關于酶促反應動力學2各節學時分布第一節酶催化反應概論：0.5第二節簡單的酶催化反應動力學：2.5第三節有抑制的酶催化反應動力學：2.5第四節復雜的酶催化反應動力學：1第五節反應條件對酶催化反應速率的影響：1.5第2頁,共109頁，星期六，2024年，5月3什么是均相酶催化反應？酶分子和反應物系(底物分子、產物分子等)處于同一相－－液相中的反應第3頁,共109頁，星期六，2024年，5月4均相酶催化反應的主要特征不存在相間的物質傳遞，不用考慮傳質過程的影響分子水平上的反應，是本征動力學第4頁,共109頁，星期六，2024年，5月5酶催化動力學的研究歷史1903年，Henri提出酶與底物作用的中間復合物學說。1913年，Michaelis和Menten提出了酶催化反應動力學基本模型---米氏方程。1925年，Briggs和Haldane對米氏方程做了修正，提出穩態學說。第5頁,共109頁，星期六，2024年，5月6第一節

酶催化反應概論第6頁,共109頁，星期六，2024年，5月7酶的催化反應特性酶有很強的專一性較高的催化效率反應條件溫和酶易失活需要輔因子的參與酶可加快反應速率降低反應的活化能(Ea)不能改變反應的平衡常數K不能改變反應的自由能變化(ΔG)第7頁,共109頁，星期六，2024年，5月8酶的催化反應機制

酶的活性部位

活性部位：直接結合底物必需基團：活性部位內、外結合部位與催化部位：結合底物與催化底物，可為同一部位第8頁,共109頁，星期六，2024年，5月9酶反應的專一性機制LockandKeyModel第9頁,共109頁，星期六，2024年，5月10Induced-FitModel手與手套的關系.當底物接近酶的活性中心并與之結合時，酶的構象能發生改變，更適合于底物的結合。第10頁,共109頁，星期六，2024年，5月11

酶反應的高效性機制廣義的酸堿催化：供給或接受質子共價催化：形成不穩定的共價中間配合物鄰近及定向效應：底物分子與酶扭曲變形和構象變化效應：底物敏感鍵變形或扭曲多元催化與協同效應：不同側鏈基團綜合作用第11頁,共109頁，星期六，2024年，5月12第二節

簡單的酶催化反應動力學第12頁,共109頁，星期六，2024年，5月13酶促反應動力學基礎-反應速率反應速率：單位時間內反應物或生成物濃度的改變。設瞬時dt內反應物濃度的很小的改變為dS，則：若用單位時間內生成物濃度的增加來表示，則：tPtS第13頁,共109頁，星期六，2024年，5月14反應分子數反應分子數：反應中真正相互作用的分子數目。如：A→P屬于單分子反應根據質量作用定律，單分子反應的速率方程式是：雙分子,如：A＋B→C＋D屬于雙分子反應其反應速率方程可表示為：判斷一個反應是單分子反應還是雙分子反應，必須先了解反應機制，即了解反應過程中各個單元反應是如何進行的。反應機制往往很復雜，不易弄清楚，但是反應速率與濃度的關系可用實驗方法來確定，從而幫助推論反應機制。第14頁,共109頁，星期六，2024年，5月15反應級數又如某一反應：A+B→C+D式中k為反應速率常數根據實驗結果，整個化學反應的速率服從哪種分子反應速率方程式，則這個反應即為幾級反應。例：對于某一反應其總反應速率能以單分子反應的速率方程式表示，那么這個反應為一級反應。符合雙分子反應的表達式，為二級反應。第15頁,共109頁，星期六，2024年，5月16反應速率與反應物濃度無關的反應叫做零級反應。

v=k反應分子數和反應級數對簡單的基元反應來說是一致的，但對某些反應來說是不一致的。例如：Sucrose+H2O─→Glucose+Frucose是雙分子反應，但卻符合一級反應方程式。Sucrase

