酶催化反應動力學

1、第1章 酶催化反應動力學,基本要求,了解酶反應的特點，掌握MM方程的推導、應用和各種抑制動力學的特征及其應用；熟悉復雜酶反應及其失活動力學的處理方法,MM方程的推導、應用，各參數(shù)的意義及求取,重點和難點,第1章 酶催化反應動力學,1.1 酶催化反應概論,1.2 簡單的酶催化反應動力學,1.3 有抑制的酶催化反應動力學,1.4 復雜的酶催化反應動力學,1.5 反應條件對酶催化反應速率的影響,1.6 酶的界面催化反應動力學,總結,1.1 酶催化反應概論,國際生物化學協(xié)會IUB（International Union Biochemistry）按生化反應類型分為6類：氧化還原，轉移，水解，裂合，異構

2、，連接酶,酶：生物體內活細胞為其自身代謝活動而產生的具有催化活性的一類蛋白質,降低反應的活化能，加快生化反應的速率；但不改變反應的方向和平衡關系；不能改變反應的平衡常數(shù)，而只能加快反應達到平衡的速率,酶的催化共性,反應前后狀態(tài)不變：酶在反應過程中，其立體結構和離子價態(tài)可以發(fā)生某種變化，但在反應結束時，一般酶本身不消耗，并恢復到原來狀態(tài),酶的催化特性,高效的催化活性,高度的專一性,酶反應需要輔因子的參與,酶的催化活性可被調控,酶易變性與失活,高效的催化活性,酶的分子活力：在最適宜的條件下，每1mol酶在單位時間內所能催化底物的最大量（mol,酶催化中心活力：在單位時間內，每一個酶的催化中心所能催

3、化底 物的量（mol）。又稱為酶的轉換數(shù),酶活力：在特定條件下，每1min能催化1umol底物轉化為產物時所需要的酶量，稱為一個酶單位，或稱國際單位，用U表示,比活力：指每1mg酶所具有的酶單位數(shù)，用U/mg表示。也可以根據(jù)實際情況自定義,強的專一性,專一性（選擇性）：一種酶僅能作用于一種物質或一類結構相似的物質進行某一種反應的特性,絕對專一性：脲酶,相對專一性：脂肪酶,反應專一性,底物專一性,立體專一性,官能團專一性，序列專一性,酶反應需要輔因子的參與,輔酶、輔基、輔底物,金屬離子：金屬酶（金屬為輔基），與酶為可逆的結合,Na+，K+，Mg2+，Ca2+，Zn2+，Mn2+，Co2+，F(xiàn)e3

4、+，Mo6+等,酶易變性與失活,物理因素：熱、壓力、UV、X-ray、聲波、振蕩、凍結等,化學因素：酸、堿、丙酮、乙醇、尿素、表面活性劑、重金屬鹽、氧化劑等,熱變性：Topt,酸堿變性：（pH）opt,氧化變性：巰基酶（SH酶）易在空氣中氧化SH S-S而失活,酶反應的特性,條件溫和，能耗低 反應專一，精制易，體系較純易于控制，產物濃度高 立體專一性利于不對稱合成、制備自然界沒有的新物質 用組合酶、底物完成指定的多步合成轉換反應,優(yōu)點,缺點,只能利用底物中部分組分，一般只能在水溶液中進行 溫和的反應條件也易于微生物繁殖易使酶染雜菌。失活后難以再生、復性 只限一、二步反應，酶昂貴，較脆弱易變性，

5、失活,1.1.2 酶的催化反應機制,活性部位（活性中心） 必需基團 接觸基團 結合基團（結合中心） 催化基團（催化中心） 輔助基團,1.1.2.2 酶反應的專一性機制,鎖鑰學說 誘導契合學說 過渡態(tài)學說,1.1.2.3 酶反應的高效性機制,酸堿催化 共價催化 鄰近及定向效應 扭曲變形和構象變化效應 多元催化與協(xié)同,酶催化動力學的研究歷史,1897年， Buchner成功地用不含細胞的酵母液實現(xiàn)發(fā)酵，說明具有發(fā)酵作用的物質存在于細胞內，并不依賴活細胞。 1902年，Henri提出酶與底物作用的中間復合物學說。 1913年，Michaelis和Menten提出了酶催化反應動力學基本模型-米氏方程。

