酶促反应动力学教学课件.ppt

1、第章酶促反应动力学（一）基元反应和化学计量方程（二）化学反应的速率方程基元反应瞬时速率基元反应速率方程 （三）反应分子数和反应级数（三）反应分子数和反应级数1.反应分子数：反应分子数：反应中真正相互作用的反应中真正相互作用的分子的数目。分子的数目。单分子反应：单分子反应：A P 双分子反应：双分子反应：A+B P+Q 反应级数：反应级数：速率方程中反应物浓度的速率方程中反应物浓度的指数或指数和。指数或指数和。单分子反应单分子反应 v=kc 双分子反应双分子反应 v=kc1c2 c、c1、c2 反应物浓度反应物浓度（mol/l）k比例常数比例常数/反应速率常数反应速率常数2.反应级数反应级数 能

2、以能以v=kc表示，为一级反应；表示，为一级反应；能以能以v=kc1c2表示，则为二级反应；表示，则为二级反应；v 与反应物浓度无关，则为零级反应。与反应物浓度无关，则为零级反应。双分子反应、一级反应双分子反应、一级反应（四）各级反应的特征 1.一级反应 反应速率与反应物浓度的一次方成正比。v =kc C0C0/20tPCt反应物的消耗反应物的消耗产物的增加产物的增加半衰期半衰期t1/2：有一半反应物转化为产物所需的时间有一半反应物转化为产物所需的时间lnC0lnC0/20tCtk当当t=t时时，c c=1/2c c0 0,则则t0.693k,即半衰期与反应即半衰期与反应物的初浓度无关。物的初

3、浓度无关。2.二级反应：二级反应：v=k（a-x）（）（b x）a、b：反应物反应物A、B的初浓度的初浓度 x：t时已发生反应的物质浓度时已发生反应的物质浓度（a-x）、（）、（b x）：）：t时后时后A、B的浓度的浓度3.零级反应零级反应：v=k一级反应：半衰期与反应物的初浓度无关一级反应：半衰期与反应物的初浓度无关二级反应：半衰期与反应物的初浓度成反比二级反应：半衰期与反应物的初浓度成反比零级反应：半衰期与反应物的初浓度成正比零级反应：半衰期与反应物的初浓度成正比E+S ES P+E二、中间络合物学说二、中间络合物学说 k4三个假设：三个假设：（1）E与与S形成形成ES复合物的反应是快速平

4、衡反应，而复合物的反应是快速平衡反应，而 ES分分解为解为E及及P的反应为慢反应，反应速度取决于慢反应即的反应为慢反应，反应速度取决于慢反应即 Vk3ES。（2）S的总浓度远远大于的总浓度远远大于E的总浓度，因此在反应的初始阶的总浓度，因此在反应的初始阶段，段，S的浓度可认为不变即的浓度可认为不变即SSt。（3）P0 忽略忽略 这步反应这步反应 ESE+Pk4E+S ESE+P三、底物浓度对酶反应速率的影响三、底物浓度对酶反应速率的影响（一）底物浓度对酶反应速率的影响底物浓度对酶反应速率的影响（文字描文字描述述）1 1、底物浓度低时，反应速率与底物成正比，为、底物浓度低时，反应速率与底物成正比

5、，为一级反应。一级反应。2 2、底物浓度较高时，反应速率随底物浓度升高、底物浓度较高时，反应速率随底物浓度升高而增加，但不成正比，为混合级反应。而增加，但不成正比，为混合级反应。3 3、底物浓度达到某一恒定值时，反应速率达到、底物浓度达到某一恒定值时，反应速率达到最大，不在增加。为零级反应。最大，不在增加。为零级反应。（二）反应速度与底物浓度关系的数学方程反应速度与底物浓度关系的数学方程式式米氏方程米氏方程（方程描述（方程描述)VmaxS Km+S S：底物浓度：底物浓度V：不同：不同S时的反应速度时的反应速度Vmax：最大反应速度：最大反应速度(maximum velocity)m：米氏常数

