生物學(xué)酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)輔導(dǎo)版課件

1、第9章 酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)一、化學(xué)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)二、底物濃度對(duì)酶反應(yīng)速率的影響三、酶的抑制作用四、溫度對(duì)酶反應(yīng)的影響五、pH對(duì)酶反應(yīng)的影響六、激活劑對(duì)酶反應(yīng)的影響(kinetics of enzyme-catalyzed reaction) 第1頁，共33頁。研究酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的意義 酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)是研究酶促反應(yīng)的速率以及影響酶反應(yīng)速率的各種因素的科學(xué)。在研究酶的結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系以及酶的作用機(jī)制時(shí)，需要?jiǎng)恿W(xué)提供實(shí)驗(yàn)證據(jù)；為發(fā)揮酶催化反應(yīng)的高效率，尋找最有利的反應(yīng)條件；為了解酶在代謝中的作用和某些藥物的作用機(jī)制等，都需要掌握酶促反應(yīng)速率的規(guī)律。 第2頁，共33頁。二、底物濃度對(duì)酶反應(yīng)速率的影響第3頁，

2、共33頁。酶反應(yīng)速率對(duì)底物濃度作圖第4頁，共33頁。中間復(fù)合物學(xué)說 為了解釋這個(gè)現(xiàn)象，Henri和Wurtz提出了酶底物復(fù)合物學(xué)說。該學(xué)說認(rèn)為，當(dāng)酶催化反應(yīng)時(shí)，酶首先與底物結(jié)合，生成酶底物復(fù)合物，然后生成產(chǎn)物，并釋放出酶。反應(yīng)用下式表示： S + E ES P + E 第5頁，共33頁。酶底物中間復(fù)合物存在的證據(jù)電子顯微鏡和X光衍射直接觀察到酶與底物的復(fù)合物。酶與底物結(jié)合后光譜發(fā)生變化。溶解度或熱穩(wěn)定性在加入底物后發(fā)生變化。分離到了酶底物復(fù)合物。超離心沉降過程中，可觀察到酶和底物共沉降的現(xiàn)象。平衡透析時(shí)，觀察到底物在半透膜兩側(cè)濃度不相同(半透膜的一側(cè)有酶，另一側(cè)無酶，有酶一側(cè)底物濃度高于無酶一

3、側(cè))。 第6頁，共33頁。（1）平衡學(xué)說（Henri，Michaelis和Menten方程） 1902年Henri和Brown提出了酶催化的反應(yīng)機(jī)理 1913年Michaelis和Menten完善了這個(gè)理論，他們認(rèn)為酶反應(yīng)的第一步是快速可逆的平衡，第二步慢，為限速反應(yīng)。第7頁，共33頁。平衡學(xué)說推導(dǎo)反應(yīng)速度方程的假設(shè)前提 在推導(dǎo)動(dòng)力學(xué)方程時(shí)，有幾點(diǎn)假設(shè)： 第一步迅速平衡，第二步慢，即 k3 E，S ES。 酶以E和ES兩種狀態(tài)存在。 第8頁，共33頁。平衡法推導(dǎo)出的米氏方程其中 米氏方程是一個(gè)雙曲線方程，若以S為自變量，V為因變量，可以作出雙曲線，與實(shí)驗(yàn)測得的結(jié)果相符。 第9頁，共33頁。（2

4、）穩(wěn)態(tài)理論 1925年，Briggs和Haldane提出了穩(wěn)態(tài)（steady state）理論，對(duì)米氏方程做了一項(xiàng)很重要的修正： 在 反應(yīng)式中，k3值不小，后一步驟不是限速步驟。 所謂穩(wěn)態(tài)是指反應(yīng)進(jìn)行一段時(shí)間后，系統(tǒng)中的酶底物復(fù)合物濃度由零逐漸增加到一定數(shù)值，然后保持不變，即處于穩(wěn)態(tài)水平，此時(shí)ES的解離和分解速率之和等于ES的形成速率，第10頁，共33頁。穩(wěn)態(tài)法推導(dǎo)出的米氏方程其中第11頁，共33頁。兩個(gè)米氏方程的區(qū)別 這兩個(gè)方程的區(qū)別就在于快速平衡法推導(dǎo)的方程中米氏常數(shù)是Ks，而穩(wěn)態(tài)法推導(dǎo)的米氏方程中米氏常數(shù)是Km。 Ks是ES的解離平衡常數(shù)。當(dāng) 時(shí)， 轉(zhuǎn)化成 。第12頁，共33頁。米氏方程

5、的幾個(gè)特點(diǎn)從米氏方程中可以看出：當(dāng)S Km時(shí)， ，反應(yīng)速率達(dá)到最大，并與底物濃度無關(guān)，屬零級(jí)反應(yīng)；當(dāng)S = Km時(shí)， ，所以，Km的意義是使反應(yīng)速率達(dá)到最大反應(yīng)速率一半時(shí)的底物濃度。第13頁，共33頁。米氏方程曲線第14頁，共33頁。米氏常數(shù)的意義 Km是酶的特征性常數(shù)，其單位是濃度單位。在一定的反應(yīng)條件下，對(duì)于一定的底物，Km是定值。 Km可以判斷酶的天然底物。有些酶可以作用于幾個(gè)底物，其中Km最小的底物是天然底物。 當(dāng)k3 k2時(shí)，Km = Ks，可以作為判斷酶與底物親和力的指標(biāo)，Km越小，酶與底物的親和力越大。第15頁，共33頁。多底物的酶促反應(yīng)（酶促反應(yīng)按底物分子數(shù)的分類）底物數(shù)酶分類

6、催化反應(yīng)酶種類占總酶百分?jǐn)?shù)單底物單向單底物假單底物異構(gòu)酶裂合酶水解酶A BA B + CA-B + H2O AOH + BH5%12%26%雙底物氧化還原酶轉(zhuǎn)移酶AH2 B A + BH2A2+ + B3+ A3+ + B2+A + BX AX + B27%24%三底物連接酶A + B + ATP AB + ADP + Pi A + B + ATP AB + AMP + PPi6%第16頁，共33頁。三、酶的抑制作用 因酶蛋白變性而酶活力喪失稱為酶的失活作用，而因?yàn)槟撤N物質(zhì)與酶結(jié)合使酶活力下降或喪失稱為酶的抑制作用，酶受抑制喪失活力時(shí)酶蛋白并沒有變性。能抑制酶活力的物質(zhì)稱為酶的抑制劑（inhi

7、bitor）。 研究酶的抑制作用是研究酶的結(jié)構(gòu)和功能、酶的催化機(jī)制，以及闡明代謝途徑的基本手段，也可以為醫(yī)藥設(shè)計(jì)新藥物和為新農(nóng)藥的研制提供理論依據(jù)。第17頁，共33頁。抑制程度的表示方法（1）相對(duì)活力分?jǐn)?shù)（殘余活力分?jǐn)?shù)）（2）相對(duì)活力百分?jǐn)?shù)（殘余活力百分?jǐn)?shù)）（3）抑制分?jǐn)?shù)（被抑制而失去活力的分?jǐn)?shù)）（4）抑制百分?jǐn)?shù)第18頁，共33頁。抑制作用的類型1不可逆抑制作用（irreversible inhibition） 抑制劑與酶活性中心的基團(tuán)以共價(jià)鍵結(jié)合，不能用透析、超濾、凝膠過濾等物理方法去除。2可逆抑制作用（reversible inhibition） 抑制劑與酶活性中心的基團(tuán)以非共價(jià)鍵結(jié)合，可

8、以用透析、超濾、凝膠過濾等物理方法去除而使酶恢復(fù)活力。第19頁，共33頁?？赡嬉种谱饔玫?種類型（1）競爭性抑制（competitive inhibition） I 和 S 競爭與酶的活性中心結(jié)合，二者只能結(jié)合一個(gè)。競爭性抑制劑通常是底物類似物，它可以與酶結(jié)合，但不能被酶催化發(fā)生反應(yīng)。第20頁，共33頁。競爭性抑制劑舉例第21頁，共33頁。可逆抑制作用的3種類型（2）非競爭性抑制（noncompetitive inhibition） I 與 S 可以分別與酶結(jié)合，誰先結(jié)合都可以，形成 ESI 三元復(fù)合物，但 ESI 中的 S 不能轉(zhuǎn)變成產(chǎn)物。這類抑制劑是與酶活性中心之外的某個(gè)部位結(jié)合。第22頁

9、，共33頁。競爭性和非競爭性抑制劑的抑制機(jī)理第23頁，共33頁?？赡嬉种谱饔玫?種類型（3）反競爭性抑制劑（uncompetitive inhibition） I 只與 ES 結(jié)合，只有 ES 能分解出產(chǎn)物，ESI 中的 S 不能轉(zhuǎn)變成產(chǎn)物。由于 I 的存在促進(jìn)了E和S的結(jié)合，所以稱為反競爭性抑制。 ES + I ESI P + E + I第24頁，共33頁。一些重要的不可逆抑制劑 （1）非專一性不可逆抑制劑 有機(jī)磷化合物 有機(jī)汞、有機(jī)砷化合物 重金屬鹽 烷化試劑 氰化物、硫化物和CO 青霉素（2）專一性不可逆抑制劑 Ks型不可逆抑制劑 Kcat型不可逆抑制劑 第25頁，共33頁。四、溫度對(duì)酶

10、反應(yīng)的影響 在較低溫度范圍內(nèi)，酶反應(yīng)速率隨著溫度的升高而增加，當(dāng)溫度高到一定程度時(shí)，酶開始變性失活，反應(yīng)速率反而下降。所以對(duì)于酶反應(yīng)來說，有一個(gè)最適反應(yīng)溫度。一般來說，動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)酶的最適反應(yīng)溫度在3540，植物細(xì)胞中的酶可達(dá)4050，也有一些生長在堆肥、溫泉中的微生物酶的最適溫度更高，如Taq DNA聚合酶的最適溫度可高達(dá)70。 需要注意的是，最適溫度值不是酶的特征性常數(shù)，此值隨著反應(yīng)時(shí)間的延長而有所下降。第26頁，共33頁。溫度對(duì)酶反應(yīng)速率的影響第27頁，共33頁。五、pH對(duì)酶反應(yīng)的影響 酶的活力受環(huán)境pH的影響，存在一個(gè)最適反應(yīng)pH。酶的最適反應(yīng)pH也不是一個(gè)特征性常數(shù)，而是受到底物種類和

11、濃度、緩沖液種類和濃度的不同而改變。第28頁，共33頁。4種酶的pH-酶活性曲線胃蛋白酶木瓜蛋白酶膽堿酯酶胰蛋白酶第29頁，共33頁。pH影響酶活力的原因pH影響酶活力的原因有以下幾方面： 過酸或過堿使酶變性失活。 pH偏離最適pH不多時(shí)，酶分子中及底物分子中各可解離基團(tuán)的解離狀態(tài)發(fā)生了變化，不利于底物與酶的結(jié)合及催化反應(yīng)。 由于酶分子可解離基團(tuán)的解離狀態(tài)發(fā)生了改變，導(dǎo)致酶分子構(gòu)象發(fā)生改變，不利于底物與酶的結(jié)合及催化反應(yīng)。第30頁，共33頁。最適反應(yīng)pH示意圖第31頁，共33頁。六、激活劑對(duì)酶反應(yīng)的影響 有些物質(zhì)與酶結(jié)合后可以提高酶活力，這些物質(zhì)稱為酶的激活劑（activator）或活化劑，它們大部分是無機(jī)離子或小分子化合物，少數(shù)是大分子物質(zhì)如蛋白質(zhì)。作為激活劑的金屬離子有K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Zn2+、Fe2+ 等，它