第九章 酶动力学
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样
别构酶的动力学
一、别构酶的性质 • 速率/底物浓度曲线为S型 • 具有别构效应物 • 对竞争性抑制的作用表现双相反应 • 温和变性可导致别构效应的丧失 • 通常是寡聚酶 • 与非别构酶相比，别构酶占少数 二、S型作图和Hill方程
典型的别构酶催化的反应速 率与底物浓度的S 型曲线
激活剂或抑制剂对别构酶活性的影响
4.自杀型抑制剂
这类抑制剂受酶本身的激活，在与酶结合以后，受到酶的催化发生几步 反应，但并不形成产物，而是变成高度反应性的化合物后，转而修饰酶 的必需基团导致酶活性的丧失。
乙酰胆碱酯酶的基团特异性抑制剂
副交感神经末梢兴奋所致的平滑肌痉挛和腺体分泌增加
（恶心、呕吐、腹痛、多汗、尚有流泪、流涕、流涎、腹泻、尿频 、大小便失禁）
2. 解读Vmax
Vmax也是酶的特征常数，但随着酶浓度的变化而变化。
3. 解读kcat
kcat称为酶的催化常数或转换数或周转数，具体是指在单位时间内，一个 酶分子将底物转变成产物的分子总数。kcat的单位是s-1。如果一个酶遵守 米氏方程，则kcat＝k2＝Vmax/Et。
4. 解读kcat/Km
几种常见的酶抑制剂药物 磺胺类
可逆性抑制剂
可分为竞争性、非竞争性和反竞争性抑制剂。
1. 竞争性抑制剂 （1）性质：有两类，一类与底物在结构和化学上具有很强的相似
性；第二类与底物无结构和化学性质的相似性。 （2）动力学： Km值提高，但Vmax不变。 2. 非竞争性抑制剂 （1）性质：既能与ES结合，又能与游离的酶结合。一旦它们与E结
kcat/Km通常被用来衡量酶的催化效率,可以表示一个酶的催化效率或者完美 程度。大的kcat和（或）小的Km将给出大的kcat/Km值。
几种酶的动力学参数
米氏方程的双重性
当方程底可物转浓变度为很：低的情况下，即[S]<<Km，米氏
这时反应速率与底物浓度成正比，符合一级动 力学； 当方程底可物转浓变度为很：高的情况下，即[S]>>Km，米氏 v=Vmax 这时酶反应速率接近最大值，如果继续增加底 物的浓度，v不可能继续增加，反应速率与底 物浓度的关系符合零级动力学。
的合成和转化
竞争性抑制剂
ES
I
KI
EI
k1 ES
k2
K-1
v
vmax[S ]
[S]
பைடு நூலகம்
Km
(1
[I] KI
)
EP
Km 升高 vmax 不变
v
vmax
Km(1+[I]/KI) Km
[S]
+抑制剂 1/v
斜率=Km/vmax
斜率= Km(1+[I]/KI)/vmax
-1/Km 1/vmax
1/[S]
-1/(Km(1+[I]/KI))
非竞争性抑制剂
v
vmax
Km
ES
I
KI
EI S
k1 ES k2 E P
k-1
I v [S] vmax
KI’
[S ] K m (1 [I ] ) KI
EIS Km 不变
vmax 降低
+抑制剂
1/v
Vmax/(1+[I]/KI)
米氏方程的线性转换
直接使用米氏方程中的v对[S]作图得到的是一条曲 线，从图中虽然也能得到Km 值和Vmax值，然而， 由于实验误差的客观存在，只要出现任何可见的 误差使数据点偏离真实的位置，那么就很难画出 一个很完美的曲线，但在同样的条件下，画直线 更容易。因此，将米氏方程进行线性化处理就显 得十分必要。
影响酶促反应的因素
酶促反应速率和反应类型 酶反应速率与非酶促反应一样，一般都是以单位时间 内，底物或产物浓度的变化值来表示。
影响酶促反应速率的因素 影响酶促反应速率的主要因素包括：酶浓度、底物浓 度、反应温度、反应介质的pH和离子强度以及有无抑 制剂的存在等。
★ 酶的速度与初速度。
酶与底物复合物形成
