均相酶反应动力学

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1、生化工程姚璐晔第三章第三章 均相酶催化反应动力学均相酶催化反应动力学 酶催化反应的基本特征酶催化反应的基本特征 简单的酶催化反应动力学简单的酶催化反应动力学 有抑制的酶催化反应动力学有抑制的酶催化反应动力学 多底物酶催化机理多底物酶催化机理 实例：实例：脂肪酶催化酯化反应：生物柴油脂肪酶催化酯化反应：生物柴油 油料油料 甘油甘油+脂肪酸脂肪酸甲醇甲醇 NaOH生物柴油生物柴油 高果糖浆：高果糖浆： 淀粉浆液淀粉浆液-淀粉酶淀粉酶糊精糊精糖化酶糖化酶葡萄糖葡萄糖葡萄糖葡萄糖异构酶异构酶果糖果糖化学反应的基础知识化学反应的基础知识 反应进行的方向反应进行的方向 反应进行的可能性反应进行的可能性 反

2、应进行的限度反应进行的限度化学热力学化学热力学 反应进行的速率反应进行的速率 反应机制反应机制 化学动力学化学动力学反应速率及其测定反应速率及其测定 反应速率：单位时间内反应速率：单位时间内反应物或生物浓度的改变。反应物或生物浓度的改变。 设瞬时设瞬时dt内反应物浓度内反应物浓度的很小改变为的很小改变为ds，则：，则： 若用单位时间内生成物浓若用单位时间内生成物浓度的增加来表示，则：度的增加来表示，则：反应分子数反应分子数反应分子数反应分子数：是在反应中真正相互作用的分子的数目。：是在反应中真正相互作用的分子的数目。如：如：A P 属于单分子反应属于单分子反应根据质量作用定律，单分子反应的速率

3、方程式是：根据质量作用定律，单分子反应的速率方程式是： 双如：双如：A+B C+D 属于双分子反应属于双分子反应 其反应速率方程可表示为：其反应速率方程可表示为： 判断一个反应是单分子反应还是双分子反应，必须先了解判断一个反应是单分子反应还是双分子反应，必须先了解反应机制，即了解反应过程中各个单元反应是如何进行的。反应机制，即了解反应过程中各个单元反应是如何进行的。反应级数反应级数 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。率方程式，则这个反应即为几级反应。 例：对于某一反应其总反应速率能以单分子反应的

4、速率例：对于某一反应其总反应速率能以单分子反应的速率方程式表示，那么这个反应为方程式表示，那么这个反应为一级反应一级反应。 又如某一反应：又如某一反应：A+B C+D 式中式中K为反应速率常数为反应速率常数 符合双分子反应的表达式，为符合双分子反应的表达式，为二级反应二级反应。 把反应速率与反应物浓度无关的反应叫做把反应速率与反应物浓度无关的反应叫做零级反应零级反应。 反应分子数和反应级数对简单的基元反应来说是一致的，反应分子数和反应级数对简单的基元反应来说是一致的，但对某些反应来说是不一致的。例如：但对某些反应来说是不一致的。例如：是双分子反应，但却符合一级反应方程式。是双分子反应，但却符合

5、一级反应方程式。因为蔗糖的稀水溶液中，水的浓度比蔗糖浓度大得多，水浓因为蔗糖的稀水溶液中，水的浓度比蔗糖浓度大得多，水浓度的减少与蔗糖比较可以忽略不计。因此，反应速率只决定度的减少与蔗糖比较可以忽略不计。因此，反应速率只决定于蔗糖的浓度。于蔗糖的浓度。酶促反应动力学基础酶促反应动力学基础反应速率反应速率零级反应零级反应一级反应一级反应 A BK K积分后得：积分后得：K K是反应速率常数，是反应速率常数，C C是积分常数是积分常数若反应开始（若反应开始（t=0t=0）时，）时，A=AA=A0 0, ,则则C=lnAC=lnA0 0，最后得到：，最后得到：A=AA=A0 0e e-kt-kt一级

