第二章均相酶催化反应动力学PPT讲稿.ppt
第二章均相酶催化反应动力学2022/9/20第1页，共74页，编辑于2022年，星期二酶催化反应的基本特征酶催化反应的基本特征简单酶催化反应动力学简单酶催化反应动力学第2章 均相酶催化应动力学复杂酶催化反应动力学有抑制的酶催化反应动力学有抑制的酶催化反应动力学影响催化反应速率的因素酶失活反应动力学2022/9/20第2页，共74页，编辑于2022年，星期二第2章 均相酶催化应动力学回顾1 1、化学动力学的有关内容？、化学动力学的有关内容？化学动力学的研究对象、化学动力学的研究对象、反应速度和速率区别、反应速度和速率区别、反应速反应速率表示式、率表示式、反应速率如何求？（微分式和图解法）、反应速率如何求？（微分式和图解法）、速率速率方程、方程、反应机理。反应机理。2 2、有关酶的内容？、有关酶的内容？酶的特性、酶的特性、酶催化反应的特性、酶催化反应的特性、米氏动力学方程等米氏动力学方程等米氏动力学方程等米氏动力学方程等2022/9/20第3页，共74页，编辑于2022年，星期二第2章 均相酶催化应动力学回顾机理机理以及温度、压力、催化剂等以及温度、压力、催化剂等外界因素对反应速率外界因素对反应速率的影响的影响化学动力学的研究对象化学动力学的研究对象反应速度和速率区别反应速度和速率区别速度速度 Velocity 是矢量，有方向性。是矢量，有方向性。速率速率 Rate 是标量是标量，无方向性，都是正值。，无方向性，都是正值。2022/9/20第4页，共74页，编辑于2022年，星期二第2章 均相酶催化应动力学回顾反应速率表示式反应速率表示式对任何反应：2022/9/20第5页，共74页，编辑于2022年，星期二第2章 均相酶催化应动力学回顾反应速率表示式反应速率表示式 通常定容反应，反应速率为：反应进度反应进度2022/9/20第6页，共74页，编辑于2022年，星期二第2章 均相酶催化应动力学回顾反应速率如何求？（实验图解法）反应速率如何求？（实验图解法）如何绘制动力学曲线如何绘制动力学曲线?用各种物理性质测定方法(旋光、折射率、电导率、电动势、粘度等)2022/9/20第7页，共74页，编辑于2022年，星期二第2章 均相酶催化应动力学回顾速率方程速率方程 反应速率只与反应物浓度的一次方成正比的反应称为一级反应。一级反应的微分速率方程一级反应的微分速率方程或反应：2022/9/20第8页，共74页，编辑于2022年，星期二第2章 均相酶催化应动力学回顾一级反应的积分速率方程一级反应的积分速率方程速率方程速率方程或2022/9/20第9页，共74页，编辑于2022年，星期二第2章 均相酶催化应动力学回顾反应类型反应类型连串连串平行平行(对峙反应对峙反应)支链反应支链反应2022/9/20第10页，共74页，编辑于2022年，星期二第2章 均相酶催化应动力学回顾反应机理反应机理 假定反应进行一段时间后，体系基本处于稳态，这时，各中间产物的浓度可认为保持不变，这种近似处理的方法称为稳态近似，一般活泼的中间产物可以采用稳态近似。2022/9/20第11页，共74页，编辑于2022年，星期二第2章 第1节 酶催化反应的基本特征具有催化活性的大分子生物物质，其物质组成是蛋白质。具有催化活性的大分子生物物质，其物质组成是蛋白质。在多数酶促反应中，酶以游离状态参与催化反应。在多数酶促反应中，酶以游离状态参与催化反应。均相的酶促反应，均相的酶促反应，且多数是在液相中进行反应。且多数是在液相中进行反应。