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1、第七章第七章 酶的催化特性和反应动力学酶的催化特性和反应动力学7.1 7.1 酶的催化特性酶的催化特性 u能降低反应的活化能，加快生化反应的速率u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1高级课件（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 7.1 7.1 酶的催化特性酶的催化特性 2高级课件n绝对专一性绝对专一性 ：一种酶只能催化一种化合物进行一种反应 n相对专一性：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 n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
2、一种反应 n底物专一性 ：一种酶只能催化一种底物 n立体专一性：一种酶只能作用于所有立体异构体中的一种 很强的专一性 3高级课件具有温和的反应条件n一般在生理温度2537的范围，仅有少数酶反应可在较高温度下进行。n在接近中性的pH值条件下进行4高级课件易变性与失活n蛋白酶的化学本质是蛋白质，因而具有蛋白质的所有性质。n常因变性而使活力下降，甚至完全失活。n酶的变性多数为不可逆。 5高级课件激活剂和抑制剂n激活剂：能提高酶活性的物质激活剂：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n抑制剂：降低酶的催化活性甚
3、至完全失活的抑制剂：降低酶的催化活性甚至完全失活的物质（区别于变性剂）物质（区别于变性剂）6高级课件7.2.1 Michaelis-Menten 方程方程: :快速平衡学快速平衡学说 与与底底物物浓度度SS相相比比，酶的的浓度度EE是是很很小小的的，因而可忽略由于生成中因而可忽略由于生成中间复合物复合物 ESES而消耗的底物。而消耗的底物。 不考不考虑这个逆反个逆反应的存在的存在( (只适只适应于反于反应初期）初期） 认为基基元元反反应的的反反应速速率率最最慢慢，为该反反应速速率率的的控控制制步步骤, , k k-1-1kk2 2, ,也也就就是是说ESES分分解解生生成成P P的的速速率率不
4、不足足以破坏以破坏E E和和ESES之之间的快速平衡的快速平衡k1k-1k2k-27高级课件反应快速建立平衡反应快速建立平衡：反应体系的总酶量为反应体系的总酶量为：(1)经整理得经整理得：由于酶促反应速度由由于酶促反应速度由ES决定，即决定，即，所以所以(2)将将（2）代入代入（1）得得：(3)当当Et=ES时时，(4)所以所以 将将（4）代入代入（3），则，则：快速平衡学说：米氏方程快速平衡学说：米氏方程8高级课件7.2.1 Briggs-Haldane 方程方程: :拟稳态学学说 1 1、与与底底物物浓度度SS相相比比，酶的的浓度度EE是是很很小小的的，因而可忽略由于生成中因而可忽略由于生
5、成中间复合物复合物 ESES而消耗的底物。而消耗的底物。 2 2、不考、不考虑这个逆反个逆反应的存在的存在 3 3、认为基元反基元反应的反的反应速率最慢，速率最慢，为该反反应速率速率的控制步的控制步骤。 4 4、在一定、在一定时间内内虽然然SS和和PP在不断在不断变化，化，ESES复复合体也在不断地生成和分解，但合体也在不断地生成和分解，但ESES的生成速率的生成速率与分解速率接近相等，与分解速率接近相等，ESES基本保持不基本保持不变k1k-1k2k-21925年Briggs G. E.和Haldane J. B. S.对该模型提出了修正9高级课件ES生成速度生成速度：，ES分解速度分解速度