6、反应一级反应二级反应二级反应 A+B CA+B C KK K指反应的速率常数指反应的速率常数反应速率与反应物的性质和浓度、温度、压力、反应速率与反应物的性质和浓度、温度、压力、催化剂及溶剂性质有关催化剂及溶剂性质有关酶促反应动力学基础酶促反应动力学基础 平衡常数平衡常数 平衡平衡：可逆反应的正向反应和逆向反应仍在继续进行，但：可逆反应的正向反应和逆向反应仍在继续进行，但反应速率相等。反应速率相等。 反应的平衡常数与酶的活性无关，与反应速率的大小无关，反应的平衡常数与酶的活性无关，与反应速率的大小无关，而与反应体系的温度、反应物及产物浓度有关。而与反应体系的温度、反应物及产物浓度有关。 平衡常数

7、（平衡常数（K K）的计算：）的计算： 例：例：A+3B 2C+DA+3B 2C+D酶的基本概念酶的基本概念酶可加快反应速率酶可加快反应速率降低反应的活化能（降低反应的活化能（E E0 0）不能改变反应的平衡常数不能改变反应的平衡常数K K不能改变反应的自由能变化（不能改变反应的自由能变化（GG）酶有很强的专一性酶有很强的专一性较高的催化效率较高的催化效率反应条件温和反应条件温和酶易失活酶易失活酶与底物的作用机理酶与底物的作用机理Lock and key ModelInduced-Fit Model象手与手套的象手与手套的关系。关系。当底物接近酶当底物接近酶的活性中心并的活性中心并与之结合时，

8、与之结合时，酶的构象能发酶的构象能发生改变，更适生改变，更适合于底物的结合于底物的结合。合。酶促反应动力学基础酶促反应动力学基础影响酶促反应的主要因素影响酶促反应的主要因素 浓度因素（酶浓度，底物浓度，产物浓度等）浓度因素（酶浓度，底物浓度，产物浓度等） 外部因素（温度，压力，外部因素（温度，压力，pH，溶液的介电常数，离子，溶液的介电常数，离子强度等）强度等） 内部因素（效应物，酶的结构）内部因素（效应物，酶的结构）酶反应动力学酶反应动力学酶反应动力学的两点基本假设：酶反应动力学的两点基本假设：反应物在容器中混合良好反应物在容器中混合良好反应速率采用初始速率反应速率采用初始速率单底物酶促反应

9、动力学单底物酶促反应动力学k1k2ESESEk3Pk4快速平衡学说快速平衡学说的几点假设条件：的几点假设条件：1.酶和底物生成复合物酶和底物生成复合物ES，酶催化反应是经中间复合物完成的。，酶催化反应是经中间复合物完成的。2. 底物浓度底物浓度S远大于酶的浓度远大于酶的浓度E，因此，因此ES的形成不会降低底物的形成不会降低底物浓度浓度S，底物浓度以初始浓度计算。，底物浓度以初始浓度计算。3. 不考虑不考虑P+E ES这个可逆反应的存在。这个可逆反应的存在。4. ES在反应开始后与在反应开始后与E及及S迅速达到动态平衡。迅速达到动态平衡。快速平衡学说快速平衡学说 对于单底物的酶促反应：对于单底物

10、的酶促反应：由假设由假设4可得到：可得到： 由假设由假设3可得到产物的合成速率：可得到产物的合成速率：(1)(2)反应体系中反应体系中酶量守恒酶量守恒：由前面的公式（由前面的公式（1）得：）得：代入公式代入公式（3），），变换后得：变换后得：对于酶复合物对于酶复合物ES的的解离平衡过程解离平衡过程来说，来说，其其解离常数解离常数可以表示为，可以表示为，即即 ，代入公式（代入公式（2）得到）得到（3）（4）（5）当反应初始时刻，底物当反应初始时刻，底物SE，几乎所有的酶都与底物，几乎所有的酶都与底物结合成复合物结合成复合物ES，因此，因此E0 ES，反应速率最大，此，反应速率最大，此时产物的最大

