酶催化反应动力学

适pH.
在不同pH条件下进行某种酶促化学反应， 然后将所测得的酶促反应速度相对于pH 来作图，即可得到钟罩形曲线。
图 pH对酶活力的影响
• 各种酶在一定条件下都有其特定的最适pH， 因此最适pH是酶的特性之一。 • 但是酶的最适pH并不是一个常数，它受诸 如底物种类和浓度、缓冲液种类和浓度等 众多因素的影响，因此只有在一定条件下 最适pH才有意义。
这是由于温度升高，虽然可加速酶的催化反应速率， 同时也加快了酶的热失活速率。
• 只有在某一温度条件下， 酶促化学反应速度达到 最大值，通常把这个温 度称为酶促化学反应的 最适温度(optimum temperature)。
• 在一定条件下每种酶都 有其催化反应的最适温 度。 图 温度对酶促反应速度的影响
• 如，蛋白酶只能催化蛋白质的水解，酯酶只催化 酯类的水解，而淀粉酶只能催化淀粉的水解。若 用一般催化剂，对作用物的要求就不那么严格， 以上三类物质都可以在酸或碱的催化下水解。
绝对专一性
酶只作用于特定结构的底物，进行一种专一 的反应，生成一种特定结构的产物 。
如：
NH2 O C NH2 尿素 NH CH3 O C NH2 甲基尿素 + H2O 脲酶 + H2O 脲酶 2NH3 + CO2
酶催化反应动力学
1. 酶催化作用特性
酶和一般催化剂的共性
• 用量少而催化效率高；在反应中其本身不被消耗， 极少量就可大大加速化学反应的进行。
• 它能够改变化学反应的速度，但不能改变化学反 应平衡。缩短平衡到达的时间，而不改变反应的 平衡点。它对化学反应正逆两个方向的催化作用 是相同的。
• 酶能够稳定底物形成的过渡状态，降低反应的活 化能，从而加速反应的进行。
必须是D-葡萄糖通过α-糖苷键所形成的糖苷，但
并不要求R基团的性质。胰蛋白酶能够催化水解
碱性氨基酸，如精氨酸或赖氨酸的羧基所形成的 肽键，而对此肽键氨基端的氨基酸残基没有什么 要求。
立体异构专一性
几乎所有的酶对于立体异构体都具有高度的 专一性。即酶只能催化一种立体异构体发生 某种化学反应，而对另一种立体异构体则无 作用。 例如乳酸脱氢酶能催化L-乳酸脱氢变为丙酮 酸，对D-乳酸则无作用。
C．反应条件温和
• 常温、常压、pH=7
• 酶促反应一般在pH 5-8 水溶液中进行， 反应温度范围为20-40C。 • 高温或其它苛刻的物理或化学条件，将 引起酶的失活。
D.酶活力可调节控制
• 通过对酶活性的激活或抑制，对反应途径中的关 键酶进行调节。 • 也可对酶合成进行诱导或阻遏作用对酶进行的调 节。 • 如抑制剂调节、共价修饰调节、反馈调节、酶原 激活及激素控制等。 • 某些酶催化活力与辅酶、辅基及金属离子有关。
酶作用专一性机理
锁与钥匙学说：(lock and key thoery)：将酶的活性中 心比喻作锁孔，底物分子象钥匙，底物能专一性地插 入到酶的活性中心。
诱导契合学说 (induced-fit hypothesis) ：酶的活
性中心在结构上具柔性，底物接近活性中心时，
可诱导酶蛋白构象发生变化，这样就使酶活性中 心有关基团正确排列和定向，使之与底物成互补 形状有机的结合而催化反应进行。
⑴ 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。
酶催化的中间产物理论
E+S k1 ES k3 k4 P+E
k2

1913年Michaelis和Menten根据酶促反应的 中间络合物学说，推导出一个数学方程式， 用来表示底物浓度与酶反应速度之间的量化 关系， 即米－曼氏方程式，简称米氏方程 (Michaelis equation)。
2. 酶促反应动力学
研究各种因素对酶促反应速度的影响， 对阐明酶作用的机理和建立酶的定量方法都 是重要的。 影响因素包括有 酶浓度、底物浓度、pH、温度、 抑制剂、激活剂等。 研究某一因素对酶反应速度的影响时，必须使 酶反应体系中的其他因素维持不变，而单独变动

