百分?jǐn)?shù));a%= vi / v0 x 100% (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) x 100% 通常所謂抑制率是指抑制分?jǐn)?shù)或抑制百分?jǐn)?shù)。,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

9、基團(tuán)以共價鍵結(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,1,2,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)競爭性抑制: 抑制劑(I)和底物(S)競爭酶的活性部位(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濃度，這種抑制作用可以通過增加底物濃度而解除。,(2)非競爭性抑制:這類抑制作用的特點是底物和抑制劑同時和酶結(jié)合，2者沒有競爭作用。EI+SESI或ES+IESI。但三元復(fù)合物不能分解為

10、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)反競爭性抑制: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。,三、可逆抑制作用動力學(xué),1競爭性抑制 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 / Ki1,1競爭性抑制曲線圖,（1）V下降，發(fā)生抑制,（2） Vmax不變（底物濃度增大，抑制劑結(jié)合機率減?。?（3） Km增大，親和力下降,1競爭性抑制曲線圖,2非競爭性抑制,2非競爭性抑制曲線,（1）V下降，發(fā)生抑制 （2） Vmax減?。ㄒ徊糠置甘冀K失活） （3） Km不變，酶與底物親和力不受影

11、響,2非競爭性抑制曲線,3反競爭性抑制,這類抑制作用的特點是酶先與底物結(jié)合，然后才與抑制劑結(jié)合，存在以下平衡：,3反競爭性抑制的曲線,總 結(jié),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 機理：實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，,第三節(jié) 溫度對酶反應(yīng)的影響,溫度對酶反應(yīng)的影響,最適溫度,機理：溫度導(dǎo)致酶蛋白變性,溫度對酶反應(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

12、大多數(shù)酶來講，溫度系數(shù)Q10多為2， 酶的固體狀態(tài)比在溶液中對溫度的耐受力要高。通常酶制劑以固體保存為佳。,第四節(jié) pH對酶反應(yīng)的影響,pH對酶反應(yīng)的影響,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，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。,第五節(jié) 激活劑對酶反應(yīng)的 影響,1. 激活劑(activator),激活劑：凡是能提高酶活性的物質(zhì)。其中大部分是無機離子或簡單有機化合物。 金屬離子有K+、Na+、Ca2+、Mg2+等離子，如Mg2+是多數(shù)激酶及合成酶的激