11、合成速率为：时产物的最大合成速率为：代入式（代入式（5）得：）得：式中：式中：Vp,max：最大反应速率：最大反应速率 如果酶的量发生改变，最大反应速率相应改变。如果酶的量发生改变，最大反应速率相应改变。 Ks：解离常数解离常数，饱和常数，饱和常数 低低 Ks值意味着酶与底物结合力值意味着酶与底物结合力很强很强。（6）稳态学说稳态学说1. 酶和底物生成复合物酶和底物生成复合物ES，酶催化反应是经中间复合物完成的。，酶催化反应是经中间复合物完成的。2. 底物浓度底物浓度S远大于酶的浓度远大于酶的浓度E，因此，因此ES的形成不会降低底物浓度的形成不会降低底物浓度S，底物浓度以初始浓度计算。，底物浓

12、度以初始浓度计算。3. 在反应的初始阶段，产物浓度很低，在反应的初始阶段，产物浓度很低，P+E ES这个可逆反应的速率极这个可逆反应的速率极小，可以忽略不计。小，可以忽略不计。4. ES的生成速率与其解离速率相等，其浓度不随时间而变化。的生成速率与其解离速率相等，其浓度不随时间而变化。当反应系统中当反应系统中ES的生成速率与分解速率相等时，的生成速率与分解速率相等时，ES浓度浓度保持不变的状态成为稳态。保持不变的状态成为稳态。Experimental data demonstrated the concentration profiles.由于由于SE0，所以，所以SES，S-ESS根据稳态假

13、说，根据稳态假说，(7)(3)(8)(9)(10)式中：式中：Km米氏常数米氏常数Michaelis-Menten快速平衡学说与稳态学说在动力学方程形式上是一致的，但快速平衡学说与稳态学说在动力学方程形式上是一致的，但Km和和Ks表示的意义是不同的。表示的意义是不同的。当当k+2k-1时，时，Km=Ks这意味着生成产物的速率远远慢于这意味着生成产物的速率远远慢于ES复合物解离的速率。这对于许多酶反应也是正确的。复合物解离的速率。这对于许多酶反应也是正确的。Mixed order with respect to S底物浓度与反应速率的关系底物浓度与反应速率的关系反应速率、底物浓度与时间的关系反应

14、速率、底物浓度与时间的关系米氏常数米氏常数Km的意义？的意义？ Km值代表反应速率达到值代表反应速率达到Vmax/2时的底物浓度。时的底物浓度。 Km是酶的一个特性常数，是酶的一个特性常数，Km的大小的大小只与酶的性质有关只与酶的性质有关，而与酶浓度无关。，而与酶浓度无关。但底物种类、反应温度、但底物种类、反应温度、pH能影响能影响Km值。因此可以用值。因此可以用Km值来鉴别酶。值来鉴别酶。 Km值可以判断值可以判断酶的专一性酶的专一性和天然底物。和天然底物。 当当k+2k-1时，时， Km KS ，那么，那么Km可以作为酶和底物结合紧密程度的一个度可以作为酶和底物结合紧密程度的一个度量，表示

15、量，表示酶和底物结合的亲合力酶和底物结合的亲合力大小。大小。 若已知若已知Km值，可以计算出某一底物浓度时，其值，可以计算出某一底物浓度时，其反应速率反应速率相当于相当于Vmax的百分的百分率。例如率。例如:当当S=3 Km时，代入米氏方程后可求得时，代入米氏方程后可求得v=0.75Vmax。 Km值可以帮助值可以帮助推断某一代谢反应的方向和途径推断某一代谢反应的方向和途径。催化可逆反应的酶，对正。催化可逆反应的酶，对正逆两向底物的逆两向底物的Km值往往是不同的，例如谷氨酸脱氢酶，值往往是不同的，例如谷氨酸脱氢酶，NAD+的的Km值为值为2.510-5mol/L，而，而NADH为为1.810-

16、5mol/L。测定这些。测定这些Km值的差别及正逆两向底物的浓值的差别及正逆两向底物的浓度，可以大致推测该酶催化正逆两向反应的效率。度，可以大致推测该酶催化正逆两向反应的效率。问问 题题为什么只有初始反应速率可以使用？为什么只有初始反应速率可以使用？a.产物的积累使逆反应的影响不可忽略产物的积累使逆反应的影响不可忽略b. 产物可能会抑制或激活酶的活力产物可能会抑制或激活酶的活力c. 随着反应的进行，酶的活力可能会失活随着反应的进行，酶的活力可能会失活d. 反应体系中的一些杂质可能会影响到酶的活性反应体系中的一些杂质可能会影响到酶的活性e.为什么说低为什么说低Km值意味着酶与底物的结合力强？值意

