第二章均相酶催化反应动力学

第二章均相酶催化反应动力学2023/9/15第1页，课件共74页，创作于2023年2月酶催化反应的基本特征简单酶催化反应动力学第2章均相酶催化应动力学复杂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影响催化反应速率的因素酶失活反应动力学2023/9/15第2页，课件共74页，创作于2023年2月第2章均相酶催化应动力学>>回顾1、化学动力学的有关内容？

化学动力学的研究对象、反应速度和速率区别、反应速率表示式、反应速率如何求？（微分式和图解法）、速率方程、反应机理。2、有关酶的内容？酶的特性、酶催化反应的特性、米氏动力学方程等2023/9/15第3页，课件共74页，创作于2023年2月第2章均相酶催化应动力学>>回顾机理以及温度、压力、催化剂等外界因素对反应速率的影响◆化学动力学的研究对象◆反应速度和速率区别速度Velocity

是矢量，有方向性。速率Rate

是标量，无方向性，都是正值。2023/9/15第4页，课件共74页，创作于2023年2月第2章均相酶催化应动力学>>回顾◆反应速率表示式对任何反应：2023/9/15第5页，课件共74页，创作于2023年2月第2章均相酶催化应动力学>>回顾◆反应速率表示式通常定容反应，反应速率为：反应进度2023/9/15第6页，课件共74页，创作于2023年2月第2章均相酶催化应动力学>>回顾◆反应速率如何求？（实验图解法）如何绘制动力学曲线???用各种物理性质测定方法(旋光、折射率、电导率、电动势、粘度等)2023/9/15第7页，课件共74页，创作于2023年2月第2章均相酶催化应动力学>>回顾◆速率方程反应速率只与反应物浓度的一次方成正比的反应称为一级反应。一级反应的微分速率方程或反应：2023/9/15第8页，课件共74页，创作于2023年2月第2章均相酶催化应动力学>>回顾一级反应的积分速率方程◆速率方程或2023/9/15第9页，课件共74页，创作于2023年2月第2章均相酶催化应动力学>>回顾◆反应类型连串平行(对峙反应)支链反应2023/9/15第10页，课件共74页，创作于2023年2月第2章均相酶催化应动力学>>回顾◆反应机理假定反应进行一段时间后，体系基本处于稳态，这时，各中间产物的浓度可认为保持不变，这种近似处理的方法称为稳态近似，一般活泼的中间产物可以采用稳态近似。2023/9/15第11页，课件共74页，创作于2023年2月第2章>>第1节酶催化反应的基本特征具有催化活性的大分子生物物质，其物质组成是蛋白质。在多数酶促反应中，酶以游离状态参与催化反应。——均相的酶促反应，且多数是在液相中进行反应。◆酶1)

Highlyspecific;◆

CatalyticcharactersofEnzyme2)

Highefficiency;（催化效率表示）3)

Reactioninnormalatmosphereandroomtemperature;4)

Enzymedenaturedandcatalyticactivitylowered.2023/9/15第12页，课件共74页，创作于2023年2月第2章>>第1节酶催化反应的基本特征顾◆

CommonpropertyofEnzyme-catalyzedReactions1)EnzymescanlowerΔG#,increasetherate

withoutbeingchangedthemselves.2)

Enzymedoesn’tchangethedirectionandbalance.2023/9/15第13页，课件共74页，创作于2023年2月第2章>>第2节简单酶催化反应动力学一、什么是简单的酶催化反应二、活性中间复合物学说一种底物参与的不可逆反应如：酶的催化水解反应；异构化反应该学说有大量实验结果支持。包括两步，底物S与酶E结合成中间复合物[ES]，然后分解成产物P，并释放E。对简单E催化反应，机理可表示为：其中：k+1，k

1，k+2——反应速度常数

E，S，ES，P——酶,底物,酶-底物复合物,产物P14三点假设2023/9/15第14页，课件共74页，创作于2023年2月第2章>>第2节简单酶催化反应动力学三、动力学方程上述机理下的动力学方程??机理中的反应为基元反应，产物生成速率可表示为：

