均相酶反应动力学课件

1、1 2 酶催化反应的基本特征酶催化反应的基本特征 简单的酶催化反应动力学简单的酶催化反应动力学 有抑制的酶催化反应动力学有抑制的酶催化反应动力学 多底物酶催化机理多底物酶催化机理 3 实例：实例： n脂肪酶催化酯化反应：生物柴油脂肪酶催化酯化反应：生物柴油 油料油料 甘油甘油+脂肪酸脂肪酸 甲醇甲醇 NaOH 生物柴油生物柴油 高果糖浆：高果糖浆： 淀粉浆液淀粉浆液-淀粉酶 淀粉酶 糊精糊精 糖化酶糖化酶 葡萄糖葡萄糖 葡萄糖葡萄糖 异构酶异构酶 果糖果糖 4 化学反应的基础知识化学反应的基础知识 反应进行的方向反应进行的方向 反应进行的可能性反应进行的可能性 反应进行的限度反应进行的限度 化

2、学热力学化学热力学 反应进行的速率反应进行的速率 反应机制反应机制 化学动力学化学动力学 5 反应速率：单位时间内反应速率：单位时间内 反应物或生物浓度的改变。反应物或生物浓度的改变。 设瞬时设瞬时dt内反应物浓度内反应物浓度 的很小改变为的很小改变为ds，则：，则： 若用单位时间内生成物浓若用单位时间内生成物浓 度的增加来表示，则：度的增加来表示，则： 6 反应分子数反应分子数：是在反应中真正相互作用的分子的数目。：是在反应中真正相互作用的分子的数目。 如：如：A P 属于单分子反应属于单分子反应 根据质量作用定律，单分子反应的速率方程式是：根据质量作用定律，单分子反应的速率方程式是： 双如

3、：双如：A+B C+D 属于双分子反应属于双分子反应 其反应速率方程可表示为：其反应速率方程可表示为： 判断一个反应是单分子反应还是双分子反应，必须先了解判断一个反应是单分子反应还是双分子反应，必须先了解 反应机制，即了解反应过程中各个单元反应是如何进行的。反应机制，即了解反应过程中各个单元反应是如何进行的。 7 根据实验结果，整个化学反应的速率服从哪种分子反应速根据实验结果，整个化学反应的速率服从哪种分子反应速 率方程式，则这个反应即为几级反应。率方程式，则这个反应即为几级反应。 例：对于某一反应其总反应速率能以单分子反应的速率方例：对于某一反应其总反应速率能以单分子反应的速率方 程式表示，

4、那么这个反应为程式表示，那么这个反应为一级反应一级反应。 又如某一反应：又如某一反应：A+B C+D 式中式中K为反应速率常数为反应速率常数 符合双分子反应的表达式，为符合双分子反应的表达式，为二级反应二级反应。 把反应速率与反应物浓度无关的反应叫做把反应速率与反应物浓度无关的反应叫做零级反应零级反应。 8 反应分子数和反应级数对简单的基元反应来说是一致的，反应分子数和反应级数对简单的基元反应来说是一致的， 但对某些反应来说是不一致的。例如：但对某些反应来说是不一致的。例如： 是双分子反应，但却符合一级反应方程式。是双分子反应，但却符合一级反应方程式。 因为蔗糖的稀水溶液中，水的浓度比蔗糖浓度

5、大得多，水因为蔗糖的稀水溶液中，水的浓度比蔗糖浓度大得多，水 浓度的减少与蔗糖比较可以忽略不计。因此，反应速率只浓度的减少与蔗糖比较可以忽略不计。因此，反应速率只 决定于蔗糖的浓度。决定于蔗糖的浓度。 9 零级反应零级反应 一级反应一级反应 A B K K 积分后得：积分后得： K K是反应速率常数，是反应速率常数，C C是积分常数是积分常数 若反应开始（若反应开始（t=0t=0）时，）时，A=AA=A0 0, ,则则 C=lnAC=lnA0 0，最后得到：，最后得到：A=AA=A0 0e e-kt -kt 一级反应一级反应 10 二级反应二级反应 A+B CA+B C K K K指反应的速率