17、味着酶与底物的结合力强？考虑一下考虑一下km的定义：的定义：动力学参数的求解动力学参数的求解l作图法（通过方程变换，将方程线性化）作图法（通过方程变换，将方程线性化）L-B法法H-W法法E-H法法积分法积分法l非线性最小二乘法回归处理非线性最小二乘法回归处理信赖域法（信赖域法（Matlab的优化工具箱）的优化工具箱）遗传算法（不依赖于初值，可并行计算）遗传算法（不依赖于初值，可并行计算）L-B双倒数法双倒数法n将米氏方程式两侧取双倒数，将米氏方程式两侧取双倒数，得到下列方程式：得到下列方程式：n以作图以作图,得到一直线得到一直线n缺点：实验点过分集中在直线缺点：实验点过分集中在直线的左下方，影

18、响的左下方，影响Km和和Vmax的的准确测定。准确测定。积分法积分法分批酶反应体系中分批酶反应体系中SS随时间的变化过程可以用表示为：随时间的变化过程可以用表示为：积分得到积分得到, ,或或, ,与与 对应作图，得到一直线，对应作图，得到一直线，斜率为斜率为-Km ,截距为截距为Vm。例例1：如果要求反应速度达到：如果要求反应速度达到Vmax的的99%，求其底物浓度。，求其底物浓度。解：解：例例2：过氧化氢酶的：过氧化氢酶的Km值为值为25mmol/L，当底物过氧化氢，当底物过氧化氢浓度为浓度为100mmol/L时，求在此底物浓度下过氧化氢酶被底时，求在此底物浓度下过氧化氢酶被底物饱和的百分数

19、。物饱和的百分数。解：解：得，得，即，即， 认为有认为有80%的酶已与底物作用生成了中间产物，故过氧化的酶已与底物作用生成了中间产物，故过氧化氢酶在此时被底物饱和的百分数为氢酶在此时被底物饱和的百分数为80%。例例3 有一均相酶催化反应，有一均相酶催化反应，Km值为值为210-3mol/L，当底物的，当底物的初始浓度初始浓度S0为为110-5mol/L时，若反应进行时，若反应进行1min，则有，则有2%的的底物转化为产物。试求出底物转化为产物。试求出：（：（1）当反应进行）当反应进行3min ，底物转，底物转化为产物的百分数是多少？此时底物和产物的浓度分别为多化为产物的百分数是多少？此时底物和

20、产物的浓度分别为多少？（少？（2）当）当S0为为110-6mol/L时，也反应了时，也反应了3min，底物和，底物和产物的浓度是多少？（产物的浓度是多少？（3）最大反应速率）最大反应速率Vmax值为多少？值为多少？解解：（：（1 ）根据题意，根据题意， S00.01 Km， 所以所以V= VmaxS0/ Km=-ds/dt即，即，ln(S0/S)= Vmax/Kmt反应进行反应进行1min时，时，S=（1-2%）S0=0.9810-5mol/L Vmax/Km=0.0202 min-1反应进行反应进行3min 时，时， ln(S0/S)= 0.02023=0.0606 S=0.9410-5mo

21、l/L，XS=6%抑制剂对酶促反应速率的影响抑制剂对酶促反应速率的影响l几个概念几个概念失活与失活与抑制抑制 【失活失活】(inactivation)：由于酶蛋白分子：由于酶蛋白分子变性变性而引起的酶活力丧失的现而引起的酶活力丧失的现象称为失活。象称为失活。 【抑制抑制】(inhibition)：由于酶的必需基团化学性质的改变，但酶未变性，：由于酶的必需基团化学性质的改变，但酶未变性，而引起酶活力的降低或丧失，称为抑制作用而引起酶活力的降低或丧失，称为抑制作用底物与底物与效应物效应物 【效应物效应物】(Effecter)：凡能使酶分子发生：凡能使酶分子发生别构作用别构作用的物质叫效应物，的物质