因為蔗糖的稀水溶液中，水的濃度比蔗糖濃度大得多，水濃度的減少與蔗糖比較可以忽略不計。因此，反應速率只決定于蔗糖的濃度。

v=k[S]第16頁,共109頁，星期六，2024年，5月17一級反應A─→B 積分后得：k是反應速率常數，C是積分常數若反應開始(t=0)時,A=A0,則C=A0,最后得到:A=A0e-ktk1AtA0一級反應第17頁,共109頁，星期六，2024年，5月18二級反應A+B─→Ck反應速率與反應物的性質和濃度、溫度、壓力、催化劑及溶劑性質有關第18頁,共109頁，星期六，2024年，5月19酶促反應動力學基礎-平衡常數平衡：可逆反應的正向反應和逆向反應仍在繼續進行，但反應速率相等的動態過程。反應的平衡常數與酶的活性無關，與反應速率的大小無關，而與反應體系的溫度、反應物及產物濃度有關。平衡常數(K)的計算：例：A+3B

2C+D第19頁,共109頁，星期六，2024年，5月20影響酶促反應的主要因素濃度因素（酶濃度，底物濃度，產物濃度等）外部因素（溫度，壓力，pH，溶液的介電常數，離子強度等）內部因素（底物及效應物濃度，酶的結構）第20頁,共109頁，星期六，2024年，5月21米氏方程的建立兩點基本假設：

反應物在容器中混合良好反應速率采用初始速率第21頁,共109頁，星期六，2024年，5月22第22頁,共109頁，星期六，2024年，5月23＋k+1k-1ESES＋E快速平衡k+2假設條件：酶和底物生成復合物[ES]，酶催化反應是經中間復合物完成的，反應過程中酶的濃度保持恒定。底物濃度[S]遠大于酶的濃度[E]，因此[ES]的形成不會降低底物濃度[S]，底物濃度以初始濃度計算。忽略產物的抑制作用，不考慮P+E→ES這個可逆反應的存在。[ES]在反應開始后與E及S迅速達到動態平衡,ES分解生成產物的速度不足以破壞這個平衡。P第23頁,共109頁，星期六，2024年，5月24＋k+1k-1ESES＋Ek+2由假設3可得到產物的合成速率為：對于單底物的酶促反應:(2)(1)P由假設4可得到：第24頁,共109頁，星期六，2024年，5月25對于酶復合物ES的解離平衡過程其解離常數可以表示為ES

E+Sk-1k+1(4)反應體系中酶量守恒：(3)由前面的公式(1)得：代入公式(3),變換后得：即,代入公式(2)得到(5)第25頁,共109頁，星期六，2024年，5月26代入式(5)得：(6)式中：Vp,max:最大反應速率如果酶量發生改變，最大反應速率相應改變。KS:解離常數，飽和常數

低KS值意味著酶與底物結合力很強

(看看KS的公式就知道了)。當反應初始時刻，底物[S]>>[E],幾乎所有的酶都與底物結合成復合物[ES]，因此[E0]≈[ES],反應速率最大，此時產物的最大合成速率為：第26頁,共109頁，星期六，2024年，5月27＋k+1k-1ESES＋Ek+2擬穩態P假設條件：酶和底物生成復合物[ES]，酶催化反應是經中間復合物完成的。底物濃度[S]遠大于酶的濃度[E]，因此[ES]的形成不會降低底物濃度[S]，底物濃度以初始濃度計算。在反應的初始階段，產物濃度很低，P+E→ES這個可逆反應的速率極小，可以忽略不計。[ES]的生成速率與其解離速率相等，其濃度不隨時間而變化。第27頁,共109頁，星期六，2024年，5月28Experimentaldatademonstratedtheconcentrationprofiles.當反應系統中[ES]的生成速率與分解速率相等時，[ES]濃度保持不變的狀態稱為穩態。第28頁,共109頁，星期六，2024年，5月29由于[S]>>[E0],所以[S]>>[ES],[S]-[ES]≈[S]＋k+1k-1ESES＋Ek+2P根據穩態假說，(7)(3)(8)第29頁,共109頁，星期六，2024年，5月30(Km米氏常數)(9)(10)式中：第30頁,共109頁，星期六，2024年，5月31k+1k-1k+2第31頁,共109頁，星期六，2024年，5月32快速平衡學說與穩態學說在動力學方程形式上是一致的，但Km和KS表示的意義是不同的。當k+2<<k-1時，Km=KS。這意味著生成產物的速率遠遠慢于[ES]復合物解離的速率。這對于許多酶反應也是正確的。第32頁,共109頁，星期六，2024年，5月33米氏方程的動力學特征反應速率與酶和底物濃度的關系反應速率與酶濃度成正比(底物過量)底物濃度對反應速率的影響：非線性。底物濃度較低，反應速率隨底物濃度提高而增加；底物濃度較高，反應速率隨底物濃度的提高而趨于穩定。第33頁,共109頁，星期六，2024年，5月34底物濃度與反應速率的關系底物濃度反應速率Vm第34頁,共109頁，星期六，2024年，5月35反應速率、底物濃度與時間的關系反應速率反應時間底物濃度反應時間第35頁,共109頁，星期六，2024年，5月36動力學參數rmax和Km

