酶促反应动力学(有方程推导过程)

磺胺药物的抑菌作用
2.非竞争性抑制(non-competitive inhibition)
(1)
抑制剂I和底物S与酶E的结合完全互不相关，既不排 斥，也不促进结合，抑制剂I可以和酶E结合生成EI，也 可以和ES复合物结合生成ESI。底物S和酶E结合成ES 后，仍可与I结合生成ESI，但一旦形成ESI复合物，再 不能释放形成产物P。
(二)可逆性抑制(reversible inhibition)
抑制剂与酶以非共价键结合，在用透析等物 理方法除去抑制剂后，酶的活性能恢复，即抑 制剂与酶的结合是可逆的。
1.竞争性抑制(competitive inhibition)
(1)含义和反应式
抑制剂I和底物S结构相似，抑制剂I和底 物S对游离酶E的结合有竞争作用，互相排 斥，已结合底物的ES复合体，不能再结合I。 同样已结合抑制剂的EI复合体，不能再结合 S
（2）特点：
① I和S在结构上一般无相似之处，I常与酶分子上结合 基团以外的化学基团结合，这种结合并不影响底物和酶 的结合，增加底物浓度并不能减少I对酶的抑制。
② 非竞争性抑制剂的双倒数曲线：有非竞争性抑制剂 存在的曲线与无抑制剂的曲线相交于横坐标 -1/Km处， 但纵坐标的截距，因竞争性抑制存在变大，说明该抑 制作用，并不影响酶促反应的Km值，而pH对酶促反应速度的影响
大多数酶的活性受 pH 影响显著，在某一 pH 下 表现最大活力，高于或低于此pH，酶活力显著下降。 酶表现最大活力的pH称为酶的最适 pH(optimumpH pHm)。典型的酶速度-pH曲线 是较窄的钟罩型曲线，但有的酶的速度-pH曲线并 非一定呈钟罩型。如胃蛋白酶和木瓜蛋白酶的速度pH曲线。
胃蛋白酶的速度-温度曲线如下图：
胃蛋白酶和葡萄糖-6-磷酸酶的pH活性曲线 ：
➢ pH对酶促反应速度的影响机理：
1、pH影响酶和底物的解离: 酶的活性基团的解离受pH影 响，底物有的也能解离，其解离状态也受pH的影响，在 某一反应pH下，二者的解离状态最有利于它们的结合， 酶促反应表现出最大活力，此pH称为酶的最适pH；当反 应pH偏离最适pH时，酶促反应速度显著下降。
1. 温度影响反应体系中的活化分子数：温度增加，活化 分子数增加，反应速度增加。
2. 温度影响酶的活性：过高的温度使酶变性失活，反应 速度下降。
最适温度不是酶的特征常数，因为一种酶的最适温度 不是一成不变的，它要受到酶的纯度、底物、激活剂、 抑制剂、酶反应时间等因素的影响。因此，酶的最适温 度与其它反应条件有关。
（2）特点：
① 抑制剂I与底物S在化学结构上相似，能与底 物S竞争酶E分子活性中心的结合基团.
例如，丙二酸、苹果酸及草酰乙酸皆和琥珀酸 的结构相似，是琥珀酸脱氢酶的竞争性抑制剂。
②抑制程度取决于抑制剂与底物的浓度比、 〔ES〕和〔EI〕的相对稳定性；
③加大底物浓度，可使抑制作用减弱甚至消除。
（3）竞争性抑制剂的动力学方程
酶浓度对速度的影响机 理：酶浓度增加，[ES]也 增 加 ， 而 V=k3[ES] ， 故 反应速度增加。
二. 温度对酶促反应速度的影响
➢ 酶促反应与其它化学反应一样，随温度的增加，反应 速度加快。化学反应中温度每增加10℃反应速度增加的 倍数称为温度系数Q10。一般的化学反应的Q10为2～3， 而酶促反应的Q10为1～2。
（一）不可逆性抑制作用(irreversible inhibition)
不可逆性抑制作用的抑制剂，通常以共价 键方式与酶的必需基团进行不可逆结合而使 酶丧失活性。常见的不可逆抑制剂如下图所 示。按其作用特点，又分专一性及非专一性 两种。
1.非专一性不可逆抑制
抑制剂与酶分子中一类或几类基团作用，不论是 必需基团与否，皆可共价结合，由于其中必需基团 也被抑制剂结合，从而导致酶的抑制失活。某些重金 属(Pb++、Cu++、Hg++)及对氯汞苯甲酸等，能与酶 分子的巯基进行不可逆适合，许多以巯基作为必需基 团 的酶(通称巯基酶)，会因此而遭受抑制，属于此种类 型。用二巯基丙醇(british anti lewisite,BAL)或 二巯基丁二酸钠等含巯基的化合物可使酶复活。
