1、2006-1-7,上海大学生命科学学院,第九章 酶促反应动力学,一、化学动力学基础,二、底物浓度对酶反应速率的影响,三、酶的抑制作用,四、温度对酶反应速度的影响,五、pH对酶反应的影响,六、激活剂对酶反应的影响,2006-1-7,上海大学生命科学学院,一、化学动力学基础,化学反应的两个基本问题：（1）反应进行的方向、可能性和限度；（2）反应进行的速率和反应机制。,（一）反应速率及其测定,反应速率是以单位时间内反应物或生成物浓度的改变来表示。用瞬时速率表示反应速率： v =dc/dt反应速率的测定实际上就是测定不同时间的反应物或生成物的浓度。,2006-1-7,上海大学生命科学学院,（二）反应分
2、子数和反应级数,1. 反应分子数：在反应中真正相互作用的分子的数目。单分子反应，双分子反应，判断一个反应是单分子反应还是双分子反应，应先了解反应机制，即反应过程中各个单元反应是如何进行的。,2. 反应级数：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。一级反应，二级反应，零级反应。,2006-1-7,上海大学生命科学学院,（三）各级反应的特征,1. 一级反应凡是反应速率只与反应物的浓度的一次方成正比的，这种反应就称为一级反应。速率常数与半衰期成反比，半衰期与反应物的初浓度无关。2. 二级反应凡是反应速率与反应物浓度二次方（或两种物质浓度的乘积）成正比的，这
3、种反应就称为二级反应。半衰期与初浓度成反比。3. 零级反应凡是反应速率与反应物浓度无关而受它种因素影响而改变的反应。半衰期与初始浓度成正比。,2006-1-7,上海大学生命科学学院,二、底物浓度对酶反应速率的影响,（一）中间络合物学说,1903年，Henri用蔗糖酶水解蔗糖的实验,在低底物浓度时, 反应速度与底物浓度成正比，表现为一级反应特征。随着底物浓度的增加, 反应速度不再按正比升高，反应表现为混合级反应。当底物浓度达到一定值，反应速度达到最大值（Vmax），此时再增加底物浓度，反应速度不再增加，表现为零级反应。,2006-1-7,上海大学生命科学学院,酶与底物的中间络合物学说（Henri
4、和Wurtz）,S+E ES P+E,中间产物假说证据： （1）ES复合物已被电子显微镜和X射线晶体结构分析直接观察到。（2）酶和底物的光谱特性在形成ES后发生变化。（3）酶的物理性质经常在形成ES后发生变化。（4）已分离得到ES复合物。（5）平衡透析时，底物浓度在半透膜内外不等。,（二）酶促反应的动力学方程式,1.米氏方程式的推导,推导原则：从酶被底物饱和的现象出发，按照 “稳态平衡”假说的设想进行推导。,米氏方程:,米氏常数:,米氏方程的推导,令：,将（4）代入（3），则：,ES生成速度：,，ES分解速度：,即：,则：,由于酶促反应速度由ES决定，即,将（2）代入（1）得：,(3),当酶反
5、应体系处于恒态时：,当Et=ES时，,酶反应速度与底物浓度的关系曲线,当S Km时,当SKm时,当S=Km时,本条件可准确测定酶活力,Km的物理意义,2006-1-7,上海大学生命科学学院,2.动力学参数的意义,（1）米氏常数的意义,a.不同的酶具有不同Km值，它是酶的一个重要的特征物理常数,只与酶的性质有关，而与其浓度无关。b.Km值只是在固定的底物，一定的温度和pH条件下，一定的缓冲体系中测定的，不同条件下具有不同的Km值。c.Km值表示酶与底物之间的亲和程度：Km值大表示亲和程度小，酶的催化活性低; Km值小表示亲和程度大,酶的催化活性高。（同一种酶有几种底物就有几个Km值，其中Km值最
6、小的底物一般称为该酶的最适底物或天然底物） 一般情况下，1/Km可以近似地表示酶对底物的亲和力大小， 1/Km愈大，表明亲和力愈大。,所以1/Km表示形成ES的趋势大小,特例： Km=K2/K1=Ks(在K3K1，K2时),d. Km与Ks Km不等于Ks。在K3K1、K2时， Km看作Ks，也只有此时1/Km 才可以近似表示酶与底物结合的难易程度。 e. Km与Km 无抑制剂时，ES的分解速度与形成速度的比值符合米氏方程，为Km; 而有抑制剂时发生变化，则不符合米氏方程，为Km 。,2006-1-7,上海大学生命科学学院,f.Km和米氏方程的实际应用 若已知某个酶的Km值，可以计算在某一个底
