发酵工程与设备第四章.ppt
第四章 酶催化反应动力学,第一节 酶催化反应的基本特征,酶是生物提高其生化反应效率而产生的生物催化剂，其化学本质是蛋白质。在生物体内，所有的反应均在酶的催化作用下完成，几乎所有生物的生理现象都与酶的作用紧密联系。生物酶分为六大类：氧化还原酶、转移酶、水解酶、裂合酶、异构酶、合成酶。,酶催化反应和化学催化反应的转换数大小的比较,酶活力表示方法酶的分子活力：在最适宜条件下，每 1mol酶在单位时间内所能催化底物的最大量（mol）酶的催化中心活力：在单位时间内，每一个酶的催化中心所催化底物的量（mol）酶活力：在特定条件下，每1min能催化1mol底物转化为产物时所需要的酶量，称为一个酶单位，或称为国际单位，用U表示。酶活力还可用比活力表示。比活力系指每1mg酶所具有的酶单位数，用U/mg表示。,平衡假设 与底物浓度S相比，酶的浓度 E很小，因 而可忽略由于生成中间复合物ES而消耗的底物。不考虑这个逆反应的存在。若要忽略该反应的存在，则必须是产物P为零，换言之，该方程适用于反应的初始状态。认为基元反应的反应速率最慢，为该反应速率的控制步骤，而这一反应速率最快，并很快达到平衡状态。,绝对专一性：一种酶只能催化一种化合物进行一 种反应 相对专一性：一种酶能够催化一类具有相同化学键或基团的物质进行某种类型的反应 反应专一性：一种酶只能催化某化合物在热力学上可能进行的许多反应中的一种反应 底物专一性：一种酶只能催化一种底物 立体专一性：一种酶只能作用于所有立体异构体中的一种,第二节 简单的酶催化反应动力学,一、Michaelis-Menten 方程,方程推导三点假设：与底物浓度CS相比，酶的浓度CI是很小的，因而可忽略由于生成中间复合物ES而消耗的底物。在反应过程中，酶浓度保持恒定。CE0CECES 产物的浓度很低，因而产物的抑制作用可以忽略。生成产物一步的速率要慢于底物与酶生成复合物的可逆反应的速率，因此，生成产物一步的速率决定整个酶的催化反应速率，而生成复合物的可逆反应达到平衡状态。,二、BriggsHaldane 方程GEBriggs和BJHaldane对上述第3点假设进行了修正，提出了“拟稳态”假设。由于反应体系中底物浓度要比酶的浓度高得多，中间复合物分解时所得到的酶又立即与底物相结合，从而使反应体系中复合物浓度维持不变，即中间复合物的浓度不再随时间而变化，这就是“拟稳态”假设。这是从反应机理推导动力学方程又一重要假设。,三、动力学特征与参数求解,rsCs的三个不同动力学特点的区域：,1.当CsKm，即底物浓度比Km值小得很多时，该曲线近似为一直线。这表示反应速率与底物浓度近似成正比的关系，此时酶催化反应可近似看作为一级反应：式中Cs0底物的初始浓度，MolL,2.当CsKm时，该曲线近似为一水平线，表示当底物浓度继续增加时，反应速率变化不大。此时酶催化反应可视为零级反应，反应速率将不随底物浓度的变化而变化。这是因为当Km值很小时，绝大多数酶呈复合物状态，反应体系内游离的酶很少，因而即使提高底物的浓度，也不能提高其反应速率。,3.当Cs与Km的数量关系处于上述两者之间的范围时，则符合M-M方程所表示的关系式。,参数求解：,(1)LineweaverBurk法(简称LB法)。将MM方程取其倒数得到下式:,（2）HanesWoolf法(简称HW法)。两边均乘以Cs，得到,（3）EadieHofstee法(简称EH法)。将MM方程重排为,（4）积分法,第三节有抑制的酶催化反应动力学 在酶催化反应中，由于某些外源化合物的存在而使反应速率下降，这种物质称为抑制剂。抑制作用分为可逆抑制与不可逆抑制两大类。如果某种抑制可用诸如透析等物理方法把抑制剂去掉而恢复酶的活性，则此类抑制称为可逆抑制，此时酶与抑制剂的结合存在着解离平衡的关系。