第九章 酶促反应动力学
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c.Km值表示酶与底物之间的亲和程度：Km值大表示亲 和程度小，酶的催化活性低; Km值小表示亲和程度大,
酶的催化活性高。 （同一种酶有几种底物就有几个Km值，其中Km值最小
的底物一般称为该酶的最适底物或天然底物） 2006-1-7一大般小情，况1下/K，m愈1/大Km，可表以明上近海亲大似学和生地命力表科愈学示学大院酶。对底物的亲和力
★乒乓机制的动力学曲线是两组平行直线 ★表观米氏常数KmA′（KmB′）随[B]（ [A]）浓度的增 大而增大 ★表观最大反应速度Vmax′随[B]（[A]）的增大而增大
2006-1-7
上海大学生命科学学院
（2）序列机制的底物动力学方程
V KmA[B]
Vmax[ A][ B] KmB[ A] [ A][B]
合米氏方程，为Km 。
f.Km和米氏方程的实际应用
若已知某个酶的Km值，可以计算在某一个底物浓度 时，反应速度相当于最大反应速度的百分率。 g.Km可以帮助推断某一反应的方向和途径
2006-1-7
上海大学生命科学学院
（2）Vmax和k3(kcat)的意义 在一定的酶浓度下，Vmax是一个常数，它只与底物的 种类及反应条件有关。
Rate of Reaction(v)
100 1903年，Henri用蔗 糖酶水解蔗糖的实验
80
60
40
20
0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Concentration of Substrate(umol/L)
2006-1-7
上海大学生命科学学院
酶与底物的中间络合物学说（Henri和Wurtz）
v～v/[S]作图法 v = Vmax － Km·[—Sv]—
v
Vmax
-Km
2006-1-7
v
[S]
上海大学生命科学学院
（3） Hanes-Woolf 作图法
在
1 Km
1
1
— = —— . — + ——
两边均乘以[S]：
v
Vmax [S] Vmax
—[S—] ＝—[S—] ＋—Km—
[S]
v
Vmax Vmax
2006-1-7
上海大学生命科学学院
（一）抑制程度的两种表示方法
1、相对活力
★相对活力分数 (残余活力)
★相对活力百分数*100%
2、抑制率
a Vi V0
★抑制分数 （被抑制活力） ★抑制百分数
i 1 a 1 Vi V0 Vi
V0
V0
2006-1-7
上海大学生命科学学院
（二）抑制作用的类型
经整理得： ES
Et S Km S
(1)
由于酶促反应速度由[ES]决定，即 v k2 ES
，所以 ES v (2)
k2
将（2）代入（1）得：
v k2
Et S Km S
v
k2Et S Km S
(3)
当[Et]=[ES]时， v Vm
将（4）代入（3），则：
所以 Vm k2 Et
1、不可逆的抑制作用
2.双底物反应的动力学方程
（1）乒乓机制的动力学方程
V
K
A m
[B]
Vmax [ A] [B] KmB [ A]
[ A] [B]
1 KmA 1 V Vmax [ A]
KmB 1 1
Vmax [B]
Vm a x
KmA： [B]达到饱和浓度时A的米氏常数 KmA′： A的表观米氏常数 Vmax：[A][B]都达到饱和浓度时的最大反应速度
基本原则：将米氏方程变化成相当于y=ax+b的直线方 程，再用作图法求出Km。
（1） Lineweaver-Burk 双倒数作图法
米氏方程的双倒数形式：
1 Km
1
1
— = —— . — + ——
v
Vmax [S] Vmax
2006-1-7
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（2） Eadie-Hofstee 作图法
2006-1-7
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三、酶的抑制作用
变性作用(denaturation)： 抑制作用(inhibiton)：使酶活力下降或丧失但并不引起 酶蛋白变性
变性剂没有选择性 抑制剂有不同程度的选择性
研究抑制剂对酶的作用有重大的意义： （1）药物作用机理和抑制剂型药物的设计与开发 （2）了解生物体的代谢途径，进行人为调控或代谢控制 发酵 （3）通过抑制剂试验研究酶活性中心的构象及其化学功 能基团，不仅可以设计药物，而且也是酶工程和化学修 饰酶、酶工业的基础
