第10章酶促反应动力学.pptx

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1、化学反应的两个基本问题：反应进行的方向、可能性和限度反应进行的速率和反应机制一、化学动力学基础一、化学动力学基础化学热力学化学热力学化学动力学化学动力学第1页/共109页（一）反应速率及其测定 以单位时间内反应物或生成物 浓度的改变来表示。第2页/共109页（二）反应分子数和反应级数（二）反应分子数和反应级数1.反应分子数：反应分子数：反应中真正相互作用的分子的数目反应中真正相互作用的分子的数目 单分子反应：单分子反应：A P 双分子反应：双分子反应：A+B P+Q第3页/共109页单分子反应 v=kc双分子反应 v=kc1c2 c、c1、c2：反应物浓度（mol/l）k：比例常数/反应速率常

2、数第4页/共109页2.反应级数 能以v=kc表示，为一级反应；能以v=kc1c2表示，则为二级反应；v 与反应物浓度无关，则为零级反应。双分子反应、一级反应双分子反应、一级反应第5页/共109页（三）各级反应的特征 1.一级反应：反应速率与反应物浓度的一次方成正比。反应速率与反应物浓度的一次方成正比。v =kc 第6页/共109页C0C0/20tPCt反应物的消耗产物的增加半衰期t1/2：有一半反应物转化为产物所需的时间lnC0lnC0/20tCtk当t=t时时，c c=1/2c c0 0,则则t0.693k,即半衰期与反应物的初浓度无关。第7页/共109页2.二级反应：v=k（a-x）（b

3、 x）a、b：反应物A、B的初浓度 x：t时已发生反应的物质浓度（a-x）、（b x）：t时后A、B的浓度第8页/共109页3.零级反应零级反应：v=k一级反应：半衰期与反应物的初浓度无关二级反应：半衰期与反应物的初浓度成反比零级反应：半衰期与反应物的初浓度成正比第9页/共109页单底物、单产物反应；单底物、单产物反应；酶酶促促反反应应速速度度一一般般在在规规定定的的反反应应条条件件下下，用用单单位位时时间间内内底底物物的的消消耗耗量量和和产产物物的的生生成成量来表示；量来表示；反反应应速速度度取取其其初初速速度度，即即底底物物的的消消耗耗量量很很小（一般在小（一般在55以内）时的反应速度；以

4、内）时的反应速度；底物浓度远远大于酶浓度。底物浓度远远大于酶浓度。（S E）研究前提二、底物浓度对酶反应速率的影响二、底物浓度对酶反应速率的影响第10页/共109页产产产产物物物物0 0 0 0 时时时时 间间间间初速度初速度 酶促反应速度逐渐降低酶促反应速度逐渐降低 酶促反应的时间进展曲线酶促反应的时间进展曲线第11页/共109页v 在其他因素不变的情况下，底物浓度对反应速在其他因素不变的情况下，底物浓度对反应速度的影响呈度的影响呈矩形双曲线关系。矩形双曲线关系。反应反应初速度初速度随底物浓度变化曲线随底物浓度变化曲线第12页/共109页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

5、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第13页/共109页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第14页/共109页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 VVmaxVmax第15页/共109页E+S ES P+Ek1k1k2k2k3k3（一）中间络合物学说（一）中间络合物学说 k4三个假设：三个假设：（1）E与与S形成形成ES复合物的

6、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，因此在反应的初的总浓度，因此在反应的初始阶段，始阶段，S的浓度可认为不变即的浓度可认为不变即SSt。（3）P0 忽略 这步反应 第16页/共109页（二）酶促反应的动力学方程式（二）酶促反应的动力学方程式1、米氏方程的推导第17页/共109页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

7、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 第18页/共109页稳态时稳态时ES浓度不变浓度不变 反应速度反应速度 V=k3ES ES的生成速度的生成速度=消耗速度消耗速度 k1ES=k2ES+k3ES E的质量平衡方程的质量平衡方程 E=Et-ESE+S ES P+Ek1k1k2k2k3k3()()()第19页/共109页第20页/共1

8、09页稳态时ES浓度不变反应速度 V=k3ES ES的生成速度=消耗速度 k1ES=k2ES+k3ESE的质量平衡方程 E=Et-ESE+S ES P+Ek1k1k2k2k3k3V=VSKm+S米氏方程米氏方程 V=Vmax=k3ESmax=k3EtKm=k2+k3 k1米氏常数米氏常数第21页/共109页a.当S很小时V=VS/Km 一级一级反应反应反应初速度初速度随底物浓度变化曲线随底物浓度变化曲线米氏曲线米氏曲线V=VSKm+Sb.当S很大时V=VS/S=V 0 级反应混合混合级级第22页/共109页Km=?Km=SV=VSKm+S若 VVV/2V2V SKm+S1Km+S=2S第23页