22、叫效应物，通常为小分子代谢物或辅因子。如因别构导致酶活性降低的物质称为负通常为小分子代谢物或辅因子。如因别构导致酶活性降低的物质称为负效应物。效应物。竞争性抑制竞争性抑制非竞争性抑制非竞争性抑制反竞争性抑制反竞争性抑制可逆抑制可逆抑制 可逆抑制可逆抑制和不可逆抑制和不可逆抑制( (如铅和汞等重金属如铅和汞等重金属) )【可逆抑制可逆抑制】 (reversible inhibition)：抑制剂与酶以：抑制剂与酶以非共价键非共价键结合而引起酶活力降低或丧失，能用物理方法除去抑制剂而使酶结合而引起酶活力降低或丧失，能用物理方法除去抑制剂而使酶复性，这种抑制作用是可逆的，称为可逆抑制。复性，这种抑制

23、作用是可逆的，称为可逆抑制。不可逆抑制不可逆抑制抑制抑制竞争性抑制竞争性抑制(competitive inhibitions) ESIEIXP抑制剂是底物的类似物抑制剂是底物的类似物E + S+ IESE + PEIKIKm利用快速平衡假说利用快速平衡假说: :和酶的浓度方程和酶的浓度方程, ,产物速率方程产物速率方程, ,综合以上方程综合以上方程,消除消除ES得到：得到：where and 。The net effect of competitive inhibitions is an increasedvalue of with reduced reaction rate, but sam

24、emaximum reaction rate.Furthermore, the competitive inhibition can be overcome by high substrate concentration.竞争性抑制竞争性抑制竞争性抑制竞争性抑制(competitive inhibitions) (competitive inhibitions) 非竞争性抑制非竞争性抑制非竞争性抑制非竞争性抑制( (Non-competitive Inhibitions)Non-competitive Inhibitions)ESEISIXP这种抑制剂能结合于酶的非活这种抑制剂能结合于酶的非活

25、性中心，但能降低酶与底物的性中心，但能降低酶与底物的亲和力。亲和力。E + S+IES + IE + PEI+SESIKmKmKIKIWith similar equations and derivations as before, Where . we can get,The net effect of non-competitive inhibitions is a reductionin with same Michaelis-Menten constant.High substrate concentration would not overcome non-competitive i

26、nhibitions. Other reagents need to be added to block binding of it to the enzyme.Plots on Non-competitive Inhibitions反竞争性抑制反竞争性抑制反竞争性抑制反竞争性抑制( (Uncompetitive Inhibitions)Uncompetitive Inhibitions)SEI+ESESIXP这种抑制剂仅能与这种抑制剂仅能与ES复合物复合物结合，而与结合，而与游游离酶离酶不能直接结合。不能直接结合。E + SES + IE + PESIKmKIWith similar equ

27、ations and derivatives as before, where and . we can get,Plots on Uncompetitive InhibitionsObviously, the net effect of uncompetitive inhibitions is a reduction in both and , and the net result is a reduction in reaction rate.各种抑制的比较各种抑制的比较各种抑制的比较各种抑制的比较竞争性抑制竞争性抑制非竞争性抑制非竞争性抑制反竞争性抑制反竞争性抑制例例 在含有相同酶浓度的

28、五个反应物系中，分别加入不同浓度在含有相同酶浓度的五个反应物系中，分别加入不同浓度的底物，并测定其初始速率，然后再在同样五个反应物系中的底物，并测定其初始速率，然后再在同样五个反应物系中分别加入浓度为分别加入浓度为2.210-1mmol/L的抑制剂，并测其初始的反应的抑制剂，并测其初始的反应速率，其数据见下表。速率，其数据见下表。底物初始浓度底物初始浓度mmol/L无抑制时速率无抑制时速率mmol/(Lmin)有抑制时速率有抑制时速率mmol/(Lmin)0.1028180.1536240.2043300.5063510.707463试根据上述数据决定其抑制类型及动力学参数值。试根据上述数据决