∝??∝??rP=k+2C[ES]rS——底物S的消耗速率mol/(L.s)C[ES]如何求？2023/9/15第15页，课件共74页，创作于2023年2月第2章>>第2节简单酶催化反应动力学四、Miechaelis-Menten方程◆在反应过程中，限制反应速度的反应是ES到E+P这一步反应；(1)◆E+S到ES的反应在整个过程中始终处于动态平衡；(2)◆酶以酶游离状态E和酶-底物复合物ES的形式存在，酶在反应过程中总浓度不变；(3)◆底物浓度比酶-底物络合物浓度要大得多。（1）Michaelis平衡态假设2023/9/15第16页，课件共74页，创作于2023年2月第2章>>第2节简单酶催化反应动力学（2）方程的推导四、Miechaelis-Menten方程根据假设（1），有单一底物的酶催化反应的反应速度：（2-1）式中：CP，CS——产物，底物的浓度

t——时间根据假设（2）有:（2-2）2023/9/15第17页，课件共74页，创作于2023年2月第2章>>第2节简单酶催化反应动力学即：（2-3）式中：Ks——酶与底物复合物的解离常数（2）Miechaelis-Menten方程的推导2023/9/15第18页，课件共74页，创作于2023年2月第2章>>第2节简单酶催化反应动力学根据假设（3），有：总酶量：（2-4）联立（2-1）、（2-2）、（2-3）有（2-5）（2）Miechaelis-Menten方程的推导Miechaelis-Menten方程2023/9/15第19页，课件共74页，创作于2023年2月第2章>>第2节简单酶催化反应动力学（3）Miechaelis-Menten方程的讨论两个动力学参数，Ｋs和rP,max◆Ks——酶与底物复合物的解离常数当rP=rP,max/2有Ｋs＝ＣsKs表示酶与底物作用的特性．◆rP,max最大的酶促反应速度表示全部的酶都呈复合物状态时的反应速率．Ｋ+2含义？？2023/9/15第20页，课件共74页，创作于2023年2月第2章>>第2节简单酶催化反应动力学五、Briggs-Haldance方程Miechaelis-Menten方程的适应条件:复合物ES生成产物的速率远大于分解成酶与底物的速率。若这一条件不能满足,则M-M的平衡假设不适用。1925年，Briggs和Haldance提出了拟稳态假设：认为在酶促反应过程中，反应的中间体ES（酶-底物复合物）的浓度不随反应时间不变化，即在酶促反应过程中，反应的中间体ES的浓度处于稳定的状态，称“稳定态理论”。1、拟稳态假设2023/9/15第21页，课件共74页，创作于2023年2月第2章>>第2节简单酶催化反应动力学五、Briggs-Haldance方程由拟稳态假设：2、B-H方程的推导又（2-6）2023/9/15第22页，课件共74页，创作于2023年2月第2章>>第2节简单酶催化反应动力学2、B-H方程的推导五、Briggs-Haldance方程将（2-6）代入下式：得：式中——米氏常数；mol/L（2-6）2023/9/15第23页，课件共74页，创作于2023年2月第2章>>第2节简单酶催化反应动力学3、B-H方程的讨论五、Briggs-Haldance方程◆米氏常数与解离常数若k+2<<k-1，km=kS，说明什么？？生成产物的速率大大慢于酶-底物复合物的速率。说明复合物结合力很弱2023/9/15第24页，课件共74页，创作于2023年2月第2章>>第2节简单酶催化反应动力学3、B-H方程的讨论五、Briggs-Haldance方程◆转换数P16P18

