生物化学第9章酶促反应动力学

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2.可逆抑制作用(reversible inhibition) 抑制剂与酶活性中心的基团以非共价键结
合,可以用透析、超滤、凝胶过滤等物理方法 去除而使酶恢复活力。
可逆抑制作用 inhibition) I 和 S 竞争与酶的活性中心结合,二者只能
结合一个。竞争性抑制剂通常是底物类似物, 它可以与酶结合,但不能被酶催化发生反应。
可逆抑制作用和不可逆 抑制作用的动力学鉴别
② 在反应系统中加入不同量的酶及抑制剂,作不 同抑制剂浓度下反应速率对酶量的直线。可逆抑制 剂得到的是一组通过原点但斜率不同的直线,不可 逆抑制剂得到的是一组不通过原点但斜率与对照相 同的平行线。
一些重要的不可逆抑制剂
(1)非专一性不可逆抑制剂 ① 有机磷化合物 ② 有机汞、有机砷化合物 ③ 重金属盐 ④ 烷化试剂 ⑤ 氰化物、硫化物和CO ⑥ 青霉素
A
B
5%
A A-B + H2O
AH2 +B A2+ + B3+
B+C AOH + BH A + BH2 A3+ + B2+
12% 26% 27%
A + BX AX + B
24%
A + B + ATP A + B + ATP
AB + ADP + Pi AB + AMP + PPi 6%
多底物反应按动力学机制分类
根据平衡学说推导速度方程
k1 ( [E]0-[ES] ) [S]= k 2 [ES]
k2 ([E]0 [ES ]) [S ]
k1
[ES ]
解出 [ES] 得 [ES] [E]0[S] k2 [S] k1
令 Ks

k2 k1


[ES ] [E]0[S ] KS [S]
根据平衡学说推导速度方程
研究酶的抑制作用是研究酶的结构和功能、酶 的催化机制,以及阐明代谢途径的基本手段,也可 以为医药设计新药物和为新农药的研制提供理论依 据。
抑制程度的表示方法
(1)相对活力分数(残余活力分数)
a Vi V0
(2)相对活力百分数(残余活力百分数)
a % Vi 100 % V0
(3)抑制分数(被抑制而失去活力的分数)
k1
令 Km
k2 k3 ,代入上式得
k1
([ E ]0
[ES ]) [ES ]
[S]