6、常数指反应的速率常数 反应速率与反应物的性质和浓度、温度、压力、反应速率与反应物的性质和浓度、温度、压力、 催化剂及溶剂性质有关催化剂及溶剂性质有关 11 平衡平衡：可逆反应的正向反应和逆向反应仍在继续进行，但：可逆反应的正向反应和逆向反应仍在继续进行，但 反应速率相等。反应速率相等。 反应的平衡常数与酶的活性无关，与反应速率的大小无关，反应的平衡常数与酶的活性无关，与反应速率的大小无关， 而与反应体系的温度、反应物及产物浓度有关。而与反应体系的温度、反应物及产物浓度有关。 平衡常数（平衡常数（K K）的计算：）的计算： 例：例：A+3B 2C+DA+3B 2C+D 12 酶可加快反应速率酶可

7、加快反应速率 降低反应的活化能（降低反应的活化能（E E0 0） 不能改变反应的平衡常数不能改变反应的平衡常数K K 不能改变反应的自由能变化（不能改变反应的自由能变化（GG） 酶有很强的专一性酶有很强的专一性 较高的催化效率较高的催化效率 反应条件温和反应条件温和 酶易失活酶易失活 13 14 Lock and key Model 15 Induced-Fit Model 象手与手套的象手与手套的 关系。关系。 当底物接近酶当底物接近酶 的活性中心并的活性中心并 与之结合时，与之结合时， 酶的构象能发酶的构象能发 生改变，更适生改变，更适 合于底物的结合于底物的结 合。合。 16 影响酶促反

8、应的主要因素影响酶促反应的主要因素 n 浓度因素（酶浓度，底物浓度，产物浓度等）浓度因素（酶浓度，底物浓度，产物浓度等） n 外部因素（温度，压力，外部因素（温度，压力，pH，溶液的介电常数，离子，溶液的介电常数，离子 强度等）强度等） n 内部因素（效应物，酶的结构）内部因素（效应物，酶的结构） 17 酶反应动力学酶反应动力学 酶反应动力学的两点基本假设：酶反应动力学的两点基本假设： n反应物在容器中混合良好反应物在容器中混合良好 n反应速率采用初始速率反应速率采用初始速率 18 单底物酶促反应动力学单底物酶促反应动力学 k1 k2 ESESE k3 P k4 快速平衡学说快速平衡学说的几点

9、假设条件：的几点假设条件： 酶和底物生成复合物酶和底物生成复合物ES，酶催化反应是经中间复合物完成的。，酶催化反应是经中间复合物完成的。 底物浓度底物浓度S远大于酶的浓度远大于酶的浓度E，因此，因此ES的形成不会降低底物的形成不会降低底物 浓度浓度S，底物浓度以初始浓度计算。，底物浓度以初始浓度计算。 不考虑不考虑P+E ES这个可逆反应的存在。这个可逆反应的存在。 1. ES在反应开始后与在反应开始后与E及及S迅速达到动态平衡。迅速达到动态平衡。 19 快速平衡学说快速平衡学说 对于单底物的酶促反应：对于单底物的酶促反应： 由假设由假设4可得到：可得到： 由假设由假设3可得到产物的合成速率：

10、可得到产物的合成速率： (1) (2) 20 反应体系中反应体系中酶量守恒酶量守恒： 由前面的公式（由前面的公式（1）得：）得： 代入公式代入公式（3），），变换后得：变换后得： 对于酶复合物对于酶复合物ES的的解离平衡过程解离平衡过程来说，来说， 其其解离常数解离常数可以表示为，可以表示为， 即即 ， 代入公式（代入公式（2）得到）得到 （3） （4） （5） 21 当反应初始时刻，底物当反应初始时刻，底物SE，几乎所有的酶都与底物，几乎所有的酶都与底物 结合成复合物结合成复合物ES，因此，因此E0 ES，反应速率最大，此，反应速率最大，此 时产物的最大合成速率为：时产物的最大合成速率为：

