第三章 均相酶促反应动力学
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第三章 酶促反应动力学(简)-1
-Km
Km Vmax
[S]
21
上述方法的共同点，是要从动力学实验 中获取不同[s]值的v值，而v值不能由实验 直接取得。实验中能直接得到的是不同时 间t时的浓度[s]值(或[p]值)。 − d [s] 为此需要根据速率的定义式 v =
dt
在[s]与t的关系曲线上求取相应各点切线 的斜率,才能确定不同时间的反应速率。 这种求取动力学参数的方法又称之为微分 法。
产物抑制解离常数。
具体推导过程参阅【例题】3－6。
30
三、有抑制剂的酶促反应动力学
由于某种物质的存在而使酶反应速率减 慢，这种物质称为抑制剂。抑制可由抑制 剂和酶之间的作用引起，也可由抑制剂和 底物之间的作用而引起。这里只讨论由抑 制剂与酶作用而引起的抑制现象。 根据抑制的机理不同，可分为竞争性抑制、 非竞争性抑制和反竞争性抑制等。
80 Rate of Reaction(v)
1903年，Henri用蔗糖 酶水解蔗糖的实验
60
40
20
0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 C n tratio o S b o cen n f u strate(u o ) m l/L
8
1.米氏方程
对酶反应过程的机理，得到大量实验结 果支持的是活性中间复合物学说。该学 说认为酶反应至少包括两步，首先是底 物S和酶E相结合形成中间复合物[ES]， 然后该复合物分解成产物P，并释放出E。 对单一底物参与的简单酶催化反应
26
2.底物抑制动力学
有些酶反应，在底物浓度增加时，反应 速率反而会下降，这种由底物浓度增大而 引起反应速率下降的作用称为底物抑制作 用。此时的反应机理式为
k +1 k +2 ⎯⎯→ ES ⎯⎯→ P + E E + S← ⎯⎯ k −1 k +3 ⎯⎯→ SES ES + S ← ⎯⎯ k −3
第三章 酶促反应动力学(简)-2
分配效应造成的结果是使微现环境与宏观 环境之间的底物浓度出现了差别，因而影 响了酶催化的反应速率。如果在上述本征 动力学的基础上，仅仅考虑由于这种分配 效应而造成的浓度差异对动力学产生的影 响，所建立的动力学称为固有动力学，对 该种动力学比较简单的处理方法是：动力 学方程仍然服从M-M方程形式，仅对动力 学参数予以修正。
此时，固定化酶与反应物系相接触，该反应过程包括三步： ① 底物从液相主体扩散到达固定化酶的外表面； ② 底物在固定化酶的外表面上进行反应； ③ 产物从酶外表面扩散进入液相主体。
其中，(1)(3)为单纯的传质过程，(2)为催化反应过程。并且认为 这三步是串联过程，其中任一过程发生变化，都影响整个过程。
rmax [ S ] Rsi = = rs 0 (2 − 4 − 4) K m + [S ]
1 外扩散速率对酶催化反应速率的限制
(2) 当外扩散传质速率很慢，而酶表面上的反应速率很快，此时外扩散速率 成为反应的控制步骤。固定化酶外表面上底物浓度趋于零。 故：
扩散最大速率
Rsi = k L a[ S ] = rd (2 − 4 − 5)
3.3 固定化酶促反应动力学
一、 固定化酶催化的动力学特征
1 影响固定化酶动力学的因素 2 固定化酶反应动力学
二、固定化酶促反应中的过程分析
1 外扩散限制对酶催化反应速率的限制 2 内扩散限制效应
酶的固定化，不仅使酶的活性发生了变 化，而且由于固定化酶的引入，反应体系 变为多相体系，例如液-固体系、气-液-固 体系等。因此在研究固定化酶催化反应动 力学时，不仅要考虑酶催化反应的本征动 力学规律，更要研究反应物的质量传递规 律，研究物质的质量传递对酶催化反应过 程的影响。建立起同时包括物质传质速率 和催化反应速率的动力学方程；这种方程 一般称为宏观动力学方程。它是设计固定 化酶催化反应器和确定其操作条件的理论 基础。
均相酶催化反应动力学
二、Briggs－Haldane 对上述第3点假设进行了修正， 提出了“拟稳态”假设。
由于反应体系中底物浓度要比酶的浓度高得多，中间 复合物分解时所得到的酶又立即与底物相结合，从而使反应 体系中复合物浓度维持不变，即中间复合物的浓度不再随时 间而变化，这就是“拟稳态”假设。这是从反应机理推导动 力学方程又一重要假设。
3. 当Cs与Km的数量关系处于上述两者之间的范围时，则符 合M- M方程所表示的关系式。
参数求解：
(1) Lineweaver—Burk法(简称L—B法)。将M—M方程取其倒数得到下 式:
（2）Hanes—Woolf法(简称H—W法)。两边均乘以Cs，得 到
（3）Eadie—Hofstee法(简称E—H法)。将M—M方程重排 为
2020/4/3
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2020/4/3
第二节 简单的酶催化反应动力学
一、Michaelis-Menten 方程
方程推导三点假设：
①与底物浓度CS相比，酶的浓度CI是很小的，因而可忽略由于 生成中间复合物[ES]而消耗的底物。
②在反应过程中，酶浓度保持恒定。CE0＝CE＋CES ③产物的浓度很低，因而产物的抑制作用可以忽略。生成产物 一步的速率要慢于底物与酶生成复合物的可逆反应的速率，因此， 生成产物一步的速率决定整个酶的催化反应速率，而生成复合物 的可逆反应达到平衡状态。
如果抑制剂与酶的基因成共价结合，则此时不能用物理方法去掉抑制 剂。此类抑制可使酶永久性地失活。例如重金属离子Hg2+”、Pb2+”等对 木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶的抑制都是不可逆抑制。
一、竞争性抑制动力学
若在反应体系中存在有与底物结构相类似的物质，该物质 也能在酶的活性部位上结合，从而阻碍了酶与底物的结合，使 酶催化底物的反应速率下降。这种抑制称为竞争性抑制，该物 质称为竞争性抑制剂。其主要特点是，抑制剂与底物竞争酶的 活性部位，当抑制剂与酶的活性部位结合之后，底物就不能再 与酶结合，反之亦然。在琥珀酸脱氢酶催化琥珀酸为延胡索酸 时，丙二酸是其竞争性抑制剂。