全部酶呈復合物狀態時的反應速率，即最大初始反應速率。催化活性中心速率常數kcat:酶的活性中心在單位時間內能轉化底物分子為產物的最大數量，即酶的最大轉換速率。單底物酶催化：kcat=k+2第36頁,共109頁，星期六，2024年，5月37米氏常數Km的意義Km值代表反應速率達到Vmax/2時的底物濃度。Km是酶的一個特性常數，Km的大小只與酶的性質有關，而與酶濃度無關。但底物種類、反應溫度、pH和離子強度等因素會影響Km值。因此可以用Km值來鑒別酶。Km值可以判斷酶的專一性和天然底物。當k+2<<k-1時，Km＝KS

，那么Km可以作為酶和底物結合緊密程度的一個度量，表示酶和底物結合的親合力大小。若已知Km值，可以計算出某一底物濃度時，其反應速率相當于Vmax的百分率。例如:當[S]=3Km時，代入米氏方程后可求得v=0.75VmaxKm值可以幫助推斷某一代謝反應的方向和途徑。催化可逆反應的酶，對正逆兩向底物的Km值往往是不同的，例如谷氨酸脫氫酶，NAD+的Km值為2.5×10-5mol/L，而NADH為1.8×10-5mol/L。測定這些Km值的差別及正逆兩向底物的濃度，可以大致推測該酶催化正逆兩向反應的效率。第37頁,共109頁，星期六，2024年，5月38第38頁,共109頁，星期六，2024年，5月39MixedorderwithrespecttoS第39頁,共109頁，星期六，2024年，5月40問題產物的積累使逆反應的影響不可忽略產物可能會抑制或激活酶的活力隨著反應的進行，酶的活力可能會失活反應體系中的一些雜質可能會影響到酶的活性…….為什么說低KS值意味著酶與底物的結合力強？為什么只有初始反應速率適用第40頁,共109頁，星期六，2024年，5月41M-M方程動力學參數的確定作圖法(通過方程變換，將方程線性化)L-B法H-W法E-H法積分法非線性最小二乘法回歸處理信賴域法(Matlab的優化工具箱)遺傳算法(不依賴于初值，可并行計算)第41頁,共109頁，星期六，2024年，5月42L-B雙倒數法將米氏方程式兩側取雙倒數，得到下列方程式：以作圖,得到一直線缺點：底物濃度低時不適用此法。第42頁,共109頁，星期六，2024年，5月43第43頁,共109頁，星期六，2024年，5月44積分法分批酶反應體系中[S]隨時間的變化過程可以用表示為：積分得到,或,與對應作圖，得到一直線，斜率為-Km,截距為Vm第44頁,共109頁，星期六，2024年，5月45例1-1：將底物和酶加入到反應器中,底物初始濃度為2mmol/L,經反應,轉化率為90%,求反應所需的時間t.已知反應速率方程為:解：即：積分得到：轉化率為90%，即([S0]-[S])/[S0]=0.9,[S]=0.2(mmol/L.min)第45頁,共109頁，星期六，2024年，5月46例1-2：假設某酶有兩個活性中心，它的反應機制可用下圖表示，試根據快速平衡假設，求其速率方程式E+S[ES]+SE+P[ESS]KmKSI[ES]+Pk+2k+2解：根據解離平衡過程可得根據酶的質量守恒可得將上面兩式變換后可得第46頁,共109頁，星期六，2024年，5月47變換方程可以得到以下兩式：當反應速率達到最大時，所有的酶都以復合物的形式存在，則[E0]=[ES]+[ESS],Vmax=k+2([ES]+[ESS])=k+2[E0]第47頁,共109頁，星期六，2024年，5月48例1-3：某酶催化反應，其Km=0.01mol/L,現測得該反應進行到10min時，底物濃度為3.4×10-5mol/L,已知[S0]=3.4×10-4

mol/L.假定該反應可用M-M方程表示。求：

(1)最大反應速率是多少?

