酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué) (生物化學(xué))

Chapter9

Enzymekinetics第一節(jié)底物濃度對(duì)酶促反應(yīng)速率的影響

第二節(jié)pH對(duì)酶反應(yīng)速率的影響

第三節(jié)

溫度對(duì)酶反應(yīng)速率的影響第四節(jié)酶濃度對(duì)酶反應(yīng)速率的影響第五節(jié)激活劑對(duì)酶反應(yīng)速率的影響第六節(jié)酶的抑制劑

第一節(jié)底物濃度對(duì)酶促反應(yīng)速率的影響

（1）當(dāng)?shù)孜餄舛刃r(shí)，酶未被底物飽和，反應(yīng)速率取快于底物濃度，為一級(jí)反應(yīng)；（2）底物濃度變大，ES生成較多，反應(yīng)速率取快于ES的濃度，為混合級(jí)反應(yīng)；（3）當(dāng)?shù)孜餄舛认喈?dāng)高時(shí)，酶全部被底物飽和，反應(yīng)速度不會(huì)因底物濃度增加而提高，反應(yīng)為0級(jí)。

為了要解釋這一現(xiàn)象，1903年由Henri和Wurtz提出了中間絡(luò)合物學(xué)說(shuō)：當(dāng)酶催化某一化學(xué)反應(yīng)時(shí)，酶首先與底物結(jié)合生成中間復(fù)合物（ES），然后生成產(chǎn)物（P），并釋放出酶：

一．中間絡(luò)合物學(xué)說(shuō)：

Michaelis&Menten推導(dǎo)米氏方程。二．酶促反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程式

1.米氏方程的推導(dǎo)V

=Vmax·[S

]Km

+

[S

]KsKs為ES的解離常數(shù)（Ks=k2/k1）

二．酶促反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程式

[E]

酶總量；[Et]反應(yīng)后t時(shí)的酶量；[ES]中間產(chǎn)物濃度[Et]

[E]-[ES]1925年BriggsandHaldane提出了穩(wěn)態(tài)理論，對(duì)米氏方程做了修正

：（1）反應(yīng)分二步進(jìn)行：(2)反應(yīng)體系處于穩(wěn)態(tài)即[ES]不變→ES的生成量=ES的分解量。剛反應(yīng)時(shí)，若ES形成的速度為v1,則v1k1[Et][S]k1[（E）-（ES）][S](1)ES消失速度v23

：v2k2[ES];v3k3[ES]v23k2[ES]k3[ES]

（k2k3）[ES](2)ES的生成量=ES的分解量即：v1=v23k1[（E）-（ES）][S]=[ES]（k2k3）[（E）-（ES）][S]/[ES]=（k2k3）/k1(3)設(shè)Km=(k2+k3)/k1

將(3)重排得[ES]=[E][S]/Km

[S](4)當(dāng)[S]>>[E]時(shí)，即[E]=[ES],v=Vmax=K3[ES]=K3[E]（7）將（7）式代入（6）式v=k3[ES]（5）v=k3[E][S]/Km

[S]

（6）V

=Vmax·[S

]Km

+

[S

]Km—米氏常數(shù)，當(dāng)酶反應(yīng)速率達(dá)到最大反應(yīng)速率一半時(shí)的底物濃度，單位：mol/L；Km=(k2+k3)/k1

Km是酶的特征常數(shù)，近似表示酶與底物的親和力。（1）當(dāng)[S]《Km時(shí)，反應(yīng)速率與底物濃度成正比，v與[S]的關(guān)系符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)。酶沒(méi)有全部被底物所飽和。（2）當(dāng)[S]》Km時(shí)，反應(yīng)速率已達(dá)到最大速率，這時(shí)酶全部被底物所飽和，v與[S]無(wú)關(guān)，符合0級(jí)動(dòng)力學(xué)，只有在此條件下才能正確測(cè)得酶活力。（3）當(dāng)[S]=Km時(shí)，反應(yīng)速率為最大速率的一半，因此Km就代表反應(yīng)速率達(dá)到最大反應(yīng)速率一半時(shí)的底物濃度。

