酶催化反应动力学PPT学习教案

1、会计学1 酶催化反应动力学酶催化反应动力学 1.1 酶催化反应概论酶催化反应概论 国际生物化学协会国际生物化学协会IUB（International Union Biochemistry）按生化反应类型分）按生化反应类型分 为为6类：类：氧化还原，转移，水解，裂合，异氧化还原，转移，水解，裂合，异 构，连接酶。构，连接酶。 酶：酶：生物体内活细胞为其自身代谢活动而产生物体内活细胞为其自身代谢活动而产 生的具有催化活性的一类蛋白质。生的具有催化活性的一类蛋白质。 第1页/共91页 l 降低反应的活化能，加快生化反应的速率降低反应的活化能，加快生化反应的速率 ；但不改变反应的方向和平衡关系；不能改

2、；但不改变反应的方向和平衡关系；不能改 变反应的平衡常数，而只能加快反应达到平变反应的平衡常数，而只能加快反应达到平 衡的速率。衡的速率。 酶的催化共性酶的催化共性 l 反应前后状态不变：酶在反应过程中，其反应前后状态不变：酶在反应过程中，其 立体结构和离子价态可以发生某种变化，但立体结构和离子价态可以发生某种变化，但 在反应结束时，一般酶本身不消耗，并恢复在反应结束时，一般酶本身不消耗，并恢复 到原来状态。到原来状态。 第2页/共91页 酶的催化特性酶的催化特性 高效的催化活性高效的催化活性 高度的专一性高度的专一性 酶反应需要辅因子的参与酶反应需要辅因子的参与 酶的催化活性可被调控酶的催化

3、活性可被调控 酶易变性与失活酶易变性与失活 第3页/共91页 高效的催化活性高效的催化活性 酶的分子活力：酶的分子活力：在最适宜的条件下，每在最适宜的条件下，每1mol酶在单位时间内所能催化底物的最大量（酶在单位时间内所能催化底物的最大量（mol）。）。 酶催化中心活力：酶催化中心活力：在单位时间内，每一个酶的催化中心所能催化底在单位时间内，每一个酶的催化中心所能催化底 物的量（物的量（mol）。又称为酶的转换数。）。又称为酶的转换数。 酶活力：酶活力：在特定条件下，每在特定条件下，每1min能催化能催化1umol底物转化为产物时所需要的酶量，称为一个酶单位，或称国际单位，用底物转化为产物时所

4、需要的酶量，称为一个酶单位，或称国际单位，用U表示。表示。 比活力：比活力：指每指每1mg酶所具有的酶单位数，用酶所具有的酶单位数，用U/mg表示。也可以根据实际情况自定义。表示。也可以根据实际情况自定义。 第4页/共91页 强的专一性强的专一性 专一性（选择性）：专一性（选择性）：一种酶仅能作用于一种物质或一类结构相似的物质进行某一种反应的特性一种酶仅能作用于一种物质或一类结构相似的物质进行某一种反应的特性 l 绝对专一性：绝对专一性：脲酶脲酶 l 相对专一性：相对专一性：脂肪酶脂肪酶 l 反应专一性反应专一性 l 底物专一性底物专一性 l 立体专一性立体专一性 l 官能团专一性，序列专一性

5、官能团专一性，序列专一性 第5页/共91页 酶反应需要酶反应需要辅因子辅因子的参与的参与 辅酶、辅基、辅底物辅酶、辅基、辅底物 金属离子：金属离子：金属酶（金属为辅基），与酶金属酶（金属为辅基），与酶 为可逆的结合为可逆的结合 Na+，K+，Mg2+，Ca2+，Zn2+，Mn2+，Co2+， Fe3+，Mo6+等等 第6页/共91页 酶易变性与失活酶易变性与失活 物理因素：物理因素：热、压力、热、压力、UV、X-ray、声波、振荡、冻结等、声波、振荡、冻结等 化学因素：化学因素：酸、碱、丙酮、乙醇、尿素、表面活性剂、重金属盐、氧化剂等。酸、碱、丙酮、乙醇、尿素、表面活性剂、重金属盐、氧化剂等。