含义？六、M-M方程与B-H方程的比较P192023/9/15第25页，课件共74页，创作于2023年2月第2章>>第2节简单酶催化反应动力学七、M-M方程动力学特征.A.BCO(2)Cs>>Km曲线?曲线点Cs=Km时r=??(1)Cs<<Km(2-17)一级反应.Km很大时,大多数E游离,[ES]少,欲提反应速度,提高Cs零级反应.因为Km很小,大多数E复合,游离E少,因而提高Cs,也不能提高反应速度(3)Cs与Km数量关系介于两者之间2023/9/15第26页，课件共74页，创作于2023年2月第2章>>第2节简单酶催化反应动力学八、动力学参数的求取(1)Lineweaver-Burk法(简称L-B法)欲建立完整的动力学方程,就必须求取动力学参数.M-M方程中的rmax和Km。因为非线性,难求.怎么办?怎么办?rrrrCsrrCs2023/9/15第27页，课件共74页，创作于2023年2月第2章>>第2节简单酶催化反应动力学八、动力学参数的求取（2）Hanes-Woolf法(简称H-W法)对L-B法方程式的等式两端同乘CS

，此种方法减少了CS值过大或过小所带来的测量误差。Slope=1/rmax2023/9/15第28页，课件共74页，创作于2023年2月第2章>>第2节简单酶催化反应动力学（3）Eadie-Hofstee法（简称E-H法）八、动力学参数的求取Slope=-Km2023/9/15第29页，课件共74页，创作于2023年2月第2章>>第2节简单酶催化反应动力学八、动力学参数的求取4）积分法用不同的酶促反应的时间t与其反应过程相对应的底物浓度之间的函数关系通过作图或回归的方法确定酶促反应动力学参数。TheabovethreemethodsfordeterminingtheparametersarealsocalledindirectmethodordifferentialmethodbecauseofthersmaybeobtainedbyplottingCsagainsttimeandmakingthetangentlineandreadingtheslope(rs).Thesemethodsareinaccuracy.2023/9/15第30页，课件共74页，创作于2023年2月第2章>>第2节简单酶催化反应动力学八、动力学参数的求取4）积分法SubstitutingthosedataabouttimeandconcentrationindynamicsexperimentintotheM-Mequation,anewformequationcanbeobtained:P21

式2-34Slope=rmax/Km2023/9/15第31页，课件共74页，创作于2023年2月第2章>>第2节简单酶催化反应动力学九、例题例1：在pH5.1、15℃下所测定的用葡萄糖淀粉酶水解麦芽糖的反应速度r如表所示。求这一酶促反应的动力学参数rmax和Km。表1-1葡萄糖淀粉酶水解麦芽糖的反应初速度与底物浓度CS（mmol/L）r0（mmol/L·min）5.550.1638.330.21111.110.24113.890.27616.660.30122.220.33927.770.3472023/9/15第32页，课件共74页，创作于2023年2月第2章>>第2节简单酶催化反应动力学解：采用Lineweaver-Burk法，对实验数据回归，有则2023/9/15第33页，课件共74页，创作于2023年2月第2章>>第2节简单酶催化反应动力学rr2023/9/15第34页，课件共74页，创作于2023年2月第2章>>第2节简单酶催化反应动力学采用Hanes-Woolf法，对实验数据回归，有则2023/9/15第35页，课件共74页，创作于2023年2月第2章>>第2节简单酶催化反应动力学rr2023/9/15第36页，课件共74页，创作于2023年2月第2章>>第2节简单酶催化反应动力学采用Eadie-Hofstee法，对实验数据回归，有则2023/9/15第37页，课件共74页，创作于2023年2月第2章>>第2节简单酶催化反应动力学r2023/9/15第38页，课件共74页，创作于2023年2月第2章>>第2节简单酶催化反应动力学例2葡萄糖在葡萄糖异构酶存在时转化为果糖的反应机理为:

试分别用如下不同方法推导出反应速率方程：（ⅰ）平衡态近似法；（ⅱ）拟稳态近似法。2023/9/15第39页，课件共74页，创作于2023年2月第2章>>第2节简单酶催化反应动力学解：（ⅰ）平衡态近似法rP==k2cX－k－2cEcP(a)