[ES]生成速度：v1 k1Et ES S ，[ES]分解速度： v2 k2ES k3ES
米
当酶反应体系处于恒态时： v1 v2
氏 方 程 的 推 导
即： k1Et ES S k2ES k3ES
Et
S ES ES
S
k2
k1
k3
令： k2 k3 Km k1
则：KmES ESS Et S
KsAKmB
1 KmA 1 KmB 1
1
K s
A
KmB
1
V
Vmax [ A]
Vmax [B]
Vm a x
Vmax [ A] [B]
★序列机制的动力学曲线是两组相交直线（交于X轴负侧） ★交点在X轴：表观KmA′（KmB′）不随[[B]（[A]）浓度变化 而变化（ KmA′= KmA 、 KmB′= KmB） ★交点在X轴上：表观KmA′（KmB′）随[[B]（[A]）浓度的增 加而减小 ★交点在X轴下：表观KmA′（KmB′）随[[B]（[A]）浓度的增 加而增大 ★表观最大反应速度Vmax′随[B]（[A]）的增大而增大
S+E ES P+E
中间产物假说证据： （1）ES复合物已被电子显微镜和X射线晶体结构分析直 接观察到。 （2）酶和底物的光谱特性在形成ES后发生变化。 （3）酶的物理性质经常在形成ES后发生变化。 （4）已分离得到ES复合物。 （5）平衡透析时，底物浓度在半透膜内外不等。
2006-1-7
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（二）酶促反应的动力学方程式
E1.米S氏 方 程式k1 的推导ES k3 k2
米氏方程:
v
Vm ax S Km S
PE
米氏常数:
Km
k2 k3 k1
推导原则：从酶被底物饱和的现象出发，按照
“稳态平衡”假说的设想进行推导。
S E
S Et ES
k1 k2
ES k3 P E
ES
★在缺少A时，B不能与E结合
2006-1-7
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A
B
P
Q
E → AE → AEB → QEP → QE → E
A
B
AE
AEB
E
QE
Q
QEP
P
A与其产物Q相互竞争地结合E，但A和B互不竟争 反应的总方向决定于A、Q的浓度和反应的平衡常数
2006-1-7
上海大学生命科学学院
NAD＋ 与NADH相互竞争E上的NAD＋结合部位
第九章 酶促反应动力学
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、温度对酶反应速度的影响 五、pH对酶反应的影响 六、激活剂对酶反应的影响
2006-1-7
上海大学生命科学学院
一、化学动力学基础
化学反应的两个基本问题：（1）反应进行的方向、可 能性和限度；（2）反应进行的速率和反应机制。
当[S]很大时，Vmax=K3 [E]
K3代表酶被底物饱和时每秒钟每个酶分子转换底物的分 子数，称为转换数（或催化常数，Kcat）， 表明酶的最 大催化效率。
转换数的倒数即为催化周期：一个酶分子每催化一个底 物分子所需的时间。 乳糖脱氢酶转换数为1000/秒，则它的催化周期为10-3 秒
2006-1-7
种反应就称为一级反应。 速率常数与半衰期成反比，半衰期与反应物的初浓度无
关。 2. 二级反应 凡是反应速率与反应物浓度二次方（或两种物质浓度的
乘积）成正比的，这种反应就称为二级反应。 半衰期与初浓度成反比。 3. 零级反应 凡是反应速率与反应物浓度无关而受它种因素影响而改
变的反应。 半衰期与初始浓度成正比。
Kcat k3 k1 Km k2 k3
k1
Kcat/Km的上限是K1，即生成ES复合物的速度(酶促反应的速 度不会超过ES的形成速度K1，在水相中不会超过108～109）
只有Kcat/Km可以客观地比较不同的酶或同一种酶催 化不同底物的催化效率
2006-1-7
上海大学生命科学学院
3.利用作图法测定Km和Vmax值
Log[S]
（三）多底物的酶促反应
1.多底物酶促反应按动力学机制分类
（1）序列反应 ①有序反应
E+A+B→AEB→PEQ→E+P+Q 只有Leading substrate (领先底物A)首先与酶结合，然 后 B 才 能 与 酶 结 合 ， 形 成 的 三 元 复 合 物 EAB （ ternar y complex)转变为EPQ，B 的产物P先释放，A的产物Q 后释放。