29、定其抑制类型及动力学参数值。解：将上述实验数据分别取其倒数，以解：将上述实验数据分别取其倒数，以1/v-1/S作图，得作图，得到下图的两条直线，他们在纵轴上有一共同点，这表明到下图的两条直线，他们在纵轴上有一共同点，这表明该抑制为竞争性抑制。该抑制为竞争性抑制。1/Vsi-1/S1/Vs0-1/SVmax=1/0.010=100 mmol/LKm=1/(0.0104/0.0026)=0.25 mmol/LKmI=1/(0.0108/0.0045)=0.42 mmol/LKI=0.27 mmol/L底物抑制底物抑制底物抑制底物抑制( (Substrate Inhibitions)Substrat

30、e Inhibitions)高浓度的底物会抑制高浓度的底物会抑制一些酶促反应。一些酶促反应。EES+SSESSXPE + SES + SE + PESSKmKSIk+2With similar equations and derivations as before, 变换方程得：变换方程得：Then,we can get,即为即为 , .即即 , 则则 或或 即即, , 则则 或或 Discussions about Substrate InhibitionsDiscussions about Substrate Inhibitionsl反应速率最大时反应速率最大时, ,其底物浓度为其底物浓度

31、为: :l 低物浓度很低时低物浓度很低时, ,即为没有抑制剂存在情况下的米氏方程即为没有抑制剂存在情况下的米氏方程. .l 底物浓度很高时底物浓度很高时, ,底物的抑制性就很明显底物的抑制性就很明显. .At low substrate concentration, the rate expression approximates to the Michaelis-Menten equation, then the curve in double-reciprocal (双倒数双倒数)plot is parallel(平行平行) with the linear line denoted the

32、 instance without substrate inhibition.Similarly, at high substrate concentration, the curve in double-reciprocal plot is in hyperbolic(双曲线双曲线) mode.Plots on Substrate InhibitionsPlots on Substrate Inhibitions产物抑制产物抑制产物抑制产物抑制 (product inhibitions) (product inhibitions)EESEPPSPE + S+PESE + PEPKmKPk+2

33、影响酶催化反应速率的因素影响酶催化反应速率的因素影响酶催化反应速率的因素有很多，它们会影响到影响酶催化反应速率的因素有很多，它们会影响到酶的结构或化学状态。酶的结构或化学状态。pH温度温度 表面张力表面张力化学试剂化学试剂(醇醇, 脲和过氧化物脲和过氧化物)辐射辐射(光光,微波微波,离子化离子化, g g 射线等射线等)pHpH对酶促反应的影响对酶促反应的影响对酶促反应的影响对酶促反应的影响I.一些酶的活性中心存在一些酶的活性中心存在离子基团离子基团，因此，因此Variation of pHII.另一方面，底物分子中包含另一方面，底物分子中包含离子基团离子基团，反应体系的，反应体系的pH也也有

34、可能会影响到底物与酶结合的有可能会影响到底物与酶结合的亲和力亲和力。Ionic form (离离子形式子形式)Modifies Reaction rateChanges Enzyme activity (酶活酶活)Influences For CASE I (Ionic Enzyme):The reaction scheme is as follow:Where the meanings of the denotations are:lEH: active formlE-, EH2+: inactive formlE-: deprotonation form(还原态还原态)lEH2+: pro

35、tonation form(氧化态氧化态)With similar analysis and derivations as before, we can get,where 考虑到酶发挥最佳的活力状态是考虑到酶发挥最佳的活力状态是EH，最佳，最佳pH应该是唯一应该是唯一的，而在最佳的，而在最佳pH时，时，EH的浓度应该达到最大的浓度应该达到最大。为什么为什么酶反应的最佳酶反应的最佳pH会是在会是在pK1和和pK2之间之间? 因此，我们现在只要考察酶与质子因此，我们现在只要考察酶与质子H+的相互作用。的相互作用。根据根据解离常数解离常数的定义和酶的质量守恒可得：的定义和酶的质量守恒可得：消除消除

36、 E- 和和 EH2+ 项，可得到：项，可得到：令令 得到得到,即即,For CASE II (Ionic Substrate)The reaction scheme is as follow:Similarly, we can get, where SH+ + E+S + H+H+ESH+KmE + HP+k2K1EH+SKm 一般来说中，酶促反应的最佳一般来说中，酶促反应的最佳pH还是很难预测还是很难预测的，通常需要通过的，通常需要通过实验实验来确定。来确定。pH-activity profiles of two enzymes. (A)胃蛋白酶胃蛋白酶; (B) 延胡索酸酶延胡索酸酶(以