11、代入式（代入式（5）得：）得： 式中：式中：Vp,max：最大反应速率：最大反应速率 如果酶的量发生改变，最大反应速率相应改变。如果酶的量发生改变，最大反应速率相应改变。 Ks：解离常数解离常数，饱和常数，饱和常数 低低 Ks值意味着酶与底物结合力值意味着酶与底物结合力很强很强。 （6） 22 稳态学说稳态学说 1. 酶和底物生成复合物酶和底物生成复合物ES，酶催化反应是经中间复合物完成的。，酶催化反应是经中间复合物完成的。 2. 底物浓度底物浓度S远大于酶的浓度远大于酶的浓度E，因此，因此ES的形成不会降低底物浓度的形成不会降低底物浓度S， 底物浓度以初始浓度计算。底物浓度以初始浓度计算。

12、3. 在反应的初始阶段，产物浓度很低，在反应的初始阶段，产物浓度很低，P+E ES这个可逆反应的速率极这个可逆反应的速率极 小，可以忽略不计。小，可以忽略不计。 4. ES的生成速率与其解离速率相等，其浓度不随时间而变化。的生成速率与其解离速率相等，其浓度不随时间而变化。 23 当反应系统中当反应系统中ES的生成速率与分解速率相等时，的生成速率与分解速率相等时，ES浓度浓度 保持不变的状态成为稳态。保持不变的状态成为稳态。 Experimental data demonstrated the concentration profiles. 24 由于由于SE0，所以，所以SES，S-ESS 根

13、据稳态假说，根据稳态假说， (7) (3) (8) 25 (9) (10) 式中：式中：Km米氏常数米氏常数 Michaelis-Menten 26 27 快速平衡学说与稳态学说在动力学方程形式上是一致的，但快速平衡学说与稳态学说在动力学方程形式上是一致的，但 Km和和Ks表示的意义是不同的。表示的意义是不同的。 当当k+2k-1时，时，Km=Ks这意味着生成产物的速率远远慢于这意味着生成产物的速率远远慢于 ES复合物解离的速率。这对于许多酶反应也是正确的。复合物解离的速率。这对于许多酶反应也是正确的。 Mixed order with respect to S 28 29 30 Km值代表反

14、应速率达到值代表反应速率达到Vmax/2时的底物浓度。时的底物浓度。 Km是酶的一个特性常数，是酶的一个特性常数，Km的大小的大小只与酶的性质有关只与酶的性质有关，而与酶浓度无关。，而与酶浓度无关。 但底物种类、反应温度、但底物种类、反应温度、pH能影响能影响Km值。因此可以用值。因此可以用Km值来鉴别酶。值来鉴别酶。 Km值可以判断值可以判断酶的专一性酶的专一性和天然底物。和天然底物。 当当k+2k-1时，时， Km KS ，那么，那么Km可以作为酶和底物结合紧密程度的一个可以作为酶和底物结合紧密程度的一个 度量，表示度量，表示酶和底物结合的亲合力酶和底物结合的亲合力大小。大小。 若已知若已

15、知Km值，可以计算出某一底物浓度时，其值，可以计算出某一底物浓度时，其反应速率反应速率相当于相当于Vmax的百分的百分 率。例如率。例如:当当S=3 Km时，代入米氏方程后可求得时，代入米氏方程后可求得v=0.75Vmax。 Km值可以帮助值可以帮助推断某一代谢反应的方向和途径推断某一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 逆两向底物的逆两向底物的Km值往往是不同的，例如谷氨酸脱氢酶，值往往是不同的，例如谷氨酸脱氢酶，NAD+的的Km值为值为 2.510-5mol/L，而，而NADH为为1.810-5mol/L。测定这些。测定这些Km值的差别及正逆两值的差别及正逆

