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1、第八章：酶促反应动力学第八章：酶促反应动力学主 要 内 容底物浓度对酶促反应速率的影响底物浓度对酶促反应速率的影响酶的抑制作用酶的抑制作用温度对酶促反应的影响温度对酶促反应的影响pH对酶促反应的影响对酶促反应的影响激活剂对酶促反应的影响激活剂对酶促反应的影响10.1 底物浓度底物浓度对酶促反应速率的影响对酶促反应速率的影响酶促反应中酶促反应中,如果如果S大大过量大大过量,V与与E的关系如何？的关系如何？实际情况下，实际情况下，E稳定，而稳定，而S变化，变化，V与与S的关系如何？的关系如何？S+E=P+E10.1.1 中间络合物学说中间络合物学说1903年年Henri用蔗糖酶水解蔗糖实验研用蔗糖
2、酶水解蔗糖实验研究底物浓度与反应速率的关系。究底物浓度与反应速率的关系。S为解释此现象，提出了中间络合物学说S+E ES P+EABC19131913年，年，Michaelis and MentenMichaelis and Menten根据中根据中间复合物学说提出米氏方程。间复合物学说提出米氏方程。S+PEESE+KskSE,ES分解为产物的逆反应忽略不计=VmaxSKs+S19251925年，年，Briggs and HaldaneBriggs and Haldane提出了稳提出了稳态理论，对米氏方程做出了重要的修正。态理论，对米氏方程做出了重要的修正。E +SESk1k2ESE +Pk3
3、k4（1）（2）ESES不仅与（不仅与（1 1）有关，也与）有关，也与(2)(2)有关。有关。10.1.2 米氏方程的推导米氏方程的推导E +SESE +Pk1k2k3k4当反应系统中当反应系统中ESES的生成速率与降解速率相等时，的生成速率与降解速率相等时，络合物络合物ESES的浓度保持不变，即达到的浓度保持不变，即达到稳定状态稳定状态即：即：dESdt=010.1.2 米氏方程的推导米氏方程的推导在反应初始阶段时，在反应初始阶段时，E+PES的速率极小，可以忽的速率极小，可以忽略不计，略不计，E+SES,于是于是ES的生成速率可表示为：的生成速率可表示为：dESdt=k1(E-ES)S (
4、1)通常通常SE，即，即S-ES S，ES分解速率与分解速率与ESS+E 和和ESP+E 有关，于是有关，于是ES的分解速率可表示为：的分解速率可表示为：dESdt-=k2ES+k3ES (2)10.1.2 米氏方程的推导米氏方程的推导达到动态平衡时，达到动态平衡时，ES生成与分解速率相等：生成与分解速率相等：k1(E-ES)S=k2ES+k3ES（E-ES）SES=k2+k3k1=KmES=ESKm+S(3)10.1.2 米氏方程的推导米氏方程的推导因为酶反应速率（因为酶反应速率（）与）与ES成正比，即成正比，即=k3 ES=k3ES=k3ESKm+S代入方程（代入方程（3 3）得：）得：由
5、于反应系统中由于反应系统中SE，当酶全部被饱和形成，当酶全部被饱和形成ES时，时，E=ES酶促反应达到最大反应速率酶促反应达到最大反应速率Vmax，即，即Vmax=k3ES=k3E=VmaxSKm+S10.1.2 米氏方程的推导米氏方程的推导10.1.2 米氏方程的推导米氏方程的推导根据米氏方程：根据米氏方程：（1）当）当SKm时，时，v=Vmax，此条件下可正解测得酶活力，此条件下可正解测得酶活力（3）当）当S=Km时，时，v=Vmax/2v=VmaxSKm=K S10.1.3 Km的意义的意义1、Km是酶的特性常数是酶的特性常数Km的大小只与酶的性质有关，而与酶浓度无关，但与底物、温度、p