所以1/Km表示形成ES的趋势大小
特例： Km=K2/K1=Ks(在K3K1，K2时)
d. Km与Ks Km不等于Ks。在K3<<K1、K2时， Km看作Ks， 也只有此时1/Km 才可以近似表示酶与底物结合的难易程
度。
e. Km与Km 无抑制剂时，ES的分解速度与形成速度的比
值符合米氏方程，为Km; 而有抑制剂时发生变化，则不符
定酶活力
V V max[S] V max Km [S] 2
Km的物理意义
2.动力学参数的意义
（1）米氏常数的意义
a.不同的酶具有不同Km值，它是酶的一个重要的特征物
理常数,只与酶的性质有关，而与其浓度无关。
b.Km值只是在固定的底物，一定的温度和pH条件下，
一定的缓冲体系中测定的，不同条件下具有不同的 Km值。
反应机制，即反应过程中各个单元反应是如何进行的。
2. 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。 一级反应，二级反应，……，零级反应。
2006-1-7
上海大学生命科学学院
（三）各级反应的特征
1. 一级反应 凡是反应速率只与反应物的浓度的一次方成正比的，这
上海大学生命科学学院
衡量酶催化效率的参数：即其大
（3）
Kcat/Km
的意义
小可以比较不同酶或同一种酶催 化不同底物的催化效率
在生理条件下， [S]/Km=0.01～1.0
v V max [S] Kcat [E] [S] Km [S] Km [S]
[S]<<Km 时：v Kcat [E] [S] Km
（一）反应速率及其测定
反应速率是以单位时间内反应物或生成物浓度的改变来 表示。用瞬时速率表示反应速率：
v =dc/dt 反应速率的测定实际上就是测定不同时间的反应物或生 成物的浓度。
2006-1-7
上海大学生命科学学院
（二）反应分子数和反应级数
1. 反应分子数：在反应中真正相互作用的分子的数目。 单分子反应，双分子反应，…… 判断一个反应是单分子反应还是双分子反应，应先了解
2006-1-7
上海大学生命科学学院
二、底物浓度对酶反应速率的影响
（一）中间络合物学说
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。 随着底物浓度的增加, 反应速 度不再按正比升高，反应表现 为混合级反应。 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。
(4)
v
Vm ax S Km S
当[S] <<Km时
V V max[S ] V max[S ] K’[S ]
Km [S ]
Km
酶反应速度与底物 浓度的关系曲线
当[S]＞＞Km时 当[S]=Km时
V V max[S ] V max[S ] V max 本条件可准确测
Km [S ] [S ]
v
1
以 [S]～[S]作图
v
-Km
Vmax
[S]
2006-1-7
上海大学生命科学学院
（4）Eisenthal 作图法
（5）Hill 作图法
V Log
Vmax V
n Log[S] LogKm
Y
Log 1Y
n
Log[S] LogKm
（寡聚酶）
Log Y （Log V ）
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1Y
Vmax V
-LogKm
②随机反应
底物A、B与酶结合的顺序是随机的，形成的三元复合 物AEB → QEP，产物P、Q的释放顺序也是随机的。 限速步骤是AEB → QEP A与Q相互竞争E上的底物结合部位A，B 与P相互竞争E上 的底物结合部位B 反应的总方向决定于A、B、Q、P的浓度和反应的平衡常 数
（2）乒乓反应
底物A先与E结合成AE二元复合物，AE → PF（修饰酶形 式 ） ， 释 放 第 一 个 产 物 P ， 接 着 底 物 B 与 F 形 成 FB ， FB →EQ，释放第二个产物Q。 A与Q 竞争自由酶形式E ，B与P竞争修饰酶形式F。 整个反应历程中只有二元复合物形式，没有三元复合物形 式。
酶的催化活性高。 （同一种酶有几种底物就有几个Km值，其中Km值最小
的底物一般称为该酶的最适底物或天然底物） 2006-1-7一大般小情，况1下/K，m愈1/大Km，可表以明上近海亲大似学和生地命力表科愈学示学大院酶。对底物的亲和力
★乒乓机制的动力学曲线是两组平行直线 ★表观米氏常数KmA′（KmB′）随[B]（ [A]）浓度的增 大而增大 ★表观最大反应速度Vmax′随[B]（[A]）的增大而增大