Hill常数能够反映底物协同性的程度：如果h=1，这时的Hill方程实际 上与米氏方程一模一样，这意味着酶不是别构酶，无底物协同性，速 率对底物作图应该为双曲线，K0.5=Km；如果h >1，则速率对底物浓度 作图呈S型曲线，酶具有正底物协同性；如果h <1，则意味着酶具负底 物协同性。
Hill常数不同的酶反应速率与底物浓度的关系曲线
[S]
(1+
/(1+[I]/KI)/Vmax斜率=
斜率=Km/vmax
Km/vmax
-1/Km
1/vmax
1/[S]
- (1+ /(1+[I]/KI) /Km
不可逆性抑制剂
1. 基团特异性抑制剂
这类抑制剂在结构上与底物无相似之处，但能共价修饰酶活性中心上的 必需侧链基团而导致酶活性不可逆的失活。由于许多氨基酸残基含有亲 核侧链基团，所以充当基团特异性抑制剂的一般是亲电试剂。
2. 底物类似物抑制剂
这类抑制剂在结构上相似于底物，因此在活性中心与酶结合，然后不可 逆地修饰酶活性中心上的必需基团，导致酶活性的丧失。
3.过渡态类似物抑制剂
这类抑制剂与酶促反应的过渡态极为相似，它们在化学结构和分子形状 上与酶的活性中心十分般配，能够以极高的亲和力与活性中心结合，从 而导致底物无法进入而使得酶活性受到不可逆性抑制。
S型曲线和Hill方程
既然米氏方程给出的是双曲线（v对[S]作图），所以它不适合具有底物 协同性的呈S型曲线的别构酶，但Hill方程却能够很好地说明别构酶的 动力学，Hill方程是：
Hill方程与米氏方程实际上十分相似，它们的主要差别首先是Hill方程 中的底物浓度[S]被提高到h数量级，h被称为Hill系数；其次，方程底 部的常数不是Km，而是K0.5，该常数也被提高了h数量级。K0.5与Km十 分相似，因为它也是指速率为最大速率一半时候的底物浓度。
酶浓度对反应速率的影响( 底物浓度无限大）
最适温度 温度对反应速率的影响
最适pH pH对反应速率的影响
底物浓度对酶反应速率的影响
米氏反应动力学
酶反应动力学最简单的模型由Lenor Michaelis和 Maude Menten于1913年提出，因此又名为 Michaelis-Menten模型或M-M模型。
乙酰胆碱在横纹肌神经肌肉接头处过度蓄积和刺激 （面、眼睑、舌、四肢和全身横纹肌发生肌纤维颤动，甚至全身肌
肉强直性痉挛）
中枢神经系统受乙酰胆碱刺激
（头晕、头痛、疲乏、共济失调、烦躁不安、诡妄、抽搐和昏迷）
激活剂
• 激活剂:提高酶活性 • 类型:无机离子（金属离子、无机阴离子）、有机小分子 • 特点:选择性、拮抗作用、相互替代、与浓度有关、机制多
在稳态时，ES形成的速率与ES解离的速率相等，因此νd＝νf
，即 k1[E][S]＝(k-1+k2)[ES]
①
假定[Et]表示酶的总浓度，[E]表示游离的酶浓度，[ES]为与 底物结合的酶浓度，则[Et]＝[E]+[ES]。于是，①式可变为 ：
米氏方程的推导（续）
由于酶促反应的初速率即是产物形成的速率，ν＝ k2[ES]，于是， 当[S]→∞，酶被底物饱和，这时的反应速率为最大反应 速率Vmax，即
Hill作图
最后，米氏方程可重写成：
解读米氏方程
1. 解读米氏常数Km
Km是酶反应初速率为Vmax一半时底物的浓度。在一定条件下，可以使用 它来表示酶与底物的亲和力。一个酶的Km越大，意味着该酶与底物的亲 和力越低；反之，Km越小，该酶与底物的亲和力越高。 Km可以帮助判断体内一个可逆反应进行的方向。如果酶对底物的Km值小 于对产物的Km值，则反应有利于正反应。否则，有利于逆反应。
合，将导致酶活性受到抑制。 （2）动力学：Km不变,Vmax降低。 3. 反竞争性抑制剂 （1）性质：只能与ES结合，但不能与游离的酶结合。一旦它们与