酶促反应动力学(有方程推导过程)
酶促反应动力学(kinetics of enzyme- catalyzed 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。
01
酶促反应动力学
02
3.4 酶促反应动力学
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。 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。
，所以
(2)
将（2）代入（1）得：
(3)
当[Et]=[ES]时，
(4)
所以
将（4）代入（3），则：
01
Vmax指该酶促反应的最大速度，[S]为底
02
物浓度，Km是米氏常数，V是在某一底物浓
03
度时相应的反应速度。从米氏方程可知：
04
当底物浓度很低时
05
<< Km,则 V≌Vmax[S]/Km ，反应速度
〔E〕〔S〕
〔ES〕
〔E〕〔I〕
〔EI〕
ki
解方程①②③得： 〔ES〕=
〔E〕t
（1 + ）＋1
Km
〔S〕
〔I〕
Ki
又因vi＝k3〔ES〕,代入上式得： Vi＝
（1 + ）＋〔S〕
Km
〔I〕
Ki
Vmax〔S〕
〔I〕
Ki
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。
均相酶催化反应动力学
例题：P24 例2.1,例2.2。 思考题：试推导上面两个
k cat
。
动力学特征和参数求取 M-M方程所表示的动力学关系为反应速率与 底物浓度之间的关系，即 r ~ CS关系。其图如右 所示。
r max
该曲线表示了三个不同动力学特点的区域： rS 1 rmax CS << K S 时，即底物浓度比值小得多时，该曲 2 •当 线近似为一直线。这表示反应速率与底物浓度 近似成正比关系，此时的酶反应可以看为一级 0 Km 反应。此时，大部分酶为游离酶，与底物结合 CS 的酶很少，要提高反应速率，只有增加底物的 浓度，才能增加中间复合物的浓度，反应速率 图：CS一定时，rS与CS的关系曲线 主要取决于底物浓度。 •当CS >> K S 时，该曲线近似为一水平线，表示当底物浓度继续增加时反应速率并 C << K 不增加，此时的酶反应可看为零级反应。此时绝大多数酶呈复合物状态，反应 体系内的游离酶很少，即使是提高底物浓度也不能提高酶反应速率。
dC[ ES ]dt
dC P = kC [ ES ] dt dC S − = k +1C E C S − k −1C [ ES ] dt dC [ ES ] = k +1C E C S − k −1C [ ES ] − kC [ ES ] ≈ 0 dt Q C E 0 = C E + C [ ES ] ∴ C [ ES ] = − ∴ C [ ES ] = ( k −1 + k ) C [ ES ] + C E 0 k + 1C S
(d) 有了动力学方程形式和参数，就可以根据动力学方程计算反应一定时间后底 物的浓度、产物的浓度等，就可以把握反应进程，预测在某一反应器中进行某 一反应的结果。
第三章 酶促反应动力学(简)-1
− k1 (1 − e − k 2t )]
例题3－1
6
二、单底物酶促反应动力学
单底物酶促反应动力学系指由一种 反应底物参与的不可逆反应。属于 此类反应的有酶的水解反应、异构 反应以及多数裂解反应。
7
中间络合物学说
100
ห้องสมุดไป่ตู้
在低底物浓度时, 反应速度与 底物浓度成正比，表现为一级 反应特征。 当底物浓度达到一定值，反应 速度达到最大值（Vmax ），此 时再增加底物浓度，反应速度 不再增加，表现为零级反应。 (酶浓度不变时)
ln( [ S ]0 [ S ]) [ S ]0 − [ S ]
VmaX Km
1 − KM
1 Vmax
t [ S ]0 − [ S ]
例3－2,3-3,3-4
24
根据米氏方程，结合t=0,[S]=[S]0的初值积 分得到 [ S ]0 Vmax t = ([ S ]0 − [ S ]) + K m ln [S ] [ S ]0 Km 1 引入转化率 χ s ⎯⎯ ⎯ ⎯ → t = ⎯ χs ln( )+ Vmax 1 − χ s Vmax
14
k +1 k +2 ⎯⎯→ ES ⎯⎯→ P + E E + S← ⎯⎯ k −1
米氏方程:
Vmax [ S ] v= K m + [S ]
米氏常数:
k −1 + k + 2 k+2 Km = = Ks + k +1 k +1
15
酶反应速度与底物浓度的 关系曲线
当[S] <<Km时
V=
V max [ S ] V max [ S ] = = K’S ] [ Km + [ S ] Km
例题3－1
6
二、单底物酶促反应动力学
单底物酶促反应动力学系指由一种 反应底物参与的不可逆反应。属于 此类反应的有酶的水解反应、异构 反应以及多数裂解反应。
7
中间络合物学说
100
ห้องสมุดไป่ตู้
在低底物浓度时, 反应速度与 底物浓度成正比，表现为一级 反应特征。 当底物浓度达到一定值，反应 速度达到最大值（Vmax ），此 时再增加底物浓度，反应速度 不再增加，表现为零级反应。 (酶浓度不变时)
ln( [ S ]0 [ S ]) [ S ]0 − [ S ]
VmaX Km
1 − KM
1 Vmax
t [ S ]0 − [ S ]
例3－2,3-3,3-4
24
根据米氏方程，结合t=0,[S]=[S]0的初值积 分得到 [ S ]0 Vmax t = ([ S ]0 − [ S ]) + K m ln [S ] [ S ]0 Km 1 引入转化率 χ s ⎯⎯ ⎯ ⎯ → t = ⎯ χs ln( )+ Vmax 1 − χ s Vmax
14
k +1 k +2 ⎯⎯→ ES ⎯⎯→ P + E E + S← ⎯⎯ k −1
米氏方程:
Vmax [ S ] v= K m + [S ]
米氏常数:
