第9章 酶促反应动力学

米氏常数Km的意义
1/Km值可用于近似地表示酶与底物之间 的亲和程度： 1/Km值大表示亲和程度大; 1/Km值小表示亲和程度小。
k2 k3 Km k1
Vmax 的意义
在一定酶浓度下，Vmax是常数；Vmax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 Vmax值。
k3 (kcat) 的意义
由Vmax = k3 [E]，得：
Vmax [E]
k3 =
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，称为转换数（TN）或催化常数，即kcat。
kcat 的单位是 S-1。 kcat 值越大，表示酶的催化效率越高。

How to measure Km and Vmax?
9.2 底物浓度对酶反应速率的影响 Substrate concentration effect on the catalysis rate
9.2.1中间络合物学说
S+E ←→ ES←→ P+E ES complexes

A simple enzymatic reaction might be written as:
9.2.2 酶促反应的动力学方程式
9.2.2.1 米氏方程的推导 Michaelis-Menton equation
v = ────── Ks + [S]
Vmax · [S]
Michaelis-Menton equation
Leonor Michaelis and Maud Menten (1913), Die kinetic der invertin wirkung, Biochem. Z., 19, 333-369.
Vmax · [S] v = ────── [S] + Km 米氏常数(MichaelisMenton constant)的物理
意义：

米氏常数是反应速度为最
大值的一半时的底物浓度。

因此,米氏常数的单位为
mol/L。
米氏常数Km的意义
Km 是酶的一个重要的特征物理常数，Km的大小只
与酶的性质有关，与酶的浓度无关；不同的酶具有
3 ）酶的物理性质，如溶解度和热稳定性，在
形成ES复合物后发生变化。 4）已分离得到的酶与底物相互作用生成的ES 复合物。 5）超离心沉降过程中，可观察到酶与底物共 沉降现象。
The
existence of ES complexes has been shown in a variety of ways:
Vmax · [S] v = ────── [S] + Km
当[S] «Km 时， 曲线1
v=
Vmax [S] Km
= =
K [S]
曲线2
当[S] »Km 时，
v=
Vmax [S] [S]
Vmax
当[S] = Km 时， v=
Vmax [S] [S] + [S]
=
Vmax
2
不同Km值。
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。 对某一酶促反应而言，在一定条件下都有特定的Km 值，可用来鉴别酶以及酶的最适（天然）底物。
The Km can vary greatly from enzyme to enzyme, and even for different substrates of the same enzyme.
应条件。 3）了解酶在代谢中的作用和某些药物的作用 机制。
9.1 化学动力学基础
Basic of chemical Kinetics
两个基本问题：
反应进行的方向、可能性和限度
反应进行的速率和反应机制 前者属于化学热力学的研究范围，后者属于化
学动力学研究范围。
化学动力学基础
The saturation effect: at a constant concentration of an enzyme, the reaction rate increases with increasing substrate concentrations until a Vmax is reached. ES complexes have been directly observed by electron microscopy and X-ray crystallography. The spectroscopic characteristics of many enzymes and substrates change on formation of an ES complex.
Kinetics of Enzyme
—Catalyzed Reactions
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
Kinetics of Enzyme —Catalyzed Reactions 意义：
1）研究酶的结构与功能的关系及作用机制。
2）发挥酶催化反应的高效率,寻找最有利的反
9.1.1 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：

