10章 酶反应动力学-教学用.ppt

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1、酶促反应动力学酶促反应动力学第第 10 章章一、有关的化学动力学概念（自学，化学学习的内容）二、底物浓度对酶促反应速率的影响三、多底物的酶促反应四、影响酶促反应速率的其他因素五、酶的抑制作用教学内容酶促反应动力学：酶促反应动力学：研究酶促反应的速度及其影响因素的科学。为酶的机理研究提供实验研究酶促反应的速度及其影响因素的科学。为酶的机理研究提供实验证据，指导酶在生产中的应用。证据，指导酶在生产中的应用。(一)酶促反应动力学的基本公式-米-曼氏方程(二)米-曼氏方程所确定的图形是一直角双曲线(三)米-曼氏动力学参数的意义(四)米-曼氏方程的线性化作图求Km和Vmx值二、底物浓度对酶促反应速率的影

2、响酶浓度、酶浓度、pH、温度等条件不变情况、温度等条件不变情况下下,研究底物浓度和反应速度的关系。研究底物浓度和反应速度的关系。低底物浓度时低底物浓度时,反应速度与底物浓度反应速度与底物浓度成正比，成正比，一级反应一级反应。底物浓度达到一。底物浓度达到一定值后，几乎所有的酶都与底物结合，定值后，几乎所有的酶都与底物结合，反应速度达到最大值反应速度达到最大值(Vmax)，此时再，此时再增加底物浓度，反应速度不再增加，增加底物浓度，反应速度不再增加，零级反应零级反应。教学内容混合级反应混合级反应一级反应一级反应零级反应零级反应(饱和效应饱和效应)非催化反应非催化反应1913，德化学家，德化学家Mi

3、chaelis L和和Menten M 根据根据中间产物学中间产物学快速平快速平衡模型或平衡稳态模型，称为衡模型或平衡稳态模型，称为米米-曼氏模型曼氏模型。中间复合体学说：中间复合体学说：Ks：解离：解离平衡平衡常数；常数；Kcat：催化常数：催化常数(一一)酶促反应动力学的基本公式：米酶促反应动力学的基本公式：米-曼氏方程曼氏方程基于快速平衡模型或平衡稳态模型的米氏方程基于快速平衡模型或平衡稳态模型的米氏方程:早年的米式方程早年的米式方程最初，最初，Michaelis 和和 Menten 根据根据“快速平衡假说快速平衡假说”推出米式方程。推出米式方程。快速平衡假说：一些假设快速平衡假说：一些

4、假设米式方程的导出：初始阶段，初始底物浓度初始阶段，初始底物浓度S0E0 初始酶浓度，初始底物浓度之用去初始酶浓度，初始底物浓度之用去很小部分底物浓度很小部分底物浓度S可看成是可看成是S0。限速步骤，限速步骤，K2 K-1 P的生成不足以破坏快速平衡的生成不足以破坏快速平衡k-1反应可逆，且很快达到平衡反应可逆，且很快达到平衡酶守恒公式：酶守恒公式：E+ES=Et=E0没被考虑：没被考虑：要忽略之，要忽略之，P接近接近0。此米。此米-曼氏方程曼氏方程只适用于初速率只适用于初速率k-1游离的酶与底物形成游离的酶与底物形成ES的速度极快，而的速度极快，而ES形成产物的速度极慢，形成产物的速度极慢，

5、ES分解分解成产物成产物P对于对于ES浓度的动态平衡没有影响。浓度的动态平衡没有影响。ES的生成速度：的生成速度：K1(Et-ES)SES的分解速度：的分解速度：K-1ESK1(Et-ES)S =K-1ES V max=Kcat Et此模型不具有普遍性此模型不具有普遍性steady-state theory：反应进行不长的一段时间内：反应进行不长的一段时间内(几毫秒，前稳态几毫秒，前稳态)，系统，系统的的ES浓度由浓度由0增加到一定数值，在一定时间内，尽管底物浓度不断变化，增加到一定数值，在一定时间内，尽管底物浓度不断变化，ES也在不断合成和分解，但是当反应系统中也在不断合成和分解，但是当反应