k −1 + k + 2 k+2 Km = = Ks + k +1 k +1
15
酶反应速度与底物浓度的 关系曲线
当[S] <<Km时
V=
V max [ S ] V max [ S ] = = K’S ] [ Km + [ S ] Km
酶催化反应动力学解析
酶催化反应动力学解析背景介绍：酶是一种生物催化剂，能够加速化学反应速率。
它们在许多生物体内起着至关重要的作用，包括代谢过程、信号转导、分子识别和DNA复制等。
了解酶催化反应动力学是理解生物学中许多关键过程的关键。
酶动力学：酶催化反应的动力学是关于酶催化反应速率与底物浓度、温度和pH等环境因素之间关系的研究。
通过实验测量酶活性并分析数据可以获得这些关系，这对我们理解和控制酶催化反应至关重要。
酶催化反应速率的表达式：酶催化反应速率可以用麦克斯韦-玛格努斯方程（Michaelis-Menten equation）来表达：v = Vmax * [S] / (Km + [S])其中，v是酶催化反应速率，[S]是底物浓度，Vmax是在无限大底物浓度下酶反应速率的最大值，Km是米氏常数，代表底物浓度为一半时的酶催化反应速率。
米氏常数Km的意义：酶的米氏常数Km反映了底物与酶之间相互作用的亲和力。
Km越小，酶的亲和力越大；Km越大，底物与酶的结合较弱。
Km值对于酶活性的影响非常重要，它决定了在给定底物浓度下酶催化反应速率的快慢。
酶催化反应速率与底物浓度的关系：麦克斯韦-玛格努斯方程中的[S] / (Km + [S]) 这一项表示底物浓度对酶催化速率的贡献。
当底物浓度远小于Km值时，可以简化为[S] / Km，速率与底物浓度成正比，速率随着底物浓度的增加而增加；当底物浓度远大于Km值时，可以简化为1，速率不再受底物浓度的影响。
酶反应速率对底物浓度的响应图像通常符合麦克斯韦-玛格努斯方程预测的双曲线形状。
图像的初始阶段速率随底物浓度线性增加，当底物浓度达到一定程度后，速率趋于平缓。
催化常数kcat：酶的催化常数kcat是与酶催化效率相关的参数。
它表示在单位时间内酶分子催化底物数量的能力。
kcat的大小与酶催化底物的速率相关，kcat越大，酶的催化效率越高。
抑制剂对酶催化动力学的影响：抑制剂是一种可以降低酶催化反应速率的物质。
第三章 酶催化反应动力学
32
33
二、影响酶催化作用的因素
34
2.1 底物浓度的影响
底物浓度是决定酶催化反应速度的主要因素。在其他条件不变的情况下， 酶催化反应速度与底物浓度的关系如图。
35
2.2 酶浓度的影响
在底物浓度足够高的条件下，酶催化反应速度与酶浓度 成正比，它们之间的关系可以用下式表示：
36
2.3 温度对反应速度的影响
When [S] << KM, the enzyme is largely unbound and [E]≈[E]T
27
S+E
kcat/KM
E+P
When [S] << KM, kcat/KM is the rate constant for the interaction of E and S. kcat/KM can be used as a measure of catalytic efficiency.
24
25
（3）. Kcat/Km
Kcat:反映的是一种酶被底物饱和时的 酶性质。在低[S]下， Kcat则失去了意义。 当[s]<<km， Kcat/Km是一个比较酶催 化效率较好的一个动力学参数。
26
（3）酶的催化效率:kcat/KM 评价
kcat/KM通常被看做酶的效率，Kcat越大或是Km越小，都使得Kcat/Km越 大 在生理条件下，大多数的酶不被底物所饱和，且底物浓度与Km相比要小 的多 。
酶工程与蛋白质工程
第三章 酶催化反应动力学
1
本节主要内容
一、酶催化反应动力学 二、影响酶催化作用的因素 三、酶活测定
2
动力学研究的主要目的
酶催化反应动力学概况课件
非竞争性抑制剂
与酶的活性中心以外的位点结合，影响酶与底物的结合。
反竞争性抑制剂
既不与底物也不与酶直接结合，而是通过改变酶的构象来影响其 催化活性。
酶促反应的激活剂
01
02
有机小分子
金属离子
03 蛋白质
抑制剂与激活剂的应用
药物研发 生物工程 化学工业
05
酶催化反应的动力学应 用
CHAPTER
酶催化反应在生物工程中的应用
影响因素
速率常数受到多种因素的影响， 包括温度、pH值、离子强度、底 物浓度、酶浓度等。
酶的活性单位与测定方法
活性单位定义
1
常用活性单位
2
测定方法
3
酶促反应的速率常数与底物浓度关系
米氏方程
Km值的意义
04
酶促反应的抑制剂与激 活剂
CHAPTER
酶促反应的抑制剂
竞争性抑制剂
与底物竞争酶的活性中心，从而降低酶的催化效率。
02
酶催化反应的速率方程
CHAPTER
米氏方程
米氏方程是描述酶催化反应速率与底物浓度关系的方程，其形式为v=Vmax[S]/ （Km+[S]），其中v代表反应速率，Vmax代表最大反应速率，[S]代表底物浓度， Km代表米氏常数。
米氏方程是酶动力学中的基本方程之一，通过它可以研究酶催化反应的特性，如 最大反应速率、底物浓度等对反应速率的影响。
初始速率法
初始速率法可以避免产物抑制和底物 抑制等效应对实验结果的影响，因此 被广泛应用于酶促反应的动力学研究。
酶促反应的速率曲线
03
酶促反应的速率常数与 酶活性
CHAPTER
酶促反应的速率常数
定义
与酶的活性中心以外的位点结合，影响酶与底物的结合。
反竞争性抑制剂
既不与底物也不与酶直接结合，而是通过改变酶的构象来影响其 催化活性。
酶促反应的激活剂
01
02
有机小分子
金属离子
03 蛋白质
抑制剂与激活剂的应用
药物研发 生物工程 化学工业
05
酶催化反应的动力学应 用
CHAPTER
酶催化反应在生物工程中的应用
影响因素
速率常数受到多种因素的影响， 包括温度、pH值、离子强度、底 物浓度、酶浓度等。
酶的活性单位与测定方法
活性单位定义
1
常用活性单位
2
测定方法
3
酶促反应的速率常数与底物浓度关系
米氏方程
Km值的意义
04
酶促反应的抑制剂与激 活剂
CHAPTER
酶促反应的抑制剂
