双底物酶促反应动力学机理课件.ppt
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- 双底物酶促 反应 动力学 机理 课件
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1、第四节 酶促反应动力学(一)一、底物浓度对酶反应速度的影响二、米氏公式的导出三、米氏方程的讨论四、米氏常数的求法五、多底物的酶促反应动力学一、底物浓度对酶促反应速度的影响一、底物浓度对酶促反应速度的影响2134567800 2 4 6 8底物浓度 mmole生成物浓度806040200S+EP(固定酶的浓度在固定时间内反应)Juang RH (2004) BCbasics(单底物酶促反应)PSE酶与底物先络合成一个中间产物中间产物,然后中间产物进一步分解成产物和游离的酶。 231KEPKESKSE酶的底物饱合现象中间络合物学说非酶催化剂非酶催化剂酶催化剂酶催化剂中间产物假说证据中间产物假说证据
2、Michaelis 与 Menten 提出酶催化动力学MichaelisMentenNelson & Cox (2000) Lehninger Principles of Biochemistry (3e) p.2581913年年*maxSKsSVVKs为底物解离常数(底物常数))(12ESSESEkkKs 231KEPKESKSE二、米氏方程的导出1、根据酶反应的中间复合物学说:、根据酶反应的中间复合物学说:假定E+SES迅速建立平衡,底物浓度远远大于酶浓度下,K3K2即K3反应特别慢,可以忽略不计。米式方程的导出:米式方程的导出:早年的米式方程基于快速平衡假说早年的米式方程基于快速平衡假说
3、 4231KKEPKESKSE在反应的初始阶段,S远远大于E,因此,S可以认为不变。因为研究的是初速度,P的量很小,由P+EES可以忽略不记。 231KEPKESKSE游离的酶与底物形成ES的速度极快(快速平衡)快速平衡),而ES形成产物的速度极慢,故,ES的动态平衡与ESP+E没有关系(既K1、K2K3)ES的生成速度:K1(E - ES)SES的分解速度:K2ESK1(E - ES)S = K2ES121SKKSEKES反应速度:max1233SKSVSKKSEKESKVSKS现在称为底物常数 231KEPKESKSE 米氏推导酶促反应速度公式时,认为ES的积累是快速平衡的结果,而没有考虑
4、ESE+P这一步。而Briggs认为应当考虑这一步,因为并不总是K3K2, ESE+P这一步也可能速度很快,这时,E,S和ES将不能处于一个平衡状态。布氏提出稳态理论。1925年Briggs和Haldane提出稳态理论ES+P+ES 的生成量与消失量相等,故平衡时 ES 浓度成一稳定状态。SEESteady State 时 ES 的浓度恒定SPEES反应时间浓度Juang RH (2004) BCbasicsBriggs的酶促反应模型:ESESEP+k1k2k3k4布氏提出以下假设:1.反应开始时,P = 0,不足已产生逆反应.测定酶的反应速度一般是测定反应的初速度,即产物浓度变化在5%以内的
5、速度.2. ES0即反应中 S=.S03.反应开始后,反应立刻进入恒态状态,ES浓度处于稳定状态的形成速度等于其分解速度.ES稳态理论(Steady State theory)的假设稳态理论下米氏方程的推导E + S ES E + P(vo)k2k1k3 k1ES = k2 ES + k3 ES vo=Vmax SKm + SE0 = E + ESvo = k3 ESVmax = k3 E0酶必须先与底物结合ES 的生成量的生成量 等等于于其消失量其消失量ES 浓度恒定Steady State由上式出发可推得Michaelis-Menten 公式Juang RH (2004) BCbasics
6、E0酶的总量酶的总量稳态理论下米氏方程的推导E + S ES E + P(vo)k2k1k3推导:的生成速度:的分解速度:ESESddtES=k1E S包括正向:负向:ESESEP+E+Pk2k3ddtES-= k2ES + k3ES当进入稳态时:ddtES=ddtES-即: k1E S =k2ES + k3ES =ES k2+k3S又由酶的恒等式:E0EES=+E=E0-ES则: k1E0-ESS= ES k2+ k3整理:E0S-ESS=k2+ k3k1ES令:k2+ k3k1= km则:E0S-ES S=ESkmE0S = ESkm+ SES =E0Skm+ Sv= k3ES = k3E