16、两 向底物的浓度，可以大致推测该酶催化正逆两向反应的效率。向底物的浓度，可以大致推测该酶催化正逆两向反应的效率。 31 为什么只有初始反应速率可以使用？为什么只有初始反应速率可以使用？ 产物的积累使逆反应的影响不可忽略产物的积累使逆反应的影响不可忽略 产物可能会抑制或激活酶的活力产物可能会抑制或激活酶的活力 随着反应的进行，酶的活力可能会失活随着反应的进行，酶的活力可能会失活 反应体系中的一些杂质可能会影响到酶的活性反应体系中的一些杂质可能会影响到酶的活性 为什么说低为什么说低Km值意味着酶与底物的结合力强？值意味着酶与底物的结合力强？ 考虑一下考虑一下km的定义：的定义： 32 l作图法（通

17、过方程变换，将方程线性化）作图法（通过方程变换，将方程线性化） L-B法法 H-W法法 E-H法法 积分法积分法 l非线性最小二乘法回归处理非线性最小二乘法回归处理 信赖域法（信赖域法（Matlab的优化工具箱）的优化工具箱） 遗传算法（不依赖于初值，可并行计算）遗传算法（不依赖于初值，可并行计算） 33 n将米氏方程式两侧取双倒数，将米氏方程式两侧取双倒数， 得到下列方程式：得到下列方程式： n以作图以作图,得到一直线得到一直线 n缺点：实验点过分集中在直线缺点：实验点过分集中在直线 的左下方，影响的左下方，影响Km和和Vmax的的 准确测定。准确测定。 maxmax VSV K v m 1

18、11 S 1 对 1 v v 1 1 S max V 1 m K 1 34 分批酶反应体系中分批酶反应体系中SS随时间的变化过程可以用表示为：随时间的变化过程可以用表示为： SK SV dt Sd v m m S 积分得到积分得到, , ln 0 0 S S KSStV mm 或或, , 与与 对应作图，得到一直线，对应作图，得到一直线， 斜率为斜率为-Km ,截距为截距为Vm。 。 ln 1 0 S S t t SS 0 ln 1 00 S S t KV t SS mm 35 例例1：如果要求反应速度达到：如果要求反应速度达到Vmax的的99%，求其底物浓度。，求其底物浓度。 解：解： 10

19、0% 99% 9999 100 99 m m m S KS KSS SK maxmaxmax 100100 25 100125 m VSVV V KS max 100 80% 125 V V 例例2：过氧化氢酶的：过氧化氢酶的Km值为值为25mmol/L，当底物过氧化氢，当底物过氧化氢 浓度为浓度为100mmol/L时，求在此底物浓度下过氧化氢酶被底时，求在此底物浓度下过氧化氢酶被底 物饱和的百分数。物饱和的百分数。 解：解： max 80%VV 得，得， 即，即， 认为有认为有80%的酶已与底物作用生成了中间产物，故过氧的酶已与底物作用生成了中间产物，故过氧 化氢酶在此时被底物饱和的百分数为

20、化氢酶在此时被底物饱和的百分数为80%。 36 例例3 有一均相酶催化反应，有一均相酶催化反应，Km值为值为210-3mol/L，当底物的，当底物的 初始浓度初始浓度S0为为110-5mol/L时，若反应进行时，若反应进行1min，则有，则有2% 的底物转化为产物。试求出的底物转化为产物。试求出：（：（1）当反应进行）当反应进行3min ，底物，底物 转化为产物的百分数是多少？此时底物和产物的浓度分别为转化为产物的百分数是多少？此时底物和产物的浓度分别为 多少？（多少？（2）当）当S0为为110-6mol/L时，也反应了时，也反应了3min，底物，底物 和产物的浓度是多少？（和产物的浓度是多少

21、？（3）最大反应速率）最大反应速率Vmax值为多少？值为多少？ 解解：（：（1 ）根据题意，根据题意， S00.01 Km， 所以所以V= VmaxS0/ Km=-ds/dt 即，即，ln(S0/S)= Vmax/Kmt 反应进行反应进行1min时，时，S=（1-2%）S0=0.9810-5mol/L Vmax/Km=0.0202 min-1 反应进行反应进行3min 时，时， ln(S0/S)= 0.02023=0.0606 S=0.9410-5mol/L，XS=6% 37 l几个概念几个概念 失活与失活与抑制抑制 【失活】【失活】(inactivation)：由于酶蛋白分子：由于酶蛋白分子

