動力學(xué)相關(guān)問題一酶反應(yīng)動力學(xué)

動力學(xué)相關(guān)問題一酶反應(yīng)動力學(xué)第一頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五一、酶的概念和作用

1．大多數(shù)酶是蛋白質(zhì)（Mostenzymesareproteins）1926年美國Sumner脲酶的結(jié)晶，并指出酶是蛋白質(zhì)1930年Northrop等得到了胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶的結(jié)晶，并進一步證明了酶是蛋白質(zhì)。J.B.SumnerJ.H.Northrop第二頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五20世紀(jì)80年代發(fā)現(xiàn)某些RNA有催化活性，還有一些抗體也有催化活性，甚至有些DNA也有催化活性，使酶是蛋白質(zhì)的傳統(tǒng)概念受到很大沖擊。第三頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五定義:酶(Enzyme)是生物體活細(xì)胞產(chǎn)生的具有特殊催化活性和特定空間構(gòu)象的生物大分子，包括蛋白質(zhì)及核酸，又稱為生物催化劑。絕大多數(shù)的酶都是蛋白質(zhì)。酶催化的生物化學(xué)反應(yīng)，稱為酶促反應(yīng)。在酶的催化下發(fā)生化學(xué)變化的物質(zhì)為底物。酶的定義第四頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五酶的分類：

（6）合成酶：乙酰輔酶A合成酶、青霉素合成酶（1）氧化還原酶：乙醇脫氫酶、葡萄糖氧化酶、過氧化氫酶等（2）轉(zhuǎn)移酶：丙酮酸激酶、肌酸激酶、轉(zhuǎn)氨酶（3）水解酶：淀粉酶、果膠酶、糖化酶、蛋白酶（4）裂合酶：草酰乙酸脫羧酶、水合酶、核酸聚合酶（5）異構(gòu)酶：葡萄糖異構(gòu)酶、甾類異構(gòu)酶第五頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五酶的結(jié)構(gòu)：單純酶和輔酶（輔因子）金屬離子、輔酶、輔基特點：酶的活性中心：由一些不連續(xù)的氨基酸基團殘基構(gòu)成空間構(gòu)象，形成催化中心。指酶結(jié)合底物并將底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的部位。

催化效率高、反應(yīng)條件溫和、酶的活性受調(diào)節(jié)控制，具有高度的特異性和選擇性。第六頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五酶活性中心結(jié)合部位（結(jié)合位）催化部位（催化位）結(jié)合部位決定酶的專一性催化部位決定酶所催化反應(yīng)的性質(zhì)。第七頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五酶的催化機制－1)中間產(chǎn)物學(xué)說酶在催化化學(xué)反應(yīng)時，酶與底物首先形成不穩(wěn)定的中間物，然后分解酶與產(chǎn)物。即酶將原來活化能很高的反應(yīng)分成兩個活化能較低的反應(yīng)來進行，因而加快了反應(yīng)速度。E+S====E-S

P+E第八頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五2）、鎖鑰學(xué)說（lockandKeytheory）

1894年

Fischer提出第九頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五3）、誘導(dǎo)契合學(xué)說（induced-fittheory）1958年