6、：米氏常数(Michaelis constant)关于米氏方程的推导与发展？关于米氏方程的推导与发展？（了解）（了解）E+S ES P+EKm=k2+k3 k1稳态时稳态时ES浓度不变浓度不变反应速度反应速度 V0=k3ES ()最大反应速度最大反应速度 Vm=k3Et ()ES的生成速度的生成速度=消耗速度消耗速度 k1ES=k2ES+k3ES ()E的质量平衡方程的质量平衡方程 E=Et ES()E+S ES P+E反竞争性抑制(uncompetitive I.在B的浓度达到饱和时A的米氏常数kcatEtSv 与反应物浓度无关，则为零级反应。对于简单的二步反应，Km的意义是真实解离常数；E

7、+S ES P+E2、在达到最适温度以后，反应速度随温度升高而下降。抑制剂与酶必需基团以牢固的共价键相连其大小可用于比较酶的催化效率。半衰期t1/2：有一半反应物转化为产物所需的时间青霉素（penicillin）（三）激活剂对酶反应的影响如肌酸激酶使肌酸磷酸化的反应Km是酶的特性常数Km不变，Vmax变小对于多步反应，Km的意义是表观解离常数。影响底物分子解离状态有序反应（ordered reactions）（3）kcat/km的意义：Km 变大，Vmax不变E+S ES P+EV=V V0 0SKm+SKm=k2+k3 k1 a.a.当当SS很小时很小时V=VS/Km V=VS/Km 反应反

8、应b.b.当当SS很大时很大时V=VS/S=V 0 V=VS/S=V 0 级反应级反应混合级混合级（三）米氏曲线米氏曲线（图形描述）（图形描述）（四）动力学参数的意义（四）动力学参数的意义1、米氏常数、米氏常数Km的意义的意义KmS（1）定义：）定义：Km值等于酶促反应速度为最大反应速度一值等于酶促反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度，单位是半时的底物浓度，单位是mol/L。2Km+S Vmax VmaxS（四）动力学参数的意义（四）动力学参数的意义1、米氏常数、米氏常数Km的意义的意义（2）意义：）意义：对于简单的二步反应，对于简单的二步反应，Km的意义是真实解离常数；的意义是真实解离常数

9、；对于多步反应，对于多步反应，Km的意义是表观解离常数。的意义是表观解离常数。其它 Km是酶的特性常数 与pH、温度、离子强度、酶及底物种类有关，与酶浓度无关，可以鉴定酶。酶酶底物底物Km(mmol/L)Km(mmol/L)脲酶脲酶尿素尿素25溶菌酶溶菌酶6-N-乙酰葡萄糖胺乙酰葡萄糖胺0.006葡萄糖葡萄糖-6-磷酸脱磷酸脱氢酶氢酶6-磷酸磷酸-葡萄糖葡萄糖0.058胰凝乳蛋白酶胰凝乳蛋白酶苯甲酰酪氨酰胺苯甲酰酪氨酰胺2.5甲酰酪氨酰胺甲酰酪氨酰胺12.0乙酰酪氨酰胺乙酰酪氨酰胺32.0可以判断酶的专一性和天然底物可以判断酶的专一性和天然底物Km值最小的底物值最小的底物最适底物最适底物/天然

10、底物天然底物1/Km近似表示酶对底物的亲和力：近似表示酶对底物的亲和力：1/Km越大、亲和力越大越大、亲和力越大Km=k2+k3 k1Kmk2（分离能力）（分离能力）/k1（亲合能力）（亲合能力）E+S ES P+EKm越小，亲和力越强。越小，亲和力越强。SS很小时，反应速度就能达到很大。很小时，反应速度就能达到很大。性能优，代谢中这类酶更为重要性能优，代谢中这类酶更为重要k2k3时时E+S ES P+E Km可帮助判断某代谢反应的方向和途径可帮助判断某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/逆两向底物逆两向底物Km不同不同 Km较小者为主要底物较小者为主要底物根据根据K

11、m：判断某判断某s时时v与与Vmax的关系的关系判断抑制剂的类型判断抑制剂的类型（2）Vmax和和k3（kcat)的意义的意义一定酶浓度下，酶对特定底物的一定酶浓度下，酶对特定底物的Vmax也是一也是一个常数。个常数。S很大时，很大时，Vmax k3E。k3表示当酶被底物饱和时，每秒钟每个酶分子表示当酶被底物饱和时，每秒钟每个酶分子转换底物的分子数，转换底物的分子数，又称为转换数、催化常数又称为转换数、催化常数kcat kcat越大，酶的催化效率越高越大，酶的催化效率越高（3）kcat/km的意义：的意义：V=V VmaxSKm+SVmax=kcatEt V=kcatEtSKm+S当S Km时

