【教学课件】第四章酶催化反应动力学.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。,一、酶的催化共性,酶参与生物化学反应，它能降低反应的活化能（分子参与化学反应时所需要的最低能量），加快生化反应的速率，但它不改变反应的方向和平衡关系，即它不能改变反应的平衡常数，而只能加快反应达到平衡的速率；酶在反应过程中，其主体结构和离子价态可以发生某种变化，但在反应结束时，一般酶本身不消耗，并恢复到原来状态。,二、酶的催化特性,（1）较高的催化效率（2）很强的专一性（3）具有温和的反应条件（4）易变性与失活,较高的催化效率 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 1 mol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。,酶催化反应和化学催化反应的转换数大小的比较,很强的专一性,酶催化反应有很高的选择性，一种酶仅能作用于一种物质或一类结构相似的物质进行某一种反应，这种特性称为酶的专一性或选择性。,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,具有温和的反应条件,酶催化反应温度一般在生理温度2537的范围，仅有少数酶反应可在较高温度下进行。同时，酶催化反应一般是在接近中性的pH值条件下进行。,易变性与失活,酶的化学本质是蛋白质，因而具有蛋白质的所有性质。其中，容易变性的性质，使得酶在应用时，常因变性而使活力下降，甚至完全失去活力，即失活。酶的变性多数为不可逆。,第二节 简单的酶催化反应动力学,简单的酶催化反应动力学是指由一种反应物(底物)参与的不可逆反应。属于此类反应的有酶催化的水解反应和异构化反应。这种简单的单底物酶反应动力学，是酶反应动力学的基础。,一、Michaelis-Menten 方程,方程推导三点假设(平衡假设)：与底物浓度S相比，酶的浓度E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。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。,对酶催化反应过程的机理，得到大量实验结果支持的是活性中间复合物学说，该学说认为酶催化反应至少包括两步，首先是底物S和酶E相结合形成中间复合物ES，然后该复合物分解成产物P，并释放出酶E。例如：酶反应 其反应机理可表示为,根据化学动力学，反应速率通常以单位时间、单位反应体系中某一组分的变量来表示。对均相酶的催化反应，单位反应体系常用单位体积表示。反应的速率可表示为 rs：底物S的消耗速率（mol/Ls）rp：产物P生成速率（mol/Ls）v：反应体系的体积（L）ns、np：底物S和产物P的质量（mol）t：时间（s）,根据质量作用定律，P的生成速率可表示为：速率控制步骤在反应动力学中是一个重要的概念。在一个多步骤的反应体系中，其中反应速率最慢的一步称为速率的控制步骤，并且控制步骤的速率决定了该反应的速率。,根据上述假定（3），可列出 K S 为解离常数（mol/l）反应体系中酶的总浓度 为,代入 得米氏方程或称MM方程 rp,max：P的最大生成速率 E0：酶的总浓度，亦为酶的初始浓度,GEBriggs和JBHaldane对上述第三点假设进行修正，提出了“拟稳态”假设。认为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的浓度维持不变，即中间复合物的浓度不再随时间而变化。消去 得 km：米氏常数(mol/l),km与ks的关系为由两种推导方法所得速率方程式形式基本相同，不同的是ks值代表反应的平衡常数，而km值称为米氏常数，它代表动态的平衡常数，表示实际的恒态时的浓率关系。当 时，km值才接近于ks,km是酶的特征性常数，测定km值具有重要的意义。km值代表反应速率为最大反应速率一半时的基质浓度，其单位为浓度单位。,km值是酶的一个很基本的特性常数，它和酶的浓度无关，但和温度、pH等因素有关。