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（2）序列机制的底物动力学方程
V KmA[B]
Vmax[ A][ B] KmB[ A] [ A][B]
合米氏方程，为Km 。
f.Km和米氏方程的实际应用
若已知某个酶的Km值，可以计算在某一个底物浓度 时，反应速度相当于最大反应速度的百分率。 g.Km可以帮助推断某一反应的方向和途径
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（2）Vmax和k3(kcat)的意义 在一定的酶浓度下，Vmax是一个常数，它只与底物的 种类及反应条件有关。
Rate of Reaction(v)
100 1903年，Henri用蔗 糖酶水解蔗糖的实验
80
60
40
20
0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Concentration of Substrate(umol/L)
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酶与底物的中间络合物学说（Henri和Wurtz）
v～v/[S]作图法 v = Vmax － Km·[—Sv]—
v
Vmax
-Km
2006-1-7
v
[S]
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（3） Hanes-Woolf 作图法
在
1 Km
1
1
— = —— . — + ——
两边均乘以[S]：
v
Vmax [S] Vmax
—[S—] ＝—[S—] ＋—Km—
[S]
v
Vmax Vmax
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（一）抑制程度的两种表示方法
1、相对活力
★相对活力分数 (残余活力)
★相对活力百分数*100%
2、抑制率
a Vi V0
★抑制分数 （被抑制活力） ★抑制百分数
i 1 a 1 Vi V0 Vi
V0
V0
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（二）抑制作用的类型
经整理得： ES
Et S Km S
(1)
由于酶促反应速度由[ES]决定，即 v k2 ES
，所以 ES v (2)
k2
将（2）代入（1）得：
v k2
Et S Km S
v
k2Et S Km S
(3)
当[Et]=[ES]时， v Vm
将（4）代入（3），则：
所以 Vm k2 Et
1、不可逆的抑制作用
2.双底物反应的动力学方程
（1）乒乓机制的动力学方程
V
K
A m
[B]
Vmax [ A] [B] KmB [ A]
[ A] [B]
1 KmA 1 V Vmax [ A]
KmB 1 1
Vmax [B]
Vm a x
KmA： [B]达到饱和浓度时A的米氏常数 KmA′： A的表观米氏常数 Vmax：[A][B]都达到饱和浓度时的最大反应速度
基本原则：将米氏方程变化成相当于y=ax+b的直线方 程，再用作图法求出Km。
（1） Lineweaver-Burk 双倒数作图法
米氏方程的双倒数形式：
1 Km
1
1
— = —— . — + ——
v
Vmax [S] Vmax
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（2） Eadie-Hofstee 作图法
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三、酶的抑制作用
变性作用(denaturation)： 抑制作用(inhibiton)：使酶活力下降或丧失但并不引起 酶蛋白变性
变性剂没有选择性 抑制剂有不同程度的选择性
研究抑制剂对酶的作用有重大的意义： （1）药物作用机理和抑制剂型药物的设计与开发 （2）了解生物体的代谢途径，进行人为调控或代谢控制 发酵 （3）通过抑制剂试验研究酶活性中心的构象及其化学功 能基团，不仅可以设计药物，而且也是酶工程和化学修 饰酶、酶工业的基础
[ES]生成速度：v1 k1Et ES S ，[ES]分解速度： v2 k2ES k3ES
米
当酶反应体系处于恒态时： v1 v2