所要研究的因素。
研究前提
I. 单底物、单产物反应
2.2 温度对酶促反应速度的影响
• 温度对酶促化学反应速度的影响主要表现在两个 方面：一是当温度升高时，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。 • 即温度每升高10℃，酶促化学反应速度为原反应 速度的2倍。
– 这类酶具有高度的专一性。它们对底物的要
求很严格，甚至有时只能催化一种底物，进 行一种化学反应。
– 例如脲酶只能作用于尿素，催化其水解产生
氨及二氧化碳。而对尿素的各种衍生物，一
般均不起作用。
相对特异性
酶作用于一类化合物或一种化学键。 这种选 择性不太严格（专一性相对较差）。如：
蔗糖
CH2OH O H H H 1 OH H OH H OH 1 CH2OH O O H OH H OH CH2OH H
酶与其他催化剂比较具有显著的特性
A.高效性
• 酶的催化作用可使反应速度提高107 -1013倍。 极少量酶就可催化大量反应物发生转变。 • 例如： 2H2O2 2H2O + O2 • 用Fe+催化， 1mol铁离子可催化10-5mol双氧 水分解。在相同条件下，1mol过氧化氢酶却 可催化5×105mol的双氧水分解。
Km在实际应用中的作用
• 鉴定酶: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。 • 判断酶的最适底物: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), 蔗糖为该酶的天然底物。 • 计算一定反应速度下的底物浓度: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
• 用-淀粉酶催化淀粉水解，1克结晶酶在65C 条件下可催化2吨淀粉水解。
酶反应的活化能
过氧化氢催化分解的势能图
B.酶的专一性
• 又称为特异性，是指酶在催化生化反应时对底物 的选择性.
• 一种酶只能催化一种或一类化合物或化学键，进 行一定的化学反应，产生一定的产物，称 Specificity.
度。
米氏方程式推导基于三点假说
• 测定的速度为反应的初速度，底物消耗很少，在 反应测定所需时间内，产物生成很少，逆反应可 忽略. • 底物浓度[S]显著超过酶浓度[E]，ES的生成不会 显著降低底物浓度[S]，底物浓度[S]以起始浓度 计算。
• 酶和底物结合成ES的速度显著快于ES形成P+E的速 度。
• 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[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。
• 判断反应方向或趋势：催化可逆反应的酶对正/逆 两向底物Km不同 —— Km较小者为主要底物
相对特异性分为： 基团特异性 键特异性
CH2OH O H OH 蔗糖酶 H 1 1 OH H O CH 2 CH2OH H O O H H H H OH H 1 OH H OH H O CH2OH OH 棉子糖 H H OH OH
•键专一性
– 这种酶只对底物分子中其所作用的键要求严 格，而不管键两端所连基团的性质。例如， 酯酶可以水解任何酸与醇所形成的酯，它不 受酯键两端基团R和Rˊ的限制。
⑶Ｋm值与Ｖmax值的测定
双倒数作图法(double reciprocal plot)，又称为 林-贝氏(Lineweaver- Burk)作图法
V= Vmax[S]
Km+[S]
两边同取倒数
Km 1 1 1 + v = V Vmax max [S]
（林－贝氏方程）
.
An Eadie-Hofstee plot 将双倒数形式方程两边 同乘 V· Vmax，整理可 得
V对 V/［S］作图为一直线
1、当酶促反应进行的速率为Vmax的80%时， Km和[S]之间有何关系？ 2、由酶反应S P测得下列数据 [S]/mol/L v/nmol • L-1• min-1 6.2510-6 15.0 7.5010-5 56.25 1.00 10-4 60.0 1.00 10-3 74.9 1.00 10-2 75.0 1）计算Km和Vmax 2）当[S]= 5.010-5 mol/L 时，酶催化反应的速 率是多少？
O R C O R'
O
+
H2O
R
C
O
-
+
R'OH

+
H
+
CH 2OH OH H H OH H HO O H OH
+
R
H2O
CH 2OH OH H H OH H HO OH H OH
+
R OH
•基团专一性
–有些酶对底物的要求较高，它们不但要求底物具 有一定的化学键，而且对键的某一端所连的基团
也有一定的要求。如，α-D-葡萄糖苷酶要求底物
• 其二是由于酶的本质是蛋白质，因此随着温度逐 渐升高，酶蛋白会因逐渐变性而失活，从而导致 酶促化学反应速度下降。 • 酶所表现的最适温度是上述两种影响综合作用的 结果。
在较低的温度范围内， 酶催化反应速率会随着 温度的升高而加快，超 过某一温度，即酶被加 热到生理允许温度以上 时，酶的反应速率反而 随着温度的升高而下降。