竞争性抑制剂
与底物竞争酶的活性中心，从而降低酶的催化效率。
02
酶催化反应的速率方程
CHAPTER
米氏方程
米氏方程是描述酶催化反应速率与底物浓度关系的方程，其形式为v=Vmax[S]/ （Km+[S]），其中v代表反应速率，Vmax代表最大反应速率，[S]代表底物浓度， Km代表米氏常数。
米氏方程是酶动力学中的基本方程之一，通过它可以研究酶催化反应的特性，如 最大反应速率、底物浓度等对反应速率的影响。
初始速率法
初始速率法可以避免产物抑制和底物 抑制等效应对实验结果的影响，因此 被广泛应用于酶促反应的动力学研究。
酶促反应的速率曲线
03
酶促反应的速率常数与 酶活性
CHAPTER
酶促反应的速率常数
定义
化学反应动力学-均相反应动力学
均相反应动力学的研究对象和意义
均相反应动力学主要研究均相体系中的化学反应速率以及影响反应速率的各种因素。这些均相体系包括气相、液相和固相中 的化学反应。
研究均相反应动力学的意义在于：首先，它可以帮助我们深入了解化学反应的本质和过程，从而更好地控制和优化化学反应 ；其次，它有助于我们预测新物质或新材料的性能，为材料科学和工程领域的发展提供理论支持；最后，它还可以为化学工 程和制药等领域提供重要的应用价值，例如优化化学合成路线、提高药物合成的效率等。
化学反应动力学-均相反 应动力学
目 录
• 引言 • 均相反应动力学基础 • 均相反应的动力学模型 • 均相反应的动力学实验方法 • 均相反应动力学的应用实例 • 均相反应动力学的未来发展与挑战
引言
01
化学反应动力学的定义
化学反应动力学是研究化学反应速率以及影响反 应速率的各种因素的科学。它涉及到反应速率常 数、反应机理、活化能等概念，是化学学科中的 重要分支之一。
更准确地描述反应过程。
实验技术的创新与改进
开发高精度实验设备
通过改进实验设备，提高实验数据的精度和可靠性。
利用实时监测技术
利用先进的实时监测技术，如光谱学、质谱学等，获取更准确的反 应中间产物和产物信息。
发展微观反应观测技术
通过发展原子力显微镜、光子晶体等微观反应观测技术，直接观察 化学反应过程中的分子动态行为。
酶促反应动力学
酶促反应是生物体内的重要生化过程，通过均相反应动力学研究酶促反 应的速率和机理，有助于理解生物体内代谢过程的调控机制。
03
生物分子相互作用
均相反应动力学可用于研究生物分子之间的相互作用，如蛋白质与配体
之间的结合和解离过程，为生物分子结构和功能的研究提供支持。
《酶促反应动力学》课件
底物浓度对反应速率的影响
总结词
随着底物浓度的增加，反应速率通常会加快，但当底 物浓度达到一定值后，反应速率将不再增加。
详细描述
底物是酶催化反应的对象，底物的浓度也会影响反应速 率。通常情况下，随着底物浓度的增加，反应速率会加 快。然而，当底物浓度达到一定值后，反应速率将趋于 稳定，不再增加。这是因为酶的活性位点有限，只能与 一定量的底物结合。
详细描述
酶促反应的活化能是酶促反应所需的最小能量，只有当底物获得足够的能量时，才能够 被酶催化发生反应。活化能的大小反映了酶促反应发生的难易程度，活化能越高，反应 越难以进行。通过实验测定活化能的大小，可以帮助我们了解酶促反应的动力学特征和
机制。
03
米氏方程与双倒数图
米氏方程的推导
总结词
米氏方程是描述酶促反应速度与底物浓 度关系的数学模型，通过实验数据和推 导，可以得出该方程的具体形式。
酶促反应动力学在药物代谢领域的应用，如研究药物在体内的代 谢过程和代谢产物的生成，有助于了解药物的作用机制和药效。
药物合成
在药物合成过程中，酶促反应动力学可用于优化药物合成 的反应条件和提高产物的纯度，降低副反应和废物产生。
在Hale Waihona Puke 境科学中的应用污染物降解酶促反应动力学可用于污染物降解领域，如有机污染物的 生物降解和重金属离子的转化，通过研究酶促反应动力学 参数，实现污染物的有效降解和转化。
温度对反应速率的影响
总结词
温度的升高通常会加快反应速率，但过高的温度可能导致酶失活。
详细描述
温度可以影响酶促反应的速率。一般来说，温度越高，分子间的运动越快，从而促进酶与底物的结合和反应的进 行。然而，过高的温度可能导致酶失活，从而降低反应速率。因此，选择合适的温度对于维持酶的活性和促进反 应的进行非常重要。
第三章均相酶反应动力学
•
化学动力学
•
反应机制
反应速率及其测定
• 反应速率：单位时间内
反应物或生物浓度的改变。 • 设瞬时dt内反应物浓度 的很小改变为ds，则：
• 若用单位时间内生成物浓
度的增加来表示，则：
反应分子数
• • •
反应分子数：是在反应中真正相互作用的分子的数目。 如：A P 属于单分子反应 根据质量作用定律，单分子反应的速率方程式是： 双如：A+B C+D 属于双分子反应
抑制剂对酶促反应速率的影响
几个概念
失活 与 抑制
【失活】(inactivation)：由于酶蛋白分子变性而引起的酶活力丧失的 现象称为失活。 【抑制】(inhibition)：由于酶的必需基团化学性质的改变，但酶未变 性，而引起酶活力的降低或丧失，称为抑制作用
底物
与
效应物
【效应物】(Effecter)：凡能使酶分子发生别构作用的物质叫效应物， 通常为小分子代谢物或辅因子。如因别构导致酶活性降低的物质称为 负效应物。
（3）
（4） （5）
当反应初始时刻，底物[S]>>[E]，几乎所有的酶都与底物 结合成复合物[ES]，因此[E0] ≈[ES]，反应速率最大，此 时产物的最大合成速率为：
代入式（5）得： 式中：Vp,max：最大反应速率 如果酶的量发生改变，最大反应速率相应改变。
（6）
Ks：解离常数，饱和常数
低 Ks值意味着酶与底物结合力很强。
•
平衡：可逆反应的正向反应和逆向反应仍在继续进行，但
反应速率相等。
•
反应的平衡常数与酶的活性无关，与反应速率的大小无关，
而与反应体系的温度、反应物及产物浓度有关。
酶促反应动力学
1、米氏方程 2、操作参数对酶促反应的影响 3、抑制剂对酶促反应速率的影响 三、多底物酶促反应动力学
均相酶催化反应:
指酶与反应物系同处液相的酶催化 反应. 因此不存在相间的物质传递.