37、苹果酸为底物时以苹果酸为底物时) 温度对酶促反应的影响温度对酶促反应的影响 在较低的温度范围内，酶催在较低的温度范围内，酶催化反应速率会随着温度的升高化反应速率会随着温度的升高而加快，超过某一温度，即酶而加快，超过某一温度，即酶被加热到被加热到生理允许温度生理允许温度以上时，以上时，酶的反应速率反而随着温度的酶的反应速率反而随着温度的升高而下降。升高而下降。 这是由于温度升高，虽然可加速酶的催化反应速率，这是由于温度升高，虽然可加速酶的催化反应速率，同时也加快了酶的热失活速率。同时也加快了酶的热失活速率。1.1.温度激活作用温度激活作用 ( (上升区上升区) )酶催化反应速率常数中的酶催化反应

38、速率常数中的k2与温度的关系符合与温度的关系符合Arrhenius方程方程:即即, , 式中式中 E 活性酶的浓度活性酶的浓度; Ea 是反应活化能是反应活化能 (kcal/mol). R 是气体常数是气体常数 T 是绝对温度，是绝对温度，A是前因子是前因子2.热失活作用热失活作用 (下降区下降区) ( (酶的热变性作用酶的热变性作用) )酶的热变性失活符合一级反应动力学方程：酶的热变性失活符合一级反应动力学方程：式中式中 E0 酶的初始浓度酶的初始浓度;kd 变性常数变性常数.积分得到积分得到, , 此外此外, , 式中式中 Ed is the denaturation energy (kc

39、al/mol).例例2-1：将底物和酶加入到分批式反应器中，底物初始浓度为：将底物和酶加入到分批式反应器中，底物初始浓度为2mmol/L，经反应，转化率为，经反应，转化率为90%，求反应所需的时间，求反应所需的时间t。已。已知反应速率方程为知反应速率方程为:解：在分批式反应器中解：在分批式反应器中 即：即：积分得到：积分得到：转化率为转化率为90%，即，即(S0-S)/S0=0.9, S=0.2例例2-2：假设某酶有两个活性中心，它的反应机制可用下图：假设某酶有两个活性中心，它的反应机制可用下图表示，试根据稳态假设，求其速率方程式表示，试根据稳态假设，求其速率方程式E + SES + SE +

40、 PESSKmKSIES + Pk+2k+2解：根据解离平衡过程可得解：根据解离平衡过程可得 根据酶的质量守恒可得根据酶的质量守恒可得 将上面两式变换后可得将上面两式变换后可得 变换方程可以得到以下两式：变换方程可以得到以下两式： 当反应速率达到最大时，当反应速率达到最大时，所有的酶都以复合物的形式存在，所有的酶都以复合物的形式存在，则则 E0=ES+ESS, Vmax=k+2(ES+ESS)=k+2E0例例2-3：某酶催化反应，其：某酶催化反应，其Km=0.01 mol/L,现测得该反应进现测得该反应进行到行到10 min时，底物浓度为时，底物浓度为3.410-5 mol/L,已知已知S0=

41、3.410-4mol/L.假定该反应可用假定该反应可用M-M方程表示。试求：方程表示。试求：(1)最大反应速率是多少最大反应速率是多少?(2)反应反应20min后，底物浓度为多少？后，底物浓度为多少？解：已知米氏方程解：已知米氏方程及题中条件知及题中条件知S0Km则米氏方程可表示为则米氏方程可表示为10 min时时,S= 3.410-5,代入上式可得：代入上式可得：Vmax=(0.01ln10)/10=0.0023 mol L-1 min-1当当t=20 min, lnS=lnS0-Vmaxt/Km =ln(3.4X10-4)-0.0023X20/0.01 S20min=3.42X10-6 m

