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动力学相关问题一酶反应动力学第一页，讲稿共六十五页哦一、一、酶的概念和作用酶的概念和作用 1大多数酶是蛋白质（大多数酶是蛋白质（Most enzymes are proteins）1926年美国年美国Sumner 脲酶的结晶，并指出酶是蛋白质脲酶的结晶，并指出酶是蛋白质 1930年年Northrop等得到了胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶的等得到了胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶的结晶，并进一步证明了酶是蛋白质。结晶，并进一步证明了酶是蛋白质。J.B.SumnerJ.H.Northrop第二页，讲稿共六十五页哦 20世纪世纪80年代发现某些年代发现某些RNA有催化活性，还有一些抗体也有催有催化活性，还有一些抗体也有催化活性，甚至有些化活性，甚至有些DNA也有催化活性，使酶是蛋白质的传统概念受也有催化活性，使酶是蛋白质的传统概念受到很大冲击。到很大冲击。第三页，讲稿共六十五页哦定义定义:酶酶(Enzyme)(Enzyme)是生物体活细胞产生的具有特殊催化是生物体活细胞产生的具有特殊催化活性和特定空间构象的生物大分子，包括蛋白质及核酸，活性和特定空间构象的生物大分子，包括蛋白质及核酸，又称为生物催化剂。又称为生物催化剂。绝大多数的酶都是绝大多数的酶都是蛋白质蛋白质。酶催化的生物化学反应，称为酶催化的生物化学反应，称为酶促反应酶促反应。在酶的催化下发生化学变化的物质为在酶的催化下发生化学变化的物质为底物底物。酶的定义酶的定义第四页，讲稿共六十五页哦酶的分类：酶的分类：（6）合成酶：乙酰辅酶合成酶：乙酰辅酶A合成酶、青霉素合成酶合成酶、青霉素合成酶（1）氧化还原酶：乙醇脱氢酶、葡萄糖氧化酶、过氧化氢酶等氧化还原酶：乙醇脱氢酶、葡萄糖氧化酶、过氧化氢酶等（2）转移酶：丙酮酸激酶、肌酸激酶、转氨酶转移酶：丙酮酸激酶、肌酸激酶、转氨酶（3）水解酶：淀粉酶、果胶酶、糖化酶、蛋白酶水解酶：淀粉酶、果胶酶、糖化酶、蛋白酶（4）裂合酶：草酰乙酸脱羧酶、水合酶、核酸聚合酶裂合酶：草酰乙酸脱羧酶、水合酶、核酸聚合酶（5）异构酶：葡萄糖异构酶、甾类异构酶异构酶：葡萄糖异构酶、甾类异构酶第五页，讲稿共六十五页哦酶的结构：单纯酶和辅酶（辅因子）酶的结构：单纯酶和辅酶（辅因子）金属离子、辅酶、辅基金属离子、辅酶、辅基特点：特点：酶的活性中心：由一些不连续的氨基酸基团残基构成空间构酶的活性中心：由一些不连续的氨基酸基团残基构成空间构象，形成催化中心。指酶结合底物并将底物转化为产物的部象，形成催化中心。指酶结合底物并将底物转化为产物的部位。位。催化效率高、反应条件温和、酶的活性受调节控制，具有高度的催化效率高、反应条件温和、酶的活性受调节控制，具有高度的特异性和选择性。特异性和选择性。第六页，讲稿共六十五页哦酶活性中心酶活性中心 结合部位（结合位）结合部位（结合位）催化部位（催化位）催化部位（催化位）结合部位决定酶的专一性结合部位决定酶的专一性催化部位决定酶所催化反应的性质。催化部位决定酶所催化反应的性质。第七页，讲稿共六十五页哦酶的催化机制酶的催化机制 1)中间产物学说中间产物学说酶在催化化学反应时，酶与底物首先形成不稳定的酶在催化化学反应时，酶与底物首先形成不稳定的中间物，然后分解酶与产物。即酶将原来活化能很中间物，然后分解酶与产物。即酶将原来活化能很高的反应分成两个活化能较低的反应来进行，因而高的反应分成两个活化能较低的反应来进行，因而加快了反应速度。