6、 热变性：热变性：Topt 酸碱变性：酸碱变性：（pH）opt 氧化变性：氧化变性：巯基酶（巯基酶（SH酶）易在空气中氧化酶）易在空气中氧化SH S-S而失活而失活 第7页/共91页 酶反应的特性酶反应的特性 l 条件温和，能耗低条件温和，能耗低 l 反应专一，精制易，体系较纯易于控制反应专一，精制易，体系较纯易于控制 ，产物浓度高，产物浓度高 l 立体专一性利于不对称合成、制备自然立体专一性利于不对称合成、制备自然 界没有的新物质界没有的新物质 l 用组合酶、底物完成指定的多步合成转用组合酶、底物完成指定的多步合成转 换反应换反应 优点优点 缺点缺点 l 只能利用底物中部分组分，一般只能在水

7、溶液中进行只能利用底物中部分组分，一般只能在水溶液中进行 l 温和的反应条件也易于微生物繁殖易使酶染杂菌。失活后温和的反应条件也易于微生物繁殖易使酶染杂菌。失活后 难以再生、复性难以再生、复性 l 只限一、二步反应，酶昂贵，较脆弱易变性，失活只限一、二步反应，酶昂贵，较脆弱易变性，失活 第8页/共91页 第9页/共91页 第10页/共91页 第11页/共91页 1.2 简单的酶催化反应动力学简单的酶催化反应动力学 第12页/共91页 Michaelis 与与 Menten 发发展出展出酶动力学酶动力学 MichaelisMenten Nelson 酶与底物结合后，也还可以与抑制剂结合。但是中间

8、产物酶与底物结合后，也还可以与抑制剂结合。但是中间产物ESI不能进不能进 一步分解为产物，因此酶活性降低。一步分解为产物，因此酶活性降低。 1 2 1 3 3 4 4 5 5 k k k k k k k k k E SESE P E IEI ESISEI EISSEI 第44页/共91页 0SEIEIESEECCCCC 0 dt dC dt dC dt dCSEIEIES CsK Csr CsK K C Csr Ckr m I m I I ESSI max, max 2 )()1 ( 第45页/共91页 CsK Csr CsK K C Csr Ckr m I m I I ESSI max,ma

9、x 2 )()1 ( I I I I I C Krrr K C r maxmaxmax max, 11 )1 ( 1 Csr Km rr Csr Km K C r K C r IISI I I I I SI 111 1 )1 ()1 ( 1 max,max, maxmax 或 第46页/共91页 这类抑制剂与酶活性中心以外的基团结合。其结构可能与底物毫无相关之处。大多数非竞争性抑制剂都是由一些可以与酶的活性中心之外的硫氢基可逆结合的试剂引起的。这种这类抑制剂与酶活性中心以外的基团结合。其结构可能与底物毫无相关之处。大多数非竞争性抑制剂都是由一些可以与酶的活性中心之外的硫氢基可逆结合的试剂引起的

10、。这种SH对于酶活性来说很重要，对于酶活性来说很重要， 可帮助维持酶分子的构象。可帮助维持酶分子的构象。 CsK Csr CsK K C Csr Ckr m I m I I ESSI max,max 2 )()1 ( 如何判断复合物如何判断复合物SEI是否分解为产物？是否分解为产物？ 可通过改变抑制剂的用量并测定底物的反应速率来判断可通过改变抑制剂的用量并测定底物的反应速率来判断 l CI增至某一浓度，反应速率减小至趋于零：不能分解增至某一浓度，反应速率减小至趋于零：不能分解 l 随着随着CI的增加，反应速率趋于定值：能分解为产物的增加，反应速率趋于定值：能分解为产物 第47页/共91页 1.

11、3.3 反竞争性抑制动力学反竞争性抑制动力学 酶仅与底物结合后才能与抑制剂结合酶仅与底物结合后才能与抑制剂结合 如：肼对芳香基硫酸酯酶的抑制作用就属于此类。如：肼对芳香基硫酸酯酶的抑制作用就属于此类。 1 2 1 3 3 k k k k k ESESEP ESISEI 第48页/共91页 CsK Csr r K C CsK Csr r mI I SI I I m SI )1 ( max,max 或 )1/( )1/(maxmax, I I mI I I I K C KmK K C rr mmI ax K r K r maxIm 第49页/共91页 )1 ( 111 maxmaxI I SIK

12、C rCsr Km r )1 ( max I I m SI K C CsK Csr r 第50页/共91页 各种抑制的比较各种抑制的比较 )1 ()1 ( max IS I m IS I SI K C CsK K C Csr r KISKSI：非竞争性抑制：非竞争性抑制 KIS：反竞争性抑制：反竞争性抑制 KSI：竞争性抑制：竞争性抑制 第51页/共91页 第52页/共91页 S SI S SIS r r r rr i 1 maxmax 11/() (1) SIsI Sc SmIsm II m rrCrCsC iCi Cs rKC KCs KC K II I CK C i (,) (1) I

