第9章 酶促反应动力学

null第9章 酶促反应动力学第9章 酶促反应动力学Enzyme Kinetics研究酶促反应的速率以及影响此速率的各种因素的科学一、化学动力学基础一、化学动力学基础 化学反应的两个基本问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ： 反应进行的方向、可能性和限度 反应进行的速率和反应机制化学热力学化学动力学null （一）反应速率及其测定 ——以单位时间内反应物或生成物 浓度的改变来 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示。v = - dc/dt 反应物浓度改变 v = + dc/dt 产物浓度改变反应速率的测定，实际上是测定不同时间的反应物或生产物的浓度，可以通过化学方法或物理方法进行定量测定null （二）反应分子数和反应级数 1.反应分子数： ——反应中真正相互作用的分子的数目 单分子反应：A P 双分子反应：A+B P+Q在化学动力学中研究化学反应速率与反应物浓度的关系时，有两种分类方法：即反应分子数及反应级数大多数反应都是以单分子或双分子反应的步骤进行的，3个分子同时反应的可能性很小，3个以上的反应还没有发现null单分子反应 A P v = kc c：A反应物的浓度（mol/l） k：比例常数/反应速率常数 双分子反应 A + B P + Q v = kc1c2 c1、c2 ：A和B反应物浓度（mol/l） k：比例常数/反应速率常数 ——可通过v与c的关系推断反应机制。单或双分子反应的速率（动力学）方程式null 2.反应级数 根据总反应速率与反应物浓度的关系： 能以v = kc表示，为一级反应； 能以v = kc1c2表示，则为二级反应； v 与反应物浓度无关，则为零级反应。双分子反应、一级反应反应分子数和反应级数分类方法对很简单的反应是一致的，但是某些反应是不一致的，例如：这是因为蔗糖的稀水溶液中，水的浓度比蔗糖要大得多，水浓度的减少可以忽略不计。v = k’c蔗糖c水 = k c蔗糖null 复杂反应由一连串简单反应组成，确定反应级数比较复杂，且不一定是整数。实际上为各个反应物浓度指数的总和。 反应分子数和反应级数为两个不同概念 反应分子数：实际参加反应的分子数，是一个反应机制的问题。 反应级数：由实验测得，表示反应速率与反应物浓度间的关系问题。实际应用时常采用反应级数。前页中的双分子反应符合一级反应方程式，有时也称为假单分子反应。一般来说，在双分子反应中，如果有一反应物的存在量极大，则显然此反应可以按照一级动力学方程式进行，如各种水解反应。null （三）各级反应的特征 1.一级反应： 反应速率与反应物浓度的一次方成正比。 v = kc lnc = - kt + lnc0c = c0 e-kt半衰期t1/2：有一半反应物转化为产物所需的时间k = 1/t lnc0/cnull当t=t½时，c=1/2c0,则 t½≈0.693／k, 即半衰期与反应物的初浓度无关。这是一级反应的一个特征。lnc = - kt + lnc0一级反应lnc与时间关系k = 1/t lnc0/c直线斜率的负值就是反应速率常数k， k的单位是时间的倒数null 2.二级反应： v = k c1 c2 v = k（a- x）（b – x） a 、b：反应物A、B的初浓度 x：t时已发生反应的物质浓度 （a- x）、（b – x）： t时后A、B的浓度 凡是反应速率与反应物质浓度二次方（或两种物质浓度的乘积）成正比的，这种反应就称为二级反应。null若A与B的初浓度相同若A与B的初浓度不相同直线斜率等于速率常速k ，单位为mol-1· L · s-1 ，这是二级反应的一个特征。当x = ½ a时，t即为半衰期t1/2。代入（1）式得： t1/2 = 1/ka 表明二级反应的半衰期与初浓度成反比。初浓度越大，反应物减少一半所需的时间越短，这是二级反应的一个特征。（1）（2）null3.零级反应： 凡是反应速率与反应物浓度无关而受其他因素影响改变的反应称为零级反应。 v = k一级反应：半衰期与反应物的初浓度无关 二级反应：半衰期与反应物的初浓度成反比 零级反应：半衰期与反应物的初浓度成正比k = x/t k的单位是mol · L-1 · s-1。 