在底物浓度很低时，反应速度随底物浓度的增 加而急骤加快，两者呈正比关系，表现为一级反 应。随着底物浓度的升高，反应速度不再呈正比 例加快，反应速度增加的幅度不断下降。如果继 续加大底物浓度，反应速度不再增加，表现为零 级反应。此时，无论底物浓度增加多大，反应速 度也不再增加，说明酶已被底物所饱和。所有的 酶都有饱和现象，只是达到饱和时所需底物浓度 各不相同而已。
（3）计算一定速度下的底物浓度：如某一反应要求的 反应速度达到最大反应速度的99%，则[S]=99Km
（4）了解酶的底物在体内具有的浓度水平：一般地， 体内酶的天然底物的[S]体内≈Km，如果[S]体内<< Km,那么V<< Vmax，细胞中的酶处于“浪费”状 态，反之，[S]体内 >> Km，那么V≈Vmax，底物浓 度失去生理意义，也不符合实际状态。
为解释酶被底物饱和现象，Michaelis和Menten 做了大量的定量研究，积累了足够的实验数据， 提出了酶促反应的动力学方程：
SE k1 ES k2 PE
S EtES
k1
ES
[ES]生成速度：v 1 k 1 E t ES S ，[ES]分解速度：v 2 k 1 E S k2 ES
当酶反应体系处于恒态时： v1 v2
用1/V0 对 1/[S] 的作图得一直线，其斜率是 Km/Vmax,，在纵轴上的截距为 1/Vmax ,横轴上 的截距为 -1/Km。此作图除用来求 Km 和 Vmax 值外，在研究酶的抑制作用方面还有重要价值。
双倒数作图法
五. 激活剂对酶反应速度的影响
能使酶活性提高的物质，都称为激活剂(activator)，其中大 部分是离子或简单的有机化合物。如Mg++是多种激酶和合成酶
（2）. Km 值愈大，酶与底物的亲和力愈小；Km值愈小， 酶与底物亲和力愈大。酶与底物亲和力大，表示不需要很高 的底物浓度，便可容易地达到最大反应速度。
（3）. Km 值是酶的特征性常数，只与酶的性质，酶所催 化的底物和酶促反应条件(如温度、pH、有无抑制剂等)有 关，与酶的浓度无关。酶的种类不同，Km值不同，同一 种酶与不同底物作用时，Km 值也不同。各种酶的 Km 值 范围很广，大致在 10-1～10-6 M 之间。
3. Km在实际应用中的重要意义
（1）鉴定酶：通过测定可以鉴别不同来源或相同来源但 在不同发育阶段、不同生理状态下催化相同反应的酶是否 属于同一种酶。
（2）判断酶的最佳底物：如果一种酶可作用于多个底 物,就有几个Km值，其中Km最小对应的底物就是酶的 天然底物。如蔗糖酶既可催化蔗糖水解 (Km=28mmol/L),也可催化棉子糖水解 (Km=350mmol/L),两者相比，蔗糖为该酶的天然底物。
当底物浓度很低时 [S] << Km,则 V≌Vmax[S]/Km ，反应速度 与底物浓度呈正比; 当底物浓度很高时， [S]>> Km ，此时V≌Vmax ，反应速度达最大 速度，底物浓度再增高也不影响反应速度。
2.米氏常数的意义
（1）. 物理意义： Km值等于酶反应速度为最大速度一半时的底物浓度。
2、pH影响酶分子的构象：过高或过低pH都会影响酶分子 活性中心的构象，或引起酶的变性失活。
动物体内多数酶的最适pH值接近中性，但也有例外，如胃 蛋白酶的最适pH约1.8，肝精氨酸酶最适pH约为9.8(见下表)。
一些酶的最适pH
四、 底物浓度对反应速度的影响 1、酶反应与底物浓度的关系
1902年，Henri用蔗糖酶水解蔗糖的实验中观 察到：在蔗糖酶酶的浓度一定的条件下测定底物 （蔗糖）浓度对酶 反应速度的影响, 它们之间的 关系呈现矩形双曲线(rectangular hyperbola)。 如下图所示：
的激活剂，动物唾液中的α-淀粉酶则受Cl-的激活。
特点：1、酶对激活剂有一定的选择性，一种酶的激活剂 对另一种酶来说可能是抑制剂