Km
将上式中的[ES]解出得 [ES ] [E]0[S]
Km [S]
此[ES]即为稳态时的复合物浓度。
根据稳态学说推导速度方程
[ES ] [E]0[S ] Km [S]
因为酶反应速率与[ES]成正比,即 V k3[ES]
Kcat /Km表示酶的催化效率,Kcat /Km越大,
催化效率越高。
k3 k,1k3其最大值极限是
Km k2 k3
k ,而k 是酶与底物结合的速率常数,此常数受
1
1
到底物在溶液中扩散速度的影响。
作图法求Km和Vm值
(Lineweaver-Burk双倒数作图法)
将米氏方程两边取倒数得
1 Km 1 1 V Vm [S] Vm
i 1 a 1 Vi
(4)抑制百分数
V0
i % (1 a) 100 % (1 Vi ) 100 % V0
抑制作用的类型
1.不可逆抑制作用(irreversible inhibition) 抑制剂与酶活性中心的基团以共价键结合,
不能用透析、超滤、凝胶过滤等物理方法去除。
可逆抑制作用的3种类型
(3)反竞争性抑制剂(uncompetitive inhibition) I 只与 ES 结合,只有 ES 能分解出产物,ESI 中
的 S 不能转变成产物。由于 I 的存在促进了 E 和S 的 结合,所以称为反竞争性抑制。
ES + I → ESI ——×→ P + E + I
竞争性抑制剂举例
可逆抑制作用的3种类型
(2)非竞争性抑制(noncompetitive inhibition) I 与 S 可以分别与酶结合,谁先结合都可以,
形成 ESI 三元复合物,但 ESI 中的 S 不能转变成 产物。这类抑制剂是与酶活性中心之外的某个部 位结合。
竞争性和非竞争性抑制剂的 抑制机理
米氏方程是一个双曲线方程,若以[S]为自变 量,V为因变量,可以作出双曲线,与实验测得的 结果相符。
(2)稳态理论
1925 年 , Briggs 和 Haldane 提 出 了 稳 态 ( steady state)理论,对米氏方程做了一项很重要的修正:
在 不小,后一步骤不是限速步骤。
反应式中,k3值
(序列反应)
底物的结合和产物的释放有一定的顺序:
E+A+B→EAB→EPQ→E+P+Q
产物不能在两种底物都结合之前释放。这 类反应又可以分为两种类型。
有序反应
(ordered reaction)
其中P是B转变的产物,Q是A转变的产物。 如脱氢酶的辅酶NAD(P)+相当于A,NAD(P)H相 当于Q。
V Vm[S] Km [S]
V [S] Vm Km [S]
当[S]=10Km时,V=0.91Vm 当[S]=0.1Km时,V=0.091Vm 反之,可以计算出要达到一定的最大反 应速率的分数,需要加多少底物。
(见P360表9-2)
Vm和k3的意义
在一定的反应条件下,Vm与酶浓度成正比。
稳态时 d[ES] 0
dt
所以 k1([E]0 [ES ]) [S] k2[ES ] k3[ES ]
根据稳态学说推导速度方程
k1([E]0 [ES ]) [S] k2[ES ] k3[ES ]
移项得 ([E]0 [ES ]) [S ] k2 k3
[ES ]
第9章 酶促反应动力学
(kinetics of enzyme-catalyzed reaction)
一、化学动力学基础 二、底物浓度对酶反应速率的影响 三、酶的抑制作用 四、温度对酶反应的影响 五、pH对酶反应的影响 六、激活剂对酶反应的影响
研究酶促反应动力学的意义
酶促反应动力学是研究酶促反应的速率以及影 响此速率的各种因素的科学。在研究酶的结构与功 能的关系以及酶的作用机制时,需要动力学提供实 验证据;为发挥酶催化反应的高效率,寻找最有利 的反应条件;为了解酶在代谢中的作用和某些药物 的作用机制等,都需要掌握酶促反应速率的规律。
可逆抑制作用和不可逆 抑制作用的动力学鉴别
① 在反应系统中加入一定量的抑制剂,以及 不同量的酶,测定反应速率与酶量的关系。斜 率较小的直线是可逆抑制剂,不通过原点但斜 率与对照相同的是不可逆抑制剂。
1. control
2. irreversible inhibitor
3. reversible inhibitor
所谓稳态是指反应进行一段时间后,系统中的 酶-底物复合物浓度由零逐渐增加到一定数值,然 后保持不变,即处于稳态水平,此时ES的解离和分 解速率之和等于ES的形成速率,
根据稳态学说推导速度方程
产生[ES]的速率
d[ES] dt

k1 ([E]0
[ES]) [S ]
消耗[ES]的速率
d[ES] k2[ES] k3[ES] dt
根据平衡学说推导速度方程
设Vf 为E与S结合的速度,Vr 为ES解离的速度, 则Vf=k 1 ( [E]0-[ES] )( [S]-[ES] )
Vr=k 2 [ES] ∵ 平衡时Vf=Vr ∴ k 1 ( [E]0-[ES] )( [S]-[ES] )= k 2 [ES] 又∵ [S] >>[ES] ∴[S]-[ES]≈[S]
当[S]>>Km时,V = Vm = k3[E]0,此时对底物来 说是零级反应,对酶来说是一级反应,k3是一级 反应速率常数,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), 这时的k3又可以写成 kcat,kcat 越大,说明酶的 催化效率越高。
kcat /Km的意义
由于V = k3 [ES],代入前式 [ES ] [E]0[S ]

