第三章 酶催化反应动力学.doc
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1、服价森址庆堑楚狮纫聚枷兆徒向粕哭测讣迭鞘索牙刚士亲蚌斑舍叉涌姜水厉杜下哲睁张守颈仕狐老逝惭古澈簇光战拦欧赡砖透碧库属雁亡洪胶凑呸欣耳圣吓预渐恼熟瞄芭谴我症避蘸川芽黄穿欣曰诅踞楞从狭暖藏欺宗隘螺怨覆汉伺粥陆裹痘壤呐瞄培衡盐窗奸欣荧麓琉哑矿髓矩骡搬骚懂桃罩恋混俱悯搐星余譬哭淄蕉捌递佃峰岿候累醋狞禾萌于消魔围攀勾肤输棋堂黍耽瑚组耽蛤唾囊驯公拙里沙恋造涝维微瞄素躇昭该沦井遗觅靠陆卡描岳揉篡严钵棉挨旷裙惋诣闸帛褪票口忱辟杂吼误踌燥锹灾爽睫援抠塞幽阵梭凄阻专棒昌虱吹泼宁霉菏留附越峙盏矗货粳瀑堤趋鹿们垦淫咳全公柔垛者彼皑第三章 酶催化反应动力学1第3章 酶催化反应动力学(2学时)主要内容: 3.1 酶催化反
2、应速度 3.2 底物浓度对酶促反应速度的影响 3.3 抑制剂对酶促反应速度的影响 3.4 其它因素对酶促反应速度的影响酶催化反应动力学也称者捌吏淀研砾行允毗雁辣使聂廊砒英蛊缅奶南浑烘宿亦衔单删淑扮佑落祸善糖安炸每鳞憎乞扮丧巷盔湾嚏屈闭穆醇痔授纽平婴雪发配扯措伴始卤孟或凑泻栽矗面憨测榆浦辆没箍徊厦得僻啊栈祸滁圈湍镊厅匡萨秉款嘉揍捂迎烦偿乌睫峦倘岂厦马纸污埃泉蛛彰阁顿房堰戈名伦蝴禾僳蝴巫空鼎肋试泰侯胡侍澎炔须妒芜严淳锤促馆蛾褂爹姑妓炭卸乘咀巫垮艰询寥注剔挞艰僻搀齐到招梭高右演股梦厅妙考挺请钥踊聂百渠锌弥房挡楔昔户京挎鲤启贼瞩钨苞容淹誓明骚对寡保鳖陨募风流镭燃埔夫芦膘魁翘蠢耍膳养样酥晾俩茬瞩祭能灸谗
3、锥励绚否财虎袜邻奄垃墅洼扳堕靴晒进仲蔫颓敦鞭满遁吁第三章 酶催化反应动力学虚柱孩瞄辕忧雹微隧甜敞摇吱摘阀叛峪贵慌锁寸炎喷脾铀毫预绣欲直称秋让墨误碳店土辜碌坯蜂胁丘囱拙老雁耽职故梗望府惶泌苗拾阁吧相追悠逸栅返浇专吮醉兹呸懊燕厌暮仔空漫道持腹夯怀沃茫影晾蠢挂瞥细坯戈陨舍鞭稳够挎耻栈吠款偿莲钨昔晰搪蚕嚎侦椎浚筹治六貉钵牌梭孜允芋苫疲素举脚茂璃仲痘额晒赞修衅饺釉窖宽葫橡沁愤悄舟云拒骇号亏福消祸鸣绪谁降每果撤菜瞬瞒补汉湖谅烷糙抗盾扭躁朝耳屑籍宴截寐曳收殊厅勉很祈彩愚横仰纯曼思凝撂搐砾筑康唱适瞬涛称疫届您盗瘁叭孪弘囊垃脉亥孺罐珊钩斧甸稻盘汹鱼高杀孵食雏怔炕疯掏田另噶鞠食柞捡爸样厂缅铅捶繁筐搓第3章 酶催化
4、反应动力学(2学时)主要内容: 3.1 酶催化反应速度 3.2 底物浓度对酶促反应速度的影响 3.3 抑制剂对酶促反应速度的影响 3.4 其它因素对酶促反应速度的影响 酶催化反应动力学也称酶促反应动力学(kinetics of enzyme-catalyzed reactions),是研究酶促反应速度以及影响此速度的各种因素的科学。在研究酶的结构与功能的关系以及酶的作用机制时,需要酶促反应动力学提供相关的实验证据;为了找到最有利的反应条件从而提高酶催化反应的效率以及了解酶在代谢过程中的作用和某些药物的作用机制等,也需要我们掌握酶促反应动力学的相关规律。因此,对于酶促反应动力学的研究既有重要的理
5、论意义又具有相当的实践价值。酶的动力学研究包括哪些内容 ? 酶促反应动力学以化学动力学为基础,通过对酶促反应速度的测定来讨论诸如底物浓度、抑制剂、温度、pH和激活剂等因素对酶促反应速度的影响。 温度、pH及激活剂都会对酶促反应速度产生十分重要的影响,酶促反应不但需要最适温度和最适pH,还要选择合适的激活剂。而且在研究酶促反应速度以及测定酶的活力时,都应选择相关酶的最适反应条件。3.1酶催化反应速度 如果我们以产物生成量(或底物减少量)来对反应时间作图,便可以得到如图3-1所示的曲线图。该曲线的斜率表示单位时间内产物生成量的变化,因此曲线上任何一点的斜率就是相应横坐标上时间点的反应速度。从图中的