当x = ½ a时，其反应半衰期公式为: t1/2 = a/2k 半衰期与反应物的初浓度成正比。k的单位为时间的倒数 k的单位为mol-1· L · s-1 k的单位为mol· L-1 · s-1 3类反应比较null二、底物浓度对酶反应速率的影响（一）中间络合物学说底物浓度对酶催化反应初速率的影响酶催化某一化学反应时，酶首先与底物结合生成中间复合物（ES），然后生成产物（P）,并释放酶。S + E ES → P + Enull当底物浓度较低时反应速度与底物浓度成正比；反应为一级反应。null随着底物浓度的增高反应速度不再成正比例加速；反应为混合级反应。[S]VVmaxnull当底物浓度高达一定程度随浓度增加，反应速度不再增加，达最大速度；反应为零级反应[S]VVmaxnull中间络合物学说的实验证据： ES已被电子显微镜和X射线晶体结构分析直接观察到； 2.形成ES后E和S的光谱特性发生变化； 3. E的物理性质在形成ES后发生变化； 4. 已分离得到ES； 5. 超离心沉降过程中E和S共沉淀 null1913年Michaelis和Menten根据酶反应的中间络合物学说 提出反应速度与底物浓度关系的 数学 数学高考答题卡模板高考数学答题卡模板三年级数学混合运算测试卷数学作业设计案例新人教版八年级上数学教学计划 方程式，通常称为米氏方程。[S]：底物浓度 V：不同[S]时的反应速度 Vmax：最大反应速度(maximum velocity) Ｋs：ES的解离常数（二）酶促反应的动力学方程式1、米氏方程的推导KSknull1925年Briggs和Haldane提出了稳态理论，对米氏方程做了重要修正。酶促反应分两步进行，两步都是可逆的。所谓的稳态理论是指，复合物ES在不断地生成和分解，但是当反应系统中ES的生成速率和ES的分解速率相等时，络合物ES浓度保持不变的这种反应状态称为稳态。根据稳态理论推导出酶促反应动力学方程式，为纪念Michaelis和Menten，习惯上将该方程式也称为米氏方程。Km称为米氏常数[S]：底物浓度；V：不同[S]时的反应速度 Vmax：最大反应速度；Ｋm：米氏常数 null 实验所得酶促反应过程中各种浓度与时间关系曲线null k4三个假设： （1）E与S形成ES复合物的反应是快速平衡反应，而 ES分解为E及P的反应为慢反应，反应速度取决于慢反应即 V＝k3[ES]。 （2）S的总浓度远远大于E的总浓度，因此在反应的初始阶段，S的浓度可认为不变即[S]＝[St]。 米氏方程推导过程：null稳态时ES浓度不变 反应速度 V=k3[ES] ES的生成速度=消耗速度 k1[E][S]=k2[ES] + k3[ES] E的质量平衡方程 [E]=[Et] - [ES](Ⅲ) (Ⅰ) (Ⅱ) Vmax=k3[ES]max=k3[Et] （IV）nullnull米氏方程[S]VVmax½ VmaxKm米氏方程曲线null a.当[S]很小时 V=V [S]/Km =k[S] 一级反应b.当[S]很大时 V=V[S]/[S]=V 0 级反应Km=?Km=?Km = [S]若 V＝Vmax/2Km + [S] = 2[S]Km值代表反应速率达到最大反应速率一半时的底物浓度null2、动力学参数的意义（1）米氏常数Km的意义Km＝[S] ∴Km值等于酶促反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度，单位是mol/L。null ①Km是酶的特性常数： Km的大小只与酶的性质有关，与酶浓度无关。随测定的底物、pH 、温度、离子强度而改变。酶在一定条件下催化都有特定的Km值，可以鉴定酶。null②可以判断酶的专一性和天然底物有些酶能作用几种底物，因此有几个Km值，其中Km最小的底物——最适底物/天然底物1/Km近似表示酶对底物的亲和力： 1/Km越大、亲和力越大 Km值随不同底物而异的现象可以帮助判断酶的专一性，并且有助于研究酶的活性部位。nullKm≈k2（分离能力）/k1（亲合能力）=KsKm越小，亲和力越强。 [S]很小时，反应速度就能达到很大。性能优，代谢中这类酶更为重要k2>>k3时null④ Km可帮助判断某代谢反应的方向和途径 催化可逆反应的酶对正/逆两向底物Km往往是不同的，Km值的差别及正逆两相底物的浓度，可以推测正逆反应的效率，有利于了解酶的生理意义。 