酶酶1)Highly specific;Catalytic characters of Enzyme2)High efficiency;（催化效率表示）（催化效率表示）3)Reaction in normal atmosphere and room temperature;4)Enzyme denatured and catalytic activity lowered.2022/9/20第12页，共74页，编辑于2022年，星期二第2章 第1节 酶催化反应的基本特征顾 Common property of Enzyme-catalyzed Reactions1)Enzymes can lower G#,increase the rate without being changed themselves.2)Enzyme doesnt change the direction and balance.2022/9/20第13页，共74页，编辑于2022年，星期二第2章 第2节 简单酶催化反应动力学一、什么是简单的酶催化反应一、什么是简单的酶催化反应二、活性中间复合物学说二、活性中间复合物学说一种底物参与的不可逆反应一种底物参与的不可逆反应如：如：酶的催化水解反应酶的催化水解反应；异构化反应异构化反应 该学说有大量实验结果支持。包括两步，底物该学说有大量实验结果支持。包括两步，底物S与酶与酶E结合成中结合成中间复合物间复合物ES，然后分解成产物，然后分解成产物P，并释放，并释放E。对简单对简单E催化反应，机理可表示为：催化反应，机理可表示为：其中：k+1，k1，k+2反应速度常数 E，S，ES，P酶,底物,酶-底物复合物,产物P14三点假设三点假设2022/9/20第14页，共74页，编辑于2022年，星期二第2章 第2节 简单酶催化反应动力学三、动力学方程三、动力学方程上述机理下的动力学方程上述机理下的动力学方程?机理中的反应为基元反应，产物生成速率可表示为：机理中的反应为基元反应，产物生成速率可表示为：?rP=k+2CESrS底物底物S的消耗速率的消耗速率mol/(L.s)C CESES如何求？如何求？2022/9/20第15页，共74页，编辑于2022年，星期二第2章 第2节 简单酶催化反应动力学四、四、Miechaelis-Menten方程方程在反应过程中，限制反应速度的反应是ES到E+P这一步反应；(1)E+S到ES的反应在整个过程中始终处于动态平衡；(2)酶以酶游离状态E和酶-底物复合物ES的形式存在，酶在反应过程中总浓度不变；(3)底物浓度比酶-底物络合物浓度要大得多。（1）Michaelis平衡态假设平衡态假设2022/9/20第16页，共74页，编辑于2022年，星期二第2章 第2节 简单酶催化反应动力学（2）方程的推导）方程的推导四、四、Miechaelis-Menten方程方程根据假设（根据假设（1），有单一底物的酶催化反应的反应速度：），有单一底物的酶催化反应的反应速度：（2-1）式中：式中：CP，CS产物，底物的浓度产物，底物的浓度 t时间时间根据假设（根据假设（2）有）有:（2-2）2022/9/20第17页，共74页，编辑于2022年，星期二第2章 第2节 简单酶催化反应动力学即：（2-3）式中：Ks 酶与底物复合物的解离常数（2）Miechaelis-Menten方程的推导方程的推导2022/9/20第18页，共74页，编辑于2022年，星期二第2章 第2节 简单酶催化反应动力学根据假设（3），有：总酶量：（2-4）联立（2-1）、（2-2）、（2-3）有（2-5）（2）Miechaelis-Menten方程的推导方程的推导Miechaelis-Menten方程方程2022/9/20第19页，共74页，编辑于2022年，星期二第2章 第2节 简单酶催化反应动力学（3）Miechaelis-Menten方程的讨论方程的讨论两个动力学参数，两个动力学参数，s和rP,max Ks 酶与底物复合物的解离常数当当rP=rP,max/2 有ss Ks表示酶与底物作用的特性 rP,max最大的酶促反应速度表示全部的酶都呈复合物状态时的反应速率+2含义？2022/9/20第20页，共74页，编辑于2022年，星期二第2章 第2节 简单酶催化反应动力学五、五、Briggs-Haldance方程方程 Miechaelis-Menten方程的适应条件方程的适应条件:复合物复合物ES生成产物的速率远大生成产物的速率远大于分解成酶与底物的速率。若这一条件不能满足于分解成酶与底物的速率。若这一条件不能满足,则则M-M的的平衡假设平衡假设不适用。不适用。