12、，EEt是是E和和S反应形成产物的表观二级速率常数。反应形成产物的表观二级速率常数。其大小可用于比较酶的催化效率。其大小可用于比较酶的催化效率。kcat/km kcat/km的上限为的上限为k1,即生成即生成ES的速率，即酶的速率，即酶的催化效率不超过的催化效率不超过E和和S形成形成ES的结合速率的结合速率kcat/kmkcat/km的大小可以比较不同酶或同一种酶的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（催化效率指数、催化不同底物的催化效率（催化效率指数、专一性常数）。专一性常数）。（1）Lineweaver-Burk双倒数作图法双倒数作图法（五）（五）KmKm与与VmVm的求取的

13、求取林林-贝氏方程贝氏方程抑制作用可通过透析等方法除去。半衰期t1/2：有一半反应物转化为产物所需的时间 在A的浓度达到饱和时B的米氏常数V=VS/S=V 0 级反应O OR+EOHKm不变，Vmax变小 Km可帮助判断某代谢反应的方向和途径温度升高，活化分子越多，反应速度快；磺胺类药抗菌机理（与对氨基苯甲酸是结构类似物）动物酶 3540E+S ES P+E1/Km近似表示酶对底物的亲和力：一级反应：半衰期与反应物的初浓度无关关于米氏方程的推导与发展？Q EQ EB B对于多步反应，Km的意义是表观解离常数。（三）激活剂对酶反应的影响其大小可用于比较酶的催化效率。（3）kcat/km的意义：可

14、逆和不可逆抑制作用的鉴别（二）温度对酶反应的影响（2）Eadie-Hofstee作图法作图法v=Vmax-KmvS v VSVmax斜率斜率Km四、多底物的酶促反应动力学四、多底物的酶促反应动力学 分为单底物、双底物和三底物反应分为单底物、双底物和三底物反应1.酶促反应按底物分子数分类：酶促反应按底物分子数分类：有序反应（有序反应（ordered reactions）先导底物先导底物释放释放释放释放A和和Q竞争地与自由酶结合竞争地与自由酶结合（1 1）序列反应或单置换反应）序列反应或单置换反应2.多底物反应按动力学机制分类：多底物反应按动力学机制分类：随机反应（随机反应（random reac

15、tions）如肌酸激酶使肌酸磷酸化的反应如肌酸激酶使肌酸磷酸化的反应 A AE PE P E E Q EQ EB B A和和Q竞争自由酶竞争自由酶E形式形式 B和和P竞争修饰酶形式竞争修饰酶形式E A和和Q不同不同E结合结合 B和和P也不与也不与E结合。结合。(2)乒乓反应或双置换反应乒乓反应或双置换反应3.3.双底物反应的动力学方程双底物反应的动力学方程（1）序列机制的底物动力学方程及动力学图）序列机制的底物动力学方程及动力学图 在在B的浓度达到饱和时的浓度达到饱和时A的米氏常数的米氏常数 在在A的浓度达到饱和时的浓度达到饱和时B的米氏常数的米氏常数 底物底物A与酶结合的解离常数与酶结合的解

16、离常数 底物底物A、B都达到饱和时最大反应速率都达到饱和时最大反应速率（2）乒乓机制的底物动力学方程及动力学图）乒乓机制的底物动力学方程及动力学图 在在B的浓度达到饱和时的浓度达到饱和时A的米氏常数的米氏常数 在在A的浓度达到饱和时的浓度达到饱和时B的米氏常数的米氏常数 底物底物A、B都达到饱和时最大反应速率都达到饱和时最大反应速率五、影响酶促反应速率的其它因素可以判断酶的专一性和天然底物 Km可帮助判断某代谢反应的方向和途径（四）动力学参数的意义P +EOH P +HX利用竞争性抑制是药物设计主要思路V=VS/Km 一级反应人通过食物直接补充叶酸，对人无毒害。温度升高，活化分子越多，反应速度