6、H及离子强度有关。2、Km可判断酶的专一性和天然底物可判断酶的专一性和天然底物Km最小的底物称为该酶的最适底物或天然底物。1/km近似表示酶与底物的亲和力。3、当、当k3k2时，时，Km=k2/k1，Km=Ks（解离常数），严格地说是1/Ks表示酶与底物的亲和力，当k3极小时，1/Km才表示酶与底物的亲和力。10.1.3 Km的意义的意义酶 底物Km/moLL-1谷氨酸脱氢酶 谷氨酸 1.2 10-4 -酮戊二酸 2.0 10-3 NAD+2.5 10-5 NADH 1.8 10-5丙酮酸羧化酶 丙酮酸 4.0 10-4 HCO3-1.0 10-3 ATP 6.0 10-510.1.3 Km的
7、意义的意义4、已知、已知Km可求在某一底物浓度时的反应速率可求在某一底物浓度时的反应速率 如当如当S=4Km时，时，V=80%Vmax；当当S=10Km时，时，V=91%Vmax5、Km可帮助推断某一代谢反应的方向和途径可帮助推断某一代谢反应的方向和途径丙酮酸乳酸脱氢酶丙酮酸脱氢酶丙酮酸脱羧酶丙酮酸丙酮酸乳酸 Km=1.7 10-5乙酰辅酶A Km=1.3 10-3乙醛 Km=1.0 10-310.1.4 Vmax和和K3的意义的意义1、在一定酶浓度下，酶对特定底物的、在一定酶浓度下，酶对特定底物的Vmax也是一常数。也是一常数。同一种酶对不同的底物的同一种酶对不同的底物的Vmax不一样，不一
8、样，pH、温度和离、温度和离 强度等也会影响强度等也会影响Vmax的值。的值。2、当、当S很大时，很大时，Vmax=k3E，k3是一级反应速率常数；是一级反应速率常数；因此因此k3表示当酶被底物饱和时每秒钟每个酶分子转换底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，又称转换系数（物的分子数，又称转换系数（TN）或催化常数（）或催化常数（Kcat）,Kcat越大，表示催化效率越高。越大，表示催化效率越高。10.1.4 Vmax和和K3的意义的意义3、生理条件下、生理条件下S Km，Vmax=kcat E 代入米氏方程代入米氏方程 v=kcat E S/Km+S=kcat E S/Km
9、得出：得出：v=kcat/KmES kcat/Km为为E和和S反反应应形形成成产产物物的的表表观观二二级级速速度度常常数数，单单位：位：L/mol s。kcat/Km大大小小可可以以比比较较不不同同酶酶或或同同一一种种酶酶催催化化不不同同底底物物的的催催化效率。化效率。10.1.5 Km和和Vmax的求法的求法Lineweaver-Burk双倒数作图法双倒数作图法Eadie-Hofstee作图法作图法10.1.5 Km和和Vmax的求法的求法双倒数作图法双倒数作图法010.1.5 Km和和Vmax的求法的求法 Eadie-Hofstee作图法作图法0例题为了确定某酶的催化反应的初速度的底物依赖
10、关系，制备为了确定某酶的催化反应的初速度的底物依赖关系，制备了一系列的了一系列的l00mll00ml含有不同底物浓度的反应混合物。向每含有不同底物浓度的反应混合物。向每个混合物加入相同量的酶后便开始反应。通过测定每单位个混合物加入相同量的酶后便开始反应。通过测定每单位时间（分钟）所形成的产物量而获得催化反应的初速度，时间（分钟）所形成的产物量而获得催化反应的初速度，其结果如下表所示。其结果如下表所示。底物浓度(mol/L)1106 5106 1105 1104 1103 1102 初速度 (mol/min)0.08 0.25 0.33 0.48 0.50 0.50 把表中的数据绘制成图，在给出