因为cE=cE,0－cX所以rP

=k2cX－k2cP(cE,0－cX)(b)又，根据平衡态近似法(c)Ｃs2023/9/15第40页，课件共74页，创作于2023年2月第2章>>第2节简单酶催化反应动力学结合式(b)、(c)，得(d)将式(d)代入式(a)，得rP2023/9/15第41页，课件共74页，创作于2023年2月第2章>>第2节简单酶催化反应动力学（ⅱ）拟稳态近似法＝k1cEcS+k－2cEcP－k1cX

－k2cX=0

(a)又cE=cE,0－cX

(b)将式(b)代入式(a)，得(c)2023/9/15第42页，课件共74页，创作于2023年2月第2章>>第2节简单酶催化反应动力学而rP==k2cX－k－2cEcP(d)

把式(b)及(c)代入式(d)，得rP=

(e)

若k1>>k2和k－1>>k－2则rP=则2023/9/15第43页，课件共74页，创作于2023年2月第2章>>第2节简单酶催化反应动力学例3.有一均相酶催化反应，Km值为2×10－3mol.dm－3,当底物的初始浓度cS,0

为1×10－5mol.dm－3时，若反应进行1min，则底物的转化率xS为2％。试计算：（ⅰ）当反应进行3min时，底物转化率为多少？此时，底物和产物的浓度如何？（ⅱ）当cS,0

为1×10－6mol.dm－3

时，也反应3min,底物和产物的浓度又是多少？（ⅲ）最大反应速率rP,max为多少？2023/9/15第44页，课件共74页，创作于2023年2月写出零级、一级和二级反应动力学方程的一般微分表达式；推导出零级、一级和二级反应动力学方程的一般积分表达式；指出零级、一级和二级反应的特征？转化率和半衰期概念？2023/9/15第45页，课件共74页，创作于2023年2月第2章>>第2节简单酶催化反应动力学解：（ⅰ）因为cS,0<<Km,所以可按一级反应计算，代入t=min，xS=0.02,代入后，得kˊ=49.5min于是可求得，当t=3min时，xS=0.06,cP=cS,0xS=1×10－5mol.dm－3×0.06=6×10－7mol.dm－3,cS=cS,0－cP=1×10－5mol.dm－3－6×10－7mol.dm－3=0.94×10－5mol.dm－32023/9/15第46页，课件共74页，创作于2023年2月第2章>>第2节简单酶催化反应动力学（ⅱ）当cS,0=1×10－6时，cS,0<<Km,仍视为一级，同理，可得xS=0.06,cS=0.94×10－6mol.dm－3cP=6×10－8mol.dm－3（ⅲ）由＝49.5min，Km=2×10－3mol×dm－3得rP,max

=4.04×10－5mol.dm－3.min－12023/9/15第47页，课件共74页，创作于2023年2月第2章>>第2节简单酶催化反应动力学2023/9/15第48页，课件共74页，创作于2023年2月第2章>>第3节有抑制的酶催化反应动力学Review:

WhatisthecharacteristicsofEnzyme-catalyzedReactions?(dynamicsbalance;singlesubstrate;rateproportionaltoconcentration).Factually,over-highconcentrationofsubstratemayresultininhibitiontothereaction.