22、变性变性而引起的酶活力丧失的而引起的酶活力丧失的 现象称为失活。现象称为失活。 【抑制】【抑制】(inhibition)：由于酶的必需基团化学性质的改变，但酶未变性，：由于酶的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，称为抑制作用而引起酶活力的降低或丧失，称为抑制作用 底物与底物与效应物效应物 【效应物】【效应物】(Effecter)：凡能使酶分子发生：凡能使酶分子发生别构作用别构作用的物质叫效应物，的物质叫效应物， 通常为小分子代谢物或辅因子。如因别构导致酶活性降低的物质称为通常为小分子代谢物或辅因子。如因别构导致酶活性降低的物质称为 负效应物。负效应物。 38 竞争性

23、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 可逆抑制可逆抑制 可逆抑制可逆抑制和不可逆抑制和不可逆抑制( (如铅和汞等重金属如铅和汞等重金属) ) 【可逆抑制】【可逆抑制】 (reversible inhibition)：抑制剂与酶以：抑制剂与酶以非共价键非共价键 结合而引起酶活力降低或丧失，能用物理方法除去抑制剂而使酶结合而引起酶活力降低或丧失，能用物理方法除去抑制剂而使酶 复性，这种抑制作用是可逆的，称为可逆抑制。复性，这种抑制作用是可逆的，称为可逆抑制。 不可逆抑制不可逆抑制 抑制抑制 39 E S I E IX P 抑制剂是底物的类似物抑制剂是底物的类似物 E

24、+ S + I ESE + P EI KI Km 40 利用快速平衡假说利用快速平衡假说: : EI IE K ES SE K Im 和酶的浓度方程和酶的浓度方程, , 0 EIESEE 产物速率方程产物速率方程, , 2 ESkv p 综合以上方程综合以上方程,消除消除ES得到：得到： , SK SV v appm m p where and 。 02, EkV mp I mappm K I KK 1 , 41 The net effect of competitive inhibitions is an increased value of with reduced reaction ra

25、te, but same maximum reaction rate. appm K , Furthermore, the competitive inhibition can be overcome by high substrate concentration. 42 E SE I S I X P 这种抑制剂能结合于酶的非活这种抑制剂能结合于酶的非活 性中心，但能降低酶与底物的性中心，但能降低酶与底物的 亲和力。亲和力。 E + S + I ES + I E + P EI+SESI Km Km KIKI 43 With similar equations and derivations a

26、s before, )( (1 I , SK K I SV v m mp p Where . I mp appmp K I V v 1 , , we can get, ESI IES EI IE K ESI SEI ES SE K Im 0 ESIEIESEE 2 ESkv p 44 The net effect of non-competitive inhibitions is a reduction in with same Michaelis-Menten constant. app,m V High substrate concentration would not overcome

27、non- competitive inhibitions. Other reagents need to be added to block binding of it to the enzyme. Plots on Non-competitive Inhibitions 45 S E I +ESES I XP 这种抑制剂仅能与这种抑制剂仅能与ES 复合物复合物结合，而与结合，而与游游 离酶离酶不能直接结合。不能直接结合。 E + SES + I E + P ESI Km KI 46 With similar equations and derivatives as before, , , S

28、K SV v appm appm where and . I m appm K I K K 1 , I m appm K I V v 1 , we can get, ESI IES K ES SE K Im 2 ESkv 0 SEIESEE 47 Plots on Uncompetitive Inhibitions Obviously, the net effect of uncompetitive inhibitions is a reduction in both and , and the net result is a reduction in reaction rate. appm