根据km值可以推断酶和底物的亲和力。如果酶的专一性不高，可催化几种底物发生反应时，km值最小的就表示酶与这一底物的亲和力最大，反之，则最小。,根据km值，可以估计胞内基质浓度，如 是没有意义的。,另一个动力学参数为最大反应速率，根据定义，它表示当全部的酶都是复合物状态时的反应速率。k+2表示单位时间内一个酶分子所能催化底物发生反应的分子数。因此它表示了酶催化反应能力的大小，不同的酶催化反应，其值不同。,从 S图的关系曲线可以看出，该曲线表示了三个不同的动力学特点的区域。当，即底物浓度比km值小很多时，该曲线近似为一条直线，这表示反应速率与底物浓度近似正比关系，此时酶催化反应可近似看作一级反应。式中 为总反应的一级反应常数。,这是因为当km值很大时，大部分酶为游离态的酶，而ES的量很少。若要提高反应速率，只有通过提高S值，进而提高ES，才能使反应速率加快。因而此时的反应速率主要取决于底物浓度的变化。或 k值可以表示瞬时时间内基质转化为产物的份数，或在瞬时时间内有多少份数的基质转化为产物。,：底物的初始浓度(mol/l),或 其中,当 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。所以即使提高底物浓度，也不能提高其反应速率。即 或,当S与km的数量关系处于上述两者之间的范围时，则符合MM方程所表示的关系式。,例4-1：有一均相酶催化反应，km值为210-3mol/l，当底物的初始浓度S0为110-5mol/l时，若反应进行1 min，则有2%的底物转化为产物。试求：（1）当反应进行了3 min，底物转化为产物的百分数是多少？此时底物和产物的浓度分别为多少？（2）当S0为110-6mol/l时，也反应了3 min，底物和产物的浓度又是多少？（3）最大反应速率rmax值为多少？,解：（1）根据题意，此时一般可认为按一级反应处理，其动力学方程可表示为：时，mol/l,将已知数据代入上式中，求得 min-1 当 t=3min时，可以求得 mol/l xS=6%mol/l,（2）当mol/l时，仍可视为一级反应，t=3 min时，同样可求得 xS=6%mol/l mol/l,（3）据 得 mol/lmin,二、酶动力学图解法,要建立一个完整的动力学方程，必须通过动力学实验确定其动力学参数。对Michaelis-Menten方程，就是要确定rmax（或k+2）和km值。但直接应用Michaelis-Menten方程求取动力学参数所遇到的主要困难在于该方程为非线性方程。为此常将该方程加以线性化，通过作图法直接求取动力学参数。,1.双倒数图解法（Lineweaver Burk图解）,将MM方程取其倒数得到下式:以 值对应于 作图：,双倒数法应用广泛，但有两个缺点：1、选用基质浓度不宜等量增加，否则在作图时，点都会集中在纵轴附近，难于正确作图。基质浓度以选用1.0、1.11、1.25、1.43、1.67、2.0、2.5、3.33，5和10等为宜，这样倒数值几乎是等量递增的。2、反应速率测定稍有误差，其倒数值误差必将扩大，特别是在低浓度基质测定时，引起的误差更大，这样将影响直线斜率，影响 rmax及Km值 的测定。,2.图解法（Hanes Woolf图解）,将MM方程变换成下式:以 为纵坐标，为横坐标，此方程为一直线方程，直线斜率为，与纵轴交点为，与横轴交点为。,3.图解法（Woolf-Augustinesson Hofstee图解）,将MM方程变换成下式:上式为直线方程式，r为纵坐标，为横坐标，直线的斜率为，与纵坐标交于，于横坐标交于，根据直线与两坐标的交点可求出 及 值，但在选用基质浓度时，也须注意，要在 值的附近。,4.图解法（Eadle Scatchard图解）,将MM方程变换成下式:此直线方程式，斜率为，与 坐标交于，与r坐标交于。,5.Henri Michaelis Menten积分方程式,有时在酶反应过程中，基质或产物的浓度可以测得，但反应初速度则难以测定。这时，就可选用积分方程式来测定酶的 及 值。,式中：S为时间t时的基质浓度(S0-P),(S0-P)为时间t内所用去的基质浓度，也为时间t内所生成的产物浓度P。