9、/共109页2 2、动力学参数的意义、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 第24页/共109页 Km是酶的特性常数：与pH、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。酶酶底物底物Km(mmol/LKm(mmol/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

10、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第25页/共109页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、亲和力越大大第26页/共109页Km=k2+k3 k1Kmk2（分离能力）/k1（亲合能力）E+S ES P+Ek1k1k2k2k3k3Km越越小小，亲和力越，亲和力越强。强。SS很小时，反应速度就能达到很大。很小时

11、，反应速度就能达到很大。性能优，代谢中这类酶更为重要性能优，代谢中这类酶更为重要k2k3时第27页/共109页 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催化可逆反应的酶对正催化可逆反应的酶对正/逆两向底物逆两向底物Km不同不同 Km较小者为主要底物较小者为主要底物根据根据Km：判断某判断某s时时v与与Vmax的关系的关系判断抑制剂的类型判断抑制剂的类型第28页/共109页乳酸脱氢酶（1.710-5）丙酮酸脱氢酶（1.310-3）丙酮酸脱羧酶（1.010-3）丙酮酸丙酮酸乳酸乙酰CoA乙醛丙酮酸浓度较低时：丙酮酸浓度较低时：代谢哪条途径决定于代谢哪条途径决定于Km最小

12、的酶最小的酶一底物多酶反应一底物多酶反应第29页/共109页（2）Vmax和和k3（kcat)的意义的意义一定酶浓度下，酶对特定底物的一定酶浓度下，酶对特定底物的Vmax也是一也是一个常数。个常数。S很大时，很大时，Vmax k3E。k3表示当酶被底物饱和时，每秒钟每个酶分子表示当酶被底物饱和时，每秒钟每个酶分子转换底物的分子数，转换底物的分子数，又称为转换数、催化常数又称为转换数、催化常数kcat kcat越大，酶的催化效率越高越大，酶的催化效率越高第30页/共109页（3）kcat/km的意义：的意义：V=VmaxSKm+SVmax=kcatEt V=kcatEtSKm+S当S Km时，E

13、Et第31页/共109页是是E和和S反应形成产物的表观二级速率常数。反应形成产物的表观二级速率常数。其大小可用于比较酶的催化效率。其大小可用于比较酶的催化效率。kcat/km kcat/km的上限为的上限为k1,即生成即生成ES的速率，即酶的速率，即酶的催化效率不超过的催化效率不超过E和和S形成形成ES的结合速率的结合速率kcat/kmkcat/km的大小可以比较不同酶或同一种酶的大小可以比较不同酶或同一种酶催化不同底物的催化效率。催化不同底物的催化效率。第32页/共109页（1）Lineweaver-Burk双倒数作图法双倒数作图法3 3、KmKm与与V V的求取的求取第33页/共109页第

14、34页/共109页蔗糖酶米氏常数（蔗糖酶米氏常数（Km）的测定）的测定1.配12支蔗糖底物溶液，浓度分别为0、0.005、0.00625、0.0075、0.00875、0.010、0.0125、0.015、0.02、0.025、0.0375、0.050M，在35水浴保温；2.加入3U/ml已在35 水浴保温的酶溶液，准确作用5分钟，终止反应；3.各吸取0.5ml反应液与3，5-二硝基水杨酸，沸水浴5分钟，冷却后在540nm测定吸光度OD值；4.作图第35页/共109页（2）Eadie-Hofstee作图法作图法第36页/共109页v VSVmax斜率Km第37页/共109页（3）Hanes-W

15、oolf作图法作图法 第38页/共109页斜率=1/VmKm/VmKm/VmKm/VmKm/Vm-KmS/VS/VS/VS/VSSSS第39页/共109页vVmaxS3Km2KmKm（4）Eisenthal和和Cornish-Bowden线性作图法线性作图法第40页/共109页（三）多底物的酶促反应动力学（三）多底物的酶促反应动力学 分为单底物、双底物和三底物反应分为单底物、双底物和三底物反应1.酶促反应按底物分子数分类：第41页/共109页有序反应（有序反应（ordered reactions）领先底物释放释放A和和Q竞争地与自由酶结合竞争地与自由酶结合（1 1）序列反应或单置换反应）序列反

16、应或单置换反应2.多底物反应按动力学机制分类：第42页/共109页随机反应（随机反应（random reactions）如肌酸激酶使肌酸磷酸化的反应如肌酸激酶使肌酸磷酸化的反应第43页/共109页 A AE PE P E E Q EQ EB B A和和Q竞争自由酶竞争自由酶E形式形式 B和和P竞争修饰酶形式竞争修饰酶形式E A和和Q不同不同E结合结合 B和和P也不与也不与E结合。结合。(2)乒乓反应或双置换反应第44页/共109页3.3.双底物反应的动力学方程双底物反应的动力学方程（1）序列机制的底物动力学方程及动力学图 在B的浓度达到饱和时A的米氏常数 在A的浓度达到饱和时B的米氏常数 底物