13、Su m II C iCi K KC Cs 抑制百分数：抑制百分数： 竞争性抑制：竞争性抑制： 非竞争性抑制：非竞争性抑制： 反竞争性抑制：反竞争性抑制： 第53页/共91页 1.3.5 底物抑制动力学底物抑制动力学 E+SES E +P k+1 k -1 k +2 S+ES SES k +3 k-3 稳态法：稳态法： :0,0 : ESSES EOEESSES dCdC dtdt CCCC 由拟稳态假定 酶物料衡算 3 3 max/(1 ), SI sI ms ss s KCk rrK CKk , max , 0 S opt s s optmsI s C dr CK K dC 由解得 第54

14、页/共91页 2 * S I i K k K k ESESEP EIEIEI 类似非竞争抑制动力学，有机磷农药也是基于不可逆抑制作用 第55页/共91页 例例1-4：在含有相同酶浓度的五个反应物系中，分别加入不同浓度的底：在含有相同酶浓度的五个反应物系中，分别加入不同浓度的底 物，并测定其初始反应速率，然后再在同样五个反应物系中分别加物，并测定其初始反应速率，然后再在同样五个反应物系中分别加 入浓度为入浓度为2.210-1mmol/L的抑制剂，并测其初始反应速率，其数的抑制剂，并测其初始反应速率，其数 据见下表：（据见下表：（P24) 试根据试根据上述数据上述数据决定其抑制类型及动力学参数值。

15、决定其抑制类型及动力学参数值。 第56页/共91页 Csr K r mI11 r 1 maxmaxSI I I m m I I mmIC K K K K C KK)1 ( LmmolKLmmol K C KK LmmolKLmmolr I I I m m m I /27. 0,/44. 0)1 ( /24. 0min),/(100 max 并得到 根据图得 【解解】：以：以L-B作图法来判断抑制类型并求其参数（用作图法来判断抑制类型并求其参数（用Excel作图）作图） 根据L-B图形可知为竞争性抑制 第57页/共91页 例例1-5：某酶的：某酶的Km值为值为4.710-5mol/L ，如果，如

16、果rmax值值2.2105mol/(Lmin) ， 在底物浓度为在底物浓度为210-4mol/L和在和在(1)竞争性抑制剂与竞争性抑制剂与(2)非竞争性抑制非竞争性抑制 剂的浓度均为剂的浓度均为510-4mol/L情况下，其反应速率分别为多大？假定情况下，其反应速率分别为多大？假定 在上述情况下在上述情况下KI值均为值均为310-4mol/L ，则在上述两种抑制情况下的，则在上述两种抑制情况下的 抑制程度各有多大？抑制程度各有多大？ maxmax 11/0.24 (1) SIsI SmIsm iI m rrC rCsC i Cs rKC KCs KC K 0.625 I II C i KC 竞

17、争性抑制：竞争性抑制： 非竞争性抑制：非竞争性抑制： 第58页/共91页 1.4 复杂的酶反应动力学复杂的酶反应动力学 1.4.1 可逆酶催化反应动力学可逆酶催化反应动力学 22 sp ESEP dcdc rk ck c c dtdt 某木糖催化葡萄糖为果糖的反应至一定程度即达到平衡，某木糖催化葡萄糖为果糖的反应至一定程度即达到平衡，其机理可认为是其机理可认为是 1 1 2 2 kk kk SEESEP 第59页/共91页 ,max max ()() 1 p p sp mp s mp rr CC KK r CC KK , max 1 2 1 2 12 1 1 2 maxmax p EoEo m

18、 pm k rk Crk Cr k kk K k k KK k ， 由稳态及酶衡算得由稳态及酶衡算得: 12 max,max 12 /() eq eq p eppm s c k k KrKrK ck k 第60页/共91页 max, , , 1 ()() () () eq P ss eq eqPm eqps eqmP ss eq Pm K K rCC KKK KKCK K CC KK 由稳态及酶衡算得: m ax ()() 1 p p sp mp s mp rr CC KK r CC KK max , s ms rC KC 第61页/共91页 maxmax 1 () eq P eqPm K K