[S]<<Km

Km=[S][S]>>Km

2.動(dòng)力學(xué)參數(shù)的意義（1）米氏常數(shù)的意義：Km是酶的一個(gè)特性常數(shù)：Km可以判斷酶的專一性和天然底物：若已知某個(gè)酶的Km，就可計(jì)算出在某一底物濃度時(shí)的反應(yīng)速率相當(dāng)于Vmax的百分?jǐn)?shù)。Km可以幫助推斷某一代謝反應(yīng)的方向和途徑：（2）Vmax和k3（kcat）的意義：當(dāng)[S]很大時(shí)，Vmax=k3[E]，說(shuō)明Vmax與[E]成線性關(guān)系，而直線的斜率為k3，為一級(jí)反應(yīng)速率常數(shù)。K3表示當(dāng)酶被底物飽和時(shí)每秒鐘每個(gè)酶分子轉(zhuǎn)換底物的分子數(shù)，這個(gè)常數(shù)又叫做轉(zhuǎn)換數(shù)（TN），通稱為催化常數(shù)（kcat），kcat越大，表示酶的催化效率越高。（3）kcat/Km的意義：在生理?xiàng)l件下，大多數(shù)酶并不被底物所飽和，在體內(nèi)[S]/Km的比值通常介于0.01-1.0之間。

Vmax=kcat[ET]

當(dāng)[S]<<Km時(shí)，[E]=[ET]v(kcat/Km)·[E][S]kcat/Km=k1·k3/(k2+k3)

上限為k1kcat/Km表示酶的催化效率。常見(jiàn)酶的Km值

酶Km(mol/L)底物糜蛋白酶0.108甘氨酰酪氨酰甘氨酸過(guò)氧化氫酶0.025H2O2碳酸酐酶0.009H2CO3β-半乳糖苷酶0.004D-乳糖己糖激酶

0.0015D-果糖

0.05D-葡萄糖V

=Vmax·[S

]Km

+

[S

]

3.米氏方程中常數(shù)的測(cè)定所以采用雙倒數(shù)作圖法：即1/v-1/[S]作圖

雙倒數(shù)作圖法（Lineweaver-BurkPlot)：

Vmax難以測(cè)定，不能從vV/2處求得，從而導(dǎo)致Km也難確定。Summaryof第二節(jié)pH對(duì)酶反應(yīng)速度的影響

pH對(duì)酶反應(yīng)速度的影響較大。其原因有：極度pH的條件引起酶蛋白的變性。pH影響底物的解離，從而影響酶與底物的結(jié)合。

pH影響酶分子解離狀態(tài)。

每種酶只能在一定的pH范圍內(nèi)表現(xiàn)出它的活性，且在某一pH值范圍內(nèi)活性最高，其兩側(cè)活性都下降?！嗝复俜磻?yīng)具有一最適pH。2810pH酶的活性A:

胃蛋白酶;

B:葡萄糖-6-磷酸酶AB最適pH一些酶的最適pH值酶最適pH胃蛋白酶1.8過(guò)氧化氫酶7.6胰蛋白酶7.7延胡索酸酶7.8核糖核酸酶7.8精氨酸酶9.8最適pH：在一定條件

下,酶具有最大的催化活性的pH值。溫度對(duì)酶反應(yīng)速度的影響具有雙重性：隨著溫度的升高，酶蛋白會(huì)失活，使反應(yīng)速度下降隨著溫度的升高，反應(yīng)速度會(huì)加快第三節(jié)溫度對(duì)酶反應(yīng)速度的影響

因此，在這雙重因素的綜合作用下，酶促反應(yīng)具有一最適溫度。

不同酶的最適溫度也不一樣。動(dòng)物酶的最適溫度一般在35-40℃，植物酶為40-50℃。少數(shù)酶可達(dá)60℃以上，如：細(xì)菌淀粉水解酶的最適溫度90℃以上。嗜熱細(xì)菌：Taq聚合酶最適溫度70℃，93℃不失活。酶的最適溫度并非酶的特征性常數(shù)，它與底物、作用時(shí)間等因素有關(guān)。第四節(jié)酶濃度對(duì)酶反應(yīng)速度的影響