均相酶催化反应动力学所描述的反应 速率与反应物系的基本关系,反映了该 反应过程的本征动力学关系,而且酶与 反应物的反应是分子水平上的反应.
1925年，Briggs和Haldane对米氏方程的推导作了 一项很重要的修正。他们认为，当k+2＞k-1时米氏 假设中的快速平衡（ripid equilibrium）不一定能够 成立，所以，不能用上述“平衡学说”推导。即当 从中间复合物生成产物的速率与其分解成酶和底物 的速率相差不大时，米氏方程的平衡假设不适用。 他们提出了“拟稳态”假设，认为由于反应体系中 底物浓度要比酶的浓度高的多，中间复合物分解时 所产生的酶又立即与底物相结合，从而使反应体系 中复合物浓度维持不变，即中间复合物的浓度不随 时间而变化。
第三章 酶促反应动力学
学习目的： 1、了解酶促反应特点及与一般化学反应的区别。 2、掌握0、1级和米氏酶促反应动力学及应用原理； 3、了解存在抑制时的酶促反应动力学特征； 4、具备固定化酶反应中的过程分析能力和内外不同
阶段的固定化酶动力学的应用能力； 5、熟悉酶的失活动力学与反应过程中酶失活动力学
CS
CS Km
复合态酶浓度 游离态酶浓度
⑤动力学参数的求取
将米氏方程线性化，用作图法求取动力 学参数rmax（或k+2）和Km值。
k1, k2 ——各步反应的速率常数；
（3-5） （3-6） （3-7）
如果A的初始浓度为a0， B和C的初始浓度为0，
并且a+b+c=a0，则可求得：
均相酶催化反应:
指酶与反应物系同处液相的酶催化 反应. 因此不存在相间的物质传递.
均相酶催化反应动力学所描述的反应 速率与反应物系的基本关系,反映了该 反应过程的本征动力学关系,而且酶与 反应物的反应是分子水平上的反应.
1925年，Briggs和Haldane对米氏方程的推导作了 一项很重要的修正。他们认为，当k+2＞k-1时米氏 假设中的快速平衡（ripid equilibrium）不一定能够 成立，所以，不能用上述“平衡学说”推导。即当 从中间复合物生成产物的速率与其分解成酶和底物 的速率相差不大时，米氏方程的平衡假设不适用。 他们提出了“拟稳态”假设，认为由于反应体系中 底物浓度要比酶的浓度高的多，中间复合物分解时 所产生的酶又立即与底物相结合，从而使反应体系 中复合物浓度维持不变，即中间复合物的浓度不随 时间而变化。
第三章 酶促反应动力学
学习目的： 1、了解酶促反应特点及与一般化学反应的区别。 2、掌握0、1级和米氏酶促反应动力学及应用原理； 3、了解存在抑制时的酶促反应动力学特征； 4、具备固定化酶反应中的过程分析能力和内外不同
阶段的固定化酶动力学的应用能力； 5、熟悉酶的失活动力学与反应过程中酶失活动力学
CS
CS Km
复合态酶浓度 游离态酶浓度
⑤动力学参数的求取
将米氏方程线性化，用作图法求取动力 学参数rmax（或k+2）和Km值。
k1, k2 ——各步反应的速率常数；
（3-5） （3-6） （3-7）
如果A的初始浓度为a0， B和C的初始浓度为0，
并且a+b+c=a0，则可求得：
酶促反应的动力学
酶促反应的动力学酶促反应动力学是研究酶促反应速度及其影响因素的科学。
这些因素主要包括底物浓度、酶浓度、温度、PH、激活剂和抑制剂等。
在研究某一因素对酶促反应速度的影响时，应该维持反应中其它因素不变，而只改变要研究的因素。
一、酶与底物浓度在酶的浓度不变的情况下，底物浓度对反应速度影响的作用呈现矩形双曲线(图4-2-1)。
图4-2-1 底物浓度对酶促反应速度的影响在底物浓度很低时，反应速度随底物浓度的增加而急骤加快，两者呈正比关系；当底物浓度较高时，反应速度虽然随着底物浓度的升高而加快，但不再呈正比例加快；当底物浓度增高到一定程度时，如果继续加大底物浓度，反应速度不再增加，说明酶已被底物所饱和。
酶促反应速度与底物浓度之间的变化关系，反映了[ES]的形成与生成产物[P]的过程。
在[S]很低时，酶的活性中心没有全部与底物结合，增加[S]，[ES]的形成与[P]的生成均呈正比关系增加；当[S]增高至一定浓度时，酶全部形成了[ES]，此时再增加[S]也不会增加[ES]，反应速度趋于恒定。
（一）米氏方程为了解释底物浓度与酶促反应速度的关系，1913年Michaelis和Menten把图4-2-1归纳为酶促反应动力学最基本的数学表达式---米氏方程：V=Vmax[S]/（Km+[S]）Vmax为反应的最大速度，[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。
（二）米氏常数（Km）的意义：1．当反应速度为最大速度一半时，米氏方程可以变换如下：1/2Vmax=Vmax[S]/（Km+[S]）所以 Km=[S]。
因此，Km值等于酶促反应最大速度一半时的底物浓度。
2．Km值可判断酶与底物的亲和力（Km值愈大，酶与底物的亲和力愈小；反之亦然）。
3．Km值是酶的特征性常数，只与酶的结构、酶所催化的底物和酶促反应条件有关，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。
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39
二、酶与底物的作用机理
• Lock and Key Model
整个酶分子的天然构象是具有刚性结构的，酶表面具 有特定的形状。酶与底物的结合如同一把钥匙对一把锁一样。
40
Induced-Fit Model
• 诱导契合模型： 手与手套的关 系。
• 当底物接近酶 的活性中心并 与之结合时， 酶的构象能发 生改变，更适 合于底物的结 合。
属于双分子反应