19、 rr KKK 第62页/共91页 1.4.2 双底物酶催化反应动力学双底物酶催化反应动力学 1.4.2.1 随机机制随机机制 两个底物两个底物S1和和S2随机地与酶结合，产物随机地与酶结合，产物P1和和P2也随机地释放出来。也随机地释放出来。 521S ESsCkr 2 1 1 2 5 , , 1212 34 12212121 34 1212 k k k k k ESESESES kk ESSES SESSES S kk ES SEPP 第63页/共91页 如 2 S C 为常数，则 12 1max, 2 1 sms SS S cK Cr r 式中： 1 2,maxmax32max5 1 2

20、422321,maxmax41 1 131141 /(1), (1/)/(1/),(1/) , (1/)(1/) i sSEOi i msssss msss k rrK Crk CK k KKKcKCrrKC KKKCKC 如 2 1ss CC 均为变量则: 1 1 1 2 3 1 4 max )1 (1 ( sss s C K C K C K rr 第64页/共91页 1.4.2.2 顺序机制（顺序机制（大部分脱氢酶）大部分脱氢酶） 两个底物两个底物S1和和S2与酶结合成复合物是有顺序的，酶先与底物与酶结合成复合物是有顺序的，酶先与底物 S1结合形成结合形成ES1复合物，然后该复合物复合物，

21、然后该复合物ES1再与再与S2结合形成具有催化活性的结合形成具有催化活性的ES1S2。按同样推导方法求出下述方程式：。按同样推导方法求出下述方程式： 21 1 2 2 1 1 max 1 ss msm s ms s ms CC KK C K C K r rs 式中：式中：KmS1为单底物时的米氏常数，为单底物时的米氏常数，mol/L; Kms1S2浓度饱和时，浓度饱和时，S1的米氏常数，的米氏常数，mol/L; Kms2S1浓度饱和时，浓度饱和时，S2的米氏常数，的米氏常数，mol/L; 12 12 3 111212 1212 , kk kk k ESESESSES S ES SEPP 第65

22、页/共91页 1.4.2.3 乒乓机制乒乓机制 第66页/共91页 1.4.2.3 乒乓机制乒乓机制 S1、S2始终不同时与酶结合，其机理可表示为（始终不同时与酶结合，其机理可表示为（E*为修改过的酶）：为修改过的酶）： 2 2 1 1 max 1 s ms s ms s C K C K r r E + S1ES1ES1E* + P1 k+1 k-1 k+2 E* + S2E*S2E*S2E + P2 k+3 k-3 k+4 第67页/共91页 第68页/共91页 1.4.3 变构酶催化反应动力学变构酶催化反应动力学 底物分子与这类酶结合时能诱导酶的结构改底物分子与这类酶结合时能诱导酶的结构改

23、 变增加变增加E与与S的结合能力，表现出的结合能力，表现出底物对酶的底物对酶的 激活激活效应。效应。 Hill经验公式：经验公式： max /() nn ssHs rr ckc n EnSES 有磷酸果糖激酶、天冬氨酸转氨甲酰酶、苏氨酸脱氢酶等 底物分子与这类酶结合时能诱导酶的结构改底物分子与这类酶结合时能诱导酶的结构改 变增加变增加E与与S的结合能力，表现出的结合能力，表现出底物对酶的底物对酶的 激活激活效应。效应。 有磷酸果糖激酶、天冬氨酸转氨甲酰酶、苏氨酸脱氢酶等 第69页/共91页 max lglglg s s sH r nCK rr 第70页/共91页 1.5 反应条件对酶反应速率的

24、影响反应条件对酶反应速率的影响 l 内部因素：内部因素：酶的结构特征，底物的结构酶的结构特征，底物的结构 特征。特征。 l 外部因素外部因素：pH、T、P、离子强度、各、离子强度、各 种物质的浓度因素种物质的浓度因素 第71页/共91页 1.5.1 pH值的影响值的影响 酶分子上有许多酶分子上有许多酸性和碱性的氨基酸侧链基酸性和碱性的氨基酸侧链基 团团，如果酶要表示其活性，则这些基团必须，如果酶要表示其活性，则这些基团必须 有一定的有一定的解离形式解离形式。 随着随着pH的变化，这些基团可处在的变化，这些基团可处在不同的解不同的解 离状态离状态，而具有催化活性的离子基团仅是其，而具有催化活性的