6、系统中ES的生成和分解速率相等时，的生成和分解速率相等时，络合物络合物ES的浓度保持不变，这种状态称为稳态的浓度保持不变，这种状态称为稳态1952，Briggs G E和和Haldane J B S 的的“稳态理论稳态理论”及其对米式方程的及其对米式方程的发展：稳态模型或发展：稳态模型或Briggs-Haldane氏模型氏模型K-1 K-2酶促反应过程中前稳态和稳态期间各种浓度变化（酶促反应过程中前稳态和稳态期间各种浓度变化（A）和速率变化（）和速率变化（B）ES生成速度：生成速度：K1(Et-ES)SES分解速度：分解速度：k2ES+k-1ES稳态时：稳态时：k1(Et-ES)S=k2ES+

7、k-1ESVmax=kcat Et K-1 K-2Km 比比Ks 更具普遍性。稳态下，当更具普遍性。稳态下，当K2K-1时，则时，则Km=K-1/K1=Ks，因因此平衡态可以看成是稳态的一个特例此平衡态可以看成是稳态的一个特例(二)米-曼氏方程所确定的图形是一直角双曲线以初始速率作为初始底物浓度以初始速率作为初始底物浓度S的函数所做的底物饱和曲线，也称的函数所做的底物饱和曲线，也称米米-曼氏作图或米曼氏作图或米-曼氏曲线曼氏曲线将实验测定的米将实验测定的米-曼氏曲线的坐曼氏曲线的坐标作平移，并用新坐标系标作平移，并用新坐标系(x，y)表示旧坐标系表示旧坐标系(v0，S)，米，米-曼氏方程可以转

8、变为曼氏方程可以转变为 xy=-Km 其其曲线为以坐标轴曲线为以坐标轴(x，y)为渐近线为渐近线的直角或等轴或等边双曲线的直角或等轴或等边双曲线从米从米-曼氏方程或其曲线可以看出三种情况：曼氏方程或其曲线可以看出三种情况：(三)米一曼氏动力学参数的意义1.KM 的意义的意义:真实解离常数和表观解离常数真实解离常数和表观解离常数2.Kcat 的意义的意义:催化常数或转换数催化常数或转换数3.Kact/KM 的意义的意义:催化效率指数或专一性常数催化效率指数或专一性常数米氏常数米氏常数KM是是 v0=1/2 Vmax时的底物浓度。遵循米时的底物浓度。遵循米-曼氏动力曼氏动力学的酶学的酶,也称为米也

9、称为米-曼型酶曼型酶,是指呈现是指呈现v0对对S的双曲线关系的的双曲线关系的酶。酶。KM的真实意义决定于酶促反应机制的特定方面的真实意义决定于酶促反应机制的特定方面,如反应步骤如反应步骤数目和各步的速率常数。对于简单的二步反应：数目和各步的速率常数。对于简单的二步反应：KM=(K-1+K2)/K1 1.KM的意义:真实解离常数和表观解离常数当当K2是限速步骤的速率常数时，即是限速步骤的速率常数时，即k2K2时，时，KM Ks，1/Km 近似地表示底物亲和力的大小。近似地表示底物亲和力的大小。生产上的实际应用：生产上的实际应用：已知已知V求求S;已知已知S求求V判断某一代谢反应的方向和途径判断某

10、一代谢反应的方向和途径Km的应用的应用2.Kcat 的意义：催化常数或转换数K-1 K-2K-1K K2 2 限速步骤速率常数限速步骤速率常数K K3 3 限速步骤限速常数限速步骤限速常数需要提出一个更通用需要提出一个更通用的速率常数，催化常的速率常数，催化常数，数，K Kcatcat，用来描述任，用来描述任一酶促反应在饱和时一酶促反应在饱和时的限制速率的限制速率如果一个多步骤的反应如果一个多步骤的反应,其中一步明显是限速的其中一步明显是限速的,则该步骤的速率常数就则该步骤的速率常数就是是K Kcatcat，K K2 2和和K K3 3。如果几个步骤都是部分限速的如果几个步骤都是部分限速的,K