上式可改写为:上式也是直线方程式，斜率为，直线交点于纵坐标，与横坐标交于。,例4-1：在pH=5.1，15时测得葡萄糖淀粉酶水解麦芽糖的初速度为：5.55 8.33 11.11 13.69 16.66 22.22 27.77 1.63 2.11 2.41 2.76 3.01 3.39 3.47试从测定结果求这个酶反应的 和 值。解：从表S及r值，计算得 及 值，作图。从连接各点所得的直线，求得,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。,根据产生抑制的机理不同，可逆抑制分为:竞争性抑制 非竞争性抑制 反竞争性抑制 混合性抑制。,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。底物的反应速率方程为:又：,经整理后可得KI抑制剂的解离常数（mol/l）KmI有竞争性抑制时的米氏常数（mol/l）可以看出，竞争性抑制动力学的主要特点是米氏常数值的改变，rmax不受竞争性抑制剂的影响。由于有抑制剂的存在，须有较高的基质浓度，才能维持一定的rmax值。,竞争性抑制动力学的主要特点：竞争性抑制剂的抑制程度取决于S，I，Km和KmI，当I增加，或KI减小，都会使KmI值增大，使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。若I不变，增加S，抑制程度降低；若S不变，增加I，抑制程度增加。在一定的S和I条件下，KI值越低，抑制程度越大。,竞争性抑制的s-r关系图：,竞争性抑制的双倒数方程式 或,以 对 作图，得一直线，其斜率为，与纵坐标的交点为，与横坐标的交点为。,又 以KmI对I作图，据此图可求出Km和KI值 竞争性抑制的KI与I关系图,抑制剂的解离常数 由此可看出，KI愈小，表明抑制剂与酶的结合力愈强，对酶催化反应能力的抑制作用就越强。当酶的活性部位与一个抑制剂分子相结合时，KmI与I的关系为一直线，可称为线型竞争抑制；如果酶的活性部位与两个以上的抑制剂分子相结合，则与的关系为一抛物线，可称为抛物线型竞争抑制。,例4-2：在一定的酶浓度、pH和温度条件下，没有催化剂时，酶催化反的反应速率为r0；当抑制剂浓度为510-3M时，酶反应速率为rsI，底物浓度与对应的反应结果如下表，求Km、KmI、rmax值。,解：根据数据作图。有抑制剂时，抑制作用为竞争性抑制,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SEI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。如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,式中：为非竞争性抑制时的最大反应速率。,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 倍，并且增加I、KI减小都使其抑制程度增加。此时rSI对S的关系如图。,根据LB作图法，上式可整理成 或 以 作图，可得一直线，并求出Km和 rI,max值。,又根据式 可通过实验测得不同I下rI,max的，进而确定KI值。,如果SEI也能分解为产物，同样可整理出形式与 类似的速率方程式，所不同的只是rI,max所包含的参数上。如何判断复合物SEI是否分解为产物，可通过改变抑制剂用量并测定底物的反应速率来判断。当I增加到某一程度，rSI减小直至趋于0，则为SEI不能分解为产物；如果随着I的增加，rSI趋于一定值，则SEI能分解为产物。,非竞争性抑制与竞争性抑制的主要不同点是：对竞争性抑制，随着底物浓度的增大，抑制剂的影响可减弱；而对非竞争性抑制，即使增大底物浓度也不能减弱抑制剂的影响。从这个意义上说，竞争性抑制作用是可逆的，非竞争性抑制作用是不可逆的。,例4-3：水杨酸抑制谷氨酸脱氢酶催化的脱氢反应。试根据下列实验结果确定抑制类型Km和KI及值。又脱氢反应速度r的单位是根据340 nm波长下光吸收速率的增加来表示的。