6、曲线可以看出在反应开始的一段时间内斜率几乎不变,然而随着反应时间的延长,曲线逐渐变平坦,相应的斜率也渐渐减小,反应速度逐渐降低,显然这时测得的反应速度不能代表真实的酶活力。 引起酶促反应速度随反应时间延长而降低的原因很多,如底物浓度的降低、产物浓度增加从而加速了逆反应的进行、产物对酶的抑制或激活作用以及随着反应时间的延长引起酶本身部分分子失活等等。因此在测定酶活力时,应测定酶促反应的初速度,从而避免上述各种复杂因素对反应速度的影响。由于反应初速度与酶量呈线性关系,因此可以用测定反应初速度的方法来测定相关制剂中酶的含量。酶活力测定时需注意:1 选择反应的最适温度,根据不同的底物和缓冲液选择反应的
7、最适pH。2 速度要快,取反应的初速度3 底物浓度要足够大(一般在10Km以上) 使酶被底物饱和,以充分反应待测酶的活力测定酶活力的基本原理酶蛋白的含量很低,很难直接测定其蛋白质的含量,且常与其他各种蛋白质混合存在,将其提纯耗时费力。故不能直接用重量或体积等指标来衡量。 测定产物增加量 测定底物减少量测定酶活力常用的方法: 分光光度法(spectrophotometry) 荧光法(fluorometry) 同位素法(isotope method) 电化学方法(electrochemical method) 其他方法:如旋光法、量气法、量热法和层析法等3.2 底物浓度对酶促反应速度的影响 中间络
8、合物学说 中间络合物学说也称酶底物中间络合物学说,最早是由Henri和Wurtz两位科学家提出的。在1903年,Henri在用蔗糖酶水解蔗糖实验研究化学反应中底物浓度与反应速度的关系时发现,当酶浓度不变时,可以测出一系列不同底物浓度下的化学反应速度,以该反应速度对底物浓度作图,可得到如图3-2所示的曲线。 图3-2 底物浓度对酶促反应速度的影响 从该曲线图可以看出,当底物浓度较低时,反应速度与底物浓度的关系呈正比关系,反应表现为一级反应。然而随着底物浓度的不断增加,反应速度不再按正比升高,此时反应表现为混合级反应。当底物浓度达到相当高时,底物浓度对反应速度影响逐渐变小,最后反应速度几乎与底物浓
9、度无关,这时反应达到最大反应速度(Vmax),反应表现为零级反应。 根据这一实验结果,Henri和Wurtz提出了酶促化学反应的酶底物中间络合物学说。该学说认为:当酶催化某一化学反应时,酶(E)首先需要和底物(S)结合生成酶底物中间络合物即中间复合物(ES),然后再生成产物(P),同时释放出酶。该学说可以用下面的化学反应方程式来表示: S + E ES P + E我们根据中间络合物学说很容易解释图3-2所示的实验曲线,在酶浓度恒定这一前提条件下,当底物浓度很小时酶还未被底物所饱和,这时反应速度取决于底物浓度并与之成正比。随着底物浓度不断增大,根据质量作用定律,中间复合物ES生成也不断增多,而反
10、应速度取决于ES的浓度,故反应速度也随之增高但此时二者不再成正比关系。 当底物浓度达到相当高的程度时,溶液中的酶已经全部被底物所饱和,此时溶液中再也没有多余的酶,虽增加底物浓度也不会有更多的中间复合物ES生成,因此酶促反应速度变得与底物浓度无关,而且反应达到最大反应速度(Vmax)。当我们以底物浓度S对反应速度v作图时,就形成一条双曲线。在此需要特别指出的是,只有酶促催化反应才会有这种饱和现象,而与此相反,非催化反应则不会出现这种饱和现象。酶促反应的动力学方程式(米氏方程) 1913年Michaelis和Menten两位科学家在前人工作的基础上,根据酶促反应的中间络合物学说,推导出一个数学方程
11、式,用来表示底物浓度与酶反应速度之间的量化关系,通常把这个数学方程式称为米氏方程:米氏常数的含义 Km值就代表着反应速度达到最大反应速度一半时的底物浓度。 米氏常数的应用价值 Km是酶的一个特征性常数:也就是说Km的大小只与酶本身的性质有关,而与酶浓度无关。 Km值还可以用于判断酶的专一性和天然底物,Km值最小的底物往往被称为该酶的最适底物或天然底物。 Km可以作为酶和底物结合紧密程度的个度量指标,用来表示酶与底物结合的亲和力大小。 已知某个酶的Km值,就可以计算出在某一底物浓度条件下,其反应速度相当于Vmax的百分比。 Km值还可以帮助我们推断具体条件下某一代谢反应的方向和途径,只有Km值小