加快了反应速度。E +S =E-S P +E第八页，讲稿共六十五页哦2）、锁钥学说（）、锁钥学说（lock and Key theory）1894年年 Fischer 提出提出第九页，讲稿共六十五页哦3）、诱导契合学说（）、诱导契合学说（induced-fit theory）1958年年 Koshland提出提出第十页，讲稿共六十五页哦酶反应的高效性机制酶反应的高效性机制1、邻近效应与定向效应、邻近效应与定向效应 （proximity and orientation effect）底物分子结合到酶的活性中心，底物在酶活性中心的有效浓度大大增加；由于活性中心的立体结构和相关基团的诱导和定向作用，使底物分子中参与反应的基团相互接近，酶的催化基团与底物的反应基团经严格的轨道定向，使酶促反应具有高效率和专一性特点。第十一页，讲稿共六十五页哦邻近效应：指两个反应的分子，它们反应的基团需要互相邻近效应：指两个反应的分子，它们反应的基团需要互相 靠近，才能反应。靠近，才能反应。定向效应定向效应:指酶的催化基团与底物的反应基团之间的正确指酶的催化基团与底物的反应基团之间的正确 定定向。向。第十二页，讲稿共六十五页哦2、张力效应和底物形变（、张力效应和底物形变（strain and distortion）第十三页，讲稿共六十五页哦3、共价催化（、共价催化（covalent catalysis）共价催化共价催化 亲电子催化亲电子催化 亲核催化亲核催化酶与底物形成反应活性很高的共价过渡产物，使反应活化能降低，从而提高反应速度的过程称为共价催化。His 的咪唑基，Cys 的巯基，Asp 的羧基，Ser 的羟基等。某些辅酶也可以参与共价催化作用。第十四页，讲稿共六十五页哦4、酸碱催化（、酸碱催化（acid-base catalysis）第十五页，讲稿共六十五页哦5、酶活性部位的微环境效应、酶活性部位的微环境效应某些酶分子表面常出现凹陷，而活性中心多半靠近或位于疏水微环境的凹陷中。由于疏水环境的介电常数较极性环境的介电常数为低，所以在疏水环境中两个带电场之间的作用力比在极性环境中的显著增加。当底物分子与酶活性中心相结合时，就被埋在疏水环境中，其中底物与催化基团之间的作用力将比在极性环境中的作用力强很多。第十六页，讲稿共六十五页哦第十七页，讲稿共六十五页哦酶和底物结合的作用力：酶和底物结合的作用力：离子键、氢键、范德华力。离子键、氢键、范德华力。立体化学专一性：光学异构专一性、几何异构专一性立体化学专一性：光学异构专一性、几何异构专一性酶的专一性和有关学说酶的专一性和有关学说结构专一性：键专一性、基团专一性结构专一性：键专一性、基团专一性第十八页，讲稿共六十五页哦锁与钥匙学说：锁与钥匙学说：第十九页，讲稿共六十五页哦诱导契合学说诱导契合学说第二十页，讲稿共六十五页哦第二节第二节 酶反应动力学酶反应动力学酶反应动力学是研究酶反应的速度规律，以及影响酶反应动力学是研究酶反应的速度规律，以及影响此速度的各项因素之间关系的一门科学。此速度的各项因素之间关系的一门科学。它是生化工程的基础，在研究酶反应器的设计、它是生化工程的基础，在研究酶反应器的设计、性能、操作以及了解产物的数量、质量等问题，性能、操作以及了解产物的数量、质量等问题，都需要了解酶反应动力学的知识。都需要了解酶反应动力学的知识。第二十一页，讲稿共六十五页哦酶反应动力学基础酶反应动力学基础 影响酶促反应的主要因素有：浓度因素（酶浓度、底物浓度）影响酶促反应的主要因素有：浓度因素（酶浓度、底物浓度）；外部因素（温度、压力、；外部因素（温度、压力、pHpH等）；内部因素（结构等）。