在级联反应过程，如果底物浓度相同，则 Km较大者为主要限速步骤。 同一种底物往往可以被几种酶作用，当底物浓度低时，只有Km值小的酶反应比较占优势。③若已知某个酶的Km值，就可以计算出在某一底物浓度时，其反应速率相当于Vmax的百分率。null乳酸脱氢酶（1.7×10-5）丙酮酸脱氢酶 （1.3×10-3）丙酮酸脱羧酶（1.0×10-3）丙酮酸乳酸乙酰CoA乙醛丙酮酸浓度较低时： 代谢哪条途径决定于Km最小的酶一底物多酶反应null（2）Vmax和k3（kcat)的意义 一定酶浓度下，酶对特定底物的Vmax也是一个常数。 [S]很大时， Vmax＝ k3[E] 。 k3表示当酶被底物饱和时，每秒钟每个酶分子转换底物的分子数， ——又称为转换数、催化常数kcat kcat越大，酶的催化效率越高nullnullnull（3） kcat/km的意义：∵Vmax=kcat[Et] ∴当[S] < 书 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf P364 表9-5。 从表中可知双底物反应占相当大的比例null①有序反应（ordered reactions）可写作Ordered Bi Bi, 前一个Bi表示2个底物有序结合，后一个表示2个产物有序生成领先底物释放释放A和Q竞争地与自由酶结合，A和B（Q和B）互不竞争（1）序列反应或单－置换反应2.多底物反应按动力学机制分类：底物的结合和产物的释放有一定的顺序，产物不能在底物的结合前释放。分两种类型null       (A)       ethanol                (Q)           acetaldehyde                       (B)                                       (P)         如以NAD+为辅助因子的脱氢酶null②随机反应（random reactions）可写作Random Bi Bi，前一个Bi表示2个底物随机结合，后一个Bi表示2个产物随机释放。可用下式表示：限速步骤是反应AEB →QEP，不论A或B首先同E结合，还是Q或P首先从QEP释放都不影响该限速步骤。null如肌酸激酶使肌酸磷酸化的反应可以认为，该酶有2个同底物（产物）的结合位点：一个是腺苷酸位点，与ATP或ADP结合，另一个是肌酸位点，与Cr或CrP结合。null A和Q竞争自由酶E形式; B和P竞争修饰酶形式E’ A和Q不同E’结合；B和P也不与E结合。 如氨基转移酶(2)乒乓反应或双－置换反应特点：酶同A的反应产物(P)是在酶同第二个底物B反应前释放出来，在这过程中，E转变成E’，然后再同B反应生成Q，并再生为E。null天冬氨酸氨基转移酶反应机制的图解3.双底物反应的动力学方程3.双底物反应的动力学方程（1）序列机制的底物动力学方程及动力学图—— 在B的浓度达到饱和时A的米氏常数—— 在A的浓度达到饱和时B的米氏常数—— 底物A与酶结合的解离常数—— 底物A、B都达到饱和时最大反应速率null当在不同固定的[B]将1/[A]对1/v作图，可得一组直线，这组直线相交于横坐标的负侧，这是序列机制的特点。交点在横坐标上表示，A,B的浓度互不影响各自的Km ，在横坐标以下表示，A的表观Km随B的浓度增高而增高，反之则反。双倒数方程null（2）乒乓机制的底物动力学方程及动力学图—— 在B的浓度达到饱和时A的米氏常数—— 在A的浓度达到饱和时B的米氏常数—— 底物A、B都达到饱和时最大反应速率null当不同固定的[B]将1/[A]对1/v作图，得到一组平行直线，这是乒乓机制的特点。双倒数方程null 三、酶的抑制作用失活作用：使酶Pr变性而引起酶活力丧失。 抑制作用：由于酶的必需基团化学性质的改变，但酶没有变性，而引起酶活力下降或丧失。 抑制剂：能引起抑制作用的物质。变性剂对酶的变性作用无选择性，而一种抑制剂只能使一种酶或一类酶产生抑制作用。抑制剂对酶的抑制作用是有选择性的。 研究酶的抑制作用不仅有重要的理论意义，而且在实践上有重要价值。null（一）抑制程度的表示方法V0 ：Vi ：不加入抑制剂时的反应速率加入抑制剂后的反应速率以反应速率的变化表示null1.相对活力分数（残余活力分数）2.