• 其反应速率方程可表示为：
• 判断一个反应是单分子反应还是双分子反应，必须先了解反应机制， 即了解反应过程中各个单元反应是如何进行的。
• 反应机制往往很复杂，不易弄清楚，但是反应速率与浓度的关系可用 实验方法来确定，从而帮助推论反应机制。
v k [A][B]
11
反应级数
根据实验结果，整个化学反应的速率服从哪种分子反 应速率方程式，则这个反应即为几级反应。 例：对于某一反应其总反应速率能以单分子反应的速 率方程式表示，那么这个反应为一级反应。 又如某一反应： A + B → C + D
因为蔗糖的稀水溶液中，水的浓度比蔗糖浓度大得多， 水浓度的减少与蔗糖比较可以忽略不计。因此，反应速 率只决定于蔗糖的浓度。
Sucrase
v = k [S]
13
酶促反应动力学基础－反应速率
零级反应
v d[ S ] K dt
k
dA dt
A
一级反应 A ─→ B
v
dA kA dt
A0
B
C
A
B
C
37
（三）酶促反应的可调节性
对酶生成与降解量的调节
酶催化效力的调节 通过改变底物浓度对酶进行调节等
38
（四）具有温和的反应条件 温度一般在25~37oC，pH为接近中性。 （五）酶易变性与失活 蛋白质酶在应用时，常因变性而活力下降，甚 至完全失去活力。酶的变性多数为不可逆。 引起失活的因素：热、紫外线、X射线、酸、 碱、重金属盐和表面活性剂。 （六）酶的提取工艺复杂、成本高且大多数酶 催化反应只能在水溶液中进行。
①必须是均相体系 ②强烈的混合手段
(微观条件) (宏观条件)
③反应速度远小于分子扩散速度
5
均相催化反应
基本特点: ① 高活性，高选择性，反应条件温和； ② 在一定浓度范围内，反应速率随催化剂浓度增大而加快； ③ 催化剂循环、回收困难，而且不易连续操作，有时对设备 腐蚀严重。 1．酸碱催化 主要特征：质子的转移 凡能给出或接受质子的物质都具有催化作用 酸催化 碱催化 S＋HA S＋B SH+ +A－ S－ + HB+ 产物＋HA 产物＋B
dS v dt
v
P
dP dt
t
• 若用单位时间内生成物浓 度的增加来表示，则：
dP v dt
v
t
10
反应分子数
• 反应分子数：是在反应中真正相互作用的分子的数目。 • 如：A → P 属于单分子反应 • 根据质量作用定律，单分子反应的速率方程式是： •
v k [A] 如：A＋B → C＋D
非催化反应活化能
酶促反应 活化能
底物
反应总能量改变 产物 反 应 过 程
酶促反应活化能的改变
31
过氧化氢分解反应所需活化能 催化剂 每摩尔需活化能
无
胶态钯 过氧化氢酶
18 000cal
11 700cal 2 000cal
32
四个概念：
酶的分子活力：在最适宜条件下，1mol酶在单 位时间内所能催化底物的最大量。 酶的催化中心活力 ( 酶的转化数 ) ：在最适宜条 件下，在单位时间内每一个酶的催化中心所催化 底物的最大量。 酶活力 U：在特定条件下， 1min催化 1mol底物 转化为产物时所需要的酶量称为一个酶单位。 比活力是指1mg酶所具有的酶单位数。
C 2D K A B3
16
2C+D
反应转化率X 组分K转化率
组分K反应掉的摩尔数 nk 0 nk xk 组分K起始时的摩尔数 nk 0
若进料中各反应组分的含量比不同于计量 系数之比时，各个组分的转化率是不同的。
17
3.2 酶的基本概念
Enzyme
18
• 酶定义：酶是活细胞产生的具有催化作用的蛋 白质。少数酶同时含有少量的糖和脂肪，是一 种提高生化反应速率的生物催化剂。生物体内 所有的反应均在酶的催化作用下完成，生物的 生理现象与酶的作用有关。 • 酶的种类：氧化还原酶、转移酶、水解酶、裂 合酶、异构酶和合成酶。
3
催化反应动力学
2．催化作用的基本特征
① 仅加快热力学上可能的反应
② 不改变化学平衡 ③ 具有特殊的选择性和活性 催化剂的选择性:
转化为目的产品的原料量 选择性＝ 原料的总转化量
④ 催化剂参与化学反应 ─ 生成中间化合物
4
3.1 基本概念与术语
• 均相反应: 指参与反应的各物质均处于同一个相内进行 的化学反应。（烃类的高温裂解为气相均相反应，而酸 碱中和、酯化反应为典型的液相反应） • 均相反应是在一个相中的反应物料以分子尺度混合，要 求：
失。
金属激活酶(metal-activated enzyme) 金属离子为酶的活性所必需，但与酶的结合
不甚紧密。
23
金属离子的作用 参与催化反应，传递电子；
在酶与底物间起桥梁作用； 稳定酶的构象；
中和阴离子，降低反应中的静电斥力等。
小分子有机化合物的作用 参与酶的催化过程，在反应中传递电子、 质子或一些基团。
34
绝对特异性
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
35
+ H2O
脲酶
2NH3 + CO2
脲酶 + H2O
相对特异性
• • 酶作用于一类化合物或一种化学键。 如：
蔗糖
CH2OH O H H H 1 OH H OH H OH 1 CH2OH O O H OH H OH CH2OH H
26
活性中心内的必需基团 结合基团 (binding group) 与底物相结合 活性中心外的必需基团 维持酶活性中心应有的空间构象所必需。 构成酶活性中心的常见基团： His(组氨酸)的咪唑基、Ser（丝氨酸）的－OH、 Cys（胱氨酸）的－SH、Glu的γ-COOH。
27
催化基团 (catalytic group) 催化底物转变成产物
6
2. 络合催化 特点： 高效、多功能、适用于缓和条件下操作、一步合成
主要特征：催化剂与反应物分子(或基团)构成配位键形成不稳定络合物
不稳定，易发生重排反应
