第10章酶动力学课件.ppt

第第1010章章酶酶 动动 力力 学学本章主要内容本章主要内容n一、有关的化学动力学概念n二、底物浓度对酶促反应速度的影响n三、多底物的酶促反应n四、影响酶促反应素的其他因素n五、酶的抑制作用n什么叫酶促反应动力学？什么叫酶促反应动力学？(Kinetics of enzyme-catalyzed reaction)n酶促反应动力学酶促反应动力学是研究酶促反应的速度以及影响此速度的各种因素的科学。l反应速率以单位时间内反应物反应速率以单位时间内反应物或生成物浓度的改变来表示。或生成物浓度的改变来表示。l因为每一瞬间的反应速率都不因为每一瞬间的反应速率都不相同，所以用瞬时反应速率表示相同，所以用瞬时反应速率表示反应速率。反应速率。一、有关的化学动力学概念一、有关的化学动力学概念（一）反应速率及其测定（一）反应速率及其测定vtV=dc dtV=dc dt（二）反应分子数和反应级数（二）反应分子数和反应级数n反应的分子数反应的分子数是指反应中真正相互作用的分子是指反应中真正相互作用的分子数目。（单分子反应、双分子反应）数目。（单分子反应、双分子反应）n反应的级数反应的级数是指速率方程中反应物浓度的指数是指速率方程中反应物浓度的指数或指数之和。或指数之和。n如：如：v=kcAacBb,对整个反应来说是（对整个反应来说是（a+ba+b）级，）级，即总反应级数，对反应物即总反应级数，对反应物A A是是a a级，对反应物级，对反应物B B是是b b级。级。（四）一级、二级和零级反应的特征（四）一级、二级和零级反应的特征n1、一级反应：反应速率和反应物浓度的一次方成正比的反应。n2、二级反应：反应速率与两种反应物浓度的乘积或与一种反应物浓度的二次方成正比的反应。n3、零级反应：反应速率与反应物浓度无关的反应。反应反应反应反应初速度初速度初速度初速度随底物浓度变化曲线随底物浓度变化曲线随底物浓度变化曲线随底物浓度变化曲线二、底物浓度对酶反应速度的影响二、底物浓度对酶反应速度的影响n 反应级数：反应级数：（1）当）当S很低时，很低时，与与S成成正比，表现一级反应。正比，表现一级反应。（2）随）随S的增加，的增加，也随也随S的增加而增加，但不成正的增加而增加，但不成正比。比。（3）当）当S很大时，很大时，达到最大达到最大值值Vm，S增加增加不再增加，表不再增加，表现零级反应现零级反应当底物浓度较低时当底物浓度较低时反应速度与底物浓度成正比；反反应速度与底物浓度成正比；反应为一级反应。应为一级反应。SSV VVmaxVmax随着底物浓度的增高随着底物浓度的增高反应速度不再成正比例加速；反应反应速度不再成正比例加速；反应为混合级反应。为混合级反应。SSV VVmaxVmax当底物浓度高达一定程度当底物浓度高达一定程度反应速度不再增加，达最大速度；反应速度不再增加，达最大速度；反应为零级反应反应为零级反应SSV VVmaxVmaxE+S ES P+Ek k1 1k k2 2k k3 3中间复合物学说中间复合物学说(Henri和和 Wurtz）k4三个假设：三个假设：（1）E与与S形成形成ES复合物的反应是快速平衡反应，而复合物的反应是快速平衡反应，而 ES分解为分解为E及及P的反应为慢反应，反应速度取决于的反应为慢反应，反应速度取决于慢反应即慢反应即 Vk3ES。（2）S的总浓度远远大于的总浓度远远大于E的总浓度的总浓度。（3）在初反应时）在初反应时P0 忽略忽略 这步反应。