如果抑制剂与酶的基因成共价结合，则此时不能用物理方法去掉抑制剂。此类抑制可使酶永久性地失活。例如重金属离子Hg2+”、Pb2+”等对木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶的抑制都是不可逆抑制。,一、竞争性抑制动力学 若在反应体系中存在有与底物结构相类似的物质，该物质也能在酶的活性部位上结合，从而阻碍了酶与底物的结合，使酶催化底物的反应速率下降。这种抑制称为竞争性抑制，该物质称为竞争性抑制剂。其主要特点是，抑制剂与底物竞争酶的活性部位，当抑制剂与酶的活性部位结合之后，底物就不能再与酶结合，反之亦然。在琥珀酸脱氢酶催化琥珀酸为延胡索酸时，丙二酸是其竞争性抑制剂。,式中：I为抑制剂；(EI)为非活性复方物。上述反应中底物的反应速率方程应为根据稳态假设，可列出下述方程：,竞争性抑制动力学的主要特点 米氏常数值的改变。当CI增加，或KI减小，都将使KmI值增大，便酶与底物的结合能力下降，活性复合物减少，因而使底物反应速率下降。,二、非竞争性抑制动力学 若抑制剂可以在酶的活性部位以外与酶相结合，并且这种结合与底物的结合没有竞争关系，这种抑制称为非竞争性抑制。此时抑制剂既可与游离的酶相结合，也可以与复合物Es相结合，生成了底物酶抑制剂的复合物SEI。绝大多数的情况是复合物SED为一无催化活性的端点复合物，不能分解为产物，即使增大底物的浓度也不能解除抑制剂的影响。还有一种是三元复合物SEI也能分解为产物，但对酶的催化反应速率仍然产生了抑制作用。核苷对霉菌酸性磷酸酯酶的抑制属于非竞争性抑制。,非竞争性抑制的普遍机理式可表示为,对非竞争性抑制，由于抑制剂的作用使最大反应速率降低了（1十CI/KI）倍，并且CI增加、KI减小都使其抑制程度增加。,三、反竞争性抑制动力学 反竞争性抑制的特点是抑制剂不能直接与游离酶相结合，而只能与复合物Es相结合生成SEI复合物。,四 线性混合型抑制动力学,抑制百分数i:表示抑制剂对酶催化反应的抑制程度.,i值愈大，表示抑制的程度愈大；i值愈小，抑制程度愈小。0i1。,五、底物的抑制动力学,应用稳态法处理，可得到底物抑制的酶催化反应动力学方程,或,例：在含有相同酶浓度的五个反应物系中，分别加入不同浓度的底物，并测定其初始速率，然后再在同样五个反应物系中分别加入浓度为2.210-1mmolL的抑制剂，并测其初始的反应速率，其数据见下表。,解 以LB作图法来判断抑制类型并求其参数。,据此上述实验数据分别取其例数，以lrSI对1Cs做图，得到如图所示两条直线，它们在纵轴有一共点交点，这表明该抑制为竞争性抑制。,第四节 复杂的酶催化反应动力学一、可逆酶反应动力学,Kmp和Km分别为正、逆反应米氏常数；rP,max rs,max分别为正逆反应的最大速率,反应的净速率式,若令：,式中 Ke一一反应平衡常数,二、产物抑制的酶反应动力学 产物抑制系指当产物与酶形成复合物EP后，就停止继续进行反应的情况，特别是当产物浓度较高时有可能出现这种抑制。,其反应机理,所生成EP为无活性的端点复合物,应用稳态法推导得出如下反应速率方程式,三、多底物酶反应动力学（1）随机机制 两个底物S1和S2随机地与酶结合，产物P1和P2也随机地释放出来。,其机理可表示为,式中:Cs1和Cs2分别为底物sl与s2的浓度，K1、K3、K4分别为相应各步的解离常数,（2）顺序机制 两个底物Sl和s2与酶结合成复合物是有顺序的，酶先与底物s1结合形成Es1复合物，然后该复合物Esl再与s 2结合形成具有催化活性的ES1S2。按同样推导方法求出下述方程式：式中:Cs1和Cs2分别为底物sl与s2的浓度，K1、K3、K4分别为相应各步的解离常数。,