17、A与酶结合的解离常数 底物A、B都达到饱和时最大反应速率第45页/共109页第46页/共109页（2）乒乓机制的底物动力学方程及动力学图 在B的浓度达到饱和时A的米氏常数 在A的浓度达到饱和时B的米氏常数 底物A、B都达到饱和时最大反应速率第47页/共109页第48页/共109页 三、酶的抑制作用三、酶的抑制作用w失活作用失活作用：使酶：使酶Pr变性而引起酶活力丧失。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。：使酶活力下降但不引起变性。w抑制剂抑制剂：能引起抑制作用的物质。：能引起抑制作用的物质。第49页/共109页（一）抑制程度的表示方法V0 ：Vi ：不加入抑制剂

18、时的反应速率不加入抑制剂时的反应速率加入抑制剂后的反应速率加入抑制剂后的反应速率以反应速率的变化表示以反应速率的变化表示第50页/共109页1.1.相对活力分数（残余活力分相对活力分数（残余活力分数）数）2.相对活力百分数（残余活力百分数）相对活力百分数（残余活力百分数）V0 Vi Vi V0第51页/共109页3.3.抑制分数抑制分数指被抑制而失去活力的分数指被抑制而失去活力的分数 V0 Vi 4.抑制百分数抑制百分数 Vi V0 抑抑制制率率第52页/共109页 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

19、与可逆抑制可逆抑制（二）抑制作用的分类（二）抑制作用的分类第53页/共109页1 1、不可逆抑制作用、不可逆抑制作用 ：抑制剂与酶必需基团以牢固的共价键相抑制剂与酶必需基团以牢固的共价键相连连 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。不不可可逆逆抑抑制制第54页/共109页不可逆抑制剂 非专一性非专一性不可逆抑制剂不可逆抑制剂（作用于一（作用于一/几类基团）几类基团）专一性专一性不可逆抑制剂不可逆抑制剂（作用于某一种酶的（作用于某一种酶的 活性部位基团）活性部位基团）2、不可逆抑制剂、不可

20、逆抑制剂不不可可逆逆抑抑制制第55页/共109页 （1）非专一性不可逆抑制剂非专一性不可逆抑制剂 重金属离子重金属离子 Ag+、Cu2+、Hg2+、Pb2+、Fe3+高浓度时可使酶蛋白变性失活；高浓度时可使酶蛋白变性失活；低浓度时对酶活性产生抑制。低浓度时对酶活性产生抑制。通过加入通过加入EDTA解除解除 第56页/共109页 H2N-CH-COOH CH2 SHH2N-CH-COOH CH2 S-CH2COOHICH2COOHHI烷化剂烷化剂（多为卤素化合物）（多为卤素化合物）+碘乙酸碘乙酸第57页/共109页有机磷化合物（敌百虫、沙林）有机磷化合物（敌百虫、沙林）第58页/共109页胆碱胆

21、碱酯酶酯酶OHPOC2H5OC2H5S有机磷农药部分第59页/共109页胆碱乙酰化酶胆碱酯酶胆碱乙酰胆碱积累导致神经中毒症状积累导致神经中毒症状第60页/共109页如何紧急救治如何紧急救治？排毒排毒洗胃、喝鸡蛋清牛奶洗胃、喝鸡蛋清牛奶导泄、利尿导泄、利尿 血液透析（清除游离状态毒物）血液透析（清除游离状态毒物）解毒药：解磷定解毒药：解磷定第61页/共109页RO O RO ORO X RO OE P +EOH P +HX有机磷化合物有机磷化合物 羟基酶羟基酶 磷酰化酶磷酰化酶(失活失活)酸酸RO ORO OE P +-CHNOH磷酰化酶磷酰化酶(失活失活)N+CH3 -CHNN+CH3O OR

22、O OR+EOH P解磷定解磷定解毒解毒 -解磷定解磷定(PAM)(PAM)：第62页/共109页有机汞、有机砷化合物有机汞、有机砷化合物与酶分子中-SH作用；可通过加入过量巯基化合物解除。第63页/共109页氰化物、硫化物和氰化物、硫化物和COCO 与酶中金属离子形成稳定的络合物与酶中金属离子形成稳定的络合物 如氰化物与含铁卟啉细胞色素氧化酶结合如氰化物与含铁卟啉细胞色素氧化酶结合青霉素（青霉素（penicillinpenicillin）与细菌糖肽转肽酶与细菌糖肽转肽酶Ser-OHSer-OH活性，活性，影响细胞壁合成。影响细胞壁合成。第64页/共109页（2 2）专一性不可逆抑制剂专一性不