谷氨酸脱氢酶的反应结果,解：以 对 和以 对 作图结果如图所示。显然从图中可以看出反应为非竞争性抑制。从横坐标截距得 mol 从纵坐标截距得 把 和/min代入，得 mmol。,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。,据拟稳态假设和物料平衡，经整理后可得其速率方程为式中：,以 rSI 对S作图,据LB作图法，方程为,直线斜率为与 纵坐标交点为；与横坐标交点为，在不同的I浓度下得一系列平行线。在饱和抑制剂浓度下，反应速率几乎为0。若以 I作图，或以 I作图，均为直线。,四、线性混合型抑制动力学线形混合型的最简单机制可表示为：,上式基本上与非竞争性抑制的模型相同，可不同的是，当EI与S结合生成SEI时，由于抑制剂的存在影响了EI与S的结合，因而其解离常数由KS变为，同样ES与I结合时，其解离常数由KI变 为。,上式中：根据上述机理式，可推出其速率方程为对此种抑制，式中 为KS和KI的修正系数。当，时，上述抑制实为非竞争性抑制。,以上介绍了竞争性抑制、非竞争性抑制、反竞争性抑制及混合型抑制的动力学方程，虽然各具特点，但可用一普遍化的机制和公式来表示。普遍化的机制可用下图表示：,若无SEI存在，则为竞争性抑制；若E和EI与S有同等的结合力，且SEI无反应活性，则为非竞争性抑制；若无EI存在，且SEI无反应活性，则为反竞争性抑制。普遍化的公式为式中：KIS和KSI分别为EI与S和ES与I相结合形成SEI的解离常数。,当 时，为非竞争性抑制；当 时为竞争性抑制，当 时为反竞争性抑制，当 且均为常数值时，称为混合抑制。,例4-4：某酶的Km值为4.710-5 mol/L，如果rmax值为2.210-5mol/Lmin，在底物浓度为210-4mol/L和在（1）竞争性抑制剂与（2）非竞争性抑制剂的浓度均为510-4mol/L情况下，其反应速率分别为多大？假定在上述情况下KI值均为310-4mol/L，则在上述两种抑制情况下的抑制程度各有多大？解：（1）对竞争性抑制，可列出下式,（2）对非竞争性抑制，可列出下式 mol/Lmin（3）求抑制程度 当无抑制剂存在时的反应速率为 mol/Lmin,所以上述两种抑制的抑制程度应分别为 竞争性抑制 非竞争性抑制,五底物的抑制动力学,有些酶催化反应，在底物浓度增加时，反应速率反而会下降，这种由底物浓度增大而引起反应速率下降的作用称为底物抑制作用。反应机理式为,SES为不具有催化反应活性，不能分解为产物的三元复合物。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为其中：rSS为底物抑制的反应速率mol/ls Ks为底物抑制的解离常数mol/l,当底物抑制时，rss与S的关系表示在图中。速率曲线有一最大值，即为最大底物消耗速率。相对应的底物浓度值可通过下式求出在点（）处可微分且有极值，则 为最佳底物浓度,第四节 复杂的酶催化反应动力学,复杂的酶催化反应包括可逆反应、多底物反应和产物抑制等。一、可逆酶反应动力学 以最简单的单底物可逆酶反应 为例，其反应机理可表示为若将生成P反应看作正反应，其速率为若将生成反应视为逆反应，其速率为,反应的净速率则为 根据稳态假设和物料平衡关系，并令KmP和KmS分别为正、逆反应的米氏常数。rP,max和rS,max分别为正、逆反应的最大速率。,反应的净速率式为 若令：Ke为反应平衡常数，则,二、产物抑制的酶反应动力学,与上述可逆反应不同，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。其反应机理式为 其中EP为无活性的端点复合物,应用稳态法推导出下列反应速率方程式，称为产物抑制解离常数。与无抑制相比较，最大反应速率值rmax不变，米氏常数增大了 倍，同竞争性抑制一样，使反应速率下降。,三、多底物酶反应动力学,对于一般的酶催化反应可用下列通式表示：在这种情况下，动力学方程中包含A、B、C及P、Q、R的浓度项，因而非常复杂，动力学参数也很多。属于这类多底物反应的酶有氧化酶、转移酶、连接酶等。