2、有一定的浓度要求，当激活剂的浓度超过一定的 范围时，它就成为抑制剂。
激活剂
六、抑制剂对反应速度的影响
凡能使酶的活性下降而不引起酶蛋白变性的物质称为酶 的抑制剂(inhibitor)。使酶变性失活(称为酶的钝化)的因 素如强酸、强碱等，不属于抑制剂。通常抑制作用分为可 逆性抑制和不可逆性抑制两类。
（5）判断反应方向或趋势：催化正逆反应的酶，其 正逆两向的反应的Km不同，如果正逆反应的底物浓 度相当，则反应趋向于Km小对应底物的反应方向。
方程：
称为Lineweaver-Buck方程（或双倒数方程） (double reciprocal plot or Lineweaver Burk plot)
➢ 在一定范围内，反应速度达到最大时对应的温度称为该 酶促反应的最适温度（optimum temperature Tm）.一 般动物组织中的酶其最适温度为35～40℃，植物与微生 物中的酶其最适温度为30～60℃，少数酶可达60℃以上， 如细菌淀粉水解酶的最适温度90℃以上。
➢ 温度对酶促反应速度的影响机理：
〔I〕 + Ki
）＋〔S〕
竞争性抑制剂双倒数曲线，如下图所示：
1
vi
＝Km（ Vmax
1
+
〔KI〕i ）〔S1〕+
1 Vmax
有竞争性抑制剂存在的 曲线与无抑制剂的曲线相 交于纵坐标I/Vmax处，但 横坐标的截距，因竞争性 抑制存在变小，说明该抑 制作用，并不影响酶促反 应的最大速度Vmax，而 使Km值变大。
(2)
将（2）代入（1）得：
v k2
EtS Km S
v
k2Et S Km S
(3)
当[Et]=[ES]时， v Vm
所以 Vmk2Et (4)
将（4）代入（3），则：
v Vmax S Km S
Vmax指该酶促反应的最大速度，[S]为底 物浓度，Km是米氏常数，V是在某一底物浓 度时相应的反应速度。从米氏方程可知：
即： k 1 E t E S S k 1 E k 2 S E SEtSE E SSSk1k 1k2
令： k1 k2 Km k1
则： K m E S E S S E tS
经整理得： ES
Et S Km S
(1)
由于酶促反应速度由[ES]决定，即 vk2 ES
，所以
ES
v k2
很多药物都是酶的竞争性抑制剂。例如磺胺药与 对氨基苯甲酸具有类似的结构，而对氨基苯甲酸、 二氢喋呤及谷氨酸是某些细菌合成二氢叶酸的原料， 后者能转变为四氢叶酸，它是细菌合成核酸不可缺 少的辅酶。由于磺胺药是二氢叶酸合成酶的竞争性 抑制剂，进而减少细菌体内四氢叶酸的合成，使核 酸合成障碍，导致细菌死亡。抗菌增效剂-甲氧苄 氨嘧啶(TMP)能特异地抑制细菌的二氢叶酸还原为 四氢叶酸，故能增强磺胺药的作用。
k1 E+S ES
k3 E+P
E+I
k2
〔E〕〔S〕
由米氏方程得：Km＝
〔ES〕
ki EI
①
Ki＝
〔E〕〔I〕 〔EI〕
②
〔E〕＝〔E〕t－〔ES〕－〔EI〕 ③
解方程①②③得：
〔ES〕=
〔E〕t
〔KSm〕（1 + 〔KI〕i ）＋1
又因vi＝k3〔ES〕,代入上式得：
Vi＝
Vmax〔S〕
Km（1
2.专一性不可逆抑制
此属抑制剂专一地作用于酶的活性中心或其必需 基团，进行共价结合，从而抑制酶的活性。有机 磷杀虫剂能专一作用于胆碱酯酶活性中心的丝氨酸 残基，使其磷酰化而不可逆抑制酶的活性。当胆碱 酯酶被有机磷杀虫剂抑制后，乙酰胆碱不能及时分 解成乙酸和胆碱，引起乙酰胆碱的积累，使一些以 乙酰胆碱为传导介质的神经系统处于过度兴奋状态， 引起神经中毒症状。解磷定等药物可与有机磷杀虫 剂结合，使酶和有机磷杀虫剂分离而复活。
3.酶4 酶促反促应反动应力动学力学
酶促反应动力学(kinetics of enzymecatalyzed reactions)是研究酶促反应速度 及其影响因素的科学。酶促反应的影响因素 主要包括酶的浓度、底物的浓度、pH、温度、 抑制剂和激活剂等。
一. 酶浓度的影响
在一定温度和pH下，酶 促反应在底物浓度大于 100 Km时，速度与酶的 浓度呈正比。