11、 Kcatcat 可以是几个速率常数的一个复杂函可以是几个速率常数的一个复杂函数数,例如例如K Kcatcat 是是k k2 2、k k3 3的函数的函数胰凝乳蛋白酶催化某些底物时胰凝乳蛋白酶催化某些底物时k2k3，kcat=k3。Kcat 一级反应速率常数，因此量纲是时间一级反应速率常数，因此量纲是时间-1如如min-1，s-1。kcat有时也称为酶的转换数有时也称为酶的转换数(turnover number,TN)，它是酶的，它是酶的最大催化活力的量度，即在酶被底物饱和时每一酶分子或每一最大催化活力的量度，即在酶被底物饱和时每一酶分子或每一活性部位活性部位(对多亚基酶而言对多亚基酶而言)在

12、单位时间内被转变为产物的底物在单位时间内被转变为产物的底物分子数。转换数也称为酶的分子活力分子数。转换数也称为酶的分子活力(molecular activity)或催或催化中心活力。只要反应混合液中酶的总浓度化中心活力。只要反应混合液中酶的总浓度Et为已知，为已知，kcat 即可从即可从V max 算出。算出。当当E和和S均为变量时，均为变量时，Kcat 是是 E+SE+P 反应的表观二级速率反应的表观二级速率常数常数(单位单位mol-1s-1L)；Kcat/KM 可作为在远低于饱和量的底物浓度下酶的催化效率指数。可作为在远低于饱和量的底物浓度下酶的催化效率指数。此参数常用来比较不同酶的催化效

13、率，特别是比较同一个酶对不此参数常用来比较不同酶的催化效率，特别是比较同一个酶对不同底物同底物(竞争性底物竞争性底物)的催化效率，因此也称为的催化效率，因此也称为专一性常数专一性常数。当酶与底物的相互碰撞是限速步骤时，当酶与底物的相互碰撞是限速步骤时，Kcat/KM可代表真实的微观可代表真实的微观速率常数。当速率常数。当K2K-1时，时，KM=k2/k1,而而kcat=k2，3.Kact/km的意义的意义:催化效率指数或专一性常数催化效率指数或专一性常数 则：则：根据：根据：在生理条件下，大多数酶并不被底物所饱和。在生理条件下，大多数酶并不被底物所饱和。当当S60)。（三）激活剂对酶反应速度的

14、影响激活剂（激活剂（activator)：凡是能提高酶活性的物质。凡是能提高酶活性的物质。阴离子：阴离子：Cl-、Br-、I-、PO4-氢离子氢离子无机离子无机离子还原剂：如，还原型谷胱甘肽等能还原剂：如，还原型谷胱甘肽等能激活某些活性中心含有激活某些活性中心含有-SH的酶。的酶。小分子有机化合物小分子有机化合物激激活活剂剂种种类类金属离子：金属离子：K+、Na+、Mg2+、Zn2+、Fe2+、Ca2+金属螯合剂：如，金属螯合剂：如，EDTA等，去重等，去重金属离子，解除抑制作金属离子，解除抑制作1.无机离子的激活作用具有选择性；无机离子的激活作用具有选择性；2.不同离子之间有拮抗作用，如不同

15、离子之间有拮抗作用，如Na+与与K+、Mg2+与与Ca2+，但，但Mg2+与与Zn2+常可替代；常可替代；3.激活剂浓度要适中，激活剂浓度要适中，150mM，过高往往有抑制作用；，过高往往有抑制作用；4.许多金属离子是酶的辅助因子，有些金属离子可稳定酶分子的许多金属离子是酶的辅助因子，有些金属离子可稳定酶分子的活性构象，有的金属离子通过生成螯合物，在酶与底物结合中活性构象，有的金属离子通过生成螯合物，在酶与底物结合中起桥梁作用。起桥梁作用。要说明的几个问题：使一些本来有活性的酶活性进一步提高，主要是离子或简单使一些本来有活性的酶活性进一步提高，主要是离子或简单有机化合物；有机化合物；激活酶原，

16、无活性激活酶原，无活性有活性，可能是离子或蛋白质。有活性，可能是离子或蛋白质。激活剂作用包括两种情况：激活剂作用包括两种情况：一、有关的化学动力学概念（自学）二、底物浓度对酶促反应速率的影响三、多底物的酶促反应四、影响酶促反应速率的其他因素五、酶的抑制作用教学内容五、酶的抑制作用五、酶的抑制作用(一一)抑制作用的概念抑制作用的概念 (二二)抑制作用的类型抑制作用的类型(三三)可逆抑制的动力学可逆抑制的动力学 (四四)酶抑制剂应用举例酶抑制剂应用举例抑制剂：抑制剂：不引起酶蛋白变性，和酶分子上某些必需基团（活性中不引起酶蛋白变性，和酶分子上某些必需基团（活性中心上一些基团）结合，引起酶活性下降，