11、的酶量下的把表中的数据绘制成图，在给出的酶量下的VmaxVmax是多少是多少?根据米氏方程，用根据米氏方程，用VmaxVmax、和和S S推演出推演出KmKm的代数表达式。计算每个反应混合物的的代数表达式。计算每个反应混合物的KmKm。KmKm值取决于底物浓度吗值取决于底物浓度吗?当底物浓度为当底物浓度为0.1mol0.1molL L1 1和和l ll0l07 7molmolL L1 1时，计算它们的初速度。时，计算它们的初速度。反应混合物保温反应混合物保温2 2分钟后确定反应的初速度。分钟后确定反应的初速度。当初始底物浓度为当初始底物浓度为1 110102 2molmolL L1 1时，计算
12、时，计算产物的生成量。在产物的生成量。在2 2分钟后底物总量的百分之分钟后底物总量的百分之几被转换几被转换?10.2 酶的抑制作用酶的抑制作用酶的失活与抑制的区别酶的失活与抑制的区别酶抑制程度的表示方法酶抑制程度的表示方法酶抑制作用的类型酶抑制作用的类型可逆与不可逆抑制作用的鉴别可逆与不可逆抑制作用的鉴别可逆抑制作用动力学可逆抑制作用动力学一些重要的抑制剂一些重要的抑制剂10.2 酶的抑制作用酶的抑制作用10.2.1 酶的失活与抑制的区别酶的失活与抑制的区别 凡是使酶蛋白质变性而引起酶活力凡是使酶蛋白质变性而引起酶活力丧失的作用称为丧失的作用称为失活作用失活作用；由于酶；由于酶必需基团化学性质
13、的改变，但酶未必需基团化学性质的改变，但酶未变性，而引起酶活力的降低或丧失变性，而引起酶活力的降低或丧失而称为而称为抑制作用抑制作用。10.2.2 酶抑制程度的表示方法酶抑制程度的表示方法相对活力分数相对活力分数相对活力百分数相对活力百分数抑制分数抑制分数抑制百分数抑制百分数a=vivoa%=vivo100%i=1-a=1-vivoi%=(1-a)100%=(1-)100%vivo10.2.3 酶抑制作用的类型酶抑制作用的类型不可逆抑制作用（不可逆抑制作用（Irreversible inhibition）抑制剂与酶的必需基团以共价键相结合引起抑制剂与酶的必需基团以共价键相结合引起酶活力丧失，不
14、能用透析、超滤等物理方法酶活力丧失，不能用透析、超滤等物理方法去除抑制剂的影响。去除抑制剂的影响。可逆抑制作用（可逆抑制作用（Reversible inhibition）抑制剂与酶的必需基团以非共价键相结合引抑制剂与酶的必需基团以非共价键相结合引起酶活力下降或丧失，能用物理方法去除抑起酶活力下降或丧失，能用物理方法去除抑制剂的影响。它分为三种：竞争性抑制、非制剂的影响。它分为三种：竞争性抑制、非竞争性抑制和反竞争性抑制。竞争性抑制和反竞争性抑制。酶的竞争性抑制作用酶的竞争性抑制作用大部分竞争性抑制剂（大部分竞争性抑制剂（competitive inhibitor）与底物结构类似，因此能与酶活性
15、部位结合，与底物结构类似，因此能与酶活性部位结合，与酶形成可逆的与酶形成可逆的EI复合物，但复合物，但EI不能分解成产不能分解成产物物P，酶反应速率下降，它可以通过增加底物，酶反应速率下降，它可以通过增加底物浓度而解除。浓度而解除。如丙二酸和戊二酸是琥珀酸脱氢如丙二酸和戊二酸是琥珀酸脱氢酶的竞争性抑制剂酶的竞争性抑制剂。E +S ES P+E+IEI P+E酶的竞争性抑制作用酶的竞争性抑制作用酶的竞争性抑制作用酶的竞争性抑制作用酶的非竞争性抑制作用酶的非竞争性抑制作用E +S ES P+E+IEI +S ESI P+E+I底物和抑制剂同时和酶结合，两者无竞争作用。I与S结构无共同之处，酶活性降