(2)反應20min后，底物濃度為多少？解：已知米氏方程及題中條件知[S0]<<Km則米氏方程可表示為10min時,[S]=3.4×10-5,代入上式可得：Vmax=(0.01×ln10)/10=0.0023molL-1min-1當t=20min,ln[S]=ln[S0]-Vmaxt/Km

=ln(3.4X10-4)-0.0023X20/0.01[S]20min=3.42X10-6mol/L第48頁,共109頁，星期六，2024年，5月49第三節

有抑制的酶催化反應動力學第49頁,共109頁，星期六，2024年，5月50抑制劑對酶促反應速率的影響幾個概念失活與抑制

【失活】(inactivation)：由于酶蛋白分子變性而引起的酶活力喪失的現象稱為失活。

【抑制】(inhibition)：由于酶的必需基團化學性質的改變，但酶未變性，而引起酶活力的降低或喪失，稱為抑制作用底物與效應物

【效應物】(Effecter)：凡能使酶分子發生別構作用的物質叫效應物，通常為小分子代謝物或輔因子。如因別構導致酶活性降低的物質稱為負效應物。第50頁,共109頁，星期六，2024年，5月51競爭性抑制非競爭性抑制反競爭性抑制可逆抑制

可逆抑制和不可逆抑制(如鉛和汞等重金屬)【可逆抑制】(reversibleinhibition)：抑制劑與酶以非共價鍵結合而引起酶活力降低或喪失，能用物理方法除去抑制劑而使酶復性，這種抑制作用是可逆的，稱為可逆抑制。不可逆抑制抑制第51頁,共109頁，星期六，2024年，5月52競爭性抑制(competitiveinhibitions)

ESIEIXP抑制劑是底物的類似物E+S+I[ES]E+P[EI]KIKm’第52頁,共109頁，星期六，2024年，5月53利用快速平衡假說:和酶的濃度方程,產物速率方程,綜合以上方程,消除[ES]得到：whereand.第53頁,共109頁，星期六，2024年，5月54擬穩態：第54頁,共109頁，星期六，2024年，5月55TheneteffectofcompetitiveinhibitionsisanincreasedvalueofKm﹡

withreducedreactionrate,butsamemaximumreactionrate.Furthermore,thecompetitiveinhibitioncanbeovercomebyhighsubstrateconcentration.第55頁,共109頁，星期六，2024年，5月56動力學參數的求解（L-B法）第56頁,共109頁，星期六，2024年，5月57第57頁,共109頁，星期六，2024年，5月58競爭性抑制的抑制百分數i：第58頁,共109頁，星期六，2024年，5月59非競爭性抑制(Non-competitiveInhibitions)ESEISIXP這種抑制劑能結合于酶的非活性中心，但能降低酶與底物的親和力。E+S+I[ES]+IE+P[EI]+S[ESI]Km’Km’KIKI第59頁,共109頁，星期六，2024年，5月60Withsimilarequationsandderivationsasbefore,

Where.wecanget,第60頁,共109頁，星期六，2024年，5月61擬穩態：第61頁,共109頁，星期六，2024年，5月62Theneteffectofnon-competitiveinhibitionsisareductioninrmaxwithsameMichaelis-Mentenconstant.Highsubstrateconcentrationwouldnotovercomenon-competitiveinhibitions.Otherreagentsneedtobeaddedtoblockbindingofittotheenzyme.﹡第62頁,共109頁，星期六，2024年，5月63動力學參數的求解（L-B法）第63頁,共109頁，星期六，2024年，5月64第64頁,共109頁，星期六，2024年，5月65非競爭性抑制的抑制百分數i：第65頁,共109頁，星期六，2024年，5月66反競爭性抑制(UncompetitiveInhibitions)SEI+ESESIXP這種抑制劑僅能與ES復合物結合，而與游離酶不能直接結合。E+S[ES]+IE+P[ESI]Km’KI第66頁,共109頁，星期六，2024年，5月67Withsimilarequationsandderivativesasbefore,whereand.wecanget,第67頁,共109頁，星期六，2024年，5月68擬穩態：第68頁,共109頁，星期六，2024年，5月69Obviously,theneteffectofuncompetitiveinhibitionsisareductioninbothKm﹡andr﹡max,andthenetresultisareductioninreactionrate.第69頁,共109頁，星期六，2024年，5月70動力學參數的求解(L-B法)第70頁,共109頁，星期六，2024年，5月71反競爭性抑制的抑制百分數i：第71頁,共109頁，星期六，2024年，5月72三種抑制的比較動力學參數曲線的相互關系抑制百分率第72頁,共109頁，星期六，2024年，5月73動力學參數的比較