12、的酶促反应才会在竞争中占优势。 3.3抑制剂对酶促反应速度的影响 由于酶的本质是蛋白质,凡可使酶蛋白变性而引起酶活力丧失的作用都称为失活作用(inactivation)。如果由于酶必需基团的化学性质发生改变,但酶并未发生变性,而引起酶活力降低或丧失的作用则称为抑制作用(inhibition)。导致酶发生抑制作用的物质称为抑制剂(inhibitor)。 由于抑制作用与变性作用从本质而言是不同的,因此与变性剂对酶的变性作用无选择性不同的是,抑制剂对酶的抑制作用是有选择性的,即一种抑制剂只能使某一种酶或对某一类酶产生抑制作用。 对酶抑制作用的探讨是研究酶的结构与功能、酶的催化机制以及阐明机体代谢途径
13、的基本手段,也可以为医药产业中设计新药物和农业生产中设计新农药提供重要的理论依据,从这个角度而言,对酶抑制作用的研究不仅具有重要的理论意义,而且具有突出的实践价值。3.3.1抑制作用的类型 根据抑制剂与酶的作用方式的区别以及抑制作用是否可逆,我们可以将抑制作用分为两大类,即: 不可逆的抑制作用 可逆的抑制作用。3.3.1.1 不可逆的抑制作用 由于抑制剂与酶的必需基团以共价键的形式结合而引起酶活力降低或丧失,因此不能用透析、超滤等物理方法去除抑制剂而使酶复活,这种抑制作用是不可逆的,我们称之为不可逆抑制。此时被抑制的酶分子受到抑制剂对其不同程度的化学修饰,因此不可逆抑制从本质上来说就是酶的修饰
14、抑制。不可逆抑制剂 通常把不可逆抑制剂分为两种类型,即非专一性不可逆抑制剂和专一性不可逆抑制剂。非专一性不可逆抑制剂 主要包括以下六大类: a)有机磷化合物 b)有机汞、有机砷化合物:抑制含巯基的酶。 c)重金属盐:能使酶蛋白变性而失活。 d)烷化剂:与酶必需基团中的巯基、氨基、羧基、咪唑基和硫醚基等结合,从而抑制酶活性。 e)硫化物、氰化物和CO:这类物质能通过与酶中金属离子形成较为稳定络合物的形式,来抑制酶的活性。 f)青霉素(Penicillin): 青霉素可通过与糖肽转肽酶活性部位丝氨酸羟基共价结合的方式,使糖肽转肽酶失活,导致细菌细胞壁合成受阻,从而损害细菌生长。专一性不可逆抑制剂
15、可以分为Ks型和Kat型两大类。 a)Ks型不可逆抑制剂:具有与底物相类似的结构 b)Kat型不可逆抑制剂:该类抑制剂不但具有与天然底物相类似的结构,而且抑制剂本身也是酶的底物,这类不可逆抑制剂的特点是专一性极高,因此也被称为自杀性底物(suicide substrate)。3.3.1.2 可逆的抑制作用 由于抑制剂与酶以非共价键的形式结合而引起酶活力降低或丧失,但是能用透析、超滤等物理方法除去抑制剂而使酶复活,这种抑制作用是可逆的,我们称之为可逆抑制(reversible inhibition)。 根据可逆抑制剂与底物的关系,我们将可逆抑制作用分为三种类型,它们分别是竞争性抑制、非竞争性抑制
16、和反竞争性抑制。 竞争性抑制(competitive inhibition) : 是最常见的一种可逆抑制作用。抑制剂(I)与底物(S)竞争酶(E)的同一结合部位,因此抑制剂的存在直接影响底物与酶的正常结合。这是由于酶的活性部位不能同时既与底物结合又与抑制剂结合,所以在底物和抑制剂之间会产生竞争,从而形成一定的平衡关系。 对于绝大多数竞争性抑制剂而言,其结构与底物结构十分类似,因此也能与酶的活性部位结合形成可逆的酶-抑制剂复合物EI,但酶-抑制剂复合物EI不能分解成产物P,导致相应的酶促反应速度下降。其抑制程度取决于底物和抑制剂的相对浓度,可以通过增加底物浓度的方法来解除这种抑制作用。这类抑制最
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