dc v= - —— dt
（反应物浓度的减小）

or
dc v = + —— （生成物浓度的增加） dt
9.1.2 反应分子数和反应级数
化 学 动 力 学 基 础
9.1.2.1 反应分子数
－－－－方程(6)
Michaelis-Menton equation
（5）当底物浓度[S]很高时，所有的酶被底物饱和形成ES 复合物，酶促反应达到最大速率 Vmax，此时 [ES] = [E] Vmax = k3 [ES] = k3 [E]
所以
Vmax · [S] v = ────── [S] + Km
物浓度保持不变的 反应状态称为稳态 （steady state）。
Michaelis-Menton equation
k1 E + S ES E + P k4 （1）ES复合物生成速率： v1= k1 [E]游离· [S] 游离+ k4 [E]游离· [P] 因为
[P]很小，可忽略不计
[E]游离＝[E]- [ES]
Eisenthal和 Cornish- Bowden直线作图法
Vmax = v + v/ [S] Km
●
Km
其他影响酶反应速率的因素
酶浓度
抑制剂
pH值
激活剂
酶反应速率
温度 。。。
底物浓度
9.3 酶的抑制作用
The inhibition of enzymatic activity
Michaelis-Menton equation
1925, Briggs & Haldane, Steady state
k1 k3 E + S ES E + P k2 k4
Michaelis-Menton equation
当反应系统中ES复 合物的生成速率和 ES复合物的分解速
率相等时，ES复合
第9章 酶促反应动力学
Kinetics of Enzyme—Catalyzed Reactions
OUTLINE
Basic of chemical Kinetics Substrate concentration effect on
the catalysis rate The inhibition of enzymatic activity The effect of temperature The effect of pH The effect of activator
反应分子数是在反应中真正相互作用的分子数目。 单分子反应,速率方程式：
dc v= - —— = kc dt 双分子反应的速率方程式： dc v= - —— =kc′c″ dt
化学动力学基础
9.1.2.2 反应级数
根据实验结果，整个化学反应的速率服从哪种
分子反应的速率方程式，则这个反应即为几级 反应。 反应分子数和反应级数这两种分类方法对很简 单的反应来说是一致的。
化学动力学基础
9.1.2.3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呈正比的，


为一级反应。 2.二级反应 凡是反应速率与反应物的浓度的二次方（或两种物质 浓度的乘积）呈正比的，为二级反应。 3.零级反应 凡是反应速率与反应物的浓度无关而受其它因素影响 而改变的反应，为零级反应。
分析直接观察到。如 DNA 聚合酶Ⅰ可结合到它 合成的DNA模板上。 2 ）许多酶和底物的光谱特性在形成 ES 复合物 后发生变化。
底物浓度对酶反应速率的影响
Fra Baidu bibliotek
Structure of an enzyme-substrate complex (cytochrome P-450 bound to camphor樟脑 ).

How to measure Km and Vmax?
9.2.2.3 利用作图法测定Km和Vmax值
双倒数作图法
Y=1/V
X=1/[S]
Y= aX + b
A doublereciprocal or LineweaverBurk plot.

How to measure Km and Vmax?
Reaction coordinate(坐标) diagram comparing enzyme-catalyzed and uncatalyzed reactions.
底物浓度对酶反应速率的影响
100 80
Rate of Reaction(v)
60
40
20
0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Concentration of Substrate(umol/L)
－－方程(4)
Michaelis-Menton equation
令 Km = (k2+k3)/k1，Km 称为米氏常数 [E] · [S]
[ES]
=
[S] + Km
－－方程(5)
Michaelis-Menton equation
k1 k3 E + S ES E + P k2 k4
（4）酶促反应速率 v = k3 [ES] = k3 [E] · [S] [S] + Km
（[P]表示产物的浓度）
（[E]表示酶的总浓度）
[S]游离＝[S] - [ES] ≈ [S] （[S]表示底物的总浓度）
所以
v1= k1 ( [E] - [ES] ) ·[S] －－－－－－－－－ 方程(1)
Michaelis-Menton equation
k3 E + S ES E + P k2 （2）ES复合物分解速率： v2= k2 [ES] + k3 [ES] －－－－－－方程(2)
Change in spectroscopic characteristics with the formation of an enzyme (tryptophan synthetase) substrate (serine and indole吲哚) complex.
底物浓度对酶反应速率的影响
Reaction velocity versus substrate concentration in an enzyme catalyzed reaction.
底物浓度对酶反应速率的影响
底物浓度对酶反应速率的影响
中间络合物学说的实验证明： 1）ES复合物已被电子显微镜和 X射线晶体结构
当[S]很大时，酶被底物饱和，Vmax = k3 [E]
Question: When [s] = 3 Km, which is right? (A)
1 v Vmax 2
3 v Vmax 4
(B)
2 v Vmax 3 4 v Vmax 5
(C)
(D)
Vmax[S] Vmax 3Km 3 v Vmax [S] Km 3Km Km 4
Michaelis-Menton equation
（3）因为在稳态下，v1 = v2 ， 所以 k1 ( [E]-[ES] ) · [S] = k2[ES] + k3[ES]－－方程(3) 移项，得 k1 [E] · [S] k1[S] + (k2+k3) [E] · [S]
[ES] =
＝
[S] + (k2+k3)/k1