第73頁,共109頁，星期六，2024年，5月74各種抑制的比較競爭性抑制非競爭性抑制反競爭性抑制第74頁,共109頁，星期六，2024年，5月75L-B圖的比較

第75頁,共109頁，星期六，2024年，5月76抑制百分數的比較

定義式競爭性抑制非競爭性抑制反競爭性抑制第76頁,共109頁，星期六，2024年，5月77EE底物抑制(SubstrateInhibitions)S+SXPSESS高濃度的底物會抑制一些酶促反應。E+S[ES]+SE+P[ESS]Km’KSIk+2第77頁,共109頁，星期六，2024年，5月78Withsimilarequationsandderivationsasbefore,變換方程得：Then,wecanget,第78頁,共109頁，星期六，2024年，5月79when,.Namely,thenorNamely,thenorDiscussionsaboutSubstrateInhibitionsThesubstrateconcentrationatwhichthemaximumreactionrate achievescanbeobtainedbysetting,andwecanget,LowsubstrateconcentrationTheoriginMichaelis-Mentenequationobtained,thusnoinhibitionobserved.HighsubstrateconcentrationTheinhibitioneffectisdominant.第79頁,共109頁，星期六，2024年，5月80底物抑制反應的優化第80頁,共109頁，星期六，2024年，5月81Atlowsubstrateconcentration,therateexpressionapproximatestotheMichaelis-Mentenequation,thenthecurveindouble-reciprocalplotisparallelwiththelinearlinedenotedtheinstancewithoutsubstrateinhibition.Similarly,athighsubstrateconcentration,thecurveindouble-reciprocalplot

isinhyperbolicmode.PlotsonSubstrateInhibitions第81頁,共109頁，星期六，2024年，5月82產物抑制(productinhibitions)EESEPPSPE+S+P[ES]E+P[EP]Km’KPk+2第82頁,共109頁，星期六，2024年，5月83第四節

復雜的酶催化反應動力學第83頁,共109頁，星期六，2024年，5月84一、雙底物酶反應動力學順序機制乒乓機制隨機機制第84頁,共109頁，星期六，2024年，5月851.順序機制第85頁,共109頁，星期六，2024年，5月86I.Orderedsequentialmechanisms第86頁,共109頁，星期六，2024年，5月872.乒乓機制第87頁,共109頁，星期六，2024年，5月88II.ping-pongmechanisms第88頁,共109頁，星期六，2024年，5月89第89頁,共109頁，星期六，2024年，5月90III.Randomsequentialmechanisms第90頁,共109頁，星期六，2024年，5月91第91頁,共109頁，星期六，2024年，5月92二、變構酶（AllostericEnzyme）反應動力學又稱別構酶，調節酶，它是一種寡聚酶(由多個亞基組成)。這類酶具有別構部位和活性部位。當底物分子與別構酶結合時，能誘導酶的結構改變，增加酶與底物的結合能力，表現出底物對酶的激活效應。如：已糖激酶、血紅蛋白第92頁,共109頁，星期六，2024年，5月93AllostericEnzymeTherateexpression:wherenisthecooperativitycoefficient(協同系數),andn>1indicatespositivecooperativity.Byrearranging,wehave,n<1indicatesnegativecooperativity.eg,glyceraldehyde3-phosphatedehydrogenase.第93頁,共109頁，星期六，2024年，5月94PlotsonAllostericEnzymes雙曲線S形曲線第94頁,共109頁，星期六，2024年，5月95動力學方程式第95頁,共109頁，星期六，2024年，5月96第五節

反應條件對酶催化反應速率的影響第96頁,共109頁，星期六，2024年，5月97影響酶催化反應速率的因素影響酶催化反應速率的因素有很多，它們會影響到酶的結構或化學狀態。pH溫度表面張力化學試劑(醇,脲和過氧化物)輻射(光,微波,離子化,g

射線等)第97頁,共109頁，星期六，2024年，5月98一pH對酶促反應的影響一些酶的活性中心存在離子基團，因此VariationofpH另一方面，底物分子中包含離子基團，反應體系的pH也有可能會影