ES结合，将导致与活性中心结合的底物不再能够转变为产物。 （2）动力学： Km降低,Vmax降低。
琥珀酸脱氢酶的竞争性抑制
在体内叶酸以四氢叶 酸的形式起作用，四 氢叶酸在体内参与嘌 呤核酸和嘧啶核苷酸
米氏方程推导设定的3个条件： 反应速率为初速率，因为此时反应速率与酶浓度呈
正比关系，避免了反应产物以及其它因素的干扰 酶底物复合物处于稳态即ES浓度不发生变化 符合质量作用定律;化学反应速率与反应物的有效
质量(浓度）成正比
米氏方程的推导
对于一个单底物-单产物反应：
假定νf表示ES形成的速率，νd为ES解离的速率，那么νf＝ k1[E][S]， 即νd＝k-1[ES]+k2[ES]=(k-1+k2)[ES]
米氏酶的双倒数作图
酶抑制剂作用的动力学
酶抑制剂的类型 ① 可逆性抑制剂。以次级键与酶可逆结合，使用透析
或超滤就可去除它们，让酶恢复活性； ② 不可逆性抑制剂。也被称为酶灭活剂，以强的化学
键（通常是共价键）与酶不可逆结合，可导致酶有 效浓度的降低，因此一旦失活就不可逆转。如果想 恢复酶的活性，唯一的手段只能是补充新酶。 酶抑制剂对米氏酶动力学性质的影响
[S]
(1+[I]/KI)/Vmax
-1/Km
斜率=Km/vmax
斜率= Km(1+[I]/KI)/vmax
1/vmax
1/[S]
反竞争性抑制剂
ES
Km 降低 vmax 降低
k1 ES
k-1
I
KI’
EIS
k2 E P
v
+抑制剂 1/v
vmax
Km/(1+
[I]/KI)
Vmax/(1+[I]/KI) Km
提纲
一、影响酶促反应的因素 二、米氏反应动力学
• 米氏方程成立的前提 • 米氏方程的推导 • 米氏方程的解读和延伸 • 米氏方程的双重性 • 米氏方程的线性转换
三、 酶抑制剂作用的动力学
• 可逆性抑制剂 • 不可逆性抑制剂
四、别构酶的动力学
• 别构酶的性质 • S 形曲线和Hill 方程 • Hill 作图 • 协同性的优点
别构酶的动力学
一、别构酶的性质 • 速率/底物浓度曲线为S型 • 具有别构效应物 • 对竞争性抑制的作用表现双相反应 • 温和变性可导致别构效应的丧失 • 通常是寡聚酶 • 与非别构酶相比，别构酶占少数 二、S型作图和Hill方程
典型的别构酶催化的反应速 率与底物浓度的S 型曲线
激活剂或抑制剂对别构酶活性的影响
4.自杀型抑制剂
这类抑制剂受酶本身的激活，在与酶结合以后，受到酶的催化发生几步 反应，但并不形成产物，而是变成高度反应性的化合物后，转而修饰酶 的必需基团导致酶活性的丧失。
乙酰胆碱酯酶的基团特异性抑制剂
副交感神经末梢兴奋所致的平滑肌痉挛和腺体分泌增加
（恶心、呕吐、腹痛、多汗、尚有流泪、流涕、流涎、腹泻、尿频 、大小便失禁）
2. 解读Vmax
Vmax也是酶的特征常数，但随着酶浓度的变化而变化。
3. 解读kcat
kcat称为酶的催化常数或转换数或周转数，具体是指在单位时间内，一个 酶分子将底物转变成产物的分子总数。kcat的单位是s-1。如果一个酶遵守 米氏方程，则kcat＝k2＝Vmax/Et。
4. 解读kcat/Km
几种常见的酶抑制剂药物 磺胺类
可逆性抑制剂
可分为竞争性、非竞争性和反竞争性抑制剂。
1. 竞争性抑制剂 （1）性质：有两类，一类与底物在结构和化学上具有很强的相似
性；第二类与底物无结构和化学性质的相似性。 （2）动力学： Km值提高，但Vmax不变。 2. 非竞争性抑制剂 （1）性质：既能与ES结合，又能与游离的酶结合。一旦它们与E结
kcat/Km通常被用来衡量酶的催化效率,可以表示一个酶的催化效率或者完美 程度。大的kcat和（或）小的Km将给出大的kcat/Km值。
几种酶的动力学参数
米氏方程的双重性
当方程底可物转浓变度为很：低的情况下，即[S]<<Km，米氏