17、甚至丧失。抑制剂心上一些基团）结合，引起酶活性下降，甚至丧失。抑制剂有选择性。有选择性。抑制作用：抑制作用：使反应速率减慢或完全停止（不可逆抑制、可逆抑制）使反应速率减慢或完全停止（不可逆抑制、可逆抑制）变性剂：变性剂：使酶蛋白变性而引起酶活力降低或丧失。无选择性，涉使酶蛋白变性而引起酶活力降低或丧失。无选择性，涉及整个三级结构。及整个三级结构。抑制程度表示方法：抑制程度表示方法：相对活力相对活力(a)；抑制分数；抑制分数(i)(一一)抑制作用的概念抑制作用的概念研究抑制剂对酶的作用的意义：研究抑制剂对酶的作用的意义：药物作用机理和抑制剂型药物的设计与开药物作用机理和抑制剂型药物的设计与开发：

18、抗癌药；发：抗癌药；阐述某些代谢途径，控制发酵；阐述某些代谢途径，控制发酵；研究酶的催化机制，是酶工程和化学修饰研究酶的催化机制，是酶工程和化学修饰酶、酶工业的基础。酶、酶工业的基础。1.不可逆抑制作用2.可逆抑制作用（二）抑制作用的类型1.抑制剂与酶的结合是非共价的、可逆的，可以用透析或超抑制剂与酶的结合是非共价的、可逆的，可以用透析或超过滤等方法除去抑制剂，使酶活性恢复。过滤等方法除去抑制剂，使酶活性恢复。2.抑制剂抑制剂 I 与游离酶与游离酶 E 和和 ES 之间存在平衡关系，抑制程度之间存在平衡关系，抑制程度由酶对抑制剂的亲和力、抑制剂浓度和底物浓度三者所决由酶对抑制剂的亲和力、抑制剂

19、浓度和底物浓度三者所决定的。定的。3.这类抑制可用米这类抑制可用米-曼氏动力学方程进行分析。曼氏动力学方程进行分析。1.可逆抑制可逆抑制(reversible inhlbition)1.抑制剂抑制剂(大多数毒物大多数毒物)和酶的结合是共价的，不能用一般的和酶的结合是共价的，不能用一般的物理方法解除抑制而使酶物理方法解除抑制而使酶“复活复活”，必须通过特殊的化学，必须通过特殊的化学处理才可能将抑制剂从酶分子上移去。处理才可能将抑制剂从酶分子上移去。2.这类抑制不能米这类抑制不能米-曼氏动力学方程进行分析曼氏动力学方程进行分析2.不可逆抑制不可逆抑制(irreversible inhilItlon

20、)1.可逆抑制可逆抑制(reversible inhlbition)：1.竞争性抑制：竞争性抑制：2.反竞争性抑制：反竞争性抑制：3.非竞争性抑制：非竞争性抑制：I 和和 S 结构相似，竞争酶结构相似，竞争酶的活性部位，如，丙二酸对琥的活性部位，如，丙二酸对琥珀酸脱氢酶的抑制。珀酸脱氢酶的抑制。竞争性抑制可以借助增加竞争性抑制可以借助增加底物浓度而解除。底物浓度而解除。1.竞争性抑制：竞争性抑制：1.I 只能和只能和ES结合，结合，形成形成IES三元复合体。三元复合体。I 不影响酶与底物的结合，不影响酶与底物的结合，但它阻止但它阻止IES生成产物。生成产物。I 倾向于使倾向于使ES复合体更复合

21、体更加稳定。加稳定。1.反竞争性抑制：反竞争性抑制：1.I 与酶活性部位以外与酶活性部位以外的地方结合，既能与游离酶的地方结合，既能与游离酶E结合，也能与结合，也能与ES 结合，并且结合，并且底物和抑制剂与酶的结合严底物和抑制剂与酶的结合严格地互不干扰，有人称之为格地互不干扰，有人称之为纯非竞争性抑制。纯非竞争性抑制。2.纯非竞争性抑制较少纯非竞争性抑制较少遇到，多数情况是遇到，多数情况是E与与I的结的结合和合和E与与S的结合互有影响的结合互有影响,被称为混合型非竞争性抑制被称为混合型非竞争性抑制或混合型抑制。或混合型抑制。1.非竞争性抑制：非竞争性抑制：(三三)可逆抑制作用动力学可逆抑制作用