6、：当酶反应体系处于当酶反应体系处于恒态恒态时时：即即：令令：则则：(1)经整理得经整理得：由于酶促反应速度由由于酶促反应速度由ES决定，即决定，即，所以所以(2)将将（2）代入代入（1）得得：(3)当当Et=ES时时，(4)所以所以 将将（4）代入代入（3），则，则：稳态学说：稳态学说：Brigges-Haldane方程方程10高级课件米氏常数的意义米氏常数的意义（1 1）物理意义：物理意义：KmKm值等于酶反应速度为最大速度一半时的底物值等于酶反应速度为最大速度一半时的底物浓度。浓度。（2 2）Km Km 值愈大，酶与底物的亲和力愈小值愈大，酶与底物的亲和力愈小；KmKm值愈小，酶与底物值愈
7、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。度，便可容易地达到最大反应速度。（3 3）Km Km 值是酶的值是酶的特征性常数特征性常数，只与酶的性质，酶所催化的底物，只与酶的性质，酶所催化的底物和酶促反应条件和酶促反应条件( (如温度、如温度、pHpH、有无抑制剂等、有无抑制剂等) )有关，与酶的有关，与酶的浓度无关。酶的种类不同，浓度无关。酶的种类不同，KmKm值不同，同一种酶与不同底物值不同，同一种酶与不同底物作用时，作用时，Km Km 值也不同。值也不同。11高级课件7.37.3有抑制
8、的有抑制的酶催化反催化反应动力学力学 在在酶催化反催化反应中，由于某些外源化合物的存在而使中，由于某些外源化合物的存在而使反反应速率下降，速率下降，这种物种物质称称为抑制抑制剂。可逆抑制可逆抑制可用可用诸如透析等物理方法把抑制如透析等物理方法把抑制剂去掉而恢复去掉而恢复酶的的活性，活性，酶与抑制与抑制剂的的结合存在着解离平衡的关系。合存在着解离平衡的关系。抑制抑制剂与与酶的基因成共价的基因成共价结合，不能用物理方法去合，不能用物理方法去掉抑制掉抑制剂。此。此类抑制可使抑制可使酶永久性地失活。例如重永久性地失活。例如重金属离子金属离子Hg2+Hg2+”、Pb2+Pb2+”等等对木瓜蛋白木瓜蛋白酶
9、、菠、菠萝蛋蛋白白酶的抑制都是不可逆抑制。的抑制都是不可逆抑制。不可逆抑制不可逆抑制12高级课件根据产生抑制的机理不同，可逆抑制可逆抑制分为:v 竞争性抑制v 非竞争性抑制v 反竞争性抑制v 混合性抑制 13高级课件1.1.竞争性抑制争性抑制(competitive inhibition)(competitive inhibition)(1)(1)含含义和反和反应式式抑制抑制剂I I和底物和底物S S结构相似，抑制构相似，抑制剂I I和底物和底物S S对游离游离酶E E的的结合合有有竞争作用争作用，互相排斥，已，互相排斥，已结合底物的合底物的ESES复合体，不能再复合体，不能再结合合I I。1
10、4高级课件（2 2）特点：）特点： 抑制抑制剂I I与底物与底物S S在化学在化学结构上构上相似，能与底物相似，能与底物S S竞争争酶E E分子活性中心的分子活性中心的结合基合基团. . 例如，丙二酸、苹果酸及草例如，丙二酸、苹果酸及草酰乙酸皆和琥珀酸的乙酸皆和琥珀酸的结构构相似，是相似，是琥珀酸脱琥珀酸脱氢酶的的竞争性抑制争性抑制剂。 15高级课件 抑制程度取决于抑制抑制程度取决于抑制剂与底物的与底物的浓度比度比、 ESES 和和 EIEI 的相的相对稳定性定性； 加大底物加大底物浓度，可使抑制作用减弱甚至消除度，可使抑制作用减弱甚至消除。 16高级课件（3 3）竞争性抑制争性抑制剂的的动力