17、快；催化可逆反应的酶对正/逆两向底物Km不同与对氨基苯甲酸竞争二氢叶酸合成酶（一）基元反应和化学计量方程单分子反应：A PE+S ES P+EQ EQ EB B零级反应：半衰期与反应物的初浓度成正比S很小时，反应速度就能达到很大。青霉素（penicillin）（二）化学反应的速率方程 （一）（一）pH 对酶反应的影响对酶反应的影响w最适最适pH时的酶活力时的酶活力最大最大最适最适pH因酶而异，因酶而异，多数酶在多数酶在7.0左右左右是酶的特性之一，是酶的特性之一，但不是特征常数但不是特征常数pH最适最适 pHv影响影响原因：原因：过酸过硷过酸过硷导致酶蛋白变性导致酶蛋白变性 影响酶分子解离状态

18、、影响酶的活性中心影响酶分子解离状态、影响酶的活性中心构象构象 影响底物分子解离状态影响底物分子解离状态 （二）温度对酶反应的影响（二）温度对酶反应的影响影响：影响：1、在达到最适温度以、在达到最适温度以前，反应速度随温度前，反应速度随温度升高而加快。升高而加快。2、在达到最适温度以、在达到最适温度以后，反应速度随温度后，反应速度随温度升高而下降。升高而下降。原因：原因：温度升高，活化分子越多，反应速度快；温度升高，活化分子越多，反应速度快；当温度过高，酶变性，反应速度下降。当温度过高，酶变性，反应速度下降。几个概念：几个概念：温度系数：温度系数：最适温度：最适温度：酶的最适温度不是一个固定不

19、变的常数。酶的最适温度不是一个固定不变的常数。最适温度最适温度w动物酶动物酶 3540w植物酶植物酶 4050w微生物微生物 大部分大部分 4050w个别高温菌个别高温菌 90以上以上（三）激活剂对酶反应的影响（三）激活剂对酶反应的影响定义：凡是能提高酶活性的物质，称为酶的激定义：凡是能提高酶活性的物质，称为酶的激活剂（活剂（activator）类别类别 金属离子：金属离子：K+、Na+、Mg2+、Cu2+、Mn2+、Zn2+、Se3+、Co2+、Fe2+阴离子：阴离子：Cl-、Br-有机分子有机分子 还原剂：抗坏血酸、半胱氨酸、谷胱甘还原剂：抗坏血酸、半胱氨酸、谷胱甘肽肽 金属螯合剂：金属螯

20、合剂：EDTA六、酶的抑制作用六、酶的抑制作用抑制剂：抑制剂：使酶促反应速率减慢或完全停止的使酶促反应速率减慢或完全停止的物质。物质。抑制作用：抑制作用：抑制剂与酶的必需基因结合，而抑制剂与酶的必需基因结合，而降低酶活力甚至使酶完全丧失活性的效应。降低酶活力甚至使酶完全丧失活性的效应。（有选择性）（有选择性）失活作用：失活作用：使酶使酶PrPr变性而引起酶活力丧失。无变性而引起酶活力丧失。无选择性。选择性。（一）抑制作用的概念1、概念2 2、抑制程度的表示方法、抑制程度的表示方法V0 ：Vi ：不加入抑制剂时的反应速率不加入抑制剂时的反应速率加入抑制剂后的反应速率加入抑制剂后的反应速率以反应速

21、率的变化表示以反应速率的变化表示1.1.相对活力（残余活力分数）相对活力（残余活力分数）a=v iv 0 Vi V02.2.抑制分数抑制分数 指被抑制而失去活力的分数指被抑制而失去活力的分数i=1a=1viv0 V0 Vi 研究意义研究意义：研究酶的作用机理研究酶的作用机理 确定代谢途径确定代谢途径 研制杀虫剂、药物研制杀虫剂、药物 不可逆抑制与可逆抑制不可逆抑制与可逆抑制（二）抑制作用的类型（二）抑制作用的类型 抑制作用可通过透析等方法除去。抑制作用可通过透析等方法除去。原因非共价键结合原因非共价键结合根据抑制剂与根据抑制剂与底物的关系底物的关系竞争性抑制竞争性抑制(competitive

