第十章 酶催化反应动力学
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由米氏方程得：Km＝
EI
①
〔E〕〔S〕
〔ES〕
〔E〕〔I〕 Ki＝ 〔EI〕
②
〔E〕＝〔E〕t－〔ES〕－〔EI〕 ③
解方程①②③得： 〔E〕t
〔 I〕 （1 + ）＋1 Ki 〔 S〕 又因vi＝k3〔ES〕,代入上式得：
Vi＝
Km
〔ES〕=
Vmax〔S〕
Km （1 +
〔 I〕 ）＋〔S〕 Ki
（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 ki k1 k3 E+S ES E+P E+I k2
k2 Et S (3) K M S
v k2
(2)
当[Et]=[ES]时，
Vmax S v 将（4）代入（3），则： K m S
v Vm
Vm k2 Et
(4)
7.2.1 Briggs-Haldane 方程:拟稳态学说
1925年Briggs G. E.和Haldane J. B. S.对该模型提出了修正
第七章 酶的催化特性和反应动力学
7.1 酶的催化特性
能降低反应的活化能，加快生化反应的 速率 不改变反应的方向和平衡关系，即不能 改变反应的平衡常数，而只能加快反应 达到平衡的速率
7.1 酶的催化特性
（1）较高的催化效率 （2）很强的专一性 （3）具有温和的反应条件 （4）易变性与失活
很强的专一性
绝对专一性 ：一种酶只能催化一种化合物进行一种反应
相对专一性：一种酶能够催化一类具有相同化学键或基团的 物质进行某种类型的反应
反应专一性：一种酶只能催化某化合物在热力学上可能进行 的许多反应中的一种反应
底物专一性 ：一种酶只能催化一种底物
立体专一性：一种酶只能作用于所有立体异构体中的一种
竞争性抑制剂双倒数曲线，如下图所示：
1 Km 1 〔 I 〕 + ＝ （1+ ） Ki 〔S Vmax vi 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1/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。
M t
[ES] E [E] E K
ES
[ ES] [S ]
(1)
经整理得：
Et S K M S
由于酶促反应速度由[ES]决定，即 将（2）代入（1）得：
v k2 ES
，所以
ES
Et S v k 2 K M S
所以
v
根据产生抑制的机理不同，可逆抑制分为:
竞争性抑制 非竞争性抑制 反竞争性抑制 混合性抑制
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。
复杂的酶促反应——双底物反应
复杂的酶促动力学：乒乓反应(无三元复合物， 酶的过度态
乒乓反应：氨基酸的氨基转移反应
序列反应和乒乓反应的区别
本章重点
酶催化的基本特征 影响酶催化活性的因素 米氏方程的推导 米氏常数的意义 酶反应抑制动力学，几种抑制的反应式 和特点
v Vm
Vm k2 Et
(4)
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）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。
ES
k1 k-1
ES
k2
k-2
EP
1、与底物浓度 [S]相比，酶的浓度 [E] 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、不考虑这个逆反应的存在 3、认为基元反应的反应速率最慢，为该反应速率 的控制步骤。 4、在一定时间内虽然[S]和[P]在不断变化，ES复 合体也在不断地生成和分解，但ES的生成速率 与分解速率接近相等，[ES]基本保持不变
酶
（2）特点：
反竞争性抑制剂存在下，Km、Vmax都变小。 1 ＝ Km 1 + 〔 I〕 (1+ ) Vmax Ki 1 Vi＝
Vmax〔S〕
Vi
Vmax 〔S〕
〔 I〕 K m＋ （1＋ Ki 〔 ）S〕
复杂的酶促反应——双底物反应
A+B
P+Q
序列反应：在任何产物释放前两种底物 必须先结合到酶上 乒乓反应：在所有底物完全结合之前即 有产物释放
（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，而使Vmax值变小， 如下图所示：
具有温和的反应条件
一般在生理温度25~37℃的范围，仅有少数酶 反应可在较高温度下进行。
在接近中性的pH值条件下进行
易变性与失活
蛋白酶的化学本质是蛋白质，因而具有蛋白质 的所有性质。
常因变性而使活力下降，甚至完全失活。
酶的变性多数为不可逆。
激活剂和抑制剂
激活剂：能提高酶活性的物质
1）无机离子：酶的辅因子；桥梁作用 2）中等大小的有机分子：还原剂；EDTA 3）蛋白质性质的大分子：激活酶原
非竞争性抑制 1 ＝ （1+ 〔I〕 ） × Vi Ki （ Vmax 1
Km 1 ＋ ） Vmax〔S〕