7、0Skm+ SVmax=k3E0因:故:v=VmaxSkm+ S稳态理论下米氏方程的推导E0 = E + ESvo = k3 ESVmax = k3 E0E0酶的总量酶的总量当SKm时当S=Km时2maxmaxVSKSVVmmaxmaxmaxVSSVSKSVVm米氏方程定量的表达了反应初速度与底物浓度之间的关系米氏方程定量的表达了反应初速度与底物浓度之间的关系与实验结果相符合。与实验结果相符合。三、米氏方程的讨论1.米氏方程的意义米氏方程的意义物理意义物理意义: 当反应速度达到最大反应速度(Vmax)的一半时的底物浓度.Km的引伸意义的引伸意义:Km是酶学研究中的重要研究数据,表示了酶的一个基
8、本性质.uKm值是酶的特征常数之一酶的特征常数之一,与酶的性质酶的性质有关,而与酶的酶的浓度浓度无关,不同的酶,其Km值不同.u对于专一性不强的酶来说对于每一个底物都有一个相应的Km值.2、米式方程中各参数的意义、米式方程中各参数的意义1)Km的意义的意义三、米氏方程的讨论uKm与天然底物与天然底物Km最小的底物称该酶的最适底物或天然底物。因为:Km愈小(达到Vmax一半所需的底物浓度愈小)表示V对S 越灵敏。 VS1/2VmaxKm三、米氏方程的讨论u快速平衡假说与稳态平衡假说的实质区别快速平衡假说与稳态平衡假说的实质区别当K1、K2K3时,即ESP+E是整个反应平衡中极慢的一步SKKKKK
9、KKm12132maxmaxSKSVSKSVVSm“稳态平衡=快速平衡+慢速平衡”:1312132KKKKKKK当当ES P+E极慢(极慢(K3/K1极小)时,稳态平衡基本等于快速平衡极小)时,稳态平衡基本等于快速平衡 231KEPKESKSE三、米氏方程的讨论uKm、Ks与底物亲和力与底物亲和力l Km是ES分解速度(K2+K3)与形成速度(K1)的比值,它包含ES解离趋势(K2K1)和产物形成趋势(K3K1)。l Ks是底物常数,只反映ES解离趋势(底物亲和力),1/Ks可以准确表示酶与底物的亲和力大小。l 只有当K1、K2K3时,KmKs,因此,1/Km只能近似地表示底物亲和力的大小。l
10、 底物亲和力大不一定反应速度大(反应速度更多地与产物形成趋势K3K1有关)131312132KKKKKKKKKKKsm三、米氏方程的讨论2)Km值的用途值的用途根据根据Km推测代谢的方向及程度推测代谢的方向及程度l 根据正逆反应Km的差别及细胞内正逆两相底物的浓度推测酶促反应的正逆方向。l 根据代谢途径中各个酶的Km及其相应底物浓度判断限速步骤( Km最大的步骤不一定是限速步骤)l 根据Km值的大小判断分支代谢的流向l 酶工程与代谢工程中改造酶的Km调控代谢途径(强化则降低Km,弱化则提升Km )三、米氏方程的讨论3)米式方程的用途米式方程的用途(1)根据)根据S求求V(2)根据)根据V(或相
11、对速度(或相对速度a)求)求S三、米氏方程的讨论设定达到最大反应速度的0.9倍时,所需底物浓度为S0.9 S0.9=9Km同理有:S0.8=4Km S0.7=2.33Km S0.6=1.5Km S0.5=1Km S0.1=1/9KmS0.9 /S0.1=81S0.7/S0.1=21三、米氏方程的讨论(3)根据相对速度推测酶活性中心饱和度)根据相对速度推测酶活性中心饱和度当v=Vmax时,表明酶的活性部位已全部被底物占据。当v=1/2Vmax时,表示活性部位有一半被占据。3)米式方程的用途米式方程的用途4)、Vmax与与K3(Kcat)的意义)的意义uVmax不是一个常数,它取决于酶的浓度酶的浓
12、度,它是一个酶反应体系的速度的极限值。Vmax=K3E0uK3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,称为转换数转换数(或催化常数,Kcat),表明酶的酶的最大催化效率最大催化效率三、米氏方程的讨论5)、Kcat/Km表示酶的实际催化效率表示酶的实际催化效率 三、米氏方程的讨论在生理条件下,大多数酶并不被底物所饱和,在体内S/Km的比值通常介于0.01到1之间 maxSKmSEKcatSKmSVvSKm时: SEKmKcatv13213kkkkkKKmcatKcat/Km的上限是的上限是K1,既生成,既生成ES复合物的速度复合物的速度(酶促反应的速度酶促反应的速度不会超过不会超过E