6、 1925年，Briggs和Haldane對米氏方程做了修正，提出穩(wěn)態(tài)學說,1.2 簡單的酶催化反應動力學,Michaelis 與 Menten 發(fā)展出酶動力學,Michaelis,Menten,Nelson 酶與底物結合后，也還可以與抑制劑結合。但是中間產物ESI不能進 一步分解為產物，因此酶活性降低,這類抑制劑與酶活性中心以外的基團結合。其結構可能與底物毫無相關之處。大多數(shù)非競爭性抑制劑都是由一些可以與酶的活性中心之外的硫氫基可逆結合的試劑引起的。這種SH對于酶活性來說很重要， 可幫助維持酶分子的構象,如何判斷復合物SEI是否分解為產物,可通過改變抑制劑的用量并測定底物的反應速率來判斷,C

7、I增至某一濃度，反應速率減小至趨于零：不能分解,隨著CI的增加，反應速率趨于定值：能分解為產物,1.3.3 反競爭性抑制動力學,酶僅與底物結合后才能與抑制劑結合,如：肼對芳香基硫酸酯酶的抑制作用就屬于此類,各種抑制的比較,KISKSI：非競爭性抑制,KIS：反競爭性抑制,KSI：競爭性抑制,抑制百分數(shù),競爭性抑制,非競爭性抑制,反競爭性抑制,1.3.5 底物抑制動力學,穩(wěn)態(tài)法,1.3.6 不可逆抑制動力學,類似非競爭抑制動力學，有機磷農藥也是基于不可逆抑制作用,例1-4：在含有相同酶濃度的五個反應物系中，分別加入不同濃度的底 物，并測定其初始反應速率，然后再在同樣五個反應物系中分別加 入濃度為

8、2.210-1mmol/L的抑制劑，并測其初始反應速率，其數(shù) 據(jù)見下表：（P24,試根據(jù)上述數(shù)據(jù)決定其抑制類型及動力學參數(shù)值,解】：以L-B作圖法來判斷抑制類型并求其參數(shù)（用Excel作圖,根據(jù)L-B圖形可知為競爭性抑制,例1-5：某酶的Km值為4.710-5mol/L ，如果rmax值2.2105mol/(Lmin) ， 在底物濃度為210-4mol/L和在(1)競爭性抑制劑與(2)非競爭性抑制 劑的濃度均為510-4mol/L情況下，其反應速率分別為多大？假定 在上述情況下KI值均為310-4mol/L ，則在上述兩種抑制情況下的 抑制程度各有多大,競爭性抑制,非競爭性抑制,1.4 復雜的

9、酶反應動力學,1.4.1 可逆酶催化反應動力學,某木糖催化葡萄糖為果糖的反應至一定程度即達到平衡，其機理可認為是,由穩(wěn)態(tài)及酶衡算得,由穩(wěn)態(tài)及酶衡算得,1.4.2 雙底物酶催化反應動力學,1.4.2.1 隨機機制,兩個底物S1和S2隨機地與酶結合，產物P1和P2也隨機地釋放出來,如,為常數(shù)，則,式中,如,均為變量則,1.4.2.2 順序機制（大部分脫氫酶,兩個底物S1和S2與酶結合成復合物是有順序的，酶先與底物 S1結合形成ES1復合物，然后該復合物ES1再與S2結合形成具有催化活性的ES1S2。按同樣推導方法求出下述方程式,式中：KmS1為單底物時的米氏常數(shù)，mol/L; Kms1S2濃度飽和

10、時，S1的米氏常數(shù)，mol/L; Kms2S1濃度飽和時，S2的米氏常數(shù)，mol/L,1.4.2.3 乒乓機制,1.4.2.3 乒乓機制,S1、S2始終不同時與酶結合，其機理可表示為（E*為修改過的酶,變構酶又稱為調節(jié)酶，它是一種寡聚酶。這類酶具有變構部位和活性部位。 當?shù)孜锓肿优c這類酶結合時，能誘導酶的結構改變，增加酶與底物的結合能力，表現(xiàn)出底物對酶的激活效應。 變構酶的作用機理十分復雜。已提出的模型有漸變模型，同構模型等。 對變構酶催化反應動力學的描述通常采用的是Hill方程，可表示為,1.4.3 變構酶催化反應動力學,底物分子與這類酶結合時能誘導酶的結構改變增加E與S的結合能力，表現(xiàn)出底

