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1、第 3章 酶催化反应动力学(2 学时) 主要内容：3.1 酶催化反应速度3.2 底物浓度对酶促反应速度的影响3.3 抑制剂对酶促反应速度的影响3.4 其它因素对酶促反应速度的影响酶催化反应动力学也称酶促反应动力学(kinetics of enzyme-catalyzed reactions),是研究酶促反 应速度以及影响此速度的各种因素的科学。在研究酶的结构与功能的关系以及酶的作用机制时， 需要酶促反应动力学提供相关的实验证据；为了找到最有利的反应条件从而提高酶催化反应的 效率以及了解酶在代谢过程中的作用和某些药物的作用机制等，也需要我们掌握酶促反应动力 学的相关规律。因此，对于酶促反应动力学
2、的研究既有重要的理论意义又具有相当的实践价值酶的动力学研究包括哪些内容 ? 酶促反应动力学以化学动力学为基础，通过对酶促反应速度的测定来讨论诸如底物浓度、抑制 剂、温度、pH和激活剂等因素对酶促反应速度的影响。温度、pH及激活剂都会对酶促反应速度产生十分重要的影响，酶促反应不但需要最适温度和 最适pH,还要选择合适的激活剂。而且在研究酶促反应速度以及测定酶的活力时，都应选择相 关酶的最适反应条件。3.1 酶催化反应速度产物生成量(或底翼少量)该曲线的斜率表示单位时间内产物生成量的变化，因此曲线上任何一点的斜率就是相应横坐标 上时间点的反应速度。从图中的曲线可以看出在反应开始的一段时间内斜率几乎
3、不变，然而随 着反应时间的延长，曲线逐渐变平坦，相应的斜率也渐渐减小，反应速度逐渐降低，显然这时 测得的反应速度不能代表真实的酶活力。引起酶促反应速度随反应时间延长而降低的原因很多，如底物浓度的降低、产物浓度增加从而 加速了逆反应的讲行、产物对酶的抑制或激活作用以及随着反应时间的延长引起酶本身部分分 子失活等等。因此在测定酶活力时，应测定酶促反应的初速度，从而避免上述各种复杂因素对 反应速度的影响。由于反应初速度与酶量呈线性关系，因此可以用测定反应初速度的方法来测定相关制剂中酶的含量。酶活力测定时需注意：1 选择反应的最适温度，根据不同的底物和缓冲液选择反应的最适 pH。2 速度要快，取反应的
4、初速度3 底物浓度要足够大(一般在 10Km 以上)一使酶被底物饱和，以充分反应待测酶的活力测定酶活力的基本原理酶蛋白的含量很低，很难直接测定其蛋白质的含量，且常与其他各种蛋白质混合存在，将其提 纯耗时费力。故不能直接用重量或体积等指标来衡量。测定产物增加量测定底物减少量测定酶活力常用的方法：分光光度法(spectrophotometry)荧光法( fluorometry)同位素法( isotope method)电化学方法( electrochemical method)其他方法：如旋光法、量气法、量热法和层析法等3.2 底物浓度对酶促反应速度的影响中间络合物学说一中间络合物学说也称酶底物中
5、间络合物学说，最早是由Henri和Wurtz两位科学家提出的。在 1903 年， Henri 在用蔗糖酶水解蔗糖实验研究化学反应中底物浓度与反应速度的关系时发现， 当酶浓度不变时，可以测出一系列不同底物浓度下的化学反应速度，以该反应速度对底物浓度 作图，可得到如图3-2 所示的曲线。图3-2底物浓度对酶促反应速度的影响图3-2底物浓度对酶促反应速度的影响从该曲线图可以看出，当底物浓度较低时，反应速度与底物浓度的关系呈正比关系，反应表现 为一级反应。然而随着底物浓度的不断增加，反应速度不再按正比升高，此时反应表现为混合 级反应。当底物浓度达到相当高时，底物浓度对反应速度影响逐渐变小，最后反应速度