1925年，年，Briggs 和和 Haldance 提出了拟稳态假设：认为在酶促反应过程中，反应的中间体ES（酶-底物复合物）的浓度不随反应时间不变化，即在酶促反应过程中，反应的中间体ES的浓度处于稳定的状态，称“稳定态理论”。1 1、拟稳态假设、拟稳态假设2022/9/20第21页，共74页，编辑于2022年，星期二第2章 第2节 简单酶催化反应动力学五、五、Briggs-Haldance方程方程由拟稳态假设：由拟稳态假设：2 2、B-HB-H方程的推导方程的推导又又（2-6）2022/9/20第22页，共74页，编辑于2022年，星期二第2章 第2节 简单酶催化反应动力学2 2、B-HB-H方程的推导方程的推导五、五、Briggs-Haldance方程方程将（将（2-6）代入下式：）代入下式：得：得：式中式中米氏常数；米氏常数；mol/Lmol/L（2-6）2022/9/20第23页，共74页，编辑于2022年，星期二第2章 第2节 简单酶催化反应动力学3 3、B-HB-H方程的讨论方程的讨论五、五、Briggs-Haldance方程方程米氏常数与解离常数米氏常数与解离常数若若k+2第2节 简单酶催化反应动力学3 3、B-HB-H方程的讨论方程的讨论五、五、Briggs-Haldance方程方程转换数转换数 P16 P18 含义？含义？六、六、M-M方程与方程与B-H方程的比较方程的比较 P192022/9/20第25页，共74页，编辑于2022年，星期二第2章 第2节 简单酶催化反应动力学七、七、M-M方程动力学特征方程动力学特征.A.BCO(2)CsKm曲线曲线?曲线点曲线点Cs=Km 时时r=?(1)Cs第2节 简单酶催化反应动力学八、动力学参数的求取八、动力学参数的求取(1)Lineweaver-Burk法(简称L-B法)欲建立完整的动力学方程欲建立完整的动力学方程,就必须求取动力学参数就必须求取动力学参数.M-M方程中的方程中的rmax和和Km。因为非线性。因为非线性,难求难求.怎么办怎么办?怎么办怎么办?rrrrCsrrCs2022/9/20第27页，共74页，编辑于2022年，星期二第2章 第2节 简单酶催化反应动力学八、动力学参数的求取八、动力学参数的求取（2）Hanes-Woolf法(简称H-W法)对L-B法方程式的等式两端同乘CS，此种方法减少了CS值过大或过小所带来的测量误差。Slope=1/rmax2022/9/20第28页，共74页，编辑于2022年，星期二第2章 第2节 简单酶催化反应动力学（3）Eadie-Hofstee法（简称E-H法）八、动力学参数的求取八、动力学参数的求取Slope=-Km2022/9/20第29页，共74页，编辑于2022年，星期二第2章 第2节 简单酶催化反应动力学八、动力学参数的求取八、动力学参数的求取4）积分法 用不同的酶促反应的时间t与其反应过程相对应的底物浓度之间的函数关系通过作图或回归的方法确定酶促反应动力学参数。The above three methods for determining the parameters are also called indirect method or differential method because of the rs may be obtained by plotting Cs against time and making the tangent line and reading the slope(rs).These methods are inaccuracy.2022/9/20第30页，共74页，编辑于2022年，星期二第2章 第2节 简单酶催化反应动力学八、动力学参数的求取八、动力学参数的求取4）积分法 Substituting those data about time and concentration in dynamics experiment into the M-M equation,a new form equation can be obtained:P21 式式2-34Slope=rmax/Km2022/9/20第31页，共74页，编辑于2022年，星期二第2章 第2节 简单酶催化反应动力学九、例题九、例题例例1：在：在pH5.1、15下所测定的用葡萄糖淀粉酶水解麦芽糖的反应速下所测定的用葡萄糖淀粉酶水解麦芽糖的反应速度度r如表所示。