这里仅涉及双底物酶催化反应的动力学。,对双底物酶催化反应的机理，一般认为要让两个底物同时与酶的活性部位相结合形成复合物似乎不太可能，而是双底物酶反应系统中复合物的形成有三种最简单的情况，即随机机制、顺序机制和乒乓机制。,1、随机机制,两个底物S1和S2随机地与酶相结合，产物P1和P2也随机地释放出来。许多激酶类的催化机制属于此种。其机理可表示为,反应速率可表示为,当假定S2恒定时，经推导可得 其中,当假定S1恒定时，同样可推导得 其中 解离常数：,2、顺序机制,两个底物S1和S2与酶结合形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ES1再与S2结合形成具有催化活性的ES1S2。按同样的方法推导出下列方程式 式中的Km：S1为单底物时的米氏常数；KmS1：S2浓度饱和时，S1的米氏常数；KmS2：S1浓度饱和时，S2的米氏常数。大部分脱氢酶属于顺序机制。,3乒乓机制,最主要的特点是底物S1和S2始终不同时与酶结合，其机理式,式中E*为修改过的酶。这种构型的修改有利于酶与S2相结合。当生成第二个产物P2以后，酶又从E*恢复到E构型，以有利于与S1相结合，其速率方程式为,第五节 酶的失活动力学,酶是一种不稳定的物质，常因温度、pH等因素的影响而产生不可逆的活性下降。酶在保存和参与反应时均可能失活。前者的失活又称为稳定性。在使用时酶的失活规律对于酶催化反应过程的设计和控制都是十分重要的。其中酶的热失活，或称作热变性是最重要的一种酶失活形式。,一、未反应时的热失活动力学,了解未反应时酶的热稳定性关系到酶的保存。测定酶未反应时的热稳定的方法，是在一定条件下，使酶溶液恒温保持一定的时间，然后在最适宜的pH和温度下测定残存的酶活力，即残存酶活。,在不同温度下反复测定，即可得到一条曲线。该曲线可以表示的酶失活特性，称为酶的热稳定性。若改变保温时间，则会得到不同的稳定曲线。,如要了解酶在未反应时的失活速率，可将残存的酶活性对其失活时间作图，则又可得到一条曲线，该曲线称为失活曲线。,这些曲线反映了酶的真正热稳定性。酶的热变性失活很复杂。一般将其分为可逆失活与不可逆失活两大类，并提出了多种失活动力学模型。下面主要介绍一步失活模型。,该模型又称为一级失活模型。以E和D分别表示活性酶与失活酶，则失活反应方程式可表示为 Kd和Kr分别表示正、逆反应的速率常数。时间为t时，活性酶E的浓度为Et，则活性酶的浓度随时间的净减少速率为,系统中酶的总浓度若以E0表示，则存在下式D为失活的酶浓度。代入上式，并利用初始条件t=0，Et=E0，经整理可得下式 对不可逆失活反应，Kr=0。因此,多数酶的热失活服从上式，kd可称为衰变常数，单位为。kd的倒数称为时间常数td。当Et为E0的一半的时间称为半衰期。用 表示。kd、td和 之间的关系为,二、反应时酶的热失活动力学,反应时酶的稳定性将直接关系到酶的使用寿命，因而特别重要。酶在反应中的稳定性称为操作稳定性。假如做不同温度下反应转化率随时间的变化曲线，即反应过程曲线，可得到如图所示的结果。（a）以温度T为参数，转化率X与时间t的关系曲线（b）以时间t为参数，转化率X温度T的关系曲线,从图中可以看出，在时间一定时，随着温度的升高，反应速率在增大，因而转化率在提高；但当温度高到某一数值时，其转化率反而下降。这时因为当温度升高到某一值，酶的热失活速率也在加速，致使活性酶的量在减少，因而反应速率下降，最终为0。又从图中曲线可看出，对某一反应时间，就有一转化率最高的温度，该温度称为最佳温度。不同的反应时间，有不同的最佳温度。最佳温度是温度对酶催化速率和酶失活速率双重作用的结果。,对于底物浓度的变化对酶稳定性的影响，提出了下述模型。,根据上述机理可看出，无论是游离酶还是酶的复合物均有可能失活，其失活速率方程可表示为 式中 其中 为底物对酶稳定性的影响系数,Ef为游离酶浓度。,根据上述模型可知：时，底物对酶失活没有影响；时，酶完全被底物所保护，复合物ES 完全不失活，此时只有游离酶失活；时，底物对酶有部分保护作用，能在 一定程度上抑制酶的失活；时，底物加速酶的失活。,