Koshland提出第十頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五酶反應(yīng)的高效性機制1、鄰近效應(yīng)與定向效應(yīng)（proximityandorientationeffect）底物分子結(jié)合到酶的活性中心，底物在酶活性中心的有效濃度大大增加；由于活性中心的立體結(jié)構(gòu)和相關(guān)基團的誘導(dǎo)和定向作用，使底物分子中參與反應(yīng)的基團相互接近，酶的催化基團與底物的反應(yīng)基團經(jīng)嚴(yán)格的軌道定向，使酶促反應(yīng)具有高效率和專一性特點。第十一頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五鄰近效應(yīng)：指兩個反應(yīng)的分子，它們反應(yīng)的基團需要互相靠近，才能反應(yīng)。定向效應(yīng):指酶的催化基團與底物的反應(yīng)基團之間的正確定向。第十二頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五2、張力效應(yīng)和底物形變（strainanddistortion）第十三頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五3、共價催化（covalentcatalysis）共價催化親電子催化親核催化酶與底物形成反應(yīng)活性很高的共價過渡產(chǎn)物，使反應(yīng)活化能降低，從而提高反應(yīng)速度的過程稱為共價催化。His的咪唑基，Cys的巰基，Asp的羧基，Ser的羥基等。某些輔酶也可以參與共價催化作用。第十四頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五4、酸堿催化（acid-basecatalysis）第十五頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五5、酶活性部位的微環(huán)境效應(yīng)某些酶分子表面常出現(xiàn)凹陷，而活性中心多半靠近或位于疏水微環(huán)境的凹陷中。由于疏水環(huán)境的介電常數(shù)較極性環(huán)境的介電常數(shù)為低，所以在疏水環(huán)境中兩個帶電場之間的作用力比在極性環(huán)境中的顯著增加。當(dāng)?shù)孜锓肿优c酶活性中心相結(jié)合時，就被埋在疏水環(huán)境中，其中底物與催化基團之間的作用力將比在極性環(huán)境中的作用力強很多。第十六頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五第十七頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五酶和底物結(jié)合的作用力：離子鍵、氫鍵、范德華力。立體化學(xué)專一性：光學(xué)異構(gòu)專一性、幾何異構(gòu)專一性酶的專一性和有關(guān)學(xué)說結(jié)構(gòu)專一性：鍵專一性、基團專一性第十八頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五鎖與鑰匙學(xué)說：第十九頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五誘導(dǎo)契合學(xué)說第二十頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五第二節(jié)酶反應(yīng)動力學(xué)酶反應(yīng)動力學(xué)是研究酶反應(yīng)的速度規(guī)律，以及影響此速度的各項因素之間關(guān)系的一門科學(xué)。它是生化工程的基礎(chǔ)，在研究酶反應(yīng)器的設(shè)計、性能、操作以及了解產(chǎn)物的數(shù)量、質(zhì)量等問題，都需要了解酶反應(yīng)動力學(xué)的知識。第二十一頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五酶反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)

影響酶促反應(yīng)的主要因素有：濃度因素（酶濃度、底物濃度）；外部因素（溫度、壓力、pH等）；內(nèi)部因素（結(jié)構(gòu)等）。影響酶促反應(yīng)的最基本因素是濃度因素，從濃度因素可得到速率常數(shù)，速率常數(shù)常被內(nèi)外因素所左右，這是單相酶促反應(yīng)動力學(xué)的核心內(nèi)容。第二十二頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五酶促反應(yīng)可采用化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)方法建立動力學(xué)方程如果酶促反應(yīng)速率與底物濃度無關(guān)，此時為零級反應(yīng)[S]－底物濃度；t－催化反應(yīng)時間；rmax－最大反應(yīng)速率如果酶促反應(yīng)速率與底物濃度一次方成正比，此時為一級反應(yīng)，即酶催化AB的過程[B]－產(chǎn)物濃度；t－催化反應(yīng)時間；k－一級反應(yīng)速率常數(shù)；[A]－底物濃度第二十三頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五一.單一底物動力學(xué)：

米氏方程（Michaelis-Menten)E+SE+PE+S[ES]P+Ek1k2k3[E]t－酶的總濃度；[S]－底物濃度，通常[S]>>[E]t[ES]－酶－底物絡(luò)合物的濃度；[E]－游離的酶濃度，[E]=[E]t－[ES]；絡(luò)合物ES的生成速率：絡(luò)合物ES的分解速率：第二十四頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五假定整個酶反應(yīng)體系處于動態(tài)平衡，即“擬穩(wěn)態(tài)”，即：ES的生成速率等于分解速率。由此可得：又反應(yīng)速度為：上式代入可得：第二十五頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五著名的米氏方程Km－米氏常數(shù)，是v＝vmax/2時的[S]值。Km越大意味著酶與底物的親和性低，反之親和性高；Km會隨著pH、溫度、離子強度變化。第二十六頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五第二十七頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五動力學(xué)常數(shù)Km與V的求取：L-B作圖法第二十八頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五動力學(xué)常數(shù)Km與V的求?。篍-H作圖法以v對v/[S]作圖，得一斜率為－Km的直線，與縱坐標(biāo)焦點為vmax，與橫坐標(biāo)交點為vmax/KmEadie-Hofstee法第二十九頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五動力學(xué)常數(shù)Km與V的求?。篐-W作圖法以[S]/v對[S]作圖，得一斜率為1/vmax的直線，與縱坐標(biāo)焦點為Km/vmax，與橫坐標(biāo)交點為-KmHanes-Woolf法第三十頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五有抑制作用的酶促動力學(xué)酶催化過程中，某些外援化合物能與酶相互作用，使酶的活性降低或喪失的現(xiàn)象，稱為酶的抑制作用。如果抑制劑與酶以非共價結(jié)合，引起酶活性暫時喪失，抑制劑可用諸如透析等物理方法被除去，而能部分或全部恢復(fù)酶的活性，則此類抑制稱為可逆抑制。此時，酶與抑制劑的結(jié)合存在著解離平衡的關(guān)系。如果抑制劑與酶的基團成共價結(jié)合，則此時不能用物理法去掉抑制劑，此類抑制稱為不可逆抑制。第三十一頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五競爭性抑制動力學(xué)反競爭性抑制動力學(xué)非競爭性抑制動力學(xué)底物型抑制動力學(xué)不可逆抑制動力學(xué)主要學(xué)習(xí)以下抑制動力學(xué)第三十二頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五（a)競爭性抑制動力學(xué)