氏 方 程 的 推 导
即： k1Et ES S k2ES k3ES
Et
S ES ES
S
k2
k1
k3
令： k2 k3 Km k1
则：KmES ESS Et S
KsAKmB
1 KmA 1 KmB 1
1
K s
A
KmB
1
V
Vmax [ A]
Vmax [B]
Vm a x
Vmax [ A] [B]
★序列机制的动力学曲线是两组相交直线（交于X轴负侧） ★交点在X轴：表观KmA′（KmB′）不随[[B]（[A]）浓度变化 而变化（ KmA′= KmA 、 KmB′= KmB） ★交点在X轴上：表观KmA′（KmB′）随[[B]（[A]）浓度的增 加而减小 ★交点在X轴下：表观KmA′（KmB′）随[[B]（[A]）浓度的增 加而增大 ★表观最大反应速度Vmax′随[B]（[A]）的增大而增大
S+E ES P+E
中间产物假说证据： （1）ES复合物已被电子显微镜和X射线晶体结构分析直 接观察到。 （2）酶和底物的光谱特性在形成ES后发生变化。 （3）酶的物理性质经常在形成ES后发生变化。 （4）已分离得到ES复合物。 （5）平衡透析时，底物浓度在半透膜内外不等。
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（二）酶促反应的动力学方程式
E1.米S氏 方 程式k1 的推导ES k3 k2
米氏方程:
v
Vm ax S Km S
PE
米氏常数:
Km
k2 k3 k1
推导原则：从酶被底物饱和的现象出发，按照
“稳态平衡”假说的设想进行推导。
S E
S Et ES
k1 k2
ES k3 P E
ES
★在缺少A时，B不能与E结合
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A
B
P
Q
E → AE → AEB → QEP → QE → E
A
B
AE
AEB
E
QE
Q
QEP
P
A与其产物Q相互竞争地结合E，但A和B互不竟争 反应的总方向决定于A、Q的浓度和反应的平衡常数
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NAD＋ 与NADH相互竞争E上的NAD＋结合部位
第九章 酶促反应动力学
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、温度对酶反应速度的影响 五、pH对酶反应的影响 六、激活剂对酶反应的影响
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一、化学动力学基础
化学反应的两个基本问题：（1）反应进行的方向、可 能性和限度；（2）反应进行的速率和反应机制。
当[S]很大时，Vmax=K3 [E]
K3代表酶被底物饱和时每秒钟每个酶分子转换底物的分 子数，称为转换数（或催化常数，Kcat）， 表明酶的最 大催化效率。
转换数的倒数即为催化周期：一个酶分子每催化一个底 物分子所需的时间。 乳糖脱氢酶转换数为1000/秒，则它的催化周期为10-3 秒
2006-1-7
种反应就称为一级反应。 速率常数与半衰期成反比，半衰期与反应物的初浓度无
关。 2. 二级反应 凡是反应速率与反应物浓度二次方（或两种物质浓度的
乘积）成正比的，这种反应就称为二级反应。 半衰期与初浓度成反比。 3. 零级反应 凡是反应速率与反应物浓度无关而受它种因素影响而改
变的反应。 半衰期与初始浓度成正比。
Kcat k3 k1 Km k2 k3
k1
Kcat/Km的上限是K1，即生成ES复合物的速度(酶促反应的速 度不会超过ES的形成速度K1，在水相中不会超过108～109）
只有Kcat/Km可以客观地比较不同的酶或同一种酶催 化不同底物的催化效率
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3.利用作图法测定Km和Vmax值
Log[S]
（三）多底物的酶促反应
1.多底物酶促反应按动力学机制分类
（1）序列反应 ①有序反应
E+A+B→AEB→PEQ→E+P+Q 只有Leading substrate (领先底物A)首先与酶结合，然 后 B 才 能 与 酶 结 合 ， 形 成 的 三 元 复 合 物 EAB （ ternar y complex)转变为EPQ，B 的产物P先释放，A的产物Q 后释放。