23、可逆抑制剂 KsKs型型具有底物类似的结构具有底物类似的结构（设计）（设计）带有一活泼基团：与必需基团反应（抑制）带有一活泼基团：与必需基团反应（抑制）利用对酶亲合性进行修饰利用对酶亲合性进行修饰 亲合标记试剂（亲合标记试剂（affinity labeling reagentaffinity labeling reagent）第65页/共109页Kcat型型具有底物类似的结构具有底物类似的结构本身是酶的底物本身是酶的底物还有一潜伏的反应基团还有一潜伏的反应基团“自杀性底物自杀性底物”第66页/共109页 抑制作用可通过透析等方法除去。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(co

24、mpetitive 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.)3 3、可逆抑制作用：、可逆抑制作用：第67页/共109页（1）竞争性（）竞争性（Competitive)抑抑制制第68页/共109页w I：抑制剂（抑制剂（inhibitor）第69页/共109页第70页/共109页【举例举例】G 丙二酸丙二酸与琥珀酸竞争琥珀酸脱氢酶与琥珀酸竞争琥珀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第71页/共109页竞争性抑制竞争性抑制第72页/共109页

25、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第73页/共109页利用竞争性抑制是药物设计主要思利用竞争性抑制是药物设计主要思路路磺胺类药磺胺类药抗菌机理：抗菌机理：（与对氨基苯甲酸（与对氨基苯甲酸是结构类似物）是结构类似物）竞争性抑制细菌叶酸形成，抑制细菌繁竞争性抑制细菌叶酸形成，抑制细菌繁殖殖人通过食物直接补充叶酸，对人无毒害。人通过食物直接补充叶酸，对人无毒害。第74页/共109页生物碱麻醉生物碱麻醉竞争性替代竞争性替代

26、生物碱吗啡、海洛因、可卡因、尼古丁 吗啡吗啡 海洛因海洛因第75页/共109页麻醉机理源自源自37C37C医学网医学网痛觉神痛觉神经信号经信号阿片阿片鸦片类物质鸦片类物质生物碱竞争性替代脑生物碱竞争性替代脑肽肽麻醉致幻麻醉致幻脑肽脑肽(E)(E)控制痛控制痛觉信号的释放觉信号的释放第76页/共109页抑制物（2）非竞性（）非竞性（Non-competitive)抑制抑制无法形成产物第77页/共109页wNoncompetitive inhibition第78页/共109页第79页/共109页（3）反竞争性（）反竞争性（Uncompetitive）抑制）抑制第80页/共109页第81页/共109

27、页第82页/共109页1：反应体系不加I2：体系中加入一定量不可逆抑制剂3：体系中加入一定量可逆抑制剂v123E(三三)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第83页/共109页Ev不可逆抑制剂的作用Ev可逆抑制剂 的作用I I 第84页/共109页(四）可逆四）可逆抑制作用抑制作用动力学动力学第85页/共109页1.1.竞争性抑制竞争性抑制第86页/共109页消去ES第87页/共109页第88页/共109页第89页/共109页斜率斜率第90页/共109页竞争性：I与S与酶活性中心结合机会均等V下降发生抑制Km增大增大亲和力亲和力Vmax不变不变S 增大，增大，I结合机率减小结合

28、机率减小第91页/共109页Km 变大，变大，Vmax不变不变第92页/共109页2.2.非竞争性抑制非竞争性抑制第93页/共109页第94页/共109页截距第95页/共109页V下降发生抑制Km不变亲和力不受影响Vmax减小部分酶始终失活第96页/共109页Km不变，不变，Vmax变小变小 第97页/共109页3.3.反竞争性抑制作用反竞争性抑制作用第98页/共109页第99页/共109页第100页/共109页Km、Vmax都变小第101页/共109页第102页/共109页上图反映出温度如何影响酶活力？产物累积量相相对对酶酶活活 最适温度最适温度 最适温度最适温度w动物酶动物酶 3540w植

29、物酶植物酶 4050w微生物微生物 大部分大部分 4050w个别高温菌个别高温菌 90以上以上 四、温度对酶反应的影响四、温度对酶反应的影响第103页/共109页温度越高，活化分子越多，反应速度快；温度越高，活化分子越多，反应速度快；酶变性时间越短，反应速度下降也迅速。酶变性时间越短，反应速度下降也迅速。第104页/共109页 五、五、pH 对酶反应的影响对酶反应的影响w最适最适pH时的酶时的酶活力最大活力最大最适最适pH因酶而异，因酶而异，多数酶在多数酶在7.0左右左右是酶的特性之一是酶的特性之一第105页/共109页 六、激活剂对酶反应的影响六、激活剂对酶反应的影响第106页/共109页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 Cl Cl-、Br Br-等等第107页/共109页中等大小的有机分子中等大小的有机分子某些激酶某些激酶第108页/共109页感谢您的观看！第109页/共109页