6、几乎与 底物浓度无关，这时反应达到最大反应速度(Vmax),反应表现为零级反应。根据这一实验结果， Henri 和 Wurtz 提出了酶促化学反应的酶底物中间络合物学说。该学说认 为：当酶催化某一化学反应时，酶(E)首先需要和底物(S)结合生成酶底物中间络合物即中间复合 物(ES)，然后再生成产物(P)，同时释放出酶。该学说可以用下面的化学反应方程式来表示：S + EES P + E我们根据中间络合物学说很容易解释图3-2 所示的实验曲线，在酶浓度恒定这一前提条件下， 当底物浓度很小时酶还未被底物所饱和，这时反应速度取决于底物浓度并与之成正比。随着底 物浓度不断增大，根据质量作用定律，中间复合
7、物ES生成也不断增多，而反应速度取决于ES 的浓度，故反应速度也随之增高但此时二者不再成正比关系。当底物浓度达到相当高的程度时，溶液中的酶已经全部被底物所饱和，此时溶液中再也没有多 余的酶，虽增加底物浓度也不会有更多的中间复合物 ES 生成，因此酶促反应速度变得与底物 浓度无关，而且反应达到最大反应速度(Vmax)当我们以底物浓度S对反应速度v作图时， 就形成一条双曲线。在此需要特别指出的是，只有酶促催化反应才会有这种饱和现象，而与此 相反，非催化反应则不会出现这种饱和现象。酶促反应的动力学方程式(米氏方程)1913 年 Michaelis 和 Menten 两位科学家在前人工作的基础上，根据
8、酶促反应的中间络合物学 说，推导出一个数学方程式，用来表示底物浓度与酶反应速度之间的量化关系，通常把这个数 学方程式称为米氏方程：米氏常数的含义Km值就代表着反应速度达到最大反应速度一半时的底物浓度。米氏常数的应用价值Km是酶的一个特征性常数：也就是说Km的大小只与酶本身的性质有关，而与酶浓度无关。Km值还可以用于判断酶的专一性和天然底物，Km值最小的底物往往被称为该酶的最适底物 或天然底物。Km可以作为酶和底物结合紧密程度的一个度量指标，用来表示酶与底物结合的亲和力大小。已知某个酶的Km值，就可以计算出在某一底物浓度条件下，其反应速度相当于Vmax的百分 比。Km值还可以帮助我们推断具体条件
9、下某一代谢反应的方向和途径，只有Km值小的酶促反应 才会在竞争中占优势。3.3抑制剂对酶促反应速度的影响由于酶的本质是蛋白质，凡可使酶蛋白变性而引起酶活力丧失的作用都称为失活作用(inactivation)。如果由于酶必需基团的化学性质发生改变，但酶并未发生变性，而引起酶活力降 低或丧失的作用则称为抑制作用(inhibition)。导致酶发生抑制作用的物质称为抑制剂(inhibitor)。由于抑制作用与变性作用从本质而言是不同的，因此与变性剂对酶的变性作用无选择性不同的 是，抑制剂对酶的抑制作用是有选择性的，即一种抑制剂只能使某一种酶或对某一类酶产生抑 制作用。对酶抑制作用的探讨是研究酶的结构
10、与功能、酶的催化机制以及阐明机体代谢途径的基本手段，也可以为医药产业中设计新药物和农业生产中设计新农药提供重要的理论依据，从这个角 度而言，对酶抑制作用的研究不仅具有重要的理论意义，而且具有突出的实践价值。 3.3.1抑制作用的类型根据抑制剂与酶的作用方式的区别以及抑制作用是否可逆，我们可以将抑制作用分为两大类， 即：一不可逆的抑制作用一可逆的抑制作用。3.3.1.1 不可逆的抑制作用 由于抑制剂与酶的必需基团以共价键的形式结合而引起酶活力降低或丧失，因此不能用透析、 超滤等物理方法去除抑制剂而使酶复活，这种抑制作用是不可逆的，我们称之为不可逆抑制。 此时被抑制的酶分子受到抑制剂对其不同程度的
11、化学修饰，因此不可逆抑制从本质上来说就是 酶的修饰抑制。不可逆抑制剂 通常把不可逆抑制剂分为两种类型，即非专一性不可逆抑制剂和专一性不可逆抑制剂。 非专一性不可逆抑制剂 主要包括以下六大类：a) 有机磷化合物b) 有机汞、有机砷化合物：抑制含巯基的酶。c) 重金属盐：能使酶蛋白变性而失活。d) 烷化剂：与酶必需基团中的巯基、氨基、羧基、咪唑基和硫醚基等结合，从而抑制酶活性。e)硫化物、氰化物和CO：这类物质能通过与酶中金属离子形成较为稳定络合物的形式，来抑 制酶的活性。f)青霉素(Penicillin)：-青霉素可通过与糖肽转肽酶活性部位丝氨酸羟基共价结合的方式，使糖肽转肽酶失活，导致细 菌细