求这一酶促反应的动力学参数如表所示。求这一酶促反应的动力学参数rmax和和Km。表表1-1 葡萄糖淀粉酶水解麦芽糖的反应初速度与底物浓度葡萄糖淀粉酶水解麦芽糖的反应初速度与底物浓度CS（mmol/L）r0（mmol/Lmin）5.550.1638.330.21111.110.24113.890.27616.660.30122.220.33927.770.3472022/9/20第32页，共74页，编辑于2022年，星期二第2章 第2节 简单酶催化反应动力学解：采用Lineweaver-Burk法，对实验数据回归，有则2022/9/20第33页，共74页，编辑于2022年，星期二第2章 第2节 简单酶催化反应动力学rr2022/9/20第34页，共74页，编辑于2022年，星期二第2章 第2节 简单酶催化反应动力学采用Hanes-Woolf法，对实验数据回归，有则2022/9/20第35页，共74页，编辑于2022年，星期二第2章 第2节 简单酶催化反应动力学rr2022/9/20第36页，共74页，编辑于2022年，星期二第2章 第2节 简单酶催化反应动力学采用Eadie-Hofstee法，对实验数据回归，有则2022/9/20第37页，共74页，编辑于2022年，星期二第2章 第2节 简单酶催化反应动力学r2022/9/20第38页，共74页，编辑于2022年，星期二第2章 第2节 简单酶催化反应动力学例例2 葡萄糖在葡萄糖异构酶存在时转化为果糖的反应机理葡萄糖在葡萄糖异构酶存在时转化为果糖的反应机理为为:试分别用如下不同方法推导出反应速率方程：（）平衡态近似法；（）拟稳态近似法。2022/9/20第39页，共74页，编辑于2022年，星期二第2章 第2节 简单酶催化反应动力学解：（）平衡态近似法 rP=k2cXk2cEcP (a)因为 cE=cE,0cX所以 rP=k2cXk2cP(cE,0cX)(b)又，根据平衡态近似法(c)s2022/9/20第40页，共74页，编辑于2022年，星期二第2章 第2节 简单酶催化反应动力学结合式(b)、(c)，得(d)将式(d)代入式(a)，得 rP2022/9/20第41页，共74页，编辑于2022年，星期二第2章 第2节 简单酶催化反应动力学（）拟稳态近似法k1cEcS+k2cEcPk1cX k2cX=0(a)又 cE=cE,0cX(b)将式(b)代入式(a)，得(c)2022/9/20第42页，共74页，编辑于2022年，星期二第2章 第2节 简单酶催化反应动力学而 rP=k2cXk2cEcP (d)把式(b)及(c)代入式(d)，得 rP=(e)若 k1k2和k1 k2则 rP=则 2022/9/20第43页，共74页，编辑于2022年，星期二第2章 第2节 简单酶催化反应动力学例例3.有一均相酶催化反应，Km值为2103 mol.dm3,当底物的初始浓度cS,0 为1105 mol.dm3时，若反应进行1min，则底物的转化率xS为2。试计算：（）当反应进行3min时，底物转化率为多少？此时，底物和产物的浓度如何？（）当cS,0 为1106 mol.dm3 时，也反应3min,底物和产物的浓度又是多少？（）最大反应速率rP,max为多少？2022/9/20第44页，共74页，编辑于2022年，星期二写出零级、一级和二级反应动力学方程的一般微分表达式；推导出零级、一级和二级反应动力学方程的一般积分表达式；指出零级、一级和二级反应的特征？转化率和半衰期概念？2022/9/20第45页，共74页，编辑于2022年，星期二第2章 第2节 简单酶催化反应动力学解：（）因为cS,0第2节 简单酶催化反应动力学（）当cS,0=1106 时，cS,0第2节 简单酶催化反应动力学2022/9/20第48页，共74页，编辑于2022年，星期二第2章 第3节 有抑制的酶催化反应动力学Review:What is the characteristics of Enzyme-catalyzed Reactions?