29、K , appm V , 48 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 49 例例 在含有相同酶浓度的五个反应物系中，分别加入不同浓度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，并测定其初始速率，然后再在同样五个反应物系中的底物，并测定其初始速率，然后再在同样五个反应物系中 分别加入浓度为分别加入浓度为2.210-1mmol/L的抑制剂，并测其初始的反的抑制剂，并测其初始的反 应速率，其数据见下表。应速率，其数据见下表。 底物初始浓度底物初始浓度 mmol/L 无抑制时速率无抑制时速率 mmol/(Lmin) 有抑制时速率有抑制时速率 mmol

30、/(Lmin) 0.102818 0.153624 0.204330 0.506351 0.707463 试根据上述数据决定其抑制类型及动力学参数值。试根据上述数据决定其抑制类型及动力学参数值。 50 解：将上述实验数据分别取其倒数，以解：将上述实验数据分别取其倒数，以1/v-1/S作图，作图， 得到下图的两条直线，他们在纵轴上有一共同点，这表得到下图的两条直线，他们在纵轴上有一共同点，这表 明该抑制为竞争性抑制。明该抑制为竞争性抑制。 1/Vsi-1/S 1/Vs0-1/S 51 Vmax=1/0.010=100 mmol/L Km=1/(0.0104/0.0026)=0.25 mmol/L

31、 KmI=1/(0.0108/0.0045)=0.42 mmol/L KI=0.27 mmol/L 52 高浓度的底物会抑制高浓度的底物会抑制 一些酶促反应。一些酶促反应。 EE S +S S ES S XP E + SES + S E + P ESS Km KSI k+2 53 With similar equations and derivations as before, SI m m SI m m K S SK SV K S S K V v 2 1 ESS SES K ES SE K SIm ESSESEE 0 ESkv 2 SI m K SES ESS S ESK E变换方程得：变换

32、方程得： Then, we can get, SI K S S K E ES m 1 0 max02 EkV / max02 EVk 54 即为即为 , . 即即 , 则则 或或 即即, , 则则 或或 l反应速率最大时反应速率最大时, ,其底物浓度为其底物浓度为: :0 Sd dv SImK KS max 12 SI m m app K K V v max, l 低物浓度很低时低物浓度很低时, , 1 SI K S m m m m KS SV S K V v 1 即为没有抑制剂存在情况下的米氏方程即为没有抑制剂存在情况下的米氏方程. . SV K Vv m m m 111 l 底物浓度很高时

33、底物浓度很高时, , 1 S Km SI m K S V v 1 底物的抑制性就很明显底物的抑制性就很明显. . SImm KV S Vv 11 55 At low substrate concentration, the rate expression approximates to the Michaelis-Menten equation, then the curve in double- reciprocal (双倒数双倒数)plot is parallel(平行平行) with the linear line denoted the instance without substra

34、te inhibition. Similarly, at high substrate concentration, the curve in double- reciprocal plot is in hyperbolic(双曲线双曲线) mode. 56 E E S E P P SP E + S + P ESE + P EP Km KP k+2 57 影响酶催化反应速率的因素有很多，它们会影响到影响酶催化反应速率的因素有很多，它们会影响到 酶的结构或化学状态。酶的结构或化学状态。 pH 温度温度 表面张力表面张力 化学试剂化学试剂(醇醇, 脲和过氧化物脲和过氧化物) 辐射辐射(光光,微波微

35、波,离子化离子化, g g 射线等射线等) 58 一些酶的活性中心存在一些酶的活性中心存在离子基团离子基团，因此，因此 Variation of pH 另一方面，底物分子中包含另一方面，底物分子中包含离子基团离子基团，反应体系的，反应体系的pH也也 有可能会影响到底物与酶结合的有可能会影响到底物与酶结合的亲和力亲和力。 Ionic form (离离 子形式子形式) Modifies Reaction rate Changes Enzyme activity (酶活酶活) Influences 59 For CASE I (Ionic Enzyme): The reaction scheme i