25、离子基团仅是其 中一种特定的解离形式，因而随着中一种特定的解离形式，因而随着pH值的值的 变化，具有催化活性的这种特殊的离子基团变化，具有催化活性的这种特殊的离子基团 在总酶量中所占的比例就会不同，因而使酶在总酶量中所占的比例就会不同，因而使酶 所具有的催化能力也不同。所具有的催化能力也不同。 第72页/共91页 Michaelis对对pH与酶活力的关系提出三与酶活力的关系提出三 状态模型的假设：状态模型的假设： EH2 -H+ +H+ E2-EH- -H+ +H+ 第73页/共91页 2 2 20 22 0 EHSps ESEHSSEHEEHEH E EHS Ckrr CCCCCCC dt

26、dC 2 2 2 2 , , EHS HES b SEH HEHS a EH HE b EH HEH a EHS EHs m C CC K C CC K C CC K C CC K C CC K H H H a a H mm E EHS s C Kb Ka C f C K K C f CsK Csr Cs f f Km Cs f r CsfKf CsCk Ckr 1 ,1 ) 2 1 ( 21 max2 max 21 2 2 0 第74页/共91页 第75页/共91页 1.5.2 温度的影响温度的影响 在适宜的温度内，酶在适宜的温度内，酶 催化反应速率常数中催化反应速率常数中 的的k+2与温度

27、的关系符与温度的关系符 合合Arrhenius方程，方程， 即：即： k+2 = Aexp(-Ea/RT) 第76页/共91页 k+2 = ATexp(-H*/RT) 根据根据Eryring的过渡态理论：的过渡态理论： Ks = Aexp(-H/RT) s sEo s c RT H A cc RT H TA r exp exp * 第77页/共91页 1.5.3 酶的失活动力学酶的失活动力学 酶是一种不稳定的物质，常因酶是一种不稳定的物质，常因温度、温度、pH等因素的影响而产生不可逆的活性下降。一般是胞外酶较稳定，而胞内酶在外部环境中容易失活。酶在保存和参与反应时均有可能失活，前者的失活又称为

28、等因素的影响而产生不可逆的活性下降。一般是胞外酶较稳定，而胞内酶在外部环境中容易失活。酶在保存和参与反应时均有可能失活，前者的失活又称为稳定性稳定性。在使用时酶的失活对于酶催化反应过程的设计和控制都是十分重要的。其中酶的。在使用时酶的失活对于酶催化反应过程的设计和控制都是十分重要的。其中酶的热失活热失活，或称，或称热变性热变性是最重要的一种酶失活形式。下面主要讨论此种失活动力学。是最重要的一种酶失活形式。下面主要讨论此种失活动力学。 第78页/共91页 未反应时酶的热失活动力学未反应时酶的热失活动力学 测定酶在未反应时的热稳定性方法：测定酶在未反应时的热稳定性方法：在一定条件下，使酶溶液恒温保

29、持一定的时间，然后再在最在一定条件下，使酶溶液恒温保持一定的时间，然后再在最 适宜的适宜的pH和温度下测定残存的酶活力，即残存酶活。和温度下测定残存的酶活力，即残存酶活。 第79页/共91页 E D kd kr DrEtd Et CkCk dt dC )(exp 0 tkkkk kk C Crddr rd E Et cEocEt + cD )exp(0tkCCdEEt 对于可逆的：对于可逆的： 对于不可逆的失活反应，对于不可逆的失活反应，kr=0，因此：，因此： 第80页/共91页 2/1 2ln1 tt k d d )/exp(RTEAkddd )/exp(exp 0 RTEtA C C d

30、d E Et 第81页/共91页 反应时酶的热失活动力学反应时酶的热失活动力学 酶在反应中的稳定性称为酶在反应中的稳定性称为操作稳定性操作稳定性。在酶催化反应时，由于底物和产物的存在，使酶的稳定性或者得到增强，或者又有所减弱。在酶催化反应时，由于底物和产物的存在，使酶的稳定性或者得到增强，或者又有所减弱。 第82页/共91页 1 21 ESEfEt m Et m m d t CCC k kk K C CsK CsK k dt dCE l 1时，底物对酶失活没有影响时，底物对酶失活没有影响 l 0时，酶完全被底物所保护，时，酶完全被底物所保护，ES完全不失活，此时只有游离酶失活完全不失活，此时只有游离酶失活 l 01时，底物加速酶的失活时，底