概述因底物或产物浓度过高或其他外源化合物（抑制剂）影响而降低反应速度的现象.何为抑制?2023/9/15第49页，课件共74页，创作于2023年2月第2章>>第3节有抑制的酶催化反应动力学概述抑制类型E与I的基团成共价结合而使酶永远失活，如重金属离子Hg2+，Pb2+对木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶的抑制。(1)可逆抑制可用物理法（透析等）把抑制剂（I）去除而恢复酶活性的抑制作用，E与I的结合存在解离平衡关系。竞争性非竞争性反竞争性混合型抑制(1)不可逆抑制2023/9/15第50页，课件共74页，创作于2023年2月第2章>>第3节有抑制的酶催化反应动力学一、竞争性抑制的酶促反应动力学当反应物系中存在与底物的结构相似的物质，这一物质也可能与酶的活性部位结合，形成非活性复合物，阻碍酶与底物结合，从而影响酶促反应（速率下降）。２、机理１、定义Where:I=inhibitor;[EI]=non-activitycomplexTheratedenotedinsubstrateis:rSI=k+2C[ES]2023/9/15第51页，课件共74页，创作于2023年2月第2章>>第3节有抑制的酶催化反应动力学３、方程推导一、竞争性抑制的酶促反应动力学基于稳定态理论，有总酶量为2023/9/15第52页，课件共74页，创作于2023年2月第2章>>第3节有抑制的酶催化反应动力学３、方程推导一、竞争性抑制的酶促反应动力学式中：KmI—竞争性抑制的表观M-M常数

KI—抑制剂的解离常数联立上面几个方程，有2023/9/15第53页，课件共74页，创作于2023年2月第2章>>第3节有抑制的酶催化反应动力学３、竞争性抑制的rs-Cs曲线一、竞争性抑制的酶促反应动力学rmax/2KmI？？？？Km2023/9/15第54页，课件共74页，创作于2023年2月第2章>>第3节有抑制的酶催化反应动力学一、竞争性抑制的酶促反应动力学对有竞争性抑制的酶促反应动力学方程取倒数得到４、有竞争性抑制的方程参数的求取2023/9/15第55页，课件共74页，创作于2023年2月第2章>>第3节有抑制的酶催化反应动力学一、竞争性抑制的酶促反应动力学４、有竞争性抑制的方程参数的求取2023/9/15第56页，课件共74页，创作于2023年2月第2章>>第3节有抑制的酶催化反应动力学Fig.RelationofKmandＣI一、竞争性抑制的酶促反应动力学５、ＫmI与CI关系KI愈小，表示抑制剂与Ｅ的结合力愈强。对Ｅ催化反应抑制作用愈强2023/9/15第57页，课件共74页，创作于2023年2月第2章>>第3节有抑制的酶催化反应动力学二、非竞争性抑制的酶促反应动力学当反应物系中存在与酶的活性部位以外相结合，且这一结合与底物的结合无竞争性关系的抑制作用。与竞争性抑制相比较，当有非竞争性抑制剂时，提高底物浓度不会消除其抑制作用。

1、定义2、机理E+SES

E+Pk+1k+2k

1E+IEIk+3k

3EI+SSEIk+4k

4ES+ISEIk+5k

5其中：k+4，k-4，k+5，k-5，—反应速度常数

I，EI—抑制剂，酶-抑制剂复合物

IES—底物、酶-抑制剂三元复合物2023/9/15第58页，课件共74页，创作于2023年2月第2章>>第3节有抑制的酶催化反应动力学二、非竞争性抑制的酶促反应动力学3、方程推导基于稳定态理论，有总酶量为2023/9/15第59页，课件共74页，创作于2023年2月第2章>>第3节有抑制的酶催化反应动力学二、非竞争性抑制的酶促反应动力学联解上述方程,得有非竞争性抑制的酶促反应动力学方程为:3、方程推导说明最大反应速率降低了(1+CI/KI)倍2023/9/15第60页，课件共74页，创作于2023年2月第2章>>第3节有抑制的酶催化反应动力学二、非竞争性抑制的酶促反应动力学rmaxI/2rmax/2???Km4、非竞争性抑制的rSI-Cs曲线2023/9/15第61页，课件共74页，创作于2023年2月第2章>>第3节有抑制的酶催化反应动力学二、非竞争性抑制的酶促反应动力学４、有竞争性抑制的方程参数的求取L-B法或2023/9/15第62页，课件共74页，创作于2023年2月第2章>>第3节有抑制的酶催化反应动力学二、非竞争性抑制的酶促反应动力学