这时反应速率与底物浓度成正比，符合一级动 力学； 当方程底可物转浓变度为很：高的情况下，即[S]>>Km，米氏 v=Vmax 这时酶反应速率接近最大值，如果继续增加底 物的浓度，v不可能继续增加，反应速率与底 物浓度的关系符合零级动力学。
的合成和转化
竞争性抑制剂
ES
I
KI
EI
k1 ES
k2
K-1
v
vmax[S ]
[S]
பைடு நூலகம்
Km
(1
[I] KI
)
EP
Km 升高 vmax 不变
v
vmax
Km(1+[I]/KI) Km
[S]
+抑制剂 1/v
斜率=Km/vmax
斜率= Km(1+[I]/KI)/vmax
-1/Km 1/vmax
1/[S]
-1/(Km(1+[I]/KI))
非竞争性抑制剂
v
vmax
Km
ES
I
KI
EI S
k1 ES k2 E P
k-1
I v [S] vmax
KI’
[S ] K m (1 [I ] ) KI
EIS Km 不变
vmax 降低
+抑制剂
1/v
Vmax/(1+[I]/KI)
米氏方程的线性转换
直接使用米氏方程中的v对[S]作图得到的是一条曲 线，从图中虽然也能得到Km 值和Vmax值，然而， 由于实验误差的客观存在，只要出现任何可见的 误差使数据点偏离真实的位置，那么就很难画出 一个很完美的曲线，但在同样的条件下，画直线 更容易。因此，将米氏方程进行线性化处理就显 得十分必要。
影响酶促反应的因素
酶促反应速率和反应类型 酶反应速率与非酶促反应一样，一般都是以单位时间 内，底物或产物浓度的变化值来表示。
影响酶促反应速率的因素 影响酶促反应速率的主要因素包括：酶浓度、底物浓 度、反应温度、反应介质的pH和离子强度以及有无抑 制剂的存在等。
★ 酶的速度与初速度。
酶与底物复合物形成
Hill常数能够反映底物协同性的程度：如果h=1，这时的Hill方程实际 上与米氏方程一模一样，这意味着酶不是别构酶，无底物协同性，速 率对底物作图应该为双曲线，K0.5=Km；如果h >1，则速率对底物浓度 作图呈S型曲线，酶具有正底物协同性；如果h <1，则意味着酶具负底 物协同性。
Hill常数不同的酶反应速率与底物浓度的关系曲线
[S]
(1+
/(1+[I]/KI)/Vmax斜率=
斜率=Km/vmax
Km/vmax
-1/Km
1/vmax
1/[S]
- (1+ /(1+[I]/KI) /Km
不可逆性抑制剂
1. 基团特异性抑制剂
这类抑制剂在结构上与底物无相似之处，但能共价修饰酶活性中心上的 必需侧链基团而导致酶活性不可逆的失活。由于许多氨基酸残基含有亲 核侧链基团，所以充当基团特异性抑制剂的一般是亲电试剂。
2. 底物类似物抑制剂
这类抑制剂在结构上相似于底物，因此在活性中心与酶结合，然后不可 逆地修饰酶活性中心上的必需基团，导致酶活性的丧失。
3.过渡态类似物抑制剂
这类抑制剂与酶促反应的过渡态极为相似，它们在化学结构和分子形状 上与酶的活性中心十分般配，能够以极高的亲和力与活性中心结合，从 而导致底物无法进入而使得酶活性受到不可逆性抑制。
S型曲线和Hill方程
既然米氏方程给出的是双曲线（v对[S]作图），所以它不适合具有底物 协同性的呈S型曲线的别构酶，但Hill方程却能够很好地说明别构酶的 动力学，Hill方程是：
Hill方程与米氏方程实际上十分相似，它们的主要差别首先是Hill方程 中的底物浓度[S]被提高到h数量级，h被称为Hill系数；其次，方程底 部的常数不是Km，而是K0.5，该常数也被提高了h数量级。K0.5与Km十 分相似，因为它也是指速率为最大速率一半时候的底物浓度。
酶浓度对反应速率的影响( 底物浓度无限大）
最适温度 温度对反应速率的影响
最适pH pH对反应速率的影响