等）；内部因素（结构等）。影响酶促反应的最基本因素是浓度因素，从浓度因素可得到影响酶促反应的最基本因素是浓度因素，从浓度因素可得到速率常数，速率常数常被内外因素所左右，这是单相酶促反应动速率常数，速率常数常被内外因素所左右，这是单相酶促反应动力学的核心内容。力学的核心内容。第二十二页，讲稿共六十五页哦酶促反应可采用化学反应动力学方法建立动力学方程酶促反应可采用化学反应动力学方法建立动力学方程如果酶促反应速率与底物浓度无关，此时为零级反应如果酶促反应速率与底物浓度无关，此时为零级反应S底物浓度；底物浓度；t催化反应时间；催化反应时间；rmax最大反应速率最大反应速率如果酶促反应速率与底物浓度一次方成正比，此时为一级反应，如果酶促反应速率与底物浓度一次方成正比，此时为一级反应，即酶催化即酶催化A B的过程的过程B产物浓度；产物浓度；t催化反应时间；催化反应时间；k一级反应速率常数；一级反应速率常数；A底物浓度底物浓度第二十三页，讲稿共六十五页哦一一.单一底物动力学：单一底物动力学：米氏方程（米氏方程（Michaelis-Menten)Michaelis-Menten)E+S E+PE+S ES P+Ek1k2k3Et酶的总浓度；S底物浓度，通常SEtES酶底物络合物的浓度；E游离的酶浓度，E=EtES；络合物络合物ES的生成速率：的生成速率：络合物络合物ES的分解速率：的分解速率：第二十四页，讲稿共六十五页哦假定整个酶反应体系处于动态平衡，即“拟稳态拟稳态”，即：ESES的生成速率等于分解速率的生成速率等于分解速率。由此可得：由此可得：又反应速度为：又反应速度为：上式代入可得：上式代入可得：第二十五页，讲稿共六十五页哦著名的米氏方程Km米氏常数，是vvmax/2时的S值。Km越大意味着酶与底物的亲和性低，反之亲和性高；Km会随着pH、温度、离子强度变化。第二十六页，讲稿共六十五页哦第二十七页，讲稿共六十五页哦动力学常数Km与V的求取：L-B作图法第二十八页，讲稿共六十五页哦动力学常数Km与V的求取：E-H作图法以v对v/S作图，得一斜率为Km的直线，与纵坐标焦点为vmax，与横坐标交点为vmax/KmEadie-Hofstee法第二十九页，讲稿共六十五页哦动力学常数Km与V的求取：H-W作图法以S/v对S作图，得一斜率为1/vmax的直线，与纵坐标焦点为Km/vmax，与横坐标交点为-KmHanes-Woolf 法第三十页，讲稿共六十五页哦有抑制作用的酶促动力学有抑制作用的酶促动力学酶催化过程中，某些外援化合物能与酶相互作用，使酶的活性降低或丧失的现象，称为酶的抑制作用。如果抑制剂与酶以非共价结合，引起酶活性暂时丧失，抑制剂可用诸如透析等物理方法被除去，而能部分或全部恢复酶的活性，则此类抑制称为可逆抑制。此时，酶与抑制剂的结合存在着解离平衡的关系。如果抑制剂与酶的基团成共价结合，则此时不能用物理法去掉抑制剂，此类抑制称为不可逆抑制。第三十一页，讲稿共六十五页哦竞争性抑制动力学竞争性抑制动力学反竞争性抑制动力学反竞争性抑制动力学非竞争性抑制动力学非竞争性抑制动力学底物型抑制动力学底物型抑制动力学不可逆抑制动力学不可逆抑制动力学主要学习以下抑制动力学主要学习以下抑制动力学第三十二页，讲稿共六十五页哦（a)a)竞争性抑制动力学竞争性抑制动力学 若反应体系中存在有与底物结构类似物的物质，该物质能在酶的活性部位上结合，从而阻碍了酶与底物的结合，使酶催化底物的反应速率下降。这种抑制成为竞争性抑制。主要特点：抑制剂与底物竞争酶的活性部位，当抑制剂与酶的活性部位结合之后，底物就不能再与酶结合。