42、ol/LTwo-Substrate ReactionsRandom sequential mechanisms( (随机机制随机机制) )Ordered sequential mechanisms( (顺序机制顺序机制) )Ping-Pong mechanisms( (乒乓机制乒乓机制) ) 所有底物所有底物(A和和B)与酶结合后，反应才能发生；与酶结合后，反应才能发生； 各底物与酶的结合次序及产物与酶的释放次序是各底物与酶的结合次序及产物与酶的释放次序是随机随机的。的。I. Random sequential Bi Bi mechanismsI. Random sequential Bi B

43、i mechanisms反应反应底物底物A,B与酶与酶E结合结合产物产物P,Q从酶的结合点从酶的结合点释放释放I. Random sequential Bi Bi mechanismsI. Random sequential Bi Bi mechanismsBimolecular substratesBimolecular productsA useful relationship exists among above constantsRearrangement,(a)Relationship of v and AFrom eq(a), thenRelationship of v and B

44、Fixed substrate concentration dependence for enzymes displaying randomsequential mechanisms.Dependence of Vmax on A Dependence of K on ADependence of Vmax on B Dependence of K on BII. Ordered sequential Bi Bi mechanisms所有底物所有底物(A和和B)与酶结合后，反应才能发生；与酶结合后，反应才能发生；各底物与酶的结合及产物与酶的释放是各底物与酶的结合及产物与酶的释放是按一定次序进行

45、按一定次序进行的。的。反应反应底物底物A,B与酶与酶E结合结合产物产物P,Q从酶的结合点释放从酶的结合点释放Rearrangement,Relationship of v and BRelationship of v and AFixed substrate concentration dependence for enzymes displaying ordered sequential mechanismsdependence of Vmax on Bdependence of K on Bdependence of K on A底物底物A和和B始终不能同时与酶结合始终不能同时与酶结合;至

46、少有一个产物在所有底物完成反应之前至少有一个产物在所有底物完成反应之前从酶的结合位点释放从酶的结合位点释放.反应反应A与与E结合结合P与与E释释放放B与与E结合结合反应反应Q与与E释释放放生成产物生成产物P生成产物生成产物QIII. ping-pong Bi Bi mechanismsA relationship between E and E can also be obtained, assuming a steady state in the concentration of Ethen,Relationship of v and BwhereandFixed substrate con

47、centration dependence for enzymes displaying ping-pong mechanismsdependence of Vmax on Bdependence of K on BFixed substrate concentration dependence for enzymes displaying ping-pong mechanismsRelationship of v and Awhereanddependence of Vmax on Adependence of K on ADifferentiation Between Mechanisms

48、Differentiation Between MechanismsRelationship of the K and A or B思考题思考题1. 某一酶催化反应的某一酶催化反应的Km值为值为4.710-5mol/L，Vmax=22mol/(Lmin)，S=210-4mol/L，I=510-4mol/L，KI=310-4mol/L，试分别计，试分别计算在竞争性抑制、非竞争性抑制、反竞争性抑制算在竞争性抑制、非竞争性抑制、反竞争性抑制三种情况下的反应速率。三种情况下的反应速率。思考题思考题2. Scott等提出乳糖在乳糖酶存在时水解机理如下：等提出乳糖在乳糖酶存在时水解机理如下： E+S ES

49、 E+P+Q E+P EP式中式中 S、P、Q分别为乳糖、半乳糖和葡萄糖。分别为乳糖、半乳糖和葡萄糖。（1）用稳态法推导半乳糖生成的速率方程。）用稳态法推导半乳糖生成的速率方程。（2）判断半乳糖对此反应是竞争性还是非竞争性抑）判断半乳糖对此反应是竞争性还是非竞争性抑制？制？K+1K-1K+2K+3K-3思考题思考题3. 下列反应为一有产物抑制的酶催化反应：下列反应为一有产物抑制的酶催化反应： E+S ES E+P EP ES+P ESP EP+S EPS ES E+P （1）根据平衡假设，推导其速率方程；）根据平衡假设，推导其速率方程；（2）如果）如果ESP=EPS，推导的方程如何简化？，推导的方程如何简化？（3）如果存在）如果存在k-1/k+1=k-4/k+4和和k-2/k+2=k-3/k+3的的关系则由（关系则由（2）求得的方程中最大速率和米氏常数）求得的方程中最大速率和米氏常数如何表示？如何表示？K+1K-1K+2K-2K+3K-3K+4K-4K+5