底物浓度对酶反应速率的影响
米氏反应动力学
酶反应动力学最简单的模型由Lenor Michaelis和 Maude Menten于1913年提出，因此又名为 Michaelis-Menten模型或M-M模型。
乙酰胆碱在横纹肌神经肌肉接头处过度蓄积和刺激 （面、眼睑、舌、四肢和全身横纹肌发生肌纤维颤动，甚至全身肌
肉强直性痉挛）
中枢神经系统受乙酰胆碱刺激
（头晕、头痛、疲乏、共济失调、烦躁不安、诡妄、抽搐和昏迷）
激活剂
• 激活剂:提高酶活性 • 类型:无机离子（金属离子、无机阴离子）、有机小分子 • 特点:选择性、拮抗作用、相互替代、与浓度有关、机制多
在稳态时，ES形成的速率与ES解离的速率相等，因此νd＝νf
，即 k1[E][S]＝(k-1+k2)[ES]
①
假定[Et]表示酶的总浓度，[E]表示游离的酶浓度，[ES]为与 底物结合的酶浓度，则[Et]＝[E]+[ES]。于是，①式可变为 ：
米氏方程的推导（续）
由于酶促反应的初速率即是产物形成的速率，ν＝ k2[ES]，于是， 当[S]→∞，酶被底物饱和，这时的反应速率为最大反应 速率Vmax，即
Hill作图
最后，米氏方程可重写成：
解读米氏方程
1. 解读米氏常数Km
Km是酶反应初速率为Vmax一半时底物的浓度。在一定条件下，可以使用 它来表示酶与底物的亲和力。一个酶的Km越大，意味着该酶与底物的亲 和力越低；反之，Km越小，该酶与底物的亲和力越高。 Km可以帮助判断体内一个可逆反应进行的方向。如果酶对底物的Km值小 于对产物的Km值，则反应有利于正反应。否则，有利于逆反应。
合，将导致酶活性受到抑制。 （2）动力学：Km不变,Vmax降低。 3. 反竞争性抑制剂 （1）性质：只能与ES结合，但不能与游离的酶结合。一旦它们与
ES结合，将导致与活性中心结合的底物不再能够转变为产物。 （2）动力学： Km降低,Vmax降低。
琥珀酸脱氢酶的竞争性抑制
在体内叶酸以四氢叶 酸的形式起作用，四 氢叶酸在体内参与嘌 呤核酸和嘧啶核苷酸
米氏方程推导设定的3个条件： 反应速率为初速率，因为此时反应速率与酶浓度呈
正比关系，避免了反应产物以及其它因素的干扰 酶底物复合物处于稳态即ES浓度不发生变化 符合质量作用定律;化学反应速率与反应物的有效
质量(浓度）成正比
米氏方程的推导
对于一个单底物-单产物反应：
假定νf表示ES形成的速率，νd为ES解离的速率，那么νf＝ k1[E][S]， 即νd＝k-1[ES]+k2[ES]=(k-1+k2)[ES]
米氏酶的双倒数作图
酶抑制剂作用的动力学
酶抑制剂的类型 ① 可逆性抑制剂。以次级键与酶可逆结合，使用透析
或超滤就可去除它们，让酶恢复活性； ② 不可逆性抑制剂。也被称为酶灭活剂，以强的化学
键（通常是共价键）与酶不可逆结合，可导致酶有 效浓度的降低，因此一旦失活就不可逆转。如果想 恢复酶的活性，唯一的手段只能是补充新酶。 酶抑制剂对米氏酶动力学性质的影响
[S]
(1+[I]/KI)/Vmax
-1/Km
斜率=Km/vmax
斜率= Km(1+[I]/KI)/vmax
1/vmax
1/[S]
反竞争性抑制剂
ES
Km 降低 vmax 降低
k1 ES
k-1
I
KI’
EIS
k2 E P
v
+抑制剂 1/v
vmax
Km/(1+
[I]/KI)
Vmax/(1+[I]/KI) Km
提纲
一、影响酶促反应的因素 二、米氏反应动力学
• 米氏方程成立的前提 • 米氏方程的推导 • 米氏方程的解读和延伸 • 米氏方程的双重性 • 米氏方程的线性转换
三、 酶抑制剂作用的动力学
• 可逆性抑制剂 • 不可逆性抑制剂
四、别构酶的动力学
• 别构酶的性质 • S 形曲线和Hill 方程 • Hill 作图 • 协同性的优点