E+I EIE+S ES P+Ek1k1k2k3k-3第三十三页，讲稿共六十五页哦E+I EIE+S ES P+Ek1k1k2Et酶的总浓度；S底物浓度，通常SEtES酶底物络合物的浓度；E游离的酶浓度；I为抑制剂；EI为非活性复合物由假稳态得：由假稳态得：络合物络合物ES的分解速率：的分解速率：k3k-3Et=EES+EI；第三十四页，讲稿共六十五页哦经整理得到：经整理得到：（KI为抑制剂的解离常数；Km*有抑制剂存在时的表观米氏常数）第三十五页，讲稿共六十五页哦竞争性动力学常数Km*、KI与Vmax的求取：作图法斜率Km/KIKm*I-KIKm*第三十六页，讲稿共六十五页哦竞争性动力学与无抑制动力学对比KI值越小，表明抑制剂与酶结合越强，抑制作用越大。值越小，表明抑制剂与酶结合越强，抑制作用越大。第三十七页，讲稿共六十五页哦（b)b)非竞争性抑制动力学非竞争性抑制动力学 抑制剂与酶的非活性部位结合，形成复合物，该复合物再与底物相结合；底物与酶相结合生成的复合物，其中一部分与抑制剂相结合。虽然，底物、抑制剂和酶的结合之间无竞争，但两者与酶形成的复合物可使酶的三维结构变化，导致酶催化反应速率下降。这种抑制成为非竞争性抑制。E+I EIE+S ES P+Ek1k1k2k3k-3ES+I ESIk-4k-4EI+S EISk-5k-5第三十八页，讲稿共六十五页哦E+I EIE+S ES P+Ek1k1k2k3k-3ES+I ESIk-4k-4EI+S EISk-5k-5经整理得到：经整理得到：（KI为抑制剂的解离常数；vmax有抑制剂存在时的最大反应速度）第三十九页，讲稿共六十五页哦非竞争性动力学常数的求取：作图法*第四十页，讲稿共六十五页哦非竞争性动力学与无抑制动力学对比表明：非竞争抑制作用使表明：非竞争抑制作用使vmax 下降了（下降了（1+I/KI)第四十一页，讲稿共六十五页哦（c)c)反竞争性抑制动力学反竞争性抑制动力学 抑制剂不直接与酶结合，而只能与酶底物的复合物ES相结合，生成ESI复合物，该复合物不能生成产物。因为底物与酶的结合改变了酶的构型，出现了能与抑制剂相结合的中心，最终导致酶催化反应速率的下降。这种抑制成为反竞争性抑制。ES+I ESIE+S ES P+Ek1k1k2k3k-3第四十二页，讲稿共六十五页哦ES+I ESIE+S ES P+Ek1k3k-3经整理得到：经整理得到：第四十三页，讲稿共六十五页哦反竞争性动力学与无抑制动力学对比第四十四页，讲稿共六十五页哦（d)d)底物抑制动力学底物抑制动力学 有的酶促反应中，当高浓度底物时，其反应速率会随底物浓度的提高而下降，称为底物的抑制作用。原因是多个底物分子与酶活性部位相结合后，形成的复合物不能分解为产物，从而阻碍了酶与底物的结合，使酶催化底物的反应速率下降。这种抑制成为底物抑制。ES+S SESE+S ES P+Ek1k1k2k3k-3第四十五页，讲稿共六十五页哦竞争性动力学常数Km*、KI与Vmax的求取：作图法斜率Km/KIKm*I-KIKm*第四十六页，讲稿共六十五页哦ES+S SESE+S ES P+Ek1k1k2k3k-3经整理得到：经整理得到：第四十七页，讲稿共六十五页哦底物竞争性动力学第四十八页，讲稿共六十五页哦第四十九页，讲稿共六十五页哦第五十页，讲稿共六十五页哦 （e)e)不可逆抑制的酶促动力学不可逆抑制的酶促动力学 指抑制剂与酶活性部位的氨基酸残基形成共价键，致使酶永久性地失去活性。一般把抑制剂与酶反应的解离常数K的数量级为109mol/L以下的抑制称为不可逆抑制。E+S ES P+Eksk2E+I EI EI*k1ki第五十一页，讲稿共六十五页哦经整理得到：经整理得到：E+S ES P+Eksk2E+I EI EI*k1ki第五十二页，讲稿共六十五页哦有序反应有序反应随机反应随机反应 二二.