Vmax〔S Vi＝ 〔I 〕 ( Km+〔S ) ( 1+ ) Ki 〕 〕
3. 反竞争性抑制
(1)含义和反应式
反竞争性抑制剂必须在酶结合了底物之后才能与酶与 底物的中间产物结合，该抑制剂与单独的酶不结合。
Et S K m S
由于酶促反应速度由[ES]决定，即 将（2）代入（1）得：
v k2 ES
，所以
ES
Et S v k2 K m S
所以
v
k2 Et S (3) Km S
v k2
(2)
当[Et]=[ES]时，
Vmax S v 将（4）代入（3），则： K m S
k1 Et ESS k1ES k2 ES
k1 k2 Km k1
Et S ESS k1 k2 ES k1 则： Km ES ESS Et S
(1)
v1 v2
经整理得：
ES
抑制剂：降低酶的催化活性甚至完全失活的 物质（区别于变性剂）
7.2.1 Michaelis-Menten 方程:快速平衡学说
ES
k1 k-1
ES
k2 k-2
EP
①与底物浓度 [S] 相比，酶的浓度 [E] 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不考虑这个逆反应的存在(只适应于反应初期） ③认为基元反应的反应速率最慢，为该反应速率的 控制步骤, k-1>>k2,也就是说ES分解生成P的速率不足 以破坏E和ES之间的快速平衡
稳态学说：Brigges-Haldane方程
S
ES [ES]生成速度： v1 k1 Et ESS
Et ES
SE
k1 k 1
ES
k2 PE
，[ES]分解速度： v2
k1ES k2 ES
当酶反应体系处于恒态时： 即： 令：
1
2.非竞争性抑制(non-competitive inhibition)
(1)含义和反应式 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。
7.3 有抑制的酶催化反应动力学
在酶催化反应中，由于某些外源化合物的存在而 使反应速率下降，这种物质称为抑制剂。
可逆抑制
可用诸如透析等物理方法把抑制剂去掉而恢复酶的 活性，酶与抑制剂的结合存在着解离平衡的关系。
不可逆抑制
抑制剂与酶的基因成共价结合，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。
快速平衡学说：米氏方程
S
ES k1 [ E ][S ] KM 反应快速建立平衡： k1 [ ES ]
Et ES
反应体系的总酶量为：Et
t
ຫໍສະໝຸດ BaiduSE
k 1
k1
ES
P E
k2
[ ES ]
[ E ][S ] KM
[ ES] [ E]
EI
①
〔E〕〔S〕
〔ES〕
〔E〕〔I〕 Ki＝ 〔EI〕
②
〔E〕＝〔E〕t－〔ES〕－〔EI〕 ③
解方程①②③得： 〔E〕t
〔 I〕 （1 + ）＋1 Ki 〔 S〕 又因vi＝k3〔ES〕,代入上式得：
Vi＝
Km
〔ES〕=
Vmax〔S〕
Km （1 +
〔 I〕 ）＋〔S〕 Ki
（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 ki k1 k3 E+S ES E+P E+I k2
k2 Et S (3) K M S
v k2
(2)
当[Et]=[ES]时，
Vmax S v 将（4）代入（3），则： K m S
v Vm
Vm k2 Et
(4)
7.2.1 Briggs-Haldane 方程:拟稳态学说
1925年Briggs G. E.和Haldane J. B. S.对该模型提出了修正
第七章 酶的催化特性和反应动力学
7.1 酶的催化特性
能降低反应的活化能，加快生化反应的 速率 不改变反应的方向和平衡关系，即不能 改变反应的平衡常数，而只能加快反应 达到平衡的速率
7.1 酶的催化特性
（1）较高的催化效率 （2）很强的专一性 （3）具有温和的反应条件 （4）易变性与失活
很强的专一性
绝对专一性 ：一种酶只能催化一种化合物进行一种反应
相对专一性：一种酶能够催化一类具有相同化学键或基团的 物质进行某种类型的反应
反应专一性：一种酶只能催化某化合物在热力学上可能进行 的许多反应中的一种反应
底物专一性 ：一种酶只能催化一种底物
立体专一性：一种酶只能作用于所有立体异构体中的一种
竞争性抑制剂双倒数曲线，如下图所示：
1 Km 1 〔 I 〕 + ＝ （1+ ） Ki 〔S Vmax vi 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1/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。
M t
[ES] E [E] E K
ES
[ ES] [S ]
(1)
经整理得：
Et S K M S
由于酶促反应速度由[ES]决定，即 将（2）代入（1）得：
v k2 ES
，所以
ES
Et S v k 2 K M S
所以
v
根据产生抑制的机理不同，可逆抑制分为:
竞争性抑制 非竞争性抑制 反竞争性抑制 混合性抑制