12、胞壁合成受阻，从而损害细菌生长。 专一性不可逆抑制剂 可以分为Ks型和Kat型两大类。a) Ks 型不可逆抑制剂：具有与底物相类似的结构b) Kat 型不可逆抑制剂：该类抑制剂不但具有与天然底物相类似的结构，而且抑制剂本身也 是酶的底物，这类不可逆抑制剂的特点是专一性极高，因此也被称为自杀性底物( suicide substrate)。3.3.1.2 可逆的抑制作用由于抑制剂与酶以非共价键的形式结合而引起酶活力降低或丧失，但是能用透析、超滤等物理 方法除去抑制剂而使酶复活，这种抑制作用是可逆的，我们称之为可逆抑制(reversibleinhibition)。根据可逆抑制剂与底物的关系，我们将可
13、逆抑制作用分为三种类型，它们分别是竞争性抑制、 非竞争性抑制和反竞争性抑制。竞争性抑制(competitive inhibition):是最常见的一种可逆抑制作用。抑制剂(I)与底物(S)竞争酶(E)的同一结合部位，因此抑制剂的 存在直接影响底物与酶的正常结合。这是由于酶的活性部位不能同时既与底物结合又与抑制剂 结合，所以在底物和抑制剂之间会产生竞争，从而形成一定的平衡关系。对于绝大多数竞争性抑制剂而言，其结构与底物结构十分类似，因此也能与酶的活性部位结合 形成可逆的酶-抑制剂复合物EI,但酶-抑制剂复合物EI不能分解成产物P,导致相应的酶促反 应速度下降。其抑制程度取决于底物和抑制剂的相对浓
14、度，可以通过增加底物浓度的方法来解 除这种抑制作用。这类抑制最典型的例子是丙二酸和戊二酸竞争与琥珀酸脱氢酶结合，但不能 催化脱氢反应。非竞争性抑制(noncompetitive inhibition):一这类抑制作用的特点是底物(S )和抑制剂(I)可以同时与酶(E)结合，两者之间不存在竞争关系。 但是在酶与抑制剂结合后，还可以进一步与底物结合形成酶-底物-抑制剂复合物ESI；酶与底物 结合后，也可以进一步与抑制剂结合形成酶-底物-抑制剂复合物ESI。但是这种中间的三元复合 物，即酶-底物-抑制剂复合物ESI不能进一步分解产生产物，因此相应的酶促反应速度下降。一由于这类抑制剂与酶活性部位以外的
15、基团相结合，因此其结构与底物结构并无相似之处，而 且不能用增加底物浓度的方法来解除这种抑制作用，故称非竞争性抑制。这类抑制最典型的例 子是亮氨酸是精氨酸酶的一种非竞争性抑制剂。还有某些重金属离子如Ag+、Cu2+、Hg2+、Pb2+ 等对酶的抑制作用也属于这一类。反竞争性抑制(uncompetitive inhibition):一这类抑制作用的特点是只有在酶(E)与底物(S)结合后，才能与抑制剂(I)结合，形成酶-底物-抑 制剂复合物ESI，与非竞争性抑制相似，这种中间的三元复合物，即酶-底物-抑制剂复合物ESI 不能进一步分解产生产物，因此相应的酶促反应速度下降。一这种抑制作用在单底物反应中比较少见，而常见于多底物反应中。目前已经证明，肼类化合 物对胃蛋白酶的抑制作用、氰化物对芳香硫酸酯酶的抑制作用、L-Phe和L-同型精氨酸等多种 氨基酸对碱性磷酸酶的抑制作用都属于反竞争性抑制。3.3.2可逆抑制作用和不可逆抑制作用的鉴别 鉴别可逆抑制作用和不可逆抑制作用，除了用透析、超滤和凝胶过滤等物理方法能否除去抑制 剂来判断外，还可采用化学动力学的方法来区分。在测定酶活力的系统中加入一定量的抑制剂，然后测定不同酶浓度条件下的酶促反应初速度， 以酶促反应初速度对酶浓度作图。在测定酶活力的系统中不加抑制剂时，以酶促反应初速度对 酶