双底物酶催化反应动力学双底物酶催化反应动力学 乒乓机制：乒乓机制：第五十三页，讲稿共六十五页哦随机反应机制随机反应机制A+BP+Q反应机理为：反应机理为：E+A EAk1k21EA+B EABk12E+B EBk2EB+A EBAEAB E+P+Qk第五十四页，讲稿共六十五页哦E+A EAk1k21EA+B EABk12E+B EBk2EB+A EBAEAB E+P+Qk有以下关系：第五十五页，讲稿共六十五页哦经整理得到：经整理得到：第五十六页，讲稿共六十五页哦复杂动力学模型求取参数方法复杂动力学模型求取参数方法1）测定实验数据，如）测定实验数据，如S、P等与时间的关系等与时间的关系2）建立动力学模型（微分方程）建立动力学模型（微分方程）4）用数值积分解微分方程（）用数值积分解微分方程（Ronger-Kutta）5）最优化搜索修正参数（比较计算值和实验值）最优化搜索修正参数（比较计算值和实验值）如单纯形法、马夸特法等如单纯形法、马夸特法等3）设定模型参数初值）设定模型参数初值第五十七页，讲稿共六十五页哦三三.影响酶活性的因素影响酶活性的因素影响酶活性的因素有：影响酶活性的因素有：酶浓度、酶浓度、pH、温度、温度、离子强度、离子强度、渗透压和抑制剂渗透压和抑制剂（1)pH的影响pH对酶活性的影响主要表现在两个方面：pH可能影响酶的稳定性，改变酶的构象，过酸或过碱，均会引起酶的不可逆失活；pH对动力学参数的影响。第五十八页，讲稿共六十五页哦E E E2-H+H+-H+H+K1K2pHV第五十九页，讲稿共六十五页哦三三.影响酶活性的因素影响酶活性的因素（2)T的影响 在较低的温度范围内，反应活性随温度的升高而升高；当温度超过酶所允许的生理温度以上时，随着温度的升高，酶的热变性失活速率会增加，导致酶活性下降，酶反应速度随温度升高而下降。T酶活第六十页，讲稿共六十五页哦四四.酶的界面催化动力学酶的界面催化动力学 酶催化固态不溶性底物进行反应，如纤维素酶水解纤维素；酶催化液态不溶性底物进行反应，如脂肪酶分解甘油三酯；酶催化在多相体系中进行：特点：反应体系为多相系统，酶在水溶液中，而底物或为固态，或为不溶于水的有机相；反应发生在液固或液液的相界面上。第六十一页，讲稿共六十五页哦 （1)1)液固界面的酶促动力学液固界面的酶促动力学 当溶液中的酶催化不溶性固态底物时，酶分子必须通过扩散并吸附到固态底表面上的相应部位才能进行催化反应。由于酶受到酶分子扩散的限制，酶浓度的增加不会无限制地增加反应速率。E+S ESkakd酶在底物的吸附平衡关系为：ka kd分别为吸附与脱附的速率常数。第六十二页，讲稿共六十五页哦E+S ESkdka平衡时的速率方程为：(1)(2)(3)第六十三页，讲稿共六十五页哦 （2)2)液液界面的酶促动力学液液界面的酶促动力学E*单位界面面积上的酶量；Emax*单位界面面积上酶的饱和量。覆盖率 界面结合：界面上的覆盖率随时间的变化为：Ka 酶与界面结合的速率常数；kd-酶从界面解离的速率常数；E溶液中游离的酶浓度；（Emax*-E*)-界面面积上剩余的可结合酶量；AS单位体积中的表面积当达到平衡时，第六十四页，讲稿共六十五页哦E为溶液中的游离酶；E*为结合到底物表面的酶；E*S为界面上酶底物复合物；Kd*为界面上酶的吸附平衡解离常数KSE E*Kd*+S E*SE*+Pk2假设：酶在界面上的结合为一平衡过程；酶与界面的结合及与底物的结合，速率很快，可合并单一步骤；反应的速率控制步骤为复合物的分解步骤。界面催化：第六十五页，讲稿共六十五页哦