这步反应。（一）酶促反应的动力学基本公式（一）酶促反应的动力学基本公式 米氏方程的推导米氏方程的推导v1913年年Michaelis和和Menten提提出出反反应应速速度度与与底底物物浓浓度度关关系系的的数数学学方方程程式式，即即米米曼曼氏氏方方程程式，简称米氏方程式，简称米氏方程(Michaelis equation)。S：底物浓度底物浓度V：不同不同S时的反应速度时的反应速度Vmax：最大反应速度最大反应速度(maximum velocity)m：米氏常数米氏常数(Michaelis constant)VmaxS Km+S a.当当S很小时很小时V=VmaxS/Km 一级一级一级一级反应反应米氏曲线米氏曲线米氏曲线米氏曲线V=VmaxSKm+Sb.当当S很大时很大时V=Vmax S/S=Vmax 0级反应级反应混合混合级级V V V/2 0 Km（米氏常数）（米氏常数）S 最最大大反反应应速速率率 n n米氏方程：米氏方程：米氏方程：米氏方程：当已知Vmax、Km时酶反应速度与时酶反应速度与底物浓度之间的关系。底物浓度之间的关系。Km=k2+k3 k1V=VmaxSKm+Sn n米氏常数：米氏常数：米氏常数：米氏常数：由一些速率常数组成的复合常数由一些速率常数组成的复合常数。Km=?nKm=SV=VmaxSKm+S若若 VVVmaxmax/2V2V SKm+S1Km+S=2Su米氏常数是反应速度为最大值米氏常数是反应速度为最大值的一半时的底物浓度。的一半时的底物浓度。u米氏常数的单位为米氏常数的单位为mol/Lmol/L（二）动力学参数的意义（二）动力学参数的意义（1）米氏常数）米氏常数Km的意义的意义KmS Km值等于酶促反应速度为最大反应速度一半值等于酶促反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度，单位是时的底物浓度，单位是mol/L。2Km+S Vmax VmaxSV VmaxmaxV VSSKKmmV Vmaxmax/2 /2 Km是酶的特性常数：是酶的特性常数：与与pH、温度、离子强度、酶及底物种类有关，与酶浓度无温度、离子强度、酶及底物种类有关，与酶浓度无关，可以鉴定酶。关，可以鉴定酶。酶酶底物底物K Km m(mmol(mmol/L)/L)脲酶脲酶尿素尿素25溶菌酶溶菌酶6-N-乙酰葡萄糖乙酰葡萄糖胺胺0.006葡萄糖葡萄糖-6-磷酸磷酸脱氢酶脱氢酶6-磷酸磷酸-葡萄糖葡萄糖0.058胰凝乳蛋白酶胰凝乳蛋白酶苯甲苯甲酰酪氨酰胺酰酪氨酰胺2.5甲甲酰酪氨酰胺酰酪氨酰胺12.0乙乙酰酪氨酰胺酰酪氨酰胺32.0可以判断酶的专一性和天然底物可以判断酶的专一性和天然底物Km值最小的底物值最小的底物最适底物最适底物/天然底物天然底物1/Km近似表示酶对底物的亲和力：近似表示酶对底物的亲和力：1/Km越越大大、亲和力越、亲和力越大，大，最适底物时酶的亲和力最大，最适底物时酶的亲和力最大，Km最小最小 催化可逆反应的酶对催化可逆反应的酶对正正/逆逆两向底物两向底物K Km m不不同同 K Km m较小者为主要底物较小者为主要底物Km可帮助判断某代谢反应的方向和途径可帮助判断某代谢反应的方向和途径u Vmax：一定酶浓度下，酶对特定底物的一定酶浓度下，酶对特定底物的Vmax也是也是一个常数。受一个常数。受pH、温度、离子强度影响。、温度、离子强度影响。