7、物浓度时，反应速度相当于最大反应速度的百分率。g.Km可以帮助推断某一反应的方向和途径,2006-1-7,上海大学生命科学学院,（2）Vmax和k3(kcat)的意义,在一定的酶浓度下，Vmax是一个常数，它只与底物的种类及反应条件有关。,当S很大时，Vmax=K3 E,K3代表酶被底物饱和时每秒钟每个酶分子转换底物的分子数，称为转换数（或催化常数，Kcat）， 表明酶的最大催化效率。,转换数的倒数即为催化周期：一个酶分子每催化一个底物分子所需的时间。乳糖脱氢酶转换数为1000/秒，则它的催化周期为10-3秒,（3） Kcat/Km 的意义,在生理条件下， S/Km=0.011.0,SKm 时
8、：,Kcat/Km的上限是K1，即生成ES复合物的速度(酶促反应的速度不会超过ES的形成速度K1，在水相中不会超过108109）,衡量酶催化效率的参数：即其大小可以比较不同酶或同一种酶催化不同底物的催化效率,2006-1-7,上海大学生命科学学院,只有Kcat/Km可以客观地比较不同的酶或同一种酶催化不同底物的催化效率,2006-1-7,上海大学生命科学学院,3.利用作图法测定Km和Vmax值,（1）Lineweaver-Burk 双倒数作图法米氏方程的双倒数形式：,基本原则：将米氏方程变化成相当于y=ax+b的直线方程，再用作图法求出Km。,1 Km 1 1 = . + v Vmax S V
9、max,2006-1-7,上海大学生命科学学院,（2） Eadie-Hofstee 作图法,vv/S作图法,v,Vmax,-Km,2006-1-7,上海大学生命科学学院,（3） Hanes-Woolf 作图法,1 Km 1 1 = . + v Vmax S Vmax,在,两边均乘以S：,以 S作图,-Km,S,（4）Eisenthal 作图法,（5）Hill 作图法,（寡聚酶）,2006-1-7,上海大学生命科学学院,（三）多底物的酶促反应,1.多底物酶促反应按动力学机制分类,有序反应,只有Leading substrate (领先底物A)首先与酶结合，然后B才能与酶结合，形成的三元复合物EA
10、B（ternary complex)转变为EPQ，B 的产物P先释放，A的产物Q后释放。在缺少A时，B不能与E结合,E+A+BAEBPEQE+P+Q,（1）序列反应,2006-1-7,上海大学生命科学学院,A与其产物Q相互竞争地结合E，但A和B互不竟争反应的总方向决定于A、Q的浓度和反应的平衡常数,NAD 与NADH相互竞争E上的NAD结合部位,随机反应,底物A、B与酶结合的顺序是随机的，形成的三元复合物AEB QEP，产物P、Q的释放顺序也是随机的。,限速步骤是AEB QEPA与Q相互竞争E上的底物结合部位A，B 与P相互竞争E上的底物结合部位B反应的总方向决定于A、B、Q、P的浓度和反应的
11、平衡常数,（2）乒乓反应,底物A先与E结合成AE二元复合物，AE PF（修饰酶形式），释放第一个产物P，接着底物B与F形成FB，FB EQ，释放第二个产物Q。A与Q 竞争自由酶形式E ，B与P竞争修饰酶形式F。整个反应历程中只有二元复合物形式，没有三元复合物形式。,2.双底物反应的动力学方程,（1）乒乓机制的动力学方程,KmA： B达到饱和浓度时A的米氏常数KmA： A的表观米氏常数Vmax：AB都达到饱和浓度时的最大反应速度,2006-1-7,上海大学生命科学学院,乒乓机制的动力学曲线是两组平行直线表观米氏常数KmA（KmB）随B（ A）浓度的增大而增大表观最大反应速度Vmax随B（A）的增