(dynamics balance;single substrate;rate proportional to concentration).Factually,over-high concentration of substrate may result in inhibition to the reaction.概述因底物或产物浓度过高或其他外源化合物（抑制剂）影响而降低反应速度的现象.何为抑制?2022/9/20第49页，共74页，编辑于2022年，星期二第2章 第3节 有抑制的酶催化反应动力学概述抑制类型E与I的基团成共价结合而使酶永远失活，如重金属离子Hg2+，Pb2+对木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶的抑制。(1)可逆抑制可用物理法（透析等）把抑制可用物理法（透析等）把抑制剂（剂（I I）去除而恢复酶活性的抑）去除而恢复酶活性的抑制作用，制作用，E E与与I I的结合存在解离平的结合存在解离平衡关系。衡关系。竞争性非竞争性反竞争性混合型抑制(1)不可逆抑制2022/9/20第50页，共74页，编辑于2022年，星期二第2章 第3节 有抑制的酶催化反应动力学一、一、竞争性抑制的酶促反应动力学竞争性抑制的酶促反应动力学 当反应物系中存在与底物的结构相似的物质，这一物质也可能与当反应物系中存在与底物的结构相似的物质，这一物质也可能与酶的活性部位结合，形成非活性复合物，阻碍酶与底物结合，从而影酶的活性部位结合，形成非活性复合物，阻碍酶与底物结合，从而影响酶促反应（速率下降）。响酶促反应（速率下降）。、机理、机理、定义、定义Where:I=inhibitor;EI=non-activity complexThe rate denoted in substrate is:rSI=k+2CES2022/9/20第51页，共74页，编辑于2022年，星期二第2章 第3节 有抑制的酶催化反应动力学、方程推导、方程推导一、一、竞争性抑制的酶促反应动力学竞争性抑制的酶促反应动力学 基于稳定态理论，有基于稳定态理论，有 总酶量为2022/9/20第52页，共74页，编辑于2022年，星期二第2章 第3节 有抑制的酶催化反应动力学、方程推导、方程推导一、一、竞争性抑制的酶促反应动力学竞争性抑制的酶促反应动力学 式中：KmI竞争性抑制的表观M-M常数KI抑制剂的解离常数联立上面几个方程，有2022/9/20第53页，共74页，编辑于2022年，星期二第2章 第3节 有抑制的酶催化反应动力学、竞争性抑制的、竞争性抑制的rs-Cs曲线曲线一、一、竞争性抑制的酶促反应动力学竞争性抑制的酶促反应动力学 rmax/2KmI？Km2022/9/20第54页，共74页，编辑于2022年，星期二第2章 第3节 有抑制的酶催化反应动力学一、一、竞争性抑制的酶促反应动力学竞争性抑制的酶促反应动力学 对有竞争性抑制的酶促反应动力学方程取倒数得到、有竞争性抑制的方程参数的求取、有竞争性抑制的方程参数的求取2022/9/20第55页，共74页，编辑于2022年，星期二第2章 第3节 有抑制的酶催化反应动力学一、一、竞争性抑制的酶促反应动力学竞争性抑制的酶促反应动力学 、有竞争性抑制的方程参数的求取、有竞争性抑制的方程参数的求取2022/9/20第56页，共74页，编辑于2022年，星期二第2章 第3节 有抑制的酶催化反应动力学Fig.Relation of Km and I一、一、竞争性抑制的酶促反应动力学竞争性抑制的酶促反应动力学 、mI与与CI关系关系KI愈小，表示抑制剂与愈小，表示抑制剂与的结合力愈强。对催化的结合力愈强。对催化反应抑制作用愈强反应抑制作用愈强2022/9/20第57页，共74页，编辑于2022年，星期二第2章 第3节 有抑制的酶催化反应动力学二、非竞争性抑制的酶促反应动力学 当反应物系中存在与酶的活性部位以外相结合，且这一结合与底物的结合无竞争性关系的抑制作用。与竞争性抑制相比较，当有非竞争性抑制剂时，提高底物浓度不会消除其抑制作用。