22、动力学1.1.竞争性抑制竞争性抑制动力学特点：表观动力学特点：表观Vmax，表观，表观KM2.2.非竞争性抑制非竞争性抑制动力学特点：表观动力学特点：表观Vmax，表观，表观KM3.3.反竞争性抑制反竞争性抑制动力学特点：表观动力学特点：表观Vmax，表观，表观KM(四四)酶抑制剂应用举例酶抑制剂应用举例1.1.不可逆抑抑制剂不可逆抑抑制剂2.2.可逆抑制剂可逆抑制剂有机磷化合物有机磷化合物(农药农药)或有机杀虫剂；或有机杀虫剂；有机汞、有机砷化合物；有机汞、有机砷化合物；氰化物、硫化物、氰化物、硫化物、CO；青霉素青霉素1.1.不可逆抑抑制剂不可逆抑抑制剂有机磷化合物：神经毒剂有机磷化合物：

23、神经毒剂结构通式：结构通式：R1，R2为烃基，为烃基，如甲基等；如甲基等；X：含：含F、Cl 的其他集团的其他集团肟化物肟化物(含含-CH=NOH)是效解毒剂是效解毒剂,可抢农药救中毒病人。可抢农药救中毒病人。有机磷化合物作用机制有机磷化合物作用机制专一地抑制酯酶，特别是乙酰胆碱酯酶专一地抑制酯酶，特别是乙酰胆碱酯酶与酶活性部位中与酶活性部位中的的Ser残基侧链残基侧链的的-OH共价结合共价结合吡啶醛甲吡啶醛甲碘化物或碘化物或称解磷定称解磷定乙酰胆碱将会过分积累乙酰胆碱将会过分积累神经系统过于兴奋神经系统过于兴奋(中毒中毒)昆虫死亡。昆虫死亡。1.青霉素：青霉素：2.糖肽转肽酶的不可逆抑制剂糖

24、肽转肽酶的不可逆抑制剂抗菌机制：抗菌机制：自杀底物：自杀底物：根据酶的催化过程设计的，与底物类似，能与酶结合并被催化，根据酶的催化过程设计的，与底物类似，能与酶结合并被催化，其分子中具潜伏反应基团，当酶对它进行催化时，该基团被暴露或被其分子中具潜伏反应基团，当酶对它进行催化时，该基团被暴露或被活化，立即与酶活性部位的必需基团或酶的辅基进行不可逆结合，使活化，立即与酶活性部位的必需基团或酶的辅基进行不可逆结合，使酶受抑制。抑制专一性强，经酶催化后引起。酶受抑制。抑制专一性强，经酶催化后引起。2.2.可逆抑制剂可逆抑制剂磺胺噻唑磺胺噻唑(ST)(ST)：磺胺嘧啶磺胺嘧啶(SD)(SD)：磺胺类药通

25、式：磺胺类药通式：最常见的最常见的可逆抑制剂可逆抑制剂，如磺胺类药物对氨基苯磺胺，利，如磺胺类药物对氨基苯磺胺，利用竞争性抑制的原理来设计药物。用竞争性抑制的原理来设计药物。植物某些生物碱如毒扁豆碱，胆碱酯酶竞争性抑制剂，含季铵植物某些生物碱如毒扁豆碱，胆碱酯酶竞争性抑制剂，含季铵基团，与乙酰胆碱类似，能抑制胆碱酯酶活力。基团，与乙酰胆碱类似，能抑制胆碱酯酶活力。磺胺类药物的抗菌机制：磺胺类药物的抗菌机制：1.1.掌握底物浓度对酶促反应速率的影响掌握底物浓度对酶促反应速率的影响(重点、难点重点、难点)2.2.熟悉影响酶促反应速率的其他因素熟悉影响酶促反应速率的其他因素3.3.掌握酶的抑制作用掌握酶的抑制作用(重点、难点重点、难点)基本要求作业：第作业：第1 1、4 4、8 8