相对活力百分数（残余活力百分数） V0 Vi Vi V0%null3.抑制分数 ——指被抑制而失去活力的分数V0 Vi 4.抑制百分数通常所谓抑制率是指抑制分数或抑制百分数%null依据： 能否用透析、超滤等物理方法 除去抑制剂，使酶复活。不可逆抑制作用与可逆抑制作用（二）抑制作用的类型null1、不可逆抑制作用 ： 抑制剂与酶必需基团以牢固的共价键结合而引起酶活力丧失，不能用透析，超滤等物理方法除去抑制剂而使酶复活。不可逆抑制也是酶的修饰抑制。 很多为剧毒物质可造成不可逆抑制，如： 高浓度重金属盐，有机磷、有机汞、有机砷、 氰化物、青霉素、毒鼠强等。不可逆抑制null抑制剂与酶以非共价键结合而引起酶活力降低或丧失，抑制作用可通过透析等方法除去。可逆抑制竞争性抑制(competitive inhibition)非竞争性抑制(non-competitive I.）反竞争性抑制(uncompetitive I.) 2、可逆抑制作用：null（1）竞争性（Competitive)抑制null I： 抑制剂（ inhibitor）nullnull草酸草酰乙酸丙二酸戊二酸琥珀酸延胡索酸琥珀酸脱氢酶【举例】 丙二酸等与琥珀酸竞争琥珀酸脱氢酶null（2）非竞性（Non-competitive)抑制nullNoncompetitive inhibitionnull某些重金属离子Ag+、Cu2+、Hg2+、Pb2+等在低浓度时对酶的抑制作用均属于这类抑制。null（3）反竞争性（Uncompetitive ）抑制nullnull反竞争性抑制作用常见于多底物反应中，在单底物反应中比较少见。如L-Phe，L-同型精氨酸等多种氨基酸对碱性磷酸酶的作用，肼类化合物抑制胃蛋白酶，氰化物抑制芳香硫酸酯酶的作用。null1：反应体系不加I2： 体系中加入 一定量不可逆抑制剂3：体系中加入 一定量可逆抑制剂v123[E](三)可逆和不可逆抑制作用的鉴别除用透析，超滤等方法能否出去抑制剂来区别可逆抑制作用和不可逆作用外，还可采用动力学方法来鉴别null[I ]→[I ]null(四）可逆抑制作用动力学可逆抑制剂与酶结合后产生的抑制作用，可以根据米氏学说原理加以推导，定量说明抑制剂对酶促反应速率的影响1.竞争性抑制1.竞争性抑制抑制剂常数null消去[ES]nullnullnull斜率斜率null竞争性：I与S与酶活性中心结合机会均等 V下降发生抑制Km增大亲和力Vmax不变 [S] 增大， I结合机率减小nullKm 变大，Vmax不变2.非竞争性抑制2.非竞争性抑制[E] = [Ef] +[ES] + [EI] + [EIS]null代入式子得到非竞争抑制米氏方程式两边取倒数得到：null截距nullV下降发生抑制 Km不变 亲和力不受影响 Vmax减小 nullKm不变，Vmax变小 null3. 反竞争性抑制作用[E] = [Ef] + [ES] + [ESI]null代入式子得到非竞争抑制米氏方程式两边取倒数得到：nullKm、Vmax都变小nullnull不可逆抑制剂 非专一性不可逆抑制剂 （作用于一/几类基团，这些基团中包含必需基团） 专一性不可逆抑制剂 （作用于某一种酶的 活性部位基团）1、不可逆抑制剂不可逆抑制（五）一些重要的抑制剂研究酶活性部位的重要试剂null （1） 非专一性不可逆抑制剂①有机磷化合物（DFP、敌敌畏、敌百虫、沙林）主要有以下几类：能抑制某些蛋白酶及酯酶活力，与酶分子活性部位的丝氨酸羟基共价结合，从而使酶失活。null这类化合物强烈地抑制对神经传导有关的胆碱酯酶活力，引起神经中毒症状，因此又称为神经毒剂。胆碱酯酶OHnull胆碱乙酰化酶胆碱酯酶胆碱乙酰胆碱积累导致神经中毒症状如何紧急救治？如何紧急救治？排毒 洗胃、喝鸡蛋清牛奶 导泄、利尿 血液透析（清除游离状态毒物） 解毒药：解磷定nullRO O RO O—E P + -CHNOH磷酰化酶(失活)N+CH3解磷定解毒 -- -- -- 解磷定(PAM)：②有机汞、有机砷化合物②有机汞、有机砷化合物——与酶分子中-SH作用； 可通过加入过量巯基化合物如半胱氨酸或还原型谷胱甘肽（GSH）而解除。null③重金属离子 Ag+ 、 Cu2+ 、 Hg2+ 、 Pb2+ 、 Fe3+ 高浓度时可使酶蛋白变性失活； 低浓度时对酶活性产生抑制。 ——一般可以使用金属螯合剂如EDTA、半胱氨酸等螯合除去有害的金属离子，恢复酶的活力。