11、物對酶的激活效應,Hill經(jīng)驗公式,有磷酸果糖激酶、天冬氨酸轉氨甲酰酶、蘇氨酸脫氫酶等,底物分子與這類酶結合時能誘導酶的結構改變增加E與S的結合能力，表現(xiàn)出底物對酶的激活效應,有磷酸果糖激酶、天冬氨酸轉氨甲酰酶、蘇氨酸脫氫酶等,1.5 反應條件對酶反應速率的影響,內部因素：酶的結構特征，底物的結構特征,外部因素：pH、T、P、離子強度、各種物質的濃度因素,1.5.1 pH值的影響,酶分子上有許多酸性和堿性的氨基酸側鏈基團，如果酶要表示其活性，則這些基團必須有一定的解離形式,隨著pH的變化，這些基團可處在不同的解離狀態(tài)，而具有催化活性的離子基團僅是其中一種特定的解離形式，因而隨著pH值的變化，具

12、有催化活性的這種特殊的離子基團在總酶量中所占的比例就會不同，因而使酶所具有的催化能力也不同,Michaelis對pH與酶活力的關系提出三狀態(tài)模型的假設,1.5.2 溫度的影響,在適宜的溫度內，酶催化反應速率常數(shù)中的k+2與溫度的關系符合Arrhenius方程，即,k+2 = Aexp(-Ea/RT,k+2 = ATexp(-H*/RT,根據(jù)Eryring的過渡態(tài)理論,Ks = Aexp(-H/RT,1.5.3 酶的失活動力學,酶是一種不穩(wěn)定的物質，常因溫度、pH等因素的影響而產生不可逆的活性下降。一般是胞外酶較穩(wěn)定，而胞內酶在外部環(huán)境中容易失活。酶在保存和參與反應時均有可能失活，前者的失活又稱

13、為穩(wěn)定性。在使用時酶的失活對于酶催化反應過程的設計和控制都是十分重要的。其中酶的熱失活，或稱熱變性是最重要的一種酶失活形式。下面主要討論此種失活動力學,未反應時酶的熱失活動力學,測定酶在未反應時的熱穩(wěn)定性方法：在一定條件下，使酶溶液恒溫保持一定的時間，然后再在最 適宜的pH和溫度下測定殘存的酶活力，即殘存酶活,cEocEt + cD,對于可逆的,對于不可逆的失活反應，kr=0，因此,反應時酶的熱失活動力學,酶在反應中的穩(wěn)定性稱為操作穩(wěn)定性。在酶催化反應時，由于底物和產物的存在，使酶的穩(wěn)定性或者得到增強，或者又有所減弱,1時，底物對酶失活沒有影響,0時，酶完全被底物所保護，ES完全不失活，此時只

14、有游離酶失活,01時，底物對酶有部分保護作用，能在一定程度上抑制酶的失活,1時，底物加速酶的失活,1.6 酶的界面催化反應動力學,1.6.1 液-固界面的酶催化反應動力學,酶在底物上的吸附平衡,當?shù)孜锷僧a物反應為CES的一級反應時,1.6.2 液-液界面的酶催化反應動力學,總結,1.1酶反應的基本特征,簡單介紹酶催化反應和普通化學催化反應的共同性。詳細介紹酶的催化特性,1.2 簡單酶催化反應動力學,詳細介紹簡單酶催化反應模型、平衡法、擬穩(wěn)態(tài)法以及酶動力學參數(shù)的求取方法,1.3 有抑制的酶催化反應動力學,詳細介紹競爭性抑制、非競爭性抑制、反競爭抑制動力學的共性和特性，與無抑制動力學的關系,1.4復雜的酶反應動力學,詳細介紹可逆反應，雙底物酶催化反應（包括隨機機制、順序機制和乒乓機制）簡單介紹變構酶反應