7
3. 酶催化
特 点: ① 活性高，约为一般酸碱催化剂的108 ～1012 倍； ② 选择性极高，一种酶只能使一种反应物转化为特定的产物； ③ 特殊的温度效应
29
一、 酶促反应的特点
（一）酶促反应具有极高的效率
酶的催化效率通常比非催化反应高108～1020倍， 比一般催化剂高107～1013倍。 酶加速反应的机理是降低反应的活化能 (activation energy)。
30
活化能E： 底物分子从初态转变到活化态所需的能量。
能
量
一般催化剂催 化反应的活化能
活性中心以外 的必需活性中心
28
3.4 酶促反应的特点与机理
The Characteristic and Mechanism of Enzyme-Catalyzed Reaction
• 酶与一般催化剂的共同点
– 在反应前后没有质和量的变化； – 只能催化热力学允许的化学反应； – 只能加速可逆反应的进程，而不改变 反应的平衡点。
结合酶 (conjugated enzyme)
酶蛋白 (apoenzyme)
全酶 (holoenzyme)
决定反应的特异性 辅助因子(cofactor)
决定反应的种类与性质
22
金属离子 辅助因子(cofactor) 小分子有机化合物
金属酶(metalloenzyme)
金属离子与酶结合紧密，提取过程中不易丢
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
36
立体结构特异性
酶仅作用于立体异构体中的一种。
H C OH H C COOH OH
H3C
COOH
H3C
A
生物反应工程电子教案
主 讲：王 霞 教授 单 位：生命科学学院 电 话：88366231 E-mail：ghwx@
1
主要内容
3.1 基本概念与术语
3.2
酶的基本概念
3.4 酶促反应的特点与机理
3.5单底物酶促反应动力学
3.6抑制剂对酶促反应速率的影响
3.7双底物酶促反应动力学
3.8影响酶催化反应速率的因素
19
有关名词
• • • • 底物(substrate, S)：酶作用的物质。 产物(product, P)：反应生成的物质。 酶促反应：酶催化的反应。 酶活性：酶催化化学反应的能力。
转氨酶 丙酮酸 + Glu
Ala + α -酮戊二酸
20
3.3 酶的分子结构与功能
The Molecular Structure and Function of Enzyme
v k [ A][ B ]
式中k为反应速率常数 符合双分子反应的表达式，为二级反应。
12
二、酶与底物的作用机理
• Lock and Key Model
整个酶分子的天然构象是具有刚性结构的，酶表面具 有特定的形状。酶与底物的结合如同一把钥匙对一把锁一样。
40
Induced-Fit Model
• 诱导契合模型： 手与手套的关 系。
• 当底物接近酶 的活性中心并 与之结合时， 酶的构象能发 生改变，更适 合于底物的结 合。
属于双分子反应
• 其反应速率方程可表示为：
• 判断一个反应是单分子反应还是双分子反应，必须先了解反应机制， 即了解反应过程中各个单元反应是如何进行的。
• 反应机制往往很复杂，不易弄清楚，但是反应速率与浓度的关系可用 实验方法来确定，从而帮助推论反应机制。
v k [A][B]
11
反应级数
根据实验结果，整个化学反应的速率服从哪种分子反 应速率方程式，则这个反应即为几级反应。 例：对于某一反应其总反应速率能以单分子反应的速 率方程式表示，那么这个反应为一级反应。 又如某一反应： A + B → C + D
因为蔗糖的稀水溶液中，水的浓度比蔗糖浓度大得多， 水浓度的减少与蔗糖比较可以忽略不计。因此，反应速 率只决定于蔗糖的浓度。
Sucrase
v = k [S]
13
酶促反应动力学基础－反应速率
零级反应
v d[ S ] K dt
k
dA dt
A
一级反应 A ─→ B
v
dA kA dt
A0
B
C
A
B
C
37
（三）酶促反应的可调节性
对酶生成与降解量的调节
酶催化效力的调节 通过改变底物浓度对酶进行调节等
38
（四）具有温和的反应条件 温度一般在25~37oC，pH为接近中性。 （五）酶易变性与失活 蛋白质酶在应用时，常因变性而活力下降，甚 至完全失去活力。酶的变性多数为不可逆。 引起失活的因素：热、紫外线、X射线、酸、 碱、重金属盐和表面活性剂。 （六）酶的提取工艺复杂、成本高且大多数酶 催化反应只能在水溶液中进行。
①必须是均相体系 ②强烈的混合手段
(微观条件) (宏观条件)
③反应速度远小于分子扩散速度
5
均相催化反应
基本特点: ① 高活性，高选择性，反应条件温和； ② 在一定浓度范围内，反应速率随催化剂浓度增大而加快； ③ 催化剂循环、回收困难，而且不易连续操作，有时对设备 腐蚀严重。 1．酸碱催化 主要特征：质子的转移 凡能给出或接受质子的物质都具有催化作用 酸催化 碱催化 S＋HA S＋B SH+ +A－ S－ + HB+ 产物＋HA 产物＋B
dS v dt
v
P
dP dt
t
• 若用单位时间内生成物浓 度的增加来表示，则：
dP v dt
v
t
10
反应分子数
• 反应分子数：是在反应中真正相互作用的分子的数目。 • 如：A → P 属于单分子反应 • 根据质量作用定律，单分子反应的速率方程式是： •
v k [A] 如：A＋B → C＋D
非催化反应活化能
酶促反应 活化能
底物
反应总能量改变 产物 反 应 过 程
酶促反应活化能的改变
31
过氧化氢分解反应所需活化能 催化剂 每摩尔需活化能
无
胶态钯 过氧化氢酶
18 000cal
11 700cal 2 000cal
32
四个概念：