u k3（kcat）：）：表示任一酶促反应在饱和时的限制表示任一酶促反应在饱和时的限制速度速度又称为酶的转换数又称为酶的转换数、催化常数催化常数kcatu 转换数：转换数：酶被底物饱和时，每个酶分子在单位时酶被底物饱和时，每个酶分子在单位时间内被转换成产物的底物分子数。间内被转换成产物的底物分子数。u kcat越越大，酶的催化效率越高。大，酶的催化效率越高。（2）Vmax和和k3（kcat）的意义）的意义E+S ES P+Ek k1 1k k2 2k k3 3（1）Lineweaver-Burk双倒数作图法双倒数作图法（三）（三）K Km m与与V Vmaxmax的求取的求取1v v=Vmax km 1S+Vmax 1 （2）Eadie-Hofstee（伊迪伊迪-何夫斯提）何夫斯提）作图法作图法v VSVmax斜率斜率-Kmv=Vmax-KmvS 三、多底物的酶促反应动力学（自学）三、多底物的酶促反应动力学（自学）四、影响酶促反应速率的其他因素四、影响酶促反应速率的其他因素（一）（一）pH对酶促反应的影响对酶促反应的影响n 观察pH对酶促反应速度的影响，通常为一“钟形”曲线，即pH过高或过低均可导致酶催化活性的下降。n 酶催化活性最高时溶液的pH值就称为酶的最适pH。pHv最适最适pH（optimum pH）1.最适最适pH 2.pH稳定性稳定性在在一定的一定的pH范围内酶是范围内酶是稳定的稳定的pH对酶作用的影响机制：对酶作用的影响机制：1.过酸、过碱使酶变性失活；过酸、过碱使酶变性失活；2.pH改变影响酶活性基团的解离；改变影响酶活性基团的解离；3.pH改变影响底物的解离。改变影响底物的解离。人体内大多数酶的最适人体内大多数酶的最适pH在在6.58.0之间。之间。酶的最适酶的最适pH不是酶的特征性常数。不是酶的特征性常数。（二）（二）温度温度对酶反应速度的影响对酶反应速度的影响n一方面是温度升高一方面是温度升高,酶促酶促反应速度加快。反应速度加快。n另一方面另一方面,温度升高温度升高,酶的酶的高级结构将发生变化或变高级结构将发生变化或变性，导致酶活性降低甚至性，导致酶活性降低甚至丧失。丧失。n因此大多数酶都有一个因此大多数酶都有一个最最适温度适温度。在最适温度条在最适温度条件下件下,反应速度最大。反应速度最大。Tv最适温度1.温度升高，反应速度加快温度升高，反应速度加快2.温度升高，热变性速温度升高，热变性速度加快度加快。3.当温度升高到某一值当温度升高到某一值时，反应速度达到最时，反应速度达到最大值，这一温度称为大值，这一温度称为最适温度：最适温度：Tm。温度对反应速度的影响温度对反应速度的影响n酶的最适温度与实验条件有关，因而它不是酶的特征性常数。酶的最适温度与实验条件有关，因而它不是酶的特征性常数。Tm（三）激活剂对酶促反应的影响（三）激活剂对酶促反应的影响n激活剂：能提高酶活性的物质。n大部分是无机离子，包括金属离子（K+、Na+等）和无机阴离子（Cl-、Br-、I-等）；小分子有机物（半胱氨酸、谷胱甘肽等还原剂等。无机离子无机离子阳离子阳离子 K K+、CaCa2+2+、NaNa+、MgMg2+2+、ZnZn2+2+等等阴离子阴离子 ClCl -、Br Br-等等中等大小的有机分子：中等大小的有机分子：谷胱苷肽、谷胱苷肽、CysCys、EDTAEDTA（乙二胺四乙酸）等。（乙二胺四乙酸）等。某些激酶：如酶原的激活中起作用的某些激酶：如酶原的激活中起作用的酶。酶。w失活作用失活作用：使酶蛋白变性而引起酶活力丧失。