22、inhibition)非竞争性抑制非竞争性抑制(non-competitive I.）反竞争性抑制反竞争性抑制(uncompetitive I.)1 1、可逆抑制：、可逆抑制：竞争性抑制作用竞争性抑制作用【举例】【举例】丙二酸与琥珀酸竞争琥珀酸脱氢酶丙二酸与琥珀酸竞争琥珀酸脱氢酶COOH COOH CH2 丙二酸丙二酸琥珀酸琥珀酸琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶FADFADH2延胡索酸延胡索酸琥珀酸琥珀酸COOH CH2 CH2COOH 磺胺类药物的抑菌机制：磺胺类药物的抑菌机制：与与对氨基苯甲酸对氨基苯甲酸竞争二氢叶酸合成酶竞争二氢叶酸合成酶二氢蝶呤啶二氢蝶呤啶 对氨基苯甲酸对氨基苯甲酸 谷氨酸谷氨

23、酸二氢叶酸二氢叶酸合成酶合成酶二氢叶酸二氢叶酸COOH H2N SO2NHR H2N 磺磺 胺胺 类类 药药 物物利用竞争性抑制是药物设计主要思路利用竞争性抑制是药物设计主要思路磺胺类药抗菌机理磺胺类药抗菌机理 （与对氨基苯甲酸是（与对氨基苯甲酸是结构类似物）结构类似物）竞争性抑制细菌叶酸形成，抑制细菌繁殖竞争性抑制细菌叶酸形成，抑制细菌繁殖人通过食物直接补充叶酸，对人无毒害。人通过食物直接补充叶酸，对人无毒害。反竞争性抑制作用反竞争性抑制作用非竞争性抑制作用非竞争性抑制作用2 2、不可逆抑制作用、不可逆抑制作用 抑制剂与酶必需基团以牢固的共价键抑制剂与酶必需基团以牢固的共价键相连相连 很多为

24、剧毒物质很多为剧毒物质 重金属、有机磷、有机汞、有机砷、重金属、有机磷、有机汞、有机砷、氰化物、青霉素、毒鼠强等。氰化物、青霉素、毒鼠强等。应用举例应用举例有机磷化合物（敌百虫、沙林）有机磷化合物（敌百虫、沙林）乙酰乙酰胆碱胆碱酯酶酯酶OHPOC2H5OC2H5S有机磷农药部分+(CH3)3N+CH2CH2OCOCH3(CH3)3N+CH2CH2OH+CH3COOHH2O胆碱酯酶胆碱酯酶胆碱胆碱乙酰胆碱乙酰胆碱积累导致神经中毒症状积累导致神经中毒症状RO O RO ORO X RO OE P +EOH P +HX有机磷化合物有机磷化合物 羟基酶羟基酶 磷酰化酶磷酰化酶(失活失活)酸酸RO OR

25、O OE P +-CHNOH磷酰化酶磷酰化酶(失活失活)NN+CH3 -CHNNN+CH3O ORO OR+EOH P解磷定解磷定解毒解毒 -解磷定解磷定(PAM)(PAM)：青霉素（青霉素（penicillin）与细菌糖肽转肽酶与细菌糖肽转肽酶Ser-OH活性，影响活性，影响细胞壁合成。细胞壁合成。1：反应体系不加：反应体系不加I2：体系中加入体系中加入一定量不可逆抑制剂一定量不可逆抑制剂3：体系中加入：体系中加入一定量可逆抑制剂一定量可逆抑制剂v123E可逆和不可逆抑制作用的鉴别可逆和不可逆抑制作用的鉴别(三）可逆抑制作用动力学三）可逆抑制作用动力学1.1.竞争性抑制竞争性抑制消去消去ES斜率斜率斜率斜率小结小结 V下降下降Km增大增大Vmax不变不变Km 变大，变大，Vmax不变不变2.2.非竞争性抑制非竞争性抑制截距截距V下降下降Km不变不变Vmax减小减小小结小结 Km不变，不变，Vmax变小变小 3.3.反竞争性抑制作用反竞争性抑制作用Km、Vmax都变小都变小有无抑制剂存在时酶促反应的动力学方程有无抑制剂存在时酶促反应的动力学方程 谢谢观看！