酶的分子活力：在最适宜条件下，1mol酶在单 位时间内所能催化底物的最大量。 酶的催化中心活力 ( 酶的转化数 ) ：在最适宜条 件下，在单位时间内每一个酶的催化中心所催化 底物的最大量。 酶活力 U：在特定条件下， 1min催化 1mol底物 转化为产物时所需要的酶量称为一个酶单位。 比活力是指1mg酶所具有的酶单位数。
C 2D K A B3
16
2C+D
反应转化率X 组分K转化率
组分K反应掉的摩尔数 nk 0 nk xk 组分K起始时的摩尔数 nk 0
若进料中各反应组分的含量比不同于计量 系数之比时，各个组分的转化率是不同的。
17
3.2 酶的基本概念
Enzyme
18
• 酶定义：酶是活细胞产生的具有催化作用的蛋 白质。少数酶同时含有少量的糖和脂肪，是一 种提高生化反应速率的生物催化剂。生物体内 所有的反应均在酶的催化作用下完成，生物的 生理现象与酶的作用有关。 • 酶的种类：氧化还原酶、转移酶、水解酶、裂 合酶、异构酶和合成酶。
3
催化反应动力学
2．催化作用的基本特征
① 仅加快热力学上可能的反应
② 不改变化学平衡 ③ 具有特殊的选择性和活性 催化剂的选择性:
转化为目的产品的原料量 选择性＝ 原料的总转化量
④ 催化剂参与化学反应 ─ 生成中间化合物
4
3.1 基本概念与术语
• 均相反应: 指参与反应的各物质均处于同一个相内进行 的化学反应。（烃类的高温裂解为气相均相反应，而酸 碱中和、酯化反应为典型的液相反应） • 均相反应是在一个相中的反应物料以分子尺度混合，要 求：
失。
金属激活酶(metal-activated enzyme) 金属离子为酶的活性所必需，但与酶的结合
不甚紧密。
23
金属离子的作用 参与催化反应，传递电子；
在酶与底物间起桥梁作用； 稳定酶的构象；
中和阴离子，降低反应中的静电斥力等。
小分子有机化合物的作用 参与酶的催化过程，在反应中传递电子、 质子或一些基团。
34
绝对特异性
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
35
+ H2O
脲酶
2NH3 + CO2
脲酶 + H2O
相对特异性
• • 酶作用于一类化合物或一种化学键。 如：
蔗糖
CH2OH O H H H 1 OH H OH H OH 1 CH2OH O O H OH H OH CH2OH H
26
活性中心内的必需基团 结合基团 (binding group) 与底物相结合 活性中心外的必需基团 维持酶活性中心应有的空间构象所必需。 构成酶活性中心的常见基团： His(组氨酸)的咪唑基、Ser（丝氨酸）的－OH、 Cys（胱氨酸）的－SH、Glu的γ-COOH。
27
催化基团 (catalytic group) 催化底物转变成产物
6
2. 络合催化 特点： 高效、多功能、适用于缓和条件下操作、一步合成
主要特征：催化剂与反应物分子(或基团)构成配位键形成不稳定络合物
不稳定，易发生重排反应
7
3. 酶催化
特 点: ① 活性高，约为一般酸碱催化剂的108 ～1012 倍； ② 选择性极高，一种酶只能使一种反应物转化为特定的产物； ③ 特殊的温度效应
29
一、 酶促反应的特点
（一）酶促反应具有极高的效率
酶的催化效率通常比非催化反应高108～1020倍， 比一般催化剂高107～1013倍。 酶加速反应的机理是降低反应的活化能 (activation energy)。
30
活化能E： 底物分子从初态转变到活化态所需的能量。
能
量
一般催化剂催 化反应的活化能
活性中心以外 的必需活性中心
28
3.4 酶促反应的特点与机理
The Characteristic and Mechanism of Enzyme-Catalyzed Reaction
• 酶与一般催化剂的共同点
– 在反应前后没有质和量的变化； – 只能催化热力学允许的化学反应； – 只能加速可逆反应的进程，而不改变 反应的平衡点。
结合酶 (conjugated enzyme)
酶蛋白 (apoenzyme)
全酶 (holoenzyme)
决定反应的特异性 辅助因子(cofactor)
决定反应的种类与性质
22
金属离子 辅助因子(cofactor) 小分子有机化合物
金属酶(metalloenzyme)
金属离子与酶结合紧密，提取过程中不易丢
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
36
立体结构特异性
酶仅作用于立体异构体中的一种。
H C OH H C COOH OH
H3C
COOH
H3C
A
生物反应工程电子教案
主 讲：王 霞 教授 单 位：生命科学学院 电 话：88366231 E-mail：ghwx@
1
主要内容
3.1 基本概念与术语
3.2
酶的基本概念
3.4 酶促反应的特点与机理
3.5单底物酶促反应动力学
3.6抑制剂对酶促反应速率的影响
3.7双底物酶促反应动力学
3.8影响酶催化反应速率的因素
19
有关名词
• • • • 底物(substrate, S)：酶作用的物质。 产物(product, P)：反应生成的物质。 酶促反应：酶催化的反应。 酶活性：酶催化化学反应的能力。
转氨酶 丙酮酸 + Glu
Ala + α -酮戊二酸
20
3.3 酶的分子结构与功能
The Molecular Structure and Function of Enzyme
v k [ A][ B ]
式中k为反应速率常数 符合双分子反应的表达式，为二级反应。
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