12、大而增大,（2）序列机制的底物动力学方程,2006-1-7,上海大学生命科学学院,序列机制的动力学曲线是两组相交直线（交于X轴负侧）交点在X轴：表观KmA（KmB）不随B（A）浓度变化而变化（ KmA= KmA 、 KmB= KmB）交点在X轴上：表观KmA（KmB）随B（A）浓度的增加而减小交点在X轴下：表观KmA（KmB）随B（A）浓度的增加而增大表观最大反应速度Vmax随B（A）的增大而增大,2006-1-7,上海大学生命科学学院,三、酶的抑制作用,变性作用(denaturation)：抑制作用(inhibiton)：使酶活力下降或丧失但并不引起酶蛋白变性变性剂没有选择性抑制剂有不同程度
13、的选择性研究抑制剂对酶的作用有重大的意义：（1）药物作用机理和抑制剂型药物的设计与开发（2）了解生物体的代谢途径，进行人为调控或代谢控制发酵（3）通过抑制剂试验研究酶活性中心的构象及其化学功能基团，不仅可以设计药物，而且也是酶工程和化学修饰酶、酶工业的基础,2006-1-7,上海大学生命科学学院,（一）抑制程度的两种表示方法,1、相对活力,相对活力分数 (残余活力),相对活力百分数*100%,2、抑制率,抑制分数 （被抑制活力）,抑制百分数,2006-1-7,上海大学生命科学学院,（二）抑制作用的类型,1、不可逆的抑制作用抑制剂与酶活性中心（外）的必需基团共价结合，使酶的活性下降，无法用透析、
14、超滤等物理方法除去抑制剂而使酶复活。,2、可逆的抑制作用 抑制剂与酶蛋白非共价键结合，可以用透折、超滤等物理方法除去抑制剂而使 酶复活。,2006-1-7,上海大学生命科学学院,（1）竞争性抑制（Competitive inhibition）抑制剂具有与底物类似的结构，竞争酶的活性中心，并与酶形成可逆的EI复合物，阻止底物与酶结合。可以通过增加底物浓度而解除此种抑制。,2006-1-7,上海大学生命科学学院,（2）非竞争性抑制（noncompetitive inhibition）底物和抑制剂可以同时与酶结合，但是，中间的三元复合物ESI不能进一步分解为产物，因此，酶的活性降低。抑制剂与酶活性中
15、心以外的基团结合，其结构可能与底物无关。不能通过增加底物浓度的办法来消除非竞争性抑制作用。,2006-1-7,上海大学生命科学学院,（3）反竞争性抑制酶只有在与底物结合后，才能与抑制剂结合。E+SES+I ESI P常见于多底物的酶促反应中,2006-1-7,上海大学生命科学学院,（三）可逆抑制作用与不可逆抑制作用的鉴别,1、通过透析、超滤、凝胶过滤等2、通过v-E速度曲线,E,v,1,2,3,(1) 反应体系中不加I。,(2) 反应体系中加入一定量的不可逆抑制剂。,(3)反应体系中加入一定量的可逆抑制剂。,2006-1-7,上海大学生命科学学院,I 增高,I 增高,3、通过可逆抑制剂的动力学
16、曲线可以区分三种可逆抑制作用,（四）可逆抑制作用动力学,1、竞争性抑制,动力学方程：,（Ki为EI的解离常数）,Vmax不变; Km变大，而且随I浓度的增大而增大。,相对活力：,抑制分数：,抑制程度决定于I、S、Km和Ki,2、非竞争性抑制,动力学方程：,Km不变，Vmax降至Vmax/（1+I/Ki）,相对活力：,抑制分数：,抑制程度决定于I和Ki ，与底物的Km和S无关,3、反竞争性抑制,动力学方程：,Km及Vmax都变小,相对活力：,抑制分数：,抑制程度决定于Km、Ki、S、I,2006-1-7,上海大学生命科学学院,可逆抑制的动力学比较,抑制类型 Vmax变化 Km变化无抑制剂 / /
17、竞争性抑制作用 不变 变大非竞争性抑制作用 变小 不变 反竞争性抑制作用 变小 变小,2006-1-7,上海大学生命科学学院,（五）一些重要的抑制剂,1、不可逆抑制剂：,（1）非专一性不可逆抑制剂 与酶的活性中心以及活性中心外的某一类或几类必需基团反应,有机磷的酰化物二异丙基磷酰氟（DFP，神经毒气）和许多有机磷农药。抑制机理：与蛋白酶及酯酶活性中心Ser的OH形成磷脂键。毒理：强烈抑制乙酰胆碱脂酶（神经毒剂）。解毒剂：PAM（解磷定）可以把酶上的磷酰基团除去。,2006-1-7,上海大学生命科学学院,有机汞、有机砷化合物抑制机理：使酶的巯基烷化毒理：主要与还原型硫辛酸辅酶反应，抑制丙酮酸氧化