11、学方程力学方程 E+S ES E+P E+I EIk1k2k3由米氏方程得：由米氏方程得：Km Ki E E t ES EI ESES E I EIki17高级课件解方程解方程得：得：ES= Et （1 + ）1KmSIKi又因又因vik3ES,代入上式得：代入上式得：Vi （1 + ）SKmIKiVmaxS18高级课件 竞争性抑制争性抑制剂双倒数曲双倒数曲线，如下如下图所示：所示： 有有竞争性抑制争性抑制剂存在的存在的曲曲线与无抑制与无抑制剂的曲的曲线相相交于交于纵坐坐标1/Vmax1/Vmax处，但，但横坐横坐标的截距的截距，因，因竞争性争性抑制存在抑制存在变小，小，说明明该抑抑制作用，并
12、不影响制作用，并不影响酶促反促反应的最大速度的最大速度VmaxVmax，而使，而使KmKm值变大。大。 1vi （ 1 + ）KmVmaxS1+Vmax1IKi19高级课件2.2.非非竞争性抑制争性抑制(non-competitive (non-competitive inhibition)inhibition)(1)(1)含含义和反和反应式式 抑制抑制剂I I和底物和底物S S与与酶E E的的结合合完全互不相关完全互不相关，既不排，既不排斥，也不促斥，也不促进结合，抑制合，抑制剂I I可以和可以和酶E E结合生成合生成EIEI，也可以和也可以和ESES复合物复合物结合生成合生成ESIESI。
13、底物。底物S S和和酶E E结合成合成ESES后，仍可与后，仍可与I I结合生成合生成ESIESI，但，但一旦形成一旦形成ESIESI复合物，再复合物，再不能不能释放形成放形成产物物P P。 20高级课件21高级课件（2 2）特点：）特点： I I和和S S在在结构上构上一般无相似之一般无相似之处，I I常与常与酶分子上分子上结合合基基团以外的化学基以外的化学基团结合，合，这种种结合并不影响底物和合并不影响底物和酶的的结合，增加底物合，增加底物浓度并不能减少度并不能减少I I对酶的抑制。的抑制。 非非竞争性抑制争性抑制剂的的双倒数曲双倒数曲线：有非有非竞争性抑制争性抑制剂存在的曲存在的曲线与无
14、抑制与无抑制剂的曲的曲线相交于横坐相交于横坐标 -1/Km-1/Km处，但但纵坐坐标的的截距截距，因，因竞争性抑制存在争性抑制存在变大，大，说明明该抑抑制作用，并不影响制作用，并不影响酶促反促反应的的KmKm值，而使，而使VmaxVmax值变小，小，如下如下图所示：所示：22高级课件非非竞争性抑制争性抑制ViVmaxS( 1+ ) IKiKm+( )S1Vi （1+ ）IKi（ ）1VmaxKmVmax1S23高级课件3. 3. 反反竞争性抑制争性抑制 (1)(1)含含义和反和反应式式 反反竞争性抑制争性抑制剂必必须在在酶结合了底物之后合了底物之后才能与才能与酶与与底物的中底物的中间产物物结合
15、，合，该抑制抑制剂与与单独的独的酶不不结合合。 24高级课件 酶25高级课件（2 2）特点：）特点： 反反竞争性抑制争性抑制剂存在下，存在下，K Km m、V Vmaxmax都都变小。小。1ViKmVmax1S+1VmaxIKi(1+ )ViVmaxSSIKi（1 ）Km26高级课件复杂的酶促反应双底物反应 A+B P+Qn序列反应：在任何产物释放前两种底物必须先结合到酶上n乒乓反应：在所有底物完全结合之前即有产物释放k1k-1k2k-2k1k-1k2k-227高级课件复杂的酶促反应双底物反应28高级课件29高级课件复复杂的的酶促促动力学：力学：乒乓反反应( (无三元复合物，无三元复合物，酶的的过度度态 31高级课件乒乓反反应：氨基酸的氨基：氨基酸的氨基转移反移反应32高级课件序列反序列反应和和乒乓反反应的区的区别33高级课件本章重点本章重点n酶催化的基本特征n影响酶催化活性的因素n米氏方程的推导n米氏常数的意义n酶反应抑制动力学，几种抑制的反应式和特点34高级课件