w抑制作用抑制作用：使酶活力下降但不引起变性。w抑制剂抑制剂（inhibitor I）：能引起抑制作用的物质。（一）抑制作用的概念（一）抑制作用的概念 依据：依据：能否用透析、超滤等物理方法能否用透析、超滤等物理方法 除去抑制剂，使酶复活除去抑制剂，使酶复活。不可逆抑制不可逆抑制与与可逆抑制可逆抑制（二）抑制作用的类型（二）抑制作用的类型v抑制剂与酶分子的必需基团抑制剂与酶分子的必需基团共价结合共价结合引起酶活引起酶活性的抑制，且不能采用透析等简单方法使酶活性的抑制，且不能采用透析等简单方法使酶活性恢复的抑制作用就是性恢复的抑制作用就是不可逆抑制作用。不可逆抑制作用。v很多为剧毒物质很多为剧毒物质 重金属、有机磷、有机汞、有机砷、重金属、有机磷、有机汞、有机砷、氰化物、青霉素、毒鼠强等。氰化物、青霉素、毒鼠强等。1 1、不可逆抑制作用、不可逆抑制作用 抑制剂以抑制剂以非共价键非共价键与酶分子可逆性结合造成酶与酶分子可逆性结合造成酶活性的抑制，且可采用透析等简单方法去除抑制剂活性的抑制，且可采用透析等简单方法去除抑制剂而使酶活性完全恢复的抑制作用就是而使酶活性完全恢复的抑制作用就是可逆抑制作用可逆抑制作用。原因：非共价键结合原因：非共价键结合可可逆逆抑抑制制竞争性抑制竞争性抑制(competitive inhibition)非竞争性抑制非竞争性抑制(non-competitive I.）反竞争性抑制反竞争性抑制(uncompetitive I.）2 2、可逆抑制作用、可逆抑制作用（三）可逆抑制作用动力学（三）可逆抑制作用动力学（1）竞争性（）竞争性（Competitive）抑制）抑制w I：抑制剂（抑制剂（inhibitor）竞争性抑制剂竞争性抑制剂 vSvmaxKm1/S1/v1/vmax-1/Km斜率斜率=Km/vmaxk1K-1k2KIKm 升高升高vmax 不变不变+抑制剂抑制剂Km(1+I/KI)-1/(Km(1+I/KI)斜率斜率=Km(1+I/KI)/vmax竞竞争争性性抑抑制制的的速速度度方方程程与与图图形形特特征征SvV/2km无 Ikm有 I 竞竞争争性性抑抑制制剂剂往往往往是是酶酶的的底底物物类类似似物物或或反反应应产产物；物；抑抑制制剂剂与与酶酶的的结结合合部部位位与与底底物物与与酶酶的的结结合合部部位位相同相同；抑抑制制剂剂浓浓度度越越大大，则则抑抑制制作作用用越越大大；但但增增加加底底物浓度可使抑制程度减小；物浓度可使抑制程度减小；动力学参数：动力学参数：K Km m值增大，值增大，V Vm m值不变值不变。竞争性抑制的特点竞争性抑制的特点：竟竟争争性性抑抑制制【举例举例】G 丙二酸丙二酸与琥珀酸（丁二酸）竞争琥珀与琥珀酸（丁二酸）竞争琥珀酸脱氢酶酸脱氢酶琥珀酸琥珀酸琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶FADFADH2延胡索酸延胡索酸琥珀酸琥珀酸抑制物抑制物（2）非竞性（）非竞性（Non-competitive)抑制抑制无法形成产物无法形成产物wNoncompetitive inhibition非竞争性抑制剂非竞争性抑制剂k1k-1k2KIKm 不变不变vmax 降低降低KI+抑制剂抑制剂1/S1/v1/vmax-1/Km斜率斜率=Km/vmax(1+I/KI)/Vmax斜率斜率=Km(1+I/KI)/vmaxvSvmaxKmKmVmax/(1+I/KI)非非竞竞争争性性抑抑制制的的速速度度方方程程与与图图形形特特征征无无 