V k3[E]0[S]
KS [S]
KS [S]
因为当所有的E都成为ES时,可达最大反应
速度,即Vm = k 3 [E]0 ,所以 V 这就是米氏方程。

Vm [S ] KS [S]
米氏方程
V Vm[S] Ks [S]
(1)平衡学说
(Henri,Michaelis和Menten方程)
1902年Henri和Brown提出了酶催化的反应 机理
1913年Michaelis和Menten完善了这个理论, 他们认为酶反应的第一步是快速可逆的平衡, 第二步慢,为限速反应。
平衡学说推导反应速度方程 的假设前提
在推导动力学方程时,有几点假设: ① 第一步迅速平衡,第二步慢,即 k3 << k2 。 ② [S] >> [E],[S] >> [ES]。 ③ 酶以E和ES两种状态存在。
(2)专一性不可逆抑制剂 ① Ks型不可逆抑制剂 ② Kcat型不可逆抑制剂
有机磷化合物
很多农药是有机磷化合物,它们能抑制某些蛋白 酶及酯酶的活力,与酶分子活性部位的丝氨酸羟基共 价结合而使酶失活。这类化合物强烈地抑制胆碱酯酶 活力,使乙酰胆碱不能水解成乙酸和胆碱,导致乙酰 胆碱积累,引起神经中毒症状。所以这类化合物又称 为神经毒剂。用解磷定(碘化醛肟甲基吡啶)或氯磷 定(氯化醛肟甲基吡啶)能把酶上的毒剂夺取下来, 使酶恢复活力,达到解毒的作用。
当[S] = Km时,V Vm[S] Vm ,所以,Km的意
2[S ] 2
义是使反应速率达到最大反应速率一半时的底
物浓度。
米 氏 方 程 曲 线
米氏常数的意义
① Km是酶的特征性常数,其单位是浓度单位。在一 定的反应条件下,对于一定的底物,Km是定值。
② Km可以判断酶的天然底物。有些酶可以作用于几 个底物,其中Km最小的底物是天然底物。
电子显微镜和X光衍射直接观察到酶与底物的复 合物。
酶与底物结合后光谱发生变化。
溶解度或热稳定性在加入底物后发生变化。
分离到了酶底物复合物。
超离心沉降过程中,可观察到酶和底物共沉降的 现象。
平衡透析时,观察到底物在半透膜两侧浓度不相 同(半透膜的一侧有酶,另一侧无酶,有酶一侧底 物浓度高于无酶一侧)。
在一系列[S]下测出相应的反应速率v,以
1 V

[
1 S
]
作图,可得出Km和Vm值。
米 氏 方 程 的 双 倒 数 图
多底物的酶促反应动力学
(酶促反应按底物分子数的分类)
底物数 酶分类
单底物 异构酶 单向单底物 裂合酶 假单底物 水解酶
氧化还 双底物 原酶
转移酶
三底物 连接酶
催化反应
酶种类 占总酶 百分数
③ 当k3 << k2时,Km = Ks,可以作为判断酶与底物 亲和力的指标,Km越小,酶与底物的亲和力越大。
④ 根据Km值,可以计算出在某一底物浓度下,反应 速率是最大反应速率的百分之多少。
⑤ 根据细胞内酶反应正反两方面的底物浓度,以及 两方面的Km值,可以推测细胞内代谢的方向。
米氏方程[S]与 V / Vm 的关系
二、底物浓度对酶反应 速率的影响
酶反应速率对底物浓度作图
中间复合物学说
为了解释这个现象,Henri和Wurtz提出了 酶-底物复合物学说。该学说认为,当酶催化 反应时,酶首先与底物结合,生成酶-底物复 合物,然后生成产物,并释放出酶。反应用下 式表示:
S+E
ES → P + E
酶底物中间复合物存在的证据
随机反应
(random reaction)
如 肌 酸 激 酶 催 化 肌 酸 与 ATP 反 应 生 成 磷酸肌酸和ADP。
乒乓反应
(ping pong reaction)
如转氨酶催化转氨反应:
氨基酸1 + 酮酸2 ——→酮酸1 + 氨基酸2
A
B
P
Q
三、酶的抑制作用
因酶蛋白变性而酶活力丧失称为酶的失活作用, 而因为某种物质与酶结合使酶活力丧失称为酶的抑 制作用,酶受抑制丧失活力时酶蛋白并没有变性。 能抑制酶活力的物质称为酶的抑制剂(inhibitor)。
所以 V k3[E]0[S]
Km [S]
又因为当所有的酶都与底物结合形成复合物时,
反应速率达到最大,即Vm k3[E]0 ,代入上式得
V Vm [S ] (稳态法) Km [S]
V Vm[S] (快速平衡法) Ks [S]
两个米氏方程的区别
这两个方程的区别就在于快速平衡法推导 的方程中米氏常数是Ks,而稳态法推导的米氏 方程中米氏常数是Km。
Ks k2 k1
Km k2 k3 k1
Ks是[ES]的解离平衡常数
米氏方程的几个特点
从米氏方程中可以看出:
当[S]<<
Km时, V

Vm [S ] Km
,反应速率与底物
浓度成正比,属一级反应;
当[S]>>
Km时,V

Vm [S ] [S]
Vm
,反应速率达到
最大,并与底物浓度无关,属零级反应;
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