在一般的酶促反應(yīng)中，常常[S]>>[E]，酶反應(yīng)速度達(dá)到最大反應(yīng)速度。當(dāng)[S]>>[E]，由于Vmax=k[E]0，∴反應(yīng)速度與酶濃度成正比。酶濃度曲線第五節(jié)激活劑對(duì)酶反應(yīng)速度的影響激活劑：能提高酶活性的物質(zhì)。無(wú)機(jī)離子：主要是金屬離子，它們有的本身就是酶的輔助因子，有的是酶的輔助因子的必要成分。如:激酶需要Mg2+激活唾液淀粉酶需要Cl-激活主要的激活劑有：有機(jī)小分子：一些還原劑，如抗壞血酸、半胱氨酸，使含-SH的酶處于還原態(tài)金屬螯合劑，如EDTA(乙二胺四乙酸)，可絡(luò)合一些重金屬雜質(zhì)，解除它們對(duì)酶的抑制，從而使酶活升高。抑制作用：有些物質(zhì)與酶結(jié)合后，引起酶的活性中心或必需基團(tuán)的化學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，從而使酶活力降低或喪失。第六節(jié)酶的抑制劑抑制作用：失活作用：凡可使酶蛋白變性而引起酶活力喪失的作用。抑制作用：凡使酶活力下降，但并不引起酶蛋白變性的作用。抑制劑：能引起對(duì)酶的抑制作用的物質(zhì)?？赡嬉种谱饔貌豢赡嬉种谱饔枚愐种朴猛镜蔫b別？抑制程度的表示方法：一般用反應(yīng)速率的變化來(lái)表示。不加抑制劑時(shí)的反應(yīng)速率為v0，加入抑制劑后的反應(yīng)速率為vi，則表示：（1）相對(duì)活力分?jǐn)?shù)（殘余活力分?jǐn)?shù)）：

a=vi/v0（2）相對(duì)活力百分?jǐn)?shù)（殘余活力百分?jǐn)?shù)）：

a%=vi/v0×100%（3）抑制分?jǐn)?shù)：指被抑制而失去活力的分?jǐn)?shù)

i=1—a=1—vi/v0（4）抑制百分?jǐn)?shù)(抑制率)：

i%=（1—a）×%=（1—vi/v0）×%

可逆抑制作用可分為三種類型：

1.競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用

2.非競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用

3.反競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用

酶與抑制劑非共價(jià)地可逆結(jié)合，當(dāng)用透析或超濾等方法除去抑制劑后酶的活性可以恢復(fù)，這種抑制作用叫可逆抑制作用。(一）可逆抑制作用

某些抑制劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)與底物相似，與底物競(jìng)爭(zhēng)酶的活性中心并與之結(jié)合，從而減少了酶與底物的結(jié)合，因而降低酶反應(yīng)速度。這種作用稱為競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用。1.競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用例如，丙二酸是琥珀酸脫氫酶的競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑。

這種抑制作用可通過(guò)增加底物濃度而使整個(gè)反應(yīng)平衡向生成產(chǎn)物的方向移動(dòng)，因而能削弱或解除這種抑制作用。

琥珀酸延胡索酸丙二酸Linewevery-Burk圖米氏方程Lineweaver-Burkplotofcompetitiveinhibition競(jìng)爭(zhēng)性抑制中，Vmax不變，Km增大可通過(guò)增加底物濃度而使整個(gè)反應(yīng)平衡向生成產(chǎn)物的方向移動(dòng)，因而能削弱或解除這種抑制作用。

某些抑制劑結(jié)合在酶活性中心以外的部位，因而與底物和酶的結(jié)合無(wú)競(jìng)爭(zhēng)，即底物與酶結(jié)合后還能與抑制劑結(jié)合，同樣抑制劑與酶結(jié)合后還能與底物結(jié)合。但酶分子上有了抑制劑后其催化功能基團(tuán)的性質(zhì)發(fā)生改變，從而降低了酶活性。這種作用稱為非競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用。

2.非競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用這種抑制作用不能用增加底物濃度的方法來(lái)消除。非競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑，例如：金屬絡(luò)合劑，如:EDTA、F-、CN-、N3-等，可以絡(luò)合金屬酶中的金屬離子，從而抑制酶的活性。NoncompetitiveinhibitionLinewevery-Burk圖非競(jìng)爭(zhēng)性抑制中，Vmax變小，Km不變這種抑制作用不能用增加底物濃度的方法來(lái)消除。3.反競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用

某些抑制劑不能與游離的酶結(jié)合，而只能在酶與底物結(jié)合成復(fù)合物后再與酶結(jié)合。當(dāng)酶分子上有了抑制劑后其催化功能被削弱。這種作用稱為反競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用(uncompetitiveinhibition)。常見(jiàn)可逆抑制劑的應(yīng)用：5’-氟尿嘧啶的抗癌作用：磺胺類藥物的抑菌作用：磺胺藥：對(duì)－氨基苯磺酰胺

競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑

對(duì)氨基苯甲酸