所以1/Km表示形成ES的趋势大小
特例： Km=K2/K1=Ks(在K3K1，K2时)
d. Km与Ks Km不等于Ks。在K3<<K1、K2时， Km看作Ks， 也只有此时1/Km 才可以近似表示酶与底物结合的难易程
度。
e. Km与Km 无抑制剂时，ES的分解速度与形成速度的比
值符合米氏方程，为Km; 而有抑制剂时发生变化，则不符
定酶活力
V V max[S] V max Km [S] 2
Km的物理意义
2.动力学参数的意义
（1）米氏常数的意义
a.不同的酶具有不同Km值，它是酶的一个重要的特征物
理常数,只与酶的性质有关，而与其浓度无关。
b.Km值只是在固定的底物，一定的温度和pH条件下，
一定的缓冲体系中测定的，不同条件下具有不同的 Km值。
反应机制，即反应过程中各个单元反应是如何进行的。
2. 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。 一级反应，二级反应，……，零级反应。
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（三）各级反应的特征
1. 一级反应 凡是反应速率只与反应物的浓度的一次方成正比的，这
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衡量酶催化效率的参数：即其大
（3）
Kcat/Km
的意义
小可以比较不同酶或同一种酶催 化不同底物的催化效率
在生理条件下， [S]/Km=0.01～1.0
v V max [S] Kcat [E] [S] Km [S] Km [S]
[S]<<Km 时：v Kcat [E] [S] Km
（一）反应速率及其测定
反应速率是以单位时间内反应物或生成物浓度的改变来 表示。用瞬时速率表示反应速率：
v =dc/dt 反应速率的测定实际上就是测定不同时间的反应物或生 成物的浓度。
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（二）反应分子数和反应级数
1. 反应分子数：在反应中真正相互作用的分子的数目。 单分子反应，双分子反应，…… 判断一个反应是单分子反应还是双分子反应，应先了解
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二、底物浓度对酶反应速率的影响
（一）中间络合物学说
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。 随着底物浓度的增加, 反应速 度不再按正比升高，反应表现 为混合级反应。 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。
(4)
v
Vm ax S Km S
当[S] <<Km时
V V max[S ] V max[S ] K’[S ]
Km [S ]
Km
酶反应速度与底物 浓度的关系曲线
当[S]＞＞Km时 当[S]=Km时
V V max[S ] V max[S ] V max 本条件可准确测
Km [S ] [S ]
v
1
以 [S]～[S]作图
v
-Km
Vmax
[S]
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（4）Eisenthal 作图法
（5）Hill 作图法
V Log
Vmax V
n Log[S] LogKm
Y
Log 1Y
n
Log[S] LogKm
（寡聚酶）
Log Y （Log V ）
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1Y
Vmax V
-LogKm
②随机反应
底物A、B与酶结合的顺序是随机的，形成的三元复合 物AEB → QEP，产物P、Q的释放顺序也是随机的。 限速步骤是AEB → QEP A与Q相互竞争E上的底物结合部位A，B 与P相互竞争E上 的底物结合部位B 反应的总方向决定于A、B、Q、P的浓度和反应的平衡常 数
（2）乒乓反应
底物A先与E结合成AE二元复合物，AE → PF（修饰酶形 式 ） ， 释 放 第 一 个 产 物 P ， 接 着 底 物 B 与 F 形 成 FB ， FB →EQ，释放第二个产物Q。 A与Q 竞争自由酶形式E ，B与P竞争修饰酶形式F。 整个反应历程中只有二元复合物形式，没有三元复合物形 式。