16、低或被抑制，不能用增加底物浓度来解除抑制。酶的非竞争性抑制作用酶的非竞争性抑制作用酶的反竞争性抑制作用酶的反竞争性抑制作用酶只有与底物结合后才能与抑制剂结合。L-Phe，L-Arg等对碱性磷酸酶的作用是反竞争性抑制，肼类化合物抑制胃蛋白酶、氰化物抑制芳香硫酸酯酶的作用也属此类。10.2.4 可逆与不可逆抑制的鉴别可逆与不可逆抑制的鉴别Shi,G.,et al.Environ Health Perspect,2009.117(3):p.379-8610.2.5-竞争性抑制作用动力学竞争性抑制作用动力学E=Ef+ES+EIVmax=k3 E v=k3ESVmaxv=Ef+ES+EIESKm=EfS
17、ESEf=ESKmSKi=EfIEIEI=EfIKi10.2.5-竞争性抑制作用动力学竞争性抑制作用动力学10.2.5-非竞争性抑制作用动力学非竞争性抑制作用动力学10.2.5-反竞争性抑制作用动力学反竞争性抑制作用动力学10.2.5-Dixon作图法求作图法求Ki随I的增加类型类型VmaxVmaxKmKm竞争性抑制竞争性抑制不变不变增加增加非竞争性抑制非竞争性抑制减小减小不变不变反竞争性抑制反竞争性抑制减小减小减小减小10.2.6 一些重要的酶抑制剂一些重要的酶抑制剂不可逆抑制剂：非专一性抑制剂：有机磷化合物、有机汞砷化合物、重金属盐、氰化物、硫化物、CO、青霉素等 专一性抑制剂：TLCK（
18、对甲基苯磺酰-L-赖氨酰氯甲酮）-卤代-D-Ala是丙氨酸消旋酶的抑制剂可逆抑制剂：磺胺药（如对氨基苯磺酰胺）10.2.6 一些重要的酶抑制剂一些重要的酶抑制剂二异丙基氟磷酸：抑制胆碱酯酶活性，使乙酰胆碱不能被分解成乙酸和胆碱，引起乙酰胆碱的积累，使神经处于过渡兴奋状态，因此此类化合物又称神经毒气。10.2.6 一些重要的酶抑制剂一些重要的酶抑制剂有机磷化合物：抑制蛋白酶或酯酶活性敌敌畏敌百虫萨林10.2.6 一些重要的酶抑制剂一些重要的酶抑制剂有机砷化合物：与酶的巯基结合而抑制活性路易斯毒气10.2.6 一些重要的酶抑制剂一些重要的酶抑制剂苯甲脒是胰蛋白酶的竞争性抑制剂苯甲脒10.2.6 一
19、些重要的酶抑制剂一些重要的酶抑制剂对氨基苯磺酰胺是二氢叶酸合成酶的竞争性抑制剂（在细菌中催化对氨基苯甲酸合成二氢叶酸）对氨基苯甲酸对氨基苯磺酰胺磺胺类药物可与对氨基苯甲酸竞争二氢叶酸合成酶，影响FH2的合成，导致细菌生长繁殖受抑制，达到治病效果。10.2.6 一些重要的酶抑制剂一些重要的酶抑制剂过渡态底物类似物作为酶的竞争性抑制剂腺苷次黄嘌呤腺苷羟化嘌呤核苷10.2.6 一些重要的酶抑制剂一些重要的酶抑制剂过渡态底物类似物作为酶的竞争性抑制剂酵母醛缩酶反应磷酸乙二醇羟胺10.3 温度对酶反应的影响温度对酶反应的影响最适温度受诸多因素影响温度系数Q10：2左右温度升高反应速率加快，但过高酶蛋白变
20、性10.3 温度对酶反应的影响温度对酶反应的影响1 min incubation10 min incubation10.4 pH对酶反应的影响对酶反应的影响1、影响酶蛋白构象，甚至失活2、影响底物、酶、中间产物的 解离状态3、影响侧链基团的解离，从而 影响酶活性中心10.4 pH对酶反应的影响对酶反应的影响木瓜蛋白酶胃蛋白酶胰蛋白酶胆碱酯酶不同反应体系影响酶的最适pH10.5 激活剂对酶反应的影响激活剂对酶反应的影响酶激活剂：简单有机物或无机小分子，如Mg2+是多数激酶及 合成酶的激活剂，Cl-是唾液淀粉酶的激活剂。激活剂对酶的作用具有选择性：Mg2+对脱羧酶有激活作用而 对肌球蛋白三磷酶却抑制作用。离子之间有拮抗作用：Na+抑制K+激活的酶，Ca2+抑制Mg2+激 活的酶。Cys、GSH等还原剂对某些巯基酶有激活作用，使二硫键还原 成巯基提高酶活性。本章总结本章总结影响酶促反应速率的因素：底物浓度；酶浓度；抑制剂；pH;温度；激活剂；米氏方程：方程推导；参数求解；抑制剂酶促动力学