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。
复杂的酶促反应——双底物反应
复杂的酶促动力学：乒乓反应(无三元复合物， 酶的过度态
乒乓反应：氨基酸的氨基转移反应
序列反应和乒乓反应的区别
本章重点
酶催化的基本特征 影响酶催化活性的因素 米氏方程的推导 米氏常数的意义 酶反应抑制动力学，几种抑制的反应式 和特点
v Vm
Vm k2 Et
(4)
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）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。
ES
k1 k-1
ES
k2
k-2
EP
1、与底物浓度 [S]相比，酶的浓度 [E] 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、不考虑这个逆反应的存在 3、认为基元反应的反应速率最慢，为该反应速率 的控制步骤。 4、在一定时间内虽然[S]和[P]在不断变化，ES复 合体也在不断地生成和分解，但ES的生成速率 与分解速率接近相等，[ES]基本保持不变
酶
（2）特点：
反竞争性抑制剂存在下，Km、Vmax都变小。 1 ＝ Km 1 + 〔 I〕 (1+ ) Vmax Ki 1 Vi＝
Vmax〔S〕
Vi
Vmax 〔S〕
〔 I〕 K m＋ （1＋ Ki 〔 ）S〕
复杂的酶促反应——双底物反应
A+B
P+Q
序列反应：在任何产物释放前两种底物 必须先结合到酶上 乒乓反应：在所有底物完全结合之前即 有产物释放
（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，而使Vmax值变小， 如下图所示：
具有温和的反应条件
一般在生理温度25~37℃的范围，仅有少数酶 反应可在较高温度下进行。
在接近中性的pH值条件下进行
易变性与失活
蛋白酶的化学本质是蛋白质，因而具有蛋白质 的所有性质。
常因变性而使活力下降，甚至完全失活。
酶的变性多数为不可逆。
激活剂和抑制剂
激活剂：能提高酶活性的物质
1）无机离子：酶的辅因子；桥梁作用 2）中等大小的有机分子：还原剂；EDTA 3）蛋白质性质的大分子：激活酶原
非竞争性抑制 1 ＝ （1+ 〔I〕 ） × Vi Ki （ Vmax 1
Km 1 ＋ ） Vmax〔S〕
Vmax〔S Vi＝ 〔I 〕 ( Km+〔S ) ( 1+ ) Ki 〕 〕
3. 反竞争性抑制
(1)含义和反应式
反竞争性抑制剂必须在酶结合了底物之后才能与酶与 底物的中间产物结合，该抑制剂与单独的酶不结合。
Et S K m S
由于酶促反应速度由[ES]决定，即 将（2）代入（1）得：
v k2 ES
，所以
ES
Et S v k2 K m S
所以
v
k2 Et S (3) Km S
v k2
(2)
当[Et]=[ES]时，
Vmax S v 将（4）代入（3），则： K m S
k1 Et ESS k1ES k2 ES
k1 k2 Km k1
Et S ESS k1 k2 ES k1 则： Km ES ESS Et S
(1)
v1 v2
经整理得：
ES
抑制剂：降低酶的催化活性甚至完全失活的 物质（区别于变性剂）
7.2.1 Michaelis-Menten 方程:快速平衡学说
ES
k1 k-1
ES
k2 k-2
EP
①与底物浓度 [S] 相比，酶的浓度 [E] 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不考虑这个逆反应的存在(只适应于反应初期） ③认为基元反应的反应速率最慢，为该反应速率的 控制步骤, k-1>>k2,也就是说ES分解生成P的速率不足 以破坏E和ES之间的快速平衡
稳态学说：Brigges-Haldane方程
S
ES [ES]生成速度： v1 k1 Et ESS
Et ES
SE
k1 k 1
ES
k2 PE
，[ES]分解速度： v2
k1ES k2 ES
当酶反应体系处于恒态时： 即： 令：
1
2.非竞争性抑制(non-competitive inhibition)
(1)含义和反应式 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。
7.3 有抑制的酶催化反应动力学
在酶催化反应中，由于某些外源化合物的存在而 使反应速率下降，这种物质称为抑制剂。
可逆抑制
可用诸如透析等物理方法把抑制剂去掉而恢复酶的 活性，酶与抑制剂的结合存在着解离平衡的关系。
不可逆抑制
抑制剂与酶的基因成共价结合，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。
快速平衡学说：米氏方程
S
ES k1 [ E ][S ] KM 反应快速建立平衡： k1 [ ES ]
Et ES
反应体系的总酶量为：Et
t
ຫໍສະໝຸດ BaiduSE
k 1
k1
ES
P E
k2
[ ES ]
[ E ][S ] KM
[ ES] [ E]