I有有 ISvv/2km()非非竞竞争争性性抑抑制制剂剂的的化化学学结结构构不不一一定定与与底物的分子结构类似；底物的分子结构类似；底底物物和和抑抑制制剂剂分分别别独独立立地地与与酶酶的的不不同同部位相结合；部位相结合；抑抑制制剂剂对对酶酶与与底底物物的的结结合合无无影影响响，故故底物浓度的改变对抑制程度无影响；底物浓度的改变对抑制程度无影响；动力学参数：动力学参数：K Km m值不变，值不变，V Vm m值降低值降低。非竞争性抑制的特点非竞争性抑制的特点：非非竟竟争争性性抑抑制制（3）反竞争性（）反竞争性（Uncompetitive）抑制）抑制反竞争性抑制剂反竞争性抑制剂k1k-1k2Km 降低降低vmax 降低降低斜率不变斜率不变+抑制剂抑制剂KI1/S1/v1/vmax-1/Km斜率斜率=Km/vmax(1+KI/I)/Vmax斜率斜率=Km/vmaxvSvmaxKmKm/(1+KI/I)Vmax/(1+KI/I)-(1+KI/I)/Km反反竞竞争争性性抑抑制制的的速速度度方方程程与与图图形形特特征征无无 I有有 I 反反竞竞争争性性抑抑制制剂剂的的化化学学结结构构不不一一定定与与底物的分子结构类似；底物的分子结构类似；抑抑制制剂剂与与底底物物可可同同时时与与酶酶的的不不同同部部位位结合；结合；必必须须有有底底物物存存在在，抑抑制制剂剂才才能能对对酶酶产产生生抑抑制制作作用用；抑抑制制程程度度随随底底物物浓浓度度的的增增加而增加；加而增加；动力学参数：动力学参数：K Km m减小，减小，V Vm m降低降低。反竞争性抑制的特点反竞争性抑制的特点：反竟争性抑制反竟争性抑制1：反应体系不加：反应体系不加I2：体系中加入体系中加入一定量不可逆抑制剂一定量不可逆抑制剂3：体系中加入：体系中加入一定量可逆抑制剂一定量可逆抑制剂v123E可逆和不可逆抑制作用的鉴别可逆和不可逆抑制作用的鉴别Ev不可逆抑制剂不可逆抑制剂的作用的作用Ev可逆抑制剂可逆抑制剂 的作用的作用I I 酶抑制剂作用的动力学酶抑制剂作用的动力学药物名称药物名称（中文）（中文）药物名称药物名称（英文）（英文）靶酶靶酶医用或药用医用或药用阿司匹林阿司匹林Aspirin前列腺素合成前列腺素合成中的环加氧酶中的环加氧酶消炎消炎青霉素青霉素Penicillin肽聚糖转肽酶肽聚糖转肽酶抗菌素抗菌素甲氨蝶呤甲氨蝶呤Methotrexate 二氢叶酸还原二氢叶酸还原酶酶抗肿瘤抗肿瘤叠氮胸苷叠氮胸苷azidothymine（AZT）HIV逆转录酶逆转录酶艾滋病治疗艾滋病治疗利托那韦利托那韦RitonavirHIV蛋白酶蛋白酶艾滋病治疗艾滋病治疗（四）酶抑制剂应用举例（四）酶抑制剂应用举例1、不可逆抑制剂、不可逆抑制剂n有机磷农药或有机杀虫剂、有机汞和有机砷、氰化物、硫化物、co、青霉素。n常见的有机磷杀虫剂：敌百虫、敌敌畏、对硫磷。n青霉素是糖肽转肽酶的不可逆抑制剂。糖肽转肽酶是在细菌细胞壁合成期间催化肽聚糖的交联的。n青霉素通过干扰肽聚糖链之间的交联桥的形成，使细菌失去抗渗透能力，因此细菌停止生长或死亡。2、可逆抑制剂、可逆抑制剂n最常见的是磺胺类。二氢蝶呤啶二氢蝶呤啶 对氨基苯甲酸对氨基苯甲酸 谷氨酸谷氨酸二氢叶酸二氢叶酸合成酶合成酶二氢叶酸二氢叶酸G 磺胺类药物的抑菌机制：磺胺类药物的抑菌机制：与与对氨基苯甲酸对氨基苯甲酸竞争竞争二氢叶酸合成酶二氢叶酸合成酶结结 束束