13、S的形成速度的形成速度K1,在水相中不会超过在水相中不会超过108109)只有只有Kcat/Km可以客观地比较不同的酶或同一种酶催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化不同底物的催化效率1、Lineweaver-Burk双倒数作图法双倒数作图法maxmax111VSVKVmmaxSKSVVm四、米氏常数的求法选底物浓度应考虑能否得到选底物浓度应考虑能否得到1/S的常数增量的常数增量uS为1.01、1.11、1.25、1.42、1.66、2.0、2.5、3.33、5.0、10时u1/S为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0是常数增量。p
14、 S为常数增量1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、10时,p 1/S为0.1、0.111、0.125、0.5、1.0,是非常数增量,点多集中在1/v轴附近。l 该作图的缺点是:实验点过分集中在直线的左下方,而低浓度低浓度S的实验点又因倒数后误差较大误差较大,往往偏离直线较远。从而影响Km和Vmax的准确测定。 四、米氏常数的求法2、Eadie-HofsteeVV/S作图法作图法3、Hanes-Woolf作图法作图法 4、Eisenthal作图法作图法 5、Hill作图法作图法mLogKSLognVVVLogmaxmLogKSLognYYLog1(寡聚酶)-LogKmLogS)(VVVLog
15、YYLogmax1四、米氏常数的求法(一)双底物酶促反应动力学机理(一)双底物酶促反应动力学机理l序列反应或单一置换反应:u有序反应Orderedreaction(orderedBiBi)u随机反应Randomreactions(randomBiBi)l乒乓反应或双置换反应五、多底物的酶促反应动力学QPBA酶1、有序反应机理有序反应机理只有先导底物A(Leadingsubstrate)首先与酶结合,然后B才能与酶结合,形成的三元复合物EAB(ternarycomplex)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结合五、多底物的酶促反应动力学E AE AEB QE
16、P QE EABPQ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2、随机反应机理随机反应机理 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。五、多底物的酶促反应动力学l限速步骤是限速步骤是AEBQEPlA与与Q相互竞争相互竞争E上的底物结合部位上的底物结合部位A,B与与P相互竞争相互竞争E上的上的底物结合部位底物结合部位Bl反应的总方向决定于反应的总方向决定于A、B、Q、P的浓度和反应的平衡常数的浓度和反应的平衡常数3、乒乓反应机理乒乓反应机理五、多底物的酶促反应动力学整个反应历程中只有二元复合物
17、形式,没有三元复合物形式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谷氨酸:草酰乙酸氨基转移酶符合双置换、双底物机制的酶(二)双底物反应的动力学方程1、乒乓机制的动力学方程、乒乓机制的动力学方程 maxBAAKBKBAVVBmAmmaxmaxmax1111VBVKAVKVBmAmKmA: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五、多底物的酶促反应动力学2、序列机制的底物动力学方程、序列机制的底物动力学方程BmAsmaxKKBAAKBKBAVVBmAm 11111maxmaxmaxmaxBAVKKVBVKAVKVBmABmAms五、
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