18、酶系统。解毒剂：二巯基丙醇（BAL）、Cys、GSH等过量的巯基化合物。,2006-1-7,上海大学生命科学学院,重金属 Ag、Cu、Hg、Cd、Pb能使大多数酶失活，EDTA可解除。、烷化物含卤素的烷化物（碘乙酸、碘乙酰胺、卤乙酰苯等）常用于鉴定酶中巯基。氰化物、硫化物、CO与含铁卟啉的酶中的Fe2+结合，阻抑细胞呼吸,2006-1-7,上海大学生命科学学院,青霉素不可逆抑制糖肽转肽酶还原剂巯基乙醇、二硫苏糖醇等巯基试剂还原酶的二硫键、含活泼双键试剂（与、反应）乙基顺丁烯二酰亚胺 亲电试剂四硝基甲烷，可使Tyr硝基化。,2006-1-7,上海大学生命科学学院,（2） 专一性不可逆抑制剂此类抑
19、制剂仅仅和某一种酶的活性部位的必需基团反应。,Ks型不可逆抑制剂（亲和标记试剂，亲和修饰试剂）具有与底物相似的结构，同时还带有一个能与酶活性中心或活性中心外的必需基团进行化学反应的活泼基团。专一性程度取决于它与活性中心及活性中心外的的Ks之比。胰乳蛋白酶的最佳底物：对-甲苯磺酰-L-苯丙氨酸甲酯Ks型不可逆抑制剂：对甲苯磺酰-L-苯丙氨酰氯甲烷（TPCK）-CH2-Cl与酶活性部位的一个His-咪唑基距离很近，很易使之烷基化。,2006-1-7,上海大学生命科学学院, Kcat型不可逆抑制剂（自杀性底物）具有与底物相似的结构，不仅能与酶结合，而且潜伏的反应基团（latent reactive
20、group）能被酶催化而活化，并与酶活性中心必需基团进行不可逆结合。,2006-1-7,上海大学生命科学学院,2、可逆抑制剂,竞争性抑制剂许多代谢类似物都是竞争性抑制剂，可用作抗菌药和抗癌药物。磺胺类药物及其作用机理对氨基苯磺酰胺或其衍生物对氨基苯甲酸的结构类似物，竞争性抑制细菌的二氢叶酸合成酶活性,2006-1-7,上海大学生命科学学院,抑制剂与药物开发Kcat型不可逆抑制剂的专一性程度很强，前景广阔底物类似物型的竞争性抑制剂最易开发过度态底物类似物型药物最具价值(高效特异),2006-1-7,上海大学生命科学学院,四、温度对酶促反应速度的影响,（一）最适温度及影响因素 温度对酶促反应速度的
21、影响有两个方面： 提高温度，加快反应速度。提高温度，酶变性失活。温度系数Q10：温度升高10，反应速度与原来的反应速度之比，大多数酶的Q10一般为12。温血动物的酶，最适温度3540，植物酶最适温度4050，细菌Taq DNA聚合酶70。最适温度不是酶的特征常数，它与底物种类、作用时间、pH、离子强度 等因素有关。,2006-1-7,上海大学生命科学学院,（二）酶的稳定性温度在某一时间范围内，酶活性不降低的最高温度称该酶的稳定性温度。酶浓度高、不纯、有底物、抑制剂和保护剂会使稳定性温度增高。酶的保存：液体酶制剂可以利用上述5种因素中的几种，低温短暂保存。冻干粉可在低温冰箱中较长期保存。,200
22、6-1-7,上海大学生命科学学院,五、pH对酶促反应速度的影响,1. pH影响酶活力的因素影响酶蛋白构象，过酸或过碱会使酶变性。影响酶和底物分子解离状态，尤其是酶活性中心的解离状态，最终影响ES形成。影响酶和底物分子中另外一些基团解离，这些基团的离子化状态影响酶的专一性及活性中心构象。,2006-1-7,上海大学生命科学学院,2酶的最适pH和稳定性pH最适pH：使酶促反应速度达到最大时的介质pH。最适pH与底物种类、浓度及缓冲液成分有关。,虽然大部分酶的pH酶活曲线是钟形，但也有半钟形甚至直线形。,2006-1-7,上海大学生命科学学院,六、激活剂对酶促反应的影响,凡是能提高酶活性的物质，都称
23、为激活剂。1、无机离子的激活作用（1）金属离子：K+ 、Na+、Mg2+ 、Zn2+、Fe2+ 、Ca2+（2）阴离子：Cl-、Br-、PO43-（3）氢离子不同的离子激活不同的酶。不同离子之间有拮抗作用和可替代作用，如Na+与K+、Mg2+与Ca2+之间常常拮抗，但Mg2+与Zn2+常可替代。激活剂的浓度要适中，过高往往有抑制作用，150mM,2006-1-7,上海大学生命科学学院,2、简单有机分子的激活作用还原剂（如Cys、还原型谷胱甘肽）能激活某些活性中心含有SH的酶。金属螯合剂（EDTA）能去除酶中重金属离子，解除抑制作用。3、蛋白酶对酶原的激活,2006-1-7,上海大学生命科学学院,