null  H2N-CH-COOH  CH2  SH H2N-CH-COOH  CH2  S-CH2COOH ICH2COOHHI ④烷化剂（多为卤素化合物）++碘乙酸这类试剂一般含有活泼的卤素原子，被作用的基团有巯基，氨基，羧基，咪唑基和硫醚基等。null⑤氰化物、硫化物和CO ——与酶中金属离子形成稳定的络合物 如氰化物与含铁卟啉细胞色素氧化酶结合 ⑥青霉素（penicillin） 与细菌糖肽转肽酶Ser-OH共价结合，使酶失活，影响细胞壁合成。null（2） 专一性不可逆抑制剂 分为Ks型和Kcat型 ①Ks型不可逆抑制剂 具有底物类似的结构——（结合） 带有一活泼基团：与必需基团反应（抑制） ∵利用对酶亲合性进行修饰 ∴亲合标记试剂（affinity labeling reagent）null②Kcat型不可逆抑制剂具有底物类似的结构 本身是酶的底物 还有一潜伏的反应基团，当酶对该抑制剂进行催化反应时，这个潜伏反应基团被暴露或活化，变作用于酶活性部位的必需基团或酶的辅基，使酶不可逆失活。是一类专一性极高的不可逆抑制剂，又称为“自杀性底物” null磺胺类药物的抑菌机制： 与对氨基苯甲酸竞争二氢叶酸合成酶2. 可逆抑制剂最重要和最常见的为竞争性抑制剂，例如磺胺类药物null磺胺类药抗菌机理： （与对氨基苯甲酸是结构类似物） 竞争性抑制细菌叶酸形成，抑制细菌繁殖 人通过食物直接补充叶酸，对人无毒害。生物碱麻醉—竞争性替代生物碱麻醉—竞争性替代生物碱—吗啡、海洛因、可卡因、尼古丁麻醉机理麻醉机理源自—37C医学网痛觉神经信号阿片—鸦片类物质生物碱竞争性替代脑肽—麻醉致幻利用竞争性抑制是药物 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 主要思路过渡态底物类似物作为竞争性抑制剂是药物设计的一个非常有前途的方向所谓过渡态底物是相对于基态底物而言的，是指底物和酶结合成中间复合物后被活化的过渡形式，由于能障小，和酶结合就比基态底物紧密得多。 如果抑制物的化学结构能类似过渡态底物，则其对酶的亲和力就会远大于底物，从而引起酶的强烈抑制。利用竞争性抑制是药物设计主要思路null过渡态底物类似物抑制剂的研究，具有很大的理论和实践意义，不但有利于对酶催化机制的了解，还可据此合成高效而特异的新药物null上图反映出温度如何影响酶活力？ 最适温度 四、温度对酶反应的影响null温度越高，活化分子越多，反应速度快； 酶变性时间越短，反应速度下降也迅速。null最适温度：反应速率达到最大时的温度 ——不是酶的特征物理常数 最适温度常受到其他条件如底物种类、作用时间、pH和离子强度等因素影响而改变。如与反应时间的关系为： 时间短，最适温度高，时间长，则低。 温度系数Q10：温度升高10℃前后反应速率之比，一般为2。null 生物样品若制成干粉，可放置在室温下保存，而处于溶液状态时必须放在冰箱里保存。 原因何在？ 低温无水使微生物降解酶活性降低 最适pH因酶而异，多数酶在7.0左右最适pH因酶而异，多数酶在7.0左右 五、pH 对酶反应的影响最适pH时的酶活力最大是酶的特性之一nullnullpH对酶活力产生影响的原因？ 环境过酸、过碱使酶空间结构破坏，引起酶构象的改变，酶活性丧失。 pH影响酶活性部位的有关基团的解离；影响底物的解离、底物与酶结合或产物生成；影响中间络合物ES的解离。 pH影响维持酶分子空间结构的有关基团解离，从而影响酶活性部位的构象，影响酶活性。null六、激活剂对酶反应的影响凡能提高酶活性的物质都称为激活剂。 激活剂主要为：无机离子或简单的有机化合物。 激活剂对酶的作用具有一定的选择性，即一种激活剂对某种酶起激活作用，而对另外一种酶可能起抑制作用。null①无机离子 阳离子 K+、Ca2+、Na+、Mg2+、Zn2+等 阴离子 Cl -、Br -等机理？ 与S结合使其形状更适合酶活性中心 屏蔽电荷效应 其作用有时可互相替代，有时互相拮抗、 有时相反（选择性）、有时因浓度而异null②中等大小的有机分子 某些还原剂如Vc、Cys 机理：还原酶活性中心二硫键 -S-S- →-SH + -SH 参与催化 EDTA（乙二胺四乙酸） 机理：解除重金属抑制null③某些激酶 无活性的酶原激酶作用下， 切除或添加基团有活性的酶