36、s as follow: Where the meanings of the denotations are: lEH: active form lE-, EH2+: inactive form lE-: deprotonation form(还原态还原态) lEH2+: protonation form(氧化态氧化态) E- + H+ K2 EH + S + EH2+ H+ EHS Km EH + P k2 K1 60 With similar analysis and derivations as before, EH HE K EH HEH K EHS SEH Km 2 2 1 EHSE

37、HEHEE 20 EHSkv 2 , SK SV v appm m we can get, 1 2 1 K H H K KK mappm , where 61 考虑到酶发挥最佳的活力状态是考虑到酶发挥最佳的活力状态是EH，最佳，最佳pH应该是唯一应该是唯一 的，而在最佳的，而在最佳pH时，时，EH的浓度应该达到最大的浓度应该达到最大。 为什么为什么酶反应的最佳酶反应的最佳pH会是在会是在pK1和和pK2之间之间? 因此，我们现在只要考察酶与质子因此，我们现在只要考察酶与质子H+的相互作用。的相互作用。 E - + H+ K2 EH+ EH 2 + H + K1 EH HE K EH HEH K

38、 2 2 1 20 EHEHEE 根据根据解离常数解离常数的定义和酶的质量守恒可得：的定义和酶的质量守恒可得： 62 消除消除 E- 和和 EH2+ 项，可得到：项，可得到： 1 1 2 1 0 H K K HE EH 令令 得到得到, 0 0 d d H EEH 21opt KKH 即即,)( opt21 2 1 pKpKpH 63 For CASE II (Ionic Substrate) The reaction scheme is as follow: Similarly, we can get, , SK SV v appm m 1 1 , H K KK mappm where SH

39、+ + E + S + H+ H+ ESH+ Km E + HP+ k2 K1 EH+ S Km 64 一般来说中，酶促反应的最佳一般来说中，酶促反应的最佳pH还是很难预测还是很难预测 的，通常需要通过的，通常需要通过实验实验来确定。来确定。 pH-activity profiles of two enzymes. (A)胃蛋白酶胃蛋白酶; (B) 延胡索酸酶延胡索酸酶(以苹果酸为底物时以苹果酸为底物时) 65 在较低的温度范围内，酶催在较低的温度范围内，酶催 化反应速率会随着温度的升高化反应速率会随着温度的升高 而加快，超过某一温度，即酶而加快，超过某一温度，即酶 被加热到被加热到生理允许温

40、度生理允许温度以上时，以上时， 酶的反应速率反而随着温度的酶的反应速率反而随着温度的 升高而下降。升高而下降。 这是由于温度升高，虽然可加速酶的催化反应速率，这是由于温度升高，虽然可加速酶的催化反应速率， 同时也加快了酶的热失活速率。同时也加快了酶的热失活速率。 66 温度激活作用温度激活作用 ( (上升区上升区) ) 酶催化反应速率常数中的酶催化反应速率常数中的k2与温度的关系符合与温度的关系符合Arrhenius方程方程: EeAv eAk Ekv RT E RT E a a 2 2 即即, , RT E EAv a lnlnln 式中式中 E 活性酶的浓度活性酶的浓度; Ea 是反应活化

41、能是反应活化能 (kcal/mol). R 是气体常数是气体常数 T 是绝对温度，是绝对温度，A是前因子是前因子 67 热失活作用热失活作用 (下降区下降区) ( (酶的热变性作用酶的热变性作用) ) 酶的热变性失活符合一级反应动力学方程：酶的热变性失活符合一级反应动力学方程： Ek dt Ed d 式中式中 E0 酶的初始浓度酶的初始浓度;kd 变性常数变性常数. 积分得到积分得到, , tkd eEE 0 此外此外, , RT E dd d eAk 式中式中 Ed is the denaturation energy (kcal/mol). 68 例例2-1：将底物和酶加入到分批式反应器中