若反應(yīng)體系中存在有與底物結(jié)構(gòu)類似物的物質(zhì)，該物質(zhì)能在酶的活性部位上結(jié)合，從而阻礙了酶與底物的結(jié)合，使酶催化底物的反應(yīng)速率下降。這種抑制成為競爭性抑制。主要特點：抑制劑與底物競爭酶的活性部位，當(dāng)抑制劑與酶的活性部位結(jié)合之后，底物就不能再與酶結(jié)合。E+I[EI]E+S[ES]P+Ek1k－1k2k3k-3第三十三頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五E+I[EI]E+S[ES]P+Ek1k－1k2[E]t－酶的總濃度；[S]－底物濃度，通常[S]>>[E]t[ES]－酶－底物絡(luò)合物的濃度；[E]－游離的酶濃度；

I－為抑制劑；[EI]－為非活性復(fù)合物由假穩(wěn)態(tài)得：絡(luò)合物ES的分解速率：k3k-3[E]t=[E]＋[ES]+[EI]；第三十四頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五經(jīng)整理得到：（KI－為抑制劑的解離常數(shù)；Km*－有抑制劑存在時的表觀米氏常數(shù)）第三十五頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五競爭性動力學(xué)常數(shù)Km*、KI與Vmax的求?。鹤鲌D法斜率＝Km/KIKm*[I]-KIKm**第三十六頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五競爭性動力學(xué)與無抑制動力學(xué)對比KI值越小，表明抑制劑與酶結(jié)合越強，抑制作用越大。第三十七頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五（b)非競爭性抑制動力學(xué)①抑制劑與酶的非活性部位結(jié)合，形成復(fù)合物，該復(fù)合物再與底物相結(jié)合；②底物與酶相結(jié)合生成的復(fù)合物，其中一部分與抑制劑相結(jié)合。雖然，底物、抑制劑和酶的結(jié)合之間無競爭，但兩者與酶形成的復(fù)合物可使酶的三維結(jié)構(gòu)變化，導(dǎo)致酶催化反應(yīng)速率下降。這種抑制成為非競爭性抑制。E+I[EI]E+S[ES]P+Ek1k－1k2k3k-3ES+I[ESI]k-4k-4EI+S[EIS]k-5k-5第三十八頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五E+I[EI]E+S[ES]P+Ek1k－1k2k3k-3ES+I[ESI]k-4k-4EI+S[EIS]k-5k-5經(jīng)整理得到：（KI－為抑制劑的解離常數(shù)；vmax－有抑制劑存在時的最大反應(yīng)速度）第三十九頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五非競爭性動力學(xué)常數(shù)的求取：作圖法**第四十頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五非競爭性動力學(xué)與無抑制動力學(xué)對比表明：非競爭抑制作用使vmax下降了（1+[I]/KI)第四十一頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五（c)反競爭性抑制動力學(xué)