1、定义、定义2、机理、机理E+S ES E+Pk+1k+2k1E+I EIk+3k3EI+S SEIk+4k4ES+I SEIk+5k5其中：k+4，k-4，k+5，k-5，反应速度常数 I，EI抑制剂，酶-抑制剂复合物 IES底物、酶-抑制剂三元复合物2022/9/20第58页，共74页，编辑于2022年，星期二第2章 第3节 有抑制的酶催化反应动力学二、非竞争性抑制的酶促反应动力学 3、方程推导、方程推导基于稳定态理论，有总酶量为2022/9/20第59页，共74页，编辑于2022年，星期二第2章 第3节 有抑制的酶催化反应动力学二、非竞争性抑制的酶促反应动力学 联解上述方程,得有非竞争性抑制的酶促反应动力学方程为:3、方程推导、方程推导说明最大反应速率降低了(1+CI/KI)倍2022/9/20第60页，共74页，编辑于2022年，星期二第2章 第3节 有抑制的酶催化反应动力学二、非竞争性抑制的酶促反应动力学 rmaxI/2rmax/2?Km4、非竞争性抑制的、非竞争性抑制的rSI-Cs曲线曲线2022/9/20第61页，共74页，编辑于2022年，星期二第2章 第3节 有抑制的酶催化反应动力学二、非竞争性抑制的酶促反应动力学、有竞争性抑制的方程参数的求取、有竞争性抑制的方程参数的求取L-BL-B法法或或2022/9/20第62页，共74页，编辑于2022年，星期二第2章 第3节 有抑制的酶催化反应动力学二、非竞争性抑制的酶促反应动力学、有竞争性抑制的方程参数的求取、有竞争性抑制的方程参数的求取The effect of a noncompetitive inhibitor cannot be overcome at high substrate concentrations.On Lineweaver-Burk plot a noncompetitive inhibitor can be seen to decrease Vmax but leave km unchanged.2022/9/20第63页，共74页，编辑于2022年，星期二第2章 第3节 有抑制的酶催化反应动力学三、反竞争性抑制动力学 P33-33 1、定义及机理、定义及机理四、高浓度底物抑制作用的酶促反应动力学E+S ES E+Pk+1k+2k1ES+S SESk+3k3SES不具有催化活性不具有催化活性,不能分解不能分解为产物的三元复合物为产物的三元复合物2022/9/20第64页，共74页，编辑于2022年，星期二第2章 第3节 有抑制的酶催化反应动力学四、高浓度底物抑制作用的酶促反应动力学2、方程、方程应用稳态理论，可得到底物抑制的酶促反应动力学方程为应用稳态理论，可得到底物抑制的酶促反应动力学方程为:2022/9/20第65页，共74页，编辑于2022年，星期二第2章 第3节 有抑制的酶催化反应动力学四、高浓度底物抑制作用的酶促反应动力学3、方程讨论、方程讨论根据即解得2022/9/20第66页，共74页，编辑于2022年，星期二第2章 第3节 有抑制的酶催化反应动力学四、高浓度底物抑制作用的酶促反应动力学4、底物抑制曲线、底物抑制曲线2022/9/20第67页，共74页，编辑于2022年，星期二第2章 第3节 有抑制的酶催化反应动力学五、产物抑制作用的酶促反应动力学 P36六、各种抑制的比较六、各种抑制的比较2022/9/20第68页，共74页，编辑于2022年，星期二第第2章章 第第4节复杂的酶催化反应动力学节复杂的酶催化反应动力学2.4.1可逆酶催化反应动力学 某木糖催化葡萄糖为果糖的反应至一定程度即达到平衡,其机理可认为是:2022/9/20第69页，共74页，编辑于2022年，星期二第2章 第3节 有抑制的酶催化反应动力学2022/9/20第70页，共74页，编辑于2022年，星期二第2章 第3节 有抑制的酶催化反应动力学2022/9/20第71页，共74页，编辑于2022年，星期二2022/9/20第72页，共74页，编辑于2022年，星期二2022/9/20第73页，共74页，编辑于2022年，星期二第74页，共74页，编辑于2022年，星期二