42、，底物初始浓度：将底物和酶加入到分批式反应器中，底物初始浓度 为为2mmol/L，经反应，转化率为，经反应，转化率为90%，求反应所需的时间，求反应所需的时间t。 已知反应速率方程为已知反应速率方程为: 解：在分批式反应器中解：在分批式反应器中 S S v S 1 d d S S t S vS 1 即：即： d 1 dS S S t S S t 0 0 积分得到：积分得到： )( lnSS S S t 0 0 转化率为转化率为90%，即，即(S0-S)/S0=0.9, S=0.2 min .).( . ln14202 20 2 t 69 例例2-2：假设某酶有两个活性中心，它的反应机制可用下图

43、：假设某酶有两个活性中心，它的反应机制可用下图 表示，试根据稳态假设，求其速率方程式表示，试根据稳态假设，求其速率方程式 E + SES + S E + P ESS Km KSI ES + P k+2 k+2 解：根据解离平衡过程可得解：根据解离平衡过程可得 , ESS SES K ES SE K SIm 根据酶的质量守恒可得根据酶的质量守恒可得 ESSESEE 0 将上面两式变换后可得将上面两式变换后可得 SI m K SES ES S ESK E 0 70 变换方程可以得到以下两式：变换方程可以得到以下两式： SI m SI SI SI m K S S K K SE K SES ESS K

44、 S S K E ES , 11 0 0 d d ESSkESk t P 22 SI m SI K S S K K S V t P v )( d d max 1 1 11 2 0202 d d S K S KK Ek K S S K Ek t P SISIm SI m 当反应速率达到最大时，当反应速率达到最大时， 所有的酶都以复合物的形式存在，所有的酶都以复合物的形式存在， 则则 E0=ES+ESS, Vmax=k+2(ES+ESS)=k+2E0 71 例例2-3：某酶催化反应，其：某酶催化反应，其Km=0.01 mol/L,现测得该反应进现测得该反应进 行到行到10 min时，底物浓度为时，

45、底物浓度为3.410-5 mol/L,已知已知 S0=3.410-4 mol/L.假定该反应可用 假定该反应可用M-M方程表示。试求：方程表示。试求： (1)最大反应速率是多少最大反应速率是多少? (2)反应反应20min后，底物浓度为多少？后，底物浓度为多少？ 解：已知米氏方程解：已知米氏方程 及题中条件知及题中条件知S0Km 则米氏方程可表示为则米氏方程可表示为 max SK SV v m 10 min时时,S= 3.410-5,代入上式可得：代入上式可得： Vmax=(0.01ln10)/10=0.0023 mol L-1 min-1 当当t=20 min, lnS=lnS0-Vmaxt

46、/Km =ln(3.4X10-4)-0.0023X20/0.01 S20min=3.42X10-6 mol/L ln d d 0 mmax max S S KtV K SV t S v m 72 Random sequential mechanisms ( (随机机制随机机制) ) Ordered sequential mechanisms ( (顺序机制顺序机制) ) Ping-Pong mechanisms ( (乒乓机制乒乓机制) ) 73 所有底物所有底物(A和和B)与酶结合后，反应才能发生；与酶结合后，反应才能发生； 各底物与酶的结合次序及产物与酶的释放次序是各底物与酶的结合次序及产

47、物与酶的释放次序是随机随机的。的。 反应反应 底物底物A,B与酶与酶E 结合结合 产物产物P,Q从酶的结合点从酶的结合点 释放释放 74 Bimolecular substrates Bimolecular products 75 A useful relationship exists among above constants Rearrangement, (a) 76 Relationship of v and A From eq(a), then 77 Relationship of v and B 78 Fixed substrate concentration dependence

48、 for enzymes displaying randomsequential mechanisms. Dependence of Vmax on A Dependence of K on A Dependence of Vmax on B Dependence of K on B 79 II. Ordered sequential Bi Bi mechanisms 所有底物所有底物(A和和B)与酶结合后，反应才能发生；与酶结合后，反应才能发生； 各底物与酶的结合及产物与酶的释放是各底物与酶的结合及产物与酶的释放是按一定次序进行按一定次序进行的。的。 反应反应底物底物A,B与酶与酶E结合结合产物产物P,Q从酶的结合点释放从酶的结合点释