抑制劑不直接與酶結(jié)合，而只能與酶－底物的復(fù)合物[ES]相結(jié)合，生成[ESI]復(fù)合物，該復(fù)合物不能生成產(chǎn)物。因為底物與酶的結(jié)合改變了酶的構(gòu)型，出現(xiàn)了能與抑制劑相結(jié)合的中心，最終導(dǎo)致酶催化反應(yīng)速率的下降。這種抑制成為反競爭性抑制。[ES]+I[ESI]E+S[ES]P+Ek1k－1k2k3k-3第四十二頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五[ES]+I[ESI]E+S[ES]P+Ek－1k3k-3經(jīng)整理得到：第四十三頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五反競爭性動力學(xué)與無抑制動力學(xué)對比第四十四頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五（d)底物抑制動力學(xué)

有的酶促反應(yīng)中，當(dāng)高濃度底物時，其反應(yīng)速率會隨底物濃度的提高而下降，稱為底物的抑制作用。原因是多個底物分子與酶活性部位相結(jié)合后，形成的復(fù)合物不能分解為產(chǎn)物，從而阻礙了酶與底物的結(jié)合，使酶催化底物的反應(yīng)速率下降。這種抑制成為底物抑制。[ES]+S[SES]E+S[ES]P+Ek1k－1k2k3k-3第四十五頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五競爭性動力學(xué)常數(shù)Km*、KI與Vmax的求取：作圖法斜率＝Km/KIKm*[I]-KIKm**第四十六頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五[ES]+S[SES]E+S[ES]P+Ek1k－1k2k3k-3經(jīng)整理得到：第四十七頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五底物競爭性動力學(xué)第四十八頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五第四十九頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五第五十頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五

（e)不可逆抑制的酶促動力學(xué)

指抑制劑與酶活性部位的氨基酸殘基形成共價鍵，致使酶永久性地失去活性。一般把抑制劑與酶反應(yīng)的解離常數(shù)K的數(shù)量級為10－9mol/L以下的抑制稱為不可逆抑制。E+S[ES]P+Eksk2E+I[EI][EI*]k1ki第五十一頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五經(jīng)整理得到：E+S[ES]P+Eksk2E+I[EI][EI*]k1ki第五十二頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五有序反應(yīng)隨機反應(yīng)

二.雙底物酶催化反應(yīng)動力學(xué)

乒乓機制：

第五十三頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五隨機反應(yīng)機制A+BP+Q反應(yīng)機理為：E+A[EA]k1k21[EA]+B[EAB]k12E+B[EB]k2[EB]+A[EBA][EAB]E+P+Qk第五十四頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五E+A[EA]k1k21[EA]+B[EAB]k12E+B[EB]k2[EB]+A[EBA][EAB]E+P+Qk有以下關(guān)系：第五十五頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五經(jīng)整理得到：第五十六頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五復(fù)雜動力學(xué)模型求取參數(shù)方法1）測定實驗數(shù)據(jù)，如S、P等與時間的關(guān)系2）建立動力學(xué)模型（微分方程）4）用數(shù)值積分解微分方程（Ronger-Kutta）5）最優(yōu)化搜索修正參數(shù)（比較計算值和實驗值）如單純形法、馬夸特法等3）設(shè)定模型參數(shù)初值第五十七頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五三.影響酶活性的因素影響酶活性的因素有：酶濃度、pH、溫度、離子強度、滲透壓和抑制劑（1)pH的影響pH對酶活性的影響主要表現(xiàn)在兩個方面：①pH可能影響酶的穩(wěn)定性，改變酶的構(gòu)象，過酸或過堿，均會引起酶的不可逆失活；②pH對動力學(xué)參數(shù)的影響。第五十八頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五EE－

E2--H++H+-H++H+K1K2pHV第五十九頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五三.影響酶活性的因素（2)T的影響①在較低的溫度范圍內(nèi)，反應(yīng)活性隨溫度的升高而升高；②當(dāng)溫度超過酶所允許的生理溫度以上時，隨著溫度的升高，酶的熱變性失活速率會增加，導(dǎo)致酶活性下降，酶反應(yīng)速度隨溫度升高而下降。T酶活第六十頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期五四.酶的界面催化動力學(xué)①酶催化固態(tài)不溶性底物進行反應(yīng)，如纖維素酶水解纖維素；②酶催化液態(tài)不溶性底