生物化學(xué)-07 -酶促反應(yīng)動力學(xué)

酶促反應(yīng)動力學(xué)第七章2(二)、酶促反應(yīng)動力學(xué)方程1、米氏方程（Michaelis和Menten，1913）

1925年，Briggs和Handane提出穩(wěn)態(tài)理論：KS：ES的解離常數(shù)E+SESk1k2ESP+Ek3k4穩(wěn)態(tài)：ES的形成和分解達(dá)到平衡時的狀態(tài)3(二)、酶促反應(yīng)動力學(xué)方程反應(yīng)初期，[P]很低E+SESk1k2ESP+Ek3k4E+SESk1ES生成速率ES分解

分解速率

4(二)、酶促反應(yīng)動力學(xué)方程穩(wěn)態(tài)時

V與ES的分解速率成正比(k3

>>k2)當(dāng)V最大時，所有酶被底物飽和

5(二)、酶促反應(yīng)動力學(xué)方程Km：米氏常數(shù)當(dāng)V=1/2Vmax

Km值的物理意義：

酶促反應(yīng)速率達(dá)到最大反應(yīng)速率的一半時的底物濃度（mol/L）6(二)、酶促反應(yīng)動力學(xué)方程2、動力學(xué)參數(shù)的意義

1）米氏常數(shù)Km的意義

①

Km是酶的特性常數(shù)

Km只與酶的性質(zhì)有關(guān)，而與酶濃度無關(guān)

底物、反應(yīng)溫度、pH及離子強(qiáng)度一定

時，Km值為常數(shù).②Km值可判斷酶的天然底物

Km值最小的底物為酶的最適底物,又稱天然底物

Km的意義7(二)、酶促反應(yīng)動力學(xué)方程③

1/Km近似表示酶與底物親和力的大小

1/Km越大，親和力越大

KS是真正表示酶與底物親和力大小的值④

已知Km，可計算V或[S]⑤

Km有助于推斷反應(yīng)的方向和途徑正、逆兩方向反應(yīng)的Km不同，Km小的反應(yīng)為主要催化方向Km的意義8(二)、酶促反應(yīng)動力學(xué)方程

2）Vmax和k3（kcat）的意義

[E]一定時，特定底物的Vmax是常數(shù)

kcat：催化常數(shù)（酶的轉(zhuǎn)換數(shù)），為酶被底

物飽和時，每秒鐘每個酶分子轉(zhuǎn)換底

物的分子數(shù)。kcat越大，酶催化效率越高當(dāng)一系列酶催化一個代謝過程的連續(xù)反應(yīng)時，可以根據(jù)Km和相應(yīng)的[S]，確定限速步9二、酶的抑制作用

能引起蛋白質(zhì)失活的條件都影響酶的活力，引致酶活性喪失的作用稱為失活作用抑制作用(inhibition)：酶蛋白的三維結(jié)構(gòu)并未改變，但活性基團(tuán)被部分或全部封閉而引起的酶活力降低或喪失的現(xiàn)象抑制劑：使酶發(fā)生抑制作用的物質(zhì)變性：三維結(jié)構(gòu)被破壞，不具有選擇性抑制：不一定破壞立體結(jié)構(gòu)，有選擇性一種抑制劑常常只能抑制一類酶甚至一種酶

10（一）抑制作用的類型1、可逆抑制作用抑制劑與酶非共價結(jié)合而導(dǎo)致的酶活性降低或完全失活的現(xiàn)象2、不可逆抑制作用抑制劑與酶的活性基團(tuán)共價結(jié)合導(dǎo)致酶失活的現(xiàn)象111）競爭性抑制（competitiveinhibition）底物與抑制劑競爭酶分子中的底物結(jié)合部位競爭性抑制可以通過提高底物濃度解除

(丙二酸抑制琥珀酸脫氫酶)可逆抑制有三種類型12（一）抑制作用的類型2）非競爭性抑制(petitiveinhibition)底物與抑制劑可以同時與酶的不同部位結(jié)合特點(diǎn)：

抑制劑常常與底物分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)完全不同抑制作用不能通過增加底物濃度來解除13(三)、可逆抑制作用的動力學(xué)1．競爭性抑制底物、抑制劑和酶之間有如下平衡

Ki：抑制常數(shù)（inhibitorconstant）S+EESP+Ek3k1k2I+ki1ki2EI14

溶液平衡時[E]=[Ef]+[ES]+[EI]以V~[S]作圖，沒有抑制劑存在時，圖形是正常的雙曲線,加入競爭性抑制劑后，Vmax不變，K’m變大(K’m>Km)

(三)、可逆抑制作用的動力學(xué)米氏方程為15雙倒數(shù)式

競爭性抑制劑對酶促反應(yīng)動力學(xué)的影響：Vmax不變，Km變大

(三)、可逆抑制作用的動力學(xué)162．非競爭性抑制非競爭性抑制時，底物、酶

和抑制劑會形成三元復(fù)合物S+EESP+EEI+SEISkk3k2k1(三)、可逆抑制作用的動力學(xué)[E]=[Ef]+[ES]+[EI]+[EIS]17雙倒數(shù)方程為非競爭性抑制劑對酶促反應(yīng)動力學(xué)的影響Km不變，Vmax變小

(三)、可逆抑制作用的動力學(xué)18（四）重要的抑制劑1．不可逆抑制劑

1）非專一性不可逆抑制劑

特點(diǎn)：作用于酶分子中的一類或幾類基團(tuán)

與結(jié)合部位基團(tuán)結(jié)合，酶活力下降與催化部位活性基團(tuán)結(jié)合，酶失活與調(diào)控部位基團(tuán)結(jié)合，酶活性改變19（四）重要的抑制劑

此類抑制劑主要有以下幾類：

①有機(jī)磷化合物

原理：與酶活性中心Ser-OH共價結(jié)合此類化合物抑制范圍廣，對蛋白水解酶和酯酶的抑制作用更強(qiáng),強(qiáng)烈抑制膽堿酯酶，也叫神經(jīng)毒劑20（四）重要的抑制劑解毒：肟類化合物，如解磷定

21②

有機(jī)汞和有機(jī)砷化合物

原理：與酶分子中的Cys-SH作用抑制絕大部分含-SH的酶。如路易斯毒氣，

(Lewisite)會使人畜中毒解毒：加入過量的Cys或還原型GSH(谷胱甘肽)。

路易斯毒氣可用BAL解毒22二氫葉酸對氨基苯甲酸二氫葉酸合成酶四氫葉酸外源葉酸人體吸收利用細(xì)菌核酸合成的輔酶2、可逆抑制劑最常見的是競爭性抑制劑,化學(xué)結(jié)構(gòu)與底物結(jié)構(gòu)類似，如5-氟尿嘧啶，磺胺類藥物23（四）重要的抑制劑24三、溫度、pH對酶促反應(yīng)的影響1．溫度的影響

酶促反應(yīng)有最佳反應(yīng)溫度或最佳溫度范圍最佳反應(yīng)溫度：使酶促反應(yīng)速率達(dá)到最大值的溫度酶的最適溫度動物細(xì)胞：35-40℃植物細(xì)胞：40-50℃微生物細(xì)胞：差別大

Taq酶，最適溫度70℃252．pH的影響

pH的變化將影響底物分子和酶分子活性基團(tuán)的解離狀態(tài)，所以各種酶都有最適pH，在最適pH下表現(xiàn)出最大活性

最適pH是酶的特性，大多數(shù)酶的最適pH在5-8之間，動物酶的最適pH為6.5-8.0，植物及微生物酶為4.5-6.5生物體內(nèi)的酶發(fā)揮效能時并不都處于最適pH四、酶的作用機(jī)制和調(diào)節(jié)26（一）酶活性部位酶活性中心(activecenter,

activesite)：

由結(jié)合部位和催化部位組成

結(jié)合部位：與底物分子特異結(jié)合，決定專一性

催化部位：活化底物分子，促成鍵的斷裂和形

成，決定酶的高效性

輔酶：共同構(gòu)成酶活性中心

（二）酶活性部位的特點(diǎn)酶活性部位的共性1、體積小

活性中心占總體積的1-2%，催化部位、結(jié)

合部位氨基酸殘基數(shù)目很少2、是三維實(shí)體

活性中心的氨基酸殘基一級序列不相連

活性中心是個空腔3、與底物分子空間結(jié)構(gòu)相匹配

底物分子與活性中心的催化基團(tuán)處于最佳反

應(yīng)位置（誘導(dǎo)契合理論）

2728

某些酶活性部位的氨基酸殘基酶氨基酸殘基數(shù)活性部位氨基酸殘基核糖核酸酶A(ribonucleaseA)124His12,His119,Lys41溶菌酶（lysozyme）129Asp52,Glu35胰凝乳蛋白（chymotrypsin）241His57,Asp102,Ser195胰蛋白酶（trypsin）223His57,Asp102,Ser195彈性蛋白酶（elatase）240Asp32,Asp215胃蛋白酶（pepsin）348Asp25,Asp25’HIV－1蛋白酶（HIV-1proteinase）99×2（二聚體）Cys25,His159木瓜蛋白酶（papain）212His64,Ser221,Asp32碳酸酐酶（carbonicanhydrase）259His119羧肽酶

A（carboxypeptidaseA）307Arg127,Glu270,Tyr248,Zn2+枯草桿菌蛋白酶（subtilisin）374×2（二聚體）Ser48,His51,NAD+,Zn2+5、底物與酶通過弱相互作用結(jié)合

穩(wěn)定酶與底物的結(jié)合6、具有柔性

酶變性時，酶的活性中心易受影響29酶活性活性部位的空間結(jié)構(gòu)？一級序列決定三維結(jié)構(gòu)氨基酸殘基提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)4、活性中心位于酶表面的一個裂縫內(nèi)

疏水微環(huán)境

使底物分子有效濃度很高個別極性殘基有利于催化作用

（三）酶催化效率的影響因素301．酶分子的空間結(jié)構(gòu)

非活性部位的氨基酸殘基對于穩(wěn)定和精細(xì)化活性中心的構(gòu)象十分必要復(fù)雜的折疊結(jié)構(gòu)使它擁有其它催化劑不具有的優(yōu)勢：1）催化部位：協(xié)同催化，具有高效性2）結(jié)合部位：鄰近效應(yīng)和定向效應(yīng)利于復(fù)合物

的形成和產(chǎn)物的離去多底物反應(yīng)中，存在1個以上底物結(jié)合部位2．底物和酶的鄰近效應(yīng)與定向效應(yīng)

鄰近效應(yīng)的影響

通過ES的形成，使分子間反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榉肿觾?nèi)反應(yīng)，從而提高反應(yīng)速率（104）

定向效應(yīng)的影響底物的反應(yīng)基團(tuán)和酶催化基團(tuán)的正確取位產(chǎn)生的效應(yīng)，能大大加速催化反應(yīng)（104）31（三）酶催化效率的影響因素3．底物的形變和誘導(dǎo)契合32B水解速度是A的108倍

酶可使底物分子某些基團(tuán)的電子云密度改變產(chǎn)生“電子張力”，致使底物分子扭曲而接近過渡態(tài)AB4．微環(huán)境的影響底物分子形變的同時，形成反應(yīng)過渡態(tài)1．酸堿催化（acid-basecatalysis）

通過提供或接受質(zhì)子來穩(wěn)定過渡態(tài)加速

反應(yīng)進(jìn)行

酶分子中參與廣義酸堿催化的基團(tuán)有

-NH2、-COOH，-SH，-OH及咪唑基

His中的咪唑基：

在生理?xiàng)l件下既可作為質(zhì)子供體，又可

作為受體，并且它提供質(zhì)子和接受質(zhì)子的速

率幾乎相同，十分迅速

33（四）酶促反應(yīng)的催化機(jī)制2．共價催化（covalentCatalysis）

酶與底物分子形成不穩(wěn)定的共價中間體，

因而降低了反應(yīng)活化能，使反應(yīng)加速酶參與的共價催化一般是親核催化。

酶分子中常見的親核基團(tuán)有：

Ser-OH、Cys-SH、His-咪唑基34（四）酶促反應(yīng)的催化機(jī)制35形成共價ES中間物的一些酶

酶反應(yīng)基團(tuán)共價中間物1．胰凝乳蛋白酶(chymotrypsin)彈性蛋白酶(elastase)酯酶類(esterases)枯草桿菌蛋白酶(subtilisin)凝血酶(tbrombin)胰蛋白酶(trypsin)2．甘油醛-3-磷酸脫氫酶(glyceraldehyde-3-phosphatedehydrogenase)木瓜酶(papain)3.堿性磷酸酶（alkalinephosphatase）葡糖磷酸變位酶(phosphorglucmutase)4.磷酸甘油酸變位酶(phosphorglyceratemutase)琥珀酰－CoA合成酶（succinylCoAsynthetase）5.醛酯酶(